Uránatomokból villanyáram – így működik a cernavodai erőmű

A múlt héten leállították a cernavodai atomerőmű 2-es, még működő reaktorát, mivel a Duna vízszintje annyira leapadt a folyam vízgyűjtő térségét érintő hosszú aszály miatt, hogy az áramtermelő létesítmény hűtését nem lehetett biztosítani. Az atomerőmű két reaktorral működik, az 1-est azonban már korábban lekapcsolták, hogy előre betervezett karbantartási munkálatokat végezzenek rajta.

A 2-es reaktor leállításával Románia atomenergia nélkül maradt, a cernavodai ugyanis az egyetlen ilyen erőmű az országban. Igen fontos szerepe van az ország áramellátásában, ez a két reaktor biztosítja a hazai áramfogyasztás egyötödét. Ez nehéz terhet ró az állami költségvetésre, mivel a kiesett árammennyiséget más forrásokból kell biztosítani, a villamos energia 20 százalékának kiesését ugyanis nagyon megérezné a gazdaság és a lakosság is. Vagyis ezt az áramot importálni kell, ami általában jelentősen magas áron történik.

De nézzük meg egy kicsit közelebbről, mi is az az atomreaktor, hogyan termeli az elektromos energiát és tekintsük át a majd a cernavodai erőmű történetét és jelentőségét is.

Az atomreaktor működésének alapja a maghasadás, amelynek során egy kémiai elem, jelen esetben az urán atommagja egy neutron elnyelése nyomán elbomlik, ennek következtében egyrészt új elemek jönnek létre, az energia többi része pedig radioaktív sugárzás és hő formájában szabadul fel. Ezt a hőt használják fel az atomerőművekben áramtermelésre.

Egy villamos energia termelésére használt atomerőmű a működési elvét tekintve igen egyszerű szerkezet. Lényegében egy hőtermelő erőmű, amelyben a meleget nem valamilyen anyag elégetésével – olaj, gáz, szén – termelik, hanem radioaktív bomlással. Az atomerőműbe bele kell tenni a fűtőanyagot – ez általában dúsított vagy dúsítatlan urán, a reaktortechnológia függvényében –, szabályozni kell annak a bomlását, hogy ne induljon be ellenőrizhetetlen láncreakció, a bomlási folyamat során keletkezett hővel gőzt termelnek, amely megforgatja a turbinákat, azok pedig a generátorokat, így azok áramot termelnek. Ugyanilyen elven működnek a szél- és a vízi erőművek is, csak azokban a turbinákat a szél és a víz mechanikai energiája forgatja meg.

Az atomerőművek legnagyobb környezeti előnye, hogy az áramtermelés során nincs semmilyen károsanyag-kibocsátás. Viszont a benne használt nukleáris fűtőanyag kimerül, elhasználódik, azt pedig biztosan kezelni, feldolgozni és tárolni kell, mivel radioaktivitásuk miatt akár több tízezer évig is veszélyesek lehetnek.

Az atomreaktor viszonylag fiatal, alig 80 éves találmány. A világ első kísérleti atomreaktorát a chicagói egyetemen építette meg 1942-ben Szilárd Leó és Enrico Fermi. 1952 végén, az Egyesült Államokban kezdett működni az első olyan kísérleti atomerőmű, amely elektromos áramot termelt. Két évvel később, 1954-ben Oroszországban helyezték üzembe a világ első atomerőművét, amely konkrétan felhasználásra állított elő elektromos energiát.

A világon jelenleg 31 országban összesen 172, különböző technológiával működő atomerőmű van, 441 üzemképes reaktorral, a legtöbb az Egyesült Államokban (54), Franciaországban (18), Kínában (18) és Oroszországban (11). Romániában egy, a cernavodai, Magyarországon pedig szintén egy, a paksi működik. Vagyis most éppen nem, mert mindkettőt leállították.

