Transcript Atomreaktorok anyagai - DE Műszaki Kar

ATOMREAKTOROK ANYAGAI
10. előadás
Dr. Trampus Péter
egyetemi tanár
06 20 9855970
[email protected]
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek
élettartam gazdálkodása:
…divat vagy eszköz?
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművi kapacitás alakulása
Csernobil
TMI
?
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek élettartam gazdálkodása (ÉG)
(hagyományos definíció)
Az erőmű tulajdonosának tudatos gazdasági-műszaki
intézkedései
• a rendszerek és rendszerelemek üzemeltetésének,
karbantartásának és üzemidejének optimalizálása,
• a termelés és a biztonság elfogadható szintjének biztosítása,
• az erőmű üzemideje alatti maximális nyereség megvalósítása
céljából
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek élettartam gazdálkodása (ÉG)
(egyszerűsített definíció)
Az atomerőmű üzemeltetése mindaddig,
ameddig az előállított villamos energiára igény
van, és
a termelés a megkövetelt biztonság mellett
gazdaságosan folytatható
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek élettartam gazdálkodása (ÉG)
(kibővített – korszerű - definíció)
• Az atomerőmű
– fizikai állapotának (karbantartás,ellenőrzés és vizsgálat,
modernizálás, engineering),
– emberi erőforrásainak és tudásbázisának (emberi erőforrás és
tudás management),
– tervezési alapjának biztosítása (biztonságnövelés),
• a vonatkozó K+F igények megfogalmazása,
• mindezek integrálása és optimalizálása
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
ÉG lehetséges célkitűzései
• Üzemeltetés a tervezett üzemidő végéig
• Üzemeltetés a tervezett üzemidőn túl (ÜZEMIDŐ
HOSSZABBÍTÁS)
• Teljesítmény növelése
• Rendelkezésre állás növelése
• Biztonság növelése
• …
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Élettartam - üzemidő
Típusválasztás
Tervezés
Engedélyeztetés
Pénzügyi lebonyolítás
Építés
Tervezési élettartam
Üzemidő
Felkészülés
a leszerelésre
Leszerelés
Döntés az
atomerőmű
mellett
Végleges
leállítás
Indítás
Élettartam
Naptári idő
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Leszerelés
befejezése
Élettartamok
•
•
•
•
•
•
•
•
Műszaki
Tervezési
Engedélyezési
Üzemeltetési (üzemidő)
Pénzügyi (amortizációs)
Gazdaságossági (kapacitás kiváltás)
Politikai
…
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
ÉG kialakulásának tényezői (+/-)
•
•
•
•
Fenntartható energia szolgáltatás
Atomenergia ellentmondásos megítélése
Gazdaságosság
„Jövő atomerőművei” belépésének várható
időpontja
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Fenntartható energia szolgáltatás (1)
• Villamos energia igény növekedése
• Környezeti hatások
– Radioaktív hulladék
– Globális klímaváltozás
• Energia tartalékok
– Szén, gáz, olaj, U, Th (nem korlátlan, de nem kritikus)
– Megújuló (korlátlan, de kihasználásuk kérdéses)
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Fenntartható energia szolgáltatás (2)
• Lehetőségek:
– Népesség növekedés stabilizálása*
– Energia hatékonyság növelése
– Megújuló források arányának növelése
– Atomenergia
– Fosszilis fűtőanyag égetéséből származó CO2
leválasztása
• Következtetés:
– ATOMENERGIA EGY AZ OPCIÓK KÖZÜL
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Az ENSZ „emberi jólét” indexe és
a villamos energia fogyasztás
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Kielégített
szükségletek
Energiapolitika Maslow piramisa
Társadalmi
elfogadottság
Párbeszéd
lehetősége
Környezetvédelem
Szükségletek
hiánya
Gazdaságosság
?
