Energia és mobilitás zöld szemszögből

Atomgolyók biztonságosan

2020. július 15. • írta: ZöldEnergia

Elképzelhető, hogy egy új technológia, amelyet a tudósok szabatos fordításban atomgolyóknak hívnak (angolul 'power balls'), forradalmian megváltoztatja majd az atomenergia termelést, hiszen sokkal magasabb üzemi hőmérsékletet lesz tehetővé anélkül, hogy az atomreaktorok rémálmának tekintet leolvadást (zónaolvadást) okozna. Ennek titka az, hogy a fűtőanyagként használt uránt egy olyan védőbevonattal látnak el, amely segítségével akár 1600 °C feletti (3000 °F) hőmérsékletet is kibír, írja a Popular Mechanics.

Az úgynevezett triso, vagyis három szerkezetű izotóp (angolul 'tristructural isotope') golyók közepén található az urán-trioxid fűtőanyag, amelyet egy kerámia és grafit védőrétegek vonnak be. Ennek a megoldásnak köszönhetően nemcsak a meglévő atomreaktorok működését lehet majd sokkal biztonságosabbá tenni, de az új, kisméretű moduláris reaktorok biztonsága is oly mértékben feljavítható, amely segítségével talán széles(ebb) körben is elterjednek majd.

A belső, fűtőelemként funkcionáló urán-oxid magot bevonó kerámia szilícium-karbid alapú, amelyet már most széles körben alkalmaznak csiszolópapír dörzsrétegként vagy a kerámia alapú féktárcsák anyagaként. A karbid nagyon ellenálló a magas hőmérséklettel szemben, ennek köszönhetően alkalmazzák magas hőmérsékletű kazánok és hőkemencék bevonataként és például a nagy teljesítményű LED-ek hőpajzsaként is.

A golyókat az élelmiszeriparban is, pl. cukorkák készítéséhez használt eljáráshoz hasonló módon készítik. Először az urán-oxidot olyan vegyszerrel keverik össze, aminek hatására mákszem nagyságú (kb. egy milliméter átmérőjű) zselészerű kis golyókra esik szét. Egy speciális hőkamrában aztán ezeket a kisméretű gömböket olyan gázokkal kezelik, amelyek a hőmérséklet hatására grafittá és szilícium-karbiddá alakulnak, és így tudják az urántartalmú magot egyenletesen, több rétegben bevonni. Az így elkészült kis gömböket aztán a reaktorokban használatos kapszulákba lehet csomagolni.

A fenti képen látható gömb az X-Energy TRISO-X termékét mutatja be. Emellett a BWXT nevű vállalat is komolyan foglalkozik az ilyen típusú fűtőanyag fejlesztéssel, de ők új, 3D-s nyomtatási technikával készülő reaktorokkal is foglalkoznak.

Az atomreaktorok hatásfoka attól is függ, hogy milyen magas hőmérsékleten tudják stabilan fenntartani a hasadási folyamatokat anélkül, hogy az aktív fűtőanyagot tartalmazó kapszulák végérvényesen összeolvadjanak, és ezzel megszűnjön az aktív hőelvonás (hűtés) lehetősége. A jelenleg is használt megoldások általában 'csak' 600–700 °C alatti stabil működést tesznek lehetővé. Az új, triso megoldás viszont akár 1600 °C fokig is stabilan működik, hiszen a részecskéket bevonó rétegek megakadályozzák azon nagyobb csomókká történő összeolvadását, és a 'leolvadás' megindulását. Vagyis a hagyományos reaktorok működése során ezek a fűtőanyagok egyszerűen nem tudnak leolvadni.

Ez pedig azt is jelenti, hogy az emberi hibák által okozott balesetek is nagyrészt elkerülhetőek lehetnének, hiszen az ilyen helyzetekben is a leolvadás során helyileg felszabaduló hő miatt alakul kis olyan vészhelyzet, amely végeredményben a gőzrobbanásokhoz és a védelmet adó biztonsági rendszerek katasztrofális hibájához vezet. Ennek köszönhetően a mostani költséges redundáns megoldások is egyszerűbbé — és emiatt olcsóbbá is — válhatnának az ilyen fűtőanyagok alkalmazása esetén, amellett, hogy biztonságosabb működést tesznek majd lehetővé. Ez már csak azért is fontos, mert a jelenlegi tervek szerint több olyan erőmű kivitelezése is folyamatban van, amelyek kapacitása a Fukushima-i erőműnek többszöröse.