A cernavodai atomerőmű kanadai technológiával működik. A CANDU (Canada Deuterium Uranium) technológia lényege az, hogy a reaktorokban nehézvizet használnak egyrészt moderátor anyagnak, ami lelassítja a maghasadás során felszabaduló neutronokat, azok így hozzájárulnak a láncreakció fenntartásához, vagyis újabb részecskéket szabadítanak fel. Másik szerepe a nehézvíznek az urán fűtőelemek hűtése, ezzel megelőzhető a reaktormag túlhevülése. A nehézvíz zárt körben forog a rendszerben: a fűtőelemek által termelt hőt csöveken áramolva elszállítja egy hőcserélő tartályba, amelyben a külső, szintén zárt vízkörben keringő víz felmelegszik, gőzzé alakul és megforgatja a turbinalapátokat.

Ezek a reaktorok természetes uránnal működnek, ennek az az előnye, hogy nem kell hosszadalmasan és költségesen tovább dúsítani, mint a más technológiájú erőművekben. Egy CANDU-reaktorban kb. 87 tonna urán szolgál fűtőanyagként, ez 37 uránrúd kb. 20 kilogrammos, fél méter hosszú kötegeiből áll. Ezeket a kötegeket a reaktor működése közben is cserélni lehet, így a reaktort nem kell leállítani, hogy feltöltsék.

Uránrudakból álló üzemanyagköteg.
Fotó: Nuclearelectrica Oficial / Facebook

A cernavodai atomerőművének két CANDU-reaktorának villamos teljesítménye összesen valamivel több mint 1400 MW. Hűtéséhez a Duna vizét használják. A folyam víze hűti le a külső vízkörben keletkező gőzt, amit aztán cseppfolyóssá válása után visszakeringetnek a rendszerbe. A Duna tehát egy harmadik külső víztényező a zárt, belső nehézvízkör és a külső könnyűvízkör után. A folyam vize kizárólag a gőzhűtés termikus folyamatában vesz részt, nem éri semmilyen radioaktív vagy egyéb szennyező hatás, ezért aztán visszaengedik a Dunába.

Ha a Duna vízhozama nem elegendő, akkor túl kevés víz folyik át a gőzhűtőn és nem tudja azt eléggé lehűteni. Ezért ha olyan helyzet áll elő, mint most, amikor a Dunában nincs elegendő víz az aszály miatt, akkor a reaktorokat le kell állítani, mivel megbomlik az egész technológiai lánc hőegyensúlya és nem fenntartható a zavartalan működés.

Összehasonlításképpen: a magyarországi, orosz gyártmányú paksi atomerőmű nyomottvizes (PWR) reaktorokkal működik. Ebben közönséges, de nagy nyomású víz veszi körül a reaktorelemeket és továbbítja a hőt a gőzfejlesztőbe, majd a generátorokat meghajtó turbinákhoz. A PWR-reaktortípus a legnépszerűbb a világon, a működő atomerőművek háromnegyede ezzel a technológiával működik, de a legtöbb nukleáris meghajtású hadihajó és tengeralattjáró is. A paksi atomerőmű legkülsőbb, hűtő vízkörét szintén a Duna vize biztosítja, ezért most ott is hasonló helyzet, a leállítás veszélye fenyeget.

CANDU-reaktor működési rajza.
Fotó: Wikipedia

A cernavodai atomerőmű építésének folyamata az 1970-es évek legelejére nyúlik vissza. Megéri egy kicsit részletesebben megnézni, hogyan épített a kommunista keleti blokkhoz, vagyis a szovjet befolyási övezethez tartozó Románia mégis nyugati, kanadai technológiával atomerőművet.

Nicolae Ceaușescu 1967-ben lett Románia Szocialista Köztársaság államfője, és azonnal a különutasságot választotta a keleti kommunista tömb államainak Moszkva-barát irányultsága helyett. Romániát már akkor kivonta a Varsói Szerződés (a kelet-európai NATO) katonai szövetségből, 1968-ban pedig elítélte Csehszlovákia orosz vezetésű megszállását. Ezzel Ceaușescu a „jó kommunista” lett a Nyugat szemében, akivel hajlandóak voltak nem szovjet érdekek mentén is tárgyalni.

Ez lehetővé tette a román vezetés számára, hogy nyugati megoldásokat is figyelembe véve kezdjen tárgyalásokat 1970-ben egy romániai atomerőmű megépítéséről. Ceaușescu számára döntő szempont volt, hogy az atomerőmű megépítése és működtetése a lehető legolcsóbb legyen, a finanszírozásához az ország kapjon hosszú lejáratú hiteleket, és az építésében vegyen részt a romániai ipar.