Megbízható szolgáltatás
Hozzáférés az energiához
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Gazdaságosság
• Létesítés fajlagos költsége magas
• Létesítés pénzügyi kockázata nagy
– késés / felfüggesztés
• Villamos energia piaci liberalizáció
– üzemelő atomerőművek versenyhelyzetbe kerültek
• Stabilan alacsony fűtőelem ár
• „Külső” költségek
– környezet- és egészségkárosítás forintosítása
• Kibocsátás kereskedelem
• Következmény:
– ÜZEMELŐ ATOMERŐMŰVEK HELYZETBE HOZTÁK MAGUKAT
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Rendelkezésre állás növekedése
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
IAEA Nuclear Technology Review, 2004
Atomenergia ellentmondásos megítélése
• Okok:
– történelmi,
– racionális – irracionális,
– ismerethiány
• Hangsúly eltolódások:
– Fizikai biztonság (9/11)
• Következmény:
– ÚJ ATOMERŐMŰVEK ÉPÍTÉSE HELYETT: ÜZEMELŐ
ATOMERŐMŰVEK KIHASZNÁLÁSA
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek fejlődésének fokozatai
I. generáció
II. generáció
Korai
prototípusok:
• Shippingport
• Dresden
• Fermi I
• Magnox
1950
III. generáció
Kereskedelmi
típusok:
• PWR / BWR
• CANDU
• AGR
• VVER / RBMK
1970
IV. generáció
Evolúciós
típusok:
• ABWR
• AP 600
• System 80+
• EPR
1990
Innovatív típusok:
• gázhűtésű gyors
• folyékony-fém
hűtésű gyors
• sóolvadék hűtésű
• szuperkritikus
vízhűtésű
• igen
nagyhőmérsékletű
2010
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
2030
Jövő atomerőműveivel szemben támasztott
követelmények
• A villamos energia árának versenyképesnek kell lennie más
energiahordozókkal szemben
• Alacsony pénzügyi kockázat (építési költségek: 1000 US$/kW, építési
idő 3 - 4 év)
• A biztonságot a közvélemény előtt is bizonyítani kell tudni
• A radioaktív hulladék mennyiségét jelentősen csökkenteni kell
• A teljes fűtőelem ciklusnak érzéketlennek kell lennie katonai célú
felhasználásra
• Belépésük várható időpontja:
2030 KÖRÜL
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Az egyes tényezők ÉG motiváló hatása
• Energia szolgáltatás:
+
• Gazdasági tényezők:
+/(-)
• Ellentmondásos megítélés:
n. j.
• Jövő atomerőművei:
+
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Atomerőművek élettartam gazdálkodása:
híd a XX. és a XXI. század
nukleáris technológiája között
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Műszaki
elemzés
Döntés az
üzemidő hosszabbításról
Gazdasági
számítások
Biztonsági
szempontok
Élettartam korlátozó
berendezések
kiválasztása
Termelési
szempontok
Erőmű-specifikus
adatok
Adatbázis
létrehozása
Tervezés, gyártás
Aktuális állapot
meghatározása
Kritérium:
biztonsági tartalék
Élettartam
becslés
Általános információk:
•öregedés,
•törésmechanika,
•nemzetközi tapasztalatok
Specifikus információk:
•null-állapot
•üzemközbeni ellenőrzés
•diagnosztika
Mértékadó
öregedési
mechanizmus(ok)
Intézkedések:
Gazdasági
megfontolások
•üzemviteli módosítások
•karbantartási stratégia
•rekonstrukció (rendszer)
•berendezés csere
•biztonságnövelési intézkedés
Kutatás-fejlesztés
eredményei
Rendelkezésreállás
Üzemeltetési engedély
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010.