Az elmúlt évtizedekben a központi hatóságok rendszerint egyre nagyobb és nagyobb kapacitású atomreaktorok építését támogatták, mert így lehetett csak az egyre növekvő szigorúságú biztonsági megoldásokat rentábilisan kivitelezni. Az új fűtőanyagnak köszönhetően olyan kisebb reaktorok építése is megtérülne gazdasági szempontokból, amelyek pl. egy milliós város energiaigényét tudják kielégíteni. Ilyen méretű városból Kínában kb. 160 van már. A fosszilis energiahordozókat használó erőművekhez képest (kőszén, kőolaj, földgáz), az atomreaktorok sokkal kisebb, szinte elhanyagolható mértékű szén-dioxid kibocsátással rendelkeznek csak.

Az ilyen kisebb, moduláris rendszerben épített reaktorok csak akkor tudnak biztonságosan működni, ha a lehető legtöbb külső beavatkozás nélkül ('magától') is működő megoldást tartalmaznak, anélkül, hogy a rendszert túlzottan komplikálttá tennék ezzel. Az, hogy ez ténylegesen sikerül is a mostani új fűtőanyaggal, még a jövő kérdése.

29 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://zoldenergia.blog.hu/api/trackback/id/tr2815995744

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.15. 19:45:23

Remek megoldás, de így csak a gázhűtésű reaktorok jönnek szóba, mert 400 fok felett a víz relatív permittivitása magas és oxidáló szerként viselkedik szinte. Viszont ilyen magas hőmérsékleten mivel oldják meg a turbinák tengelyeinek kenését? A gázhűtésnek meg csak a hélium jön szóba, az meg nagyon drága. A neon befogási hatáskeresztmetszete neutronokra 3-4 barn, az mondjuk nem olyan sok. Oxigén nem jön szóba, nitrogén sem.

röf 2020.07.15. 20:56:37

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
Vannak erre szintetikus olajok, ez a hőfok nem probléma.

Szása11 2020.07.15. 21:18:57

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
A víz nem csak a reaktor hűtéséről gondoskodik, de egyben moderáló közeg is!

erkölcsi hulla 2020.07.15. 21:21:23

Jó hír. Olyan 50 év múlva lehet majd alkalmazzák is.

Pont mint a mini moduláris reaktorokat, az is rohadt érdekes.

Lehet ezeket még megérem, már ha a fúziós erőműveket biztos hogy nem.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.15. 21:22:03

@röf: Olaj? Nincs az az olaj amelyik kibír 700 Celsius fokot. Szerintem.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.15. 21:25:13

@Szása11: Az meg kit érdekel? Én a relatív permittivitásáról beszéltem. Ilyen hőmérsékleten a víz reakcióba lép a grafittal és a karbidokkal. A másodfajú fémekről nem is szólva.

CoolKoon 2020.07.15. 23:06:56

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll: Sóolvadékkal? A tengelyek kenésére pedig már most léteznek megoldások, ott van a dízelmotorok turbója (ill. a turbó nagynyomású kompresszora), azt is van ami kenje, pedig ott is elég durva hőfokok vannak ám. Nekem így kapásból a grafit ugrik be amúgy, ami légmentes környezetben simán kibír nagyon sokmindent (ugyanis az egyik legmagasabb "olvadáspontú" anyagról van szó).

röf 2020.07.16. 06:35:09

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
Hát a 700 fok az tényleg durva, de nem gondolnám, hogy ennyire hevülnek a turbinák siklócsapágyai...

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.16. 07:02:27

@röf: Ha 700 fokos a gáz ami kijön a reaktorból, akkor igen.
@CoolKoon: Attól még szilárd anyag, rendben hogy puha. Kétségeim vannak. Talán valamilyen fémolvadék, nátrium, vagy kálium.

röf 2020.07.16. 09:23:03

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
Gugliztam, az a helyzet, már most is vannak olyan gőzparaméterekkel működő blokkok, ahol a turbinába belépő gőz nyomása >300bar és a hőmérséklete 650 - 700 fok. A szakcikkek nem is a kenésen aggódnak, hanem a turbinalapátok tömegéből és kerületi sebességéből adódó terhelésén.

Quas! 2020.07.16. 11:39:35

Ez a 650-700fokos gőz a szenes erőműveknél van, ahol a gőzt "közvetlenül" melegíted. Ha az atomreaktor vízmoderártoros, akkor nem megengedhető, hogy gőzbuborékok keletkezzenek az üzemanyag körül. 400fokos folyékony víz nincs, ha jól emlékszem a víz 372fok felett csak gőz halmazállapotban létezik, bármekkora is a nyomás. Mielőtt belekötne bárki is, természetesen celsius fokról van szó.