A román vezetés három ajánlatot kapott nyugati cégektől, egy kanadai társaságtól, egy nyugat-német konzorciumtól és egy francia cégtől. Végül a kanadaiakat választották, mivel azok vállalták, hogy a CANDU-reaktoros atomerőmű mellett a működéséhez szükséges nehézvízgyárat is megépítik. A tárgyalások elhúzódtak, Románia és a kanadaiak végül csak 1978-ban írták alá a végleges megállapodást egy atomerőmű megépítéséről. A tervekben eredetileg öt reaktor szerepelt, ebből végül csak kettő működik jelenleg, de tervben van a 3-as és 4-es reaktorok befejezése és beüzemelése is 2030-31 körül.

A kanadaiak nehézvizes CANDU-technológiája két szempontból volt vonzó Ceaușescu számára. Egyrészt az ilyen atomerőművek természetes – tehát drága és nehézkes technológiájú dúsítást nem igénylő – üzemanyaggal, uránnal működtek, a fűtőelemek élettartama pedig hosszabb volt, mint a szovjet dúsított urános, természetes vizes reaktorok. Másrészt mivel az erőművet nyugati cégek építették, Ceaușescu korlátozni tudta Moszkva befolyását a román atomprogramban,

A cernavodai helyszínt a kanadai szakemberek javasolták, a román fél eredetileg a szintén a Duna- mentén, de északabbra fekvő Hârșova várost szemelte ki. Az építési munkálatok csak 1980 szeptemberében kezdődtek el és nehezen haladtak. Ceaușescu végül nem érte meg az atomerőmű üzembe helyezését, az első reaktor csak 1996 decemberében kezdte meg a kereskedelmi áramtermelést. A 2-es reaktor működése csak tíz évvel később, 2007 novemberében kezdődött.

Természetesen felmerül a kérdés, hogy mennyire veszélyesek az atomerőművek, és ilyenkor az embernek persze elsősorban az 1986-os csernobili atomerőmű-katasztrófa jut eszébe. Nos, a nehézvizes, természetes urános CANDU-technológia – bár működésének alapjai ugyanúgy a maghasadás, a gőzképzés, és a turbinás-generátoros áramtermelés – nagyban eltér a csernobili V. I. Lenin atomerőműben 1986-ban használt RBMK-1000 típusú reaktorokétól. Például az orosz reaktorban a moderátoranyag nem nehézvíz vagy nyomott természetes víz, hanem grafit volt, és a reaktor felépítése, például a vízkörök, a láncreakció-szabályozás is eltér a kanadai technológiától.

Ma már persze tudjuk, hogy a csernobili katasztrófa bekövetkeztében nagy szerepe volt a reaktortípus konstrukciós sajátosságainak és tervezési hiányosságainak is. Ezek azonban önmagukban nem vezettek volna közvetlenül robbanáshoz. A katasztrófa bekövetkezéséhez nagyban hozzájárult egy sor tervezett, szándékosan előidézett helyzet, kísérleti körülmény, például a hűtőrendszerek leállítása. A politikai, pártvonalon történő irányítás és döntéshozás szerencsétlen lépései, illetve az emberi, operátori mulasztások sorozata a fentiekkel együtt végül olyan eseménysort eredményeztek, amelynek a 4-es reaktor magjának leolvadása volt a következménye.

A csernobili katasztrófa a legsúlyosabb nukleáris baleset a történelemben. A Nemzetközi Atomenergia-ügynökség a 2011-es fukusimai erőmű-balesetet is azonos, a legmagasabb súlyossági fokozattal jelöli, de a japán atomerőműnél nem emberi mulasztás vagy tervezési hiányosság, hanem természeti csapás, földrengés majd szökőár idézte elő a katasztrófát.

Persze a CANDU-reaktorok esetében sem elképzelhetetlenek a balesetek, de ezek bekövetkezése a tervezési sajátosságok és a beépített biztonsági rendszerek miatt jóval kisebb valószínűségű, mint a csernobili reaktor esetében.