II. félév
megtartása
meghosszabbítása
Élettartam gazdálkodás ütemezése
Rendelkezésre állás, %
100
élettartam gazdálkodás
(üzemidő hosszabbítás)
80
60
„normál”
üzemeltetés
40
20
0
10
30
40
20
Üzemeltetési idő, év
50
60
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
70
Kritikus berendezések
Rangsor
Megnevezés
1
Reaktortartály
2
Konténment és alaplap
3
Főkeringtető vezeték és reaktorcsonk toldatok
4
Gőzfejlesztő hőátadó csövek
5
Főkeringtető szivattyúk
6
Térfogatkiegyenlítő tartály
7
Szabályozó rúd hajtás mechanizmusok
8
Kábelek és csatlakozók
9
Diesel generátorok
10
Reaktor belső berendezések
11
Reaktortartály tartószerkezet
12
Tápvíz vezetékek, csonkok és gőzfejlesztő köpeny
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Élettartam kimerülési folyamat
MÉRTÉKADÓ ANYAGJELLEMZŐ
Tényleges élettartam kimerülés
IGÉNYBEVÉTELI PARAMÉTER
Igénybevétel
csökkentése
Tervezési élettartam
t1
t2
t3
t4
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki
I d Kar,
ő 2009/2010. II. félév
Kezdeti biztonági tartalék
Biztonsági
követelmények
változása
Biztonsági tartalék
Rekonstrukció, csere
Biztonsági tartalék
Igénybevétel - Anyagjellemző
Tervezési görbe
Üzemidő hosszabbítás lehetőségei (hw)
• Berendezés igénybevételének csökkentése
– Normál igénybevétel: átalakítás (GF tápvíz elosztó)
– Tranziens igénybevétel: amplitúdó (ZÜHR közeg hőmérséklet növelés) és/vagy
ciklusszám csökkentése
• Élettartam kimerülési folyamat lassítása
– Teljesítmény csökkentés (!)
– Zónamódosítás (kis neutron kiszökés, árnyékolás)
– Szerkezeti anyag ellenállásának növelése:
• Kondenzátor csőcsere,
• Ferrites csőívek cseréje ausztenitesre,
• KR megfogó fej gyártástechnológia módosítása
– Karbantartás
– Felújítás (reaktortartály zóna öv hőkezelés)
– Berendezés csere (GF)
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Üzemidő hosszabbítás lehetőségei (sw)
• Élettartam becslés megbízhatóságának növelése
(bizonytalanságok csökkentése)
– Elemzés módszertana / modellalkotás
• Determinisztikus kontra valószínűségi
• Empirikus korreláción kontra fizikai alapokon nyugvó
– Mérési és számítási módszerek
• Diagnosztikai eljárások
• POD növelése (roncsolásmentes vizsgálat)
– Modellek pontosságának növelése (geometria, terhelés,…)
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
TÉNYLEGES ÜZEMIDŐ
Tartályfal és próbatest azonosság
Tartályfal és próbatest hőmérséklete
Bizonytalanságok
Fluxus és fluens mérés
példa: PTS elemzés
Lead faktor számítás
Telítődési effektus
Besugárzási idő hatása
Mechanikai vizsgálatok hibája (nullállapot)
Besugárzott próbatestek
vizsgálatának hibája
Mechanikai vizsgálatok értékelésének
hibája
Referenciagörbe meghatározása
Roncsolásmentes vizsgálatok hibája
Posztulált hiba kiválasztása
Üzemzavari tranziens kiválasztása
min
közép
Feszültséganalízis
max
Atomreaktorok anyagai SZÁMÍTOTT
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
ÜZEMIDŐ
A bizonytalanságokról
• Oka: hiányos tudás
• Bizonytalanságok fajtái:
– Sztochasztikus folyamatból adódó aleatory uncertainty
(pl. ridegtörés: sztochasztikus eloszlású karbidok - „leggyengébb
láncszem”)
– Ismerethiányból adódó epistemic uncertainty
(pl. folytonossági hiány eloszlás – Marshall jelentés eloszlás
függvénye kontra NRC eloszlásfüggvénye)
• Kiküszöbölésük:
– lehetséges? elvileg IGEN, de a források korlátozottak
– gyakorlatban: az ismerethiányból adódóak kiküszöbölése folyamatos
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
Ferrites acélok szívós-rideg átmenete
Anyagminőség: 22NiMoCr37
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév
ÜH engedélyezés lehetőségei
• Üzemeltetési engedély határozott időre szól (USA: 40 év)
– Új üzemeltetési engedély további 20 évre
• Üzemeltetési engedély határozatlan időre szól (Európa)
– Időszakos biztonsági felülvizsgálat (IBF, PSR) 10 évenként, automatikusan
biztosítja
• Magyarország:
– Tervezett üzemidő: 30 év
– Első üzemeltetési engedély határozatlan időre szólt
– IBF 1996 óta hatályban, ma ez határozza meg az üzemidőt
Új üzemeltetési engedély kiadása
Atomreaktorok anyagai
Debreceni Egyetem, Műszaki Kar, 2009/2010. II. félév