]{udarauszkasz 2020.07.16. 12:07:33

Urhajokba, ionhajtomuvek ellatasara, az ipar vilagurbe valo kikoltoztetesekor jol johet egy ilyen.
Az energiaellatas problema a vilagurben, nem mindenhol lehet napelemeket alkalmazni. (a Holdon pl 2 hetig tart az ejszaka, a Naprendszer tavoli videkein se tuz ugy a Nap, mint a Foldon...

röf 2020.07.16. 13:36:18

@Quas!:
Nem írtam oda, de szenes blokkra értettem.
Csak onnan indult a beszélgetés, hogy ilyen gőzparaméterek mellett lehet-e normális kenése a siklócsapágyaknak. De a csapágyak a turbinaházakon kívül vannak, ezért nem látom megoldhatatlannak a dolgot.

David Bowman 2020.07.16. 13:49:50

@erkölcsi hulla: Mostanában akarsz elpatkolni? Az ITER tíz éven belül termelni fog.

David Bowman 2020.07.16. 13:53:39

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll: Talán ezért van kívül a kerámia. Az meg már eleve oxid.

David Bowman 2020.07.16. 13:56:49

@röf: Ha a repülőgépmotorokon meg tudják oldani, akkor ez is sikerülni fog. Ott ha jól tévedek már 1350℃ körül jár a gázhőmérséklet.

David Bowman 2020.07.16. 13:59:02

@röf: És akkor még ott vannak a hőcserélők. Simán be lehet cserélni egy tonna 700 fokos gázt két tonna 350 fokos gőzre.

Wildhunt 2020.07.16. 14:20:22

@David Bowman: ez a legutóbbi tesztek óta sajnos egyáltalán nem biztos. Talán ha sikerül kvantumszámítógéppel megoldani a plazma szabályozását. Az lenne a harmadik tűzgyújtás.

Mad Marx 2020.07.16. 18:48:15

@David Bowman: Az ITER a dolgok jelenlegi állása szerint valószínűleg soha sem fog termelni, egyelőre nagyon úgy néz ki, hogy alulbecsülték a feladat nagyságát.

Wildhunt 2020.07.17. 09:05:54

@Mad Marx: kellene egy újabb Szilárd Leó, az a baj.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.17. 09:24:03

@David Bowman: Csak akkor lényegesen romlik a hatásfokod. ( Carnot)

A sugárhajtású repülőgép hajtóművek tengelyét a bemenő hideg levegő hűti, az égés már a turbinák után van.

Hiába van kívül kerámia, ilyen hőmérsékleten a víz azon simán átdiffundál. A sugárzás miatt keletkező rövid ideig létező szabad protonok meg főképp. A víz itt hűtésre szerintem alkalmatlan. Már eleve milyen fém tartályba tennék? Az acél, titán, cirkónium ezen a hőmérsékleten mind reagál a vízzel. Minden átmeneti fémre ez igaz, kivéve a hidrogénnél alacsonyabb potenciálú fémeket. Arany, ezüst, réz, platina... :-))

gigabursch 2020.07.18. 12:36:06

@David Bowman:
Igen. Költségeket.

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
A víz hármaspontja felett már csak gáz halmazállapotban leledzik a középiskolás fizika szerint. => Viszont akkor már értelmezhetetlen a radioaktivitás szempontjából a "szigetelő-képessége".

@CoolKoon:
Bocsi, de a belső égésű motork füstgáza átment egy kiterjeszkedési fázison, ahol munkavégzé közben elég jelentősen hül is.

CoolKoon 2020.07.18. 13:16:26

@gigabursch: "munkavégzé közben elég jelentősen hül is" - Ez mind szép és jó, de az üzemhőmérséklet a "jelentős hűlés" ellenére még mindig többszáz fokot jelent, többet, mint amennyi egy mai, nehézvizes vagy akár egy nyomottvizes reaktorban van.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.18. 14:12:49

A radioaktivitás szempontjából való "szigetelés" nem függ a halmazállapottól, csak az egységnyi térfogatban lévő atommagok és azok adott hatáskeresztmetszetétől. Szórás, befogás.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.18. 14:14:49

@gigabursch: Mellesleg a hármaspontot kevered a kritikus hőmérséklettel.

gigabursch 2020.07.19. 14:30:13

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
OK, köszi a választ.

Valóban kevertem. Utánaolvastam...
Szóval a 'tömör' víz, meg a vele azonos molekulaszámot tartalmazó gőz/gáz ugyanakkora elnyelőképességgel rendelkezik? Ha jól értem....

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.07.19. 20:49:05

@gigabursch: A nukleáris folyamatok atommagok között történnek - szórás, befogás, hasítás. Az hogy egy atommagnak az adott reakcióra mekkora a hajlandósága azt a hatáskeresztmetszettel jellemzik. Mértékegysége a barn ami 10*E-24 cm2. Vagyis mekkorának látszik az atommag az adott reakcióban. Ez a halmazállapottól nem függ.