A fúziós reaktorok biztonsága

Fúziós energiatermelés – biztonság, sugár- és
környezetvédelem

(Papp Gergely)

Inherens biztonság

Mivel a fúzió nukleáris folyamat, az első felmerülő kérdés a reaktormegszaladás vagy leolvadás lehetősége. Alapvető fizikai folyamatok és a fúziós reaktor koncepciója mindezt kizárja. Egy fúziós reaktorban az üzemanyagot folyamatosan pótolni kell, éppen olyan ütemben, ahogy az fogy (1. ábra). Ennek következtében egy tetszőleges időpillanatban a reaktorban lévő fúziós üzemanyag mennyisége roppant csekély, nagyjából egy postabélyeg tömegével összemérhető.

1.    ábra. Fúziós üzemanyagciklus. Nincs láncreakció, folyamatos üzemanyagbefecskendezés szükséges.

A másik fontos tényező, hogy míg a fúziós plazma hőveszteségei a hőmérséklet függvényében monoton nőnek, a fúziós energiatermelésnek van egy maximuma. Ennek következtében a hőmérséklet a stabil egyensúlyi pont fölé nem tud emelkedni, így a megszaladás ezen lehetősége kizárt. Ezt szemlélteti a 2. ábra.

A plazmaösszetartás fenntartása, a fúzióhoz szükséges megfelelő fizikai kondíciók biztosítása egy komplex folyamat. Bármilyen üzemzavar esetén a fúziós reakciók azonnal leállnak. A kontrollálatlan energiafelszabadulás lehetősége fizikailag kizárt. Az ember alkotta biztonsági berendezésekkel szemben a fizika soha nem tud hibázni.

Ezek alapján összefoglalóan azt mondhatjuk, hogy egy fúziós reaktor inherensen biztonságos.

2.    ábra. Veszteségi- és alfa fűtési teljesítmény az ionhőmérséklet függvényében (kvalitatív ábra). A két egyensúlyi pont jelöli az önfenntartó folyamat begyújtását, illetve a stabil normálüzemi munkapontot.

 

Normálüzemi kibocsájtások

Az alap fúziós reakcióegyenletből ( D + T → He + n ) látható a két nukleáris kockázati forrás. A trícium, a radioaktív 3H izotóp része az üzemanyagciklusnak. A neutronok elhagyják a plazmát hogy tríciumot tenyésszenek. Ugyanakkor a reaktor szerkezeti anyagaival kölcsönhatásba lépve aktiválódást is okoznak. Ennek fő áldozata a reaktor plazma felé néző fala, melyről a hulladékkezelés során kell gondoskodni.

Egy fúziós erőművi telephely összes tríciumkészlete néhány kg. Ebből a plazmában tetszőleges időben nagyjából 0.5 g található, a többi a trícium feldolgozásáért, tárolásáért és szállításáért felelős rendszerekben van elosztva.

A trícium alacsony energiájú β bomló izotóp 12.3 éves felezési idővel. A maximális béta energia 18.5 keV, az átlag pedig 5.7 keV. Az alacsony energiának köszönhetően a behatolási mélység élő szövetben 6 µm. Ezzel szemben az emberi bőr legkülső, élettelen rétege ~ 70 µm vastag. A trícium tehát külső sugárforrásként nem veszélyes, a szerveztbe való bekerülést (lenyelés, belégzés, felszívódás) kell elkerülni. Emberi testbe kerülés esetén a trícium effektív felezési ideje 11 nap. A trícium dóziskonverziós tényezője más tipikus radioaktív veszélyforrásokkal szemben (pl cézium 137) alacsony, mert a bomlásonként átlagosan kibocsájtott energia alacsony, és az effektív felezési ideje a testben rövid.
A trícium, lévén hidrogénizotóp, nagy mobilitású. Ha az óvintézkedések ellenére mégis kijut a környezetbe, illékonysága miatt gyorsan hígul, egy év alatt az eredeti koncentráció 0.1%-ára is visszaeshet. Így nagy területek hosszú távú erős szennyezésére nem kell számítani még egy esetleges komoly tríciumkibocsájtás esetén sem.

Trícium normálüzemi kezelésről tapasztalataink a CANDU nehézvizes reaktorokból származnak, melyben a nehézvízben történő neutronbefogás során keletkezik trícium. Konzervatív (pesszimista) számítások alapján, a ma is létező technológiákkal egy fúziós erőmű éves tríciumkibocsájtása 2 gramm. Mivel ez konzervatív becslés, a valóságban ennél alacsonyabb átlagos értékek várhatóak. Ez a kibocsájtás a legkritikusabb célcsoportra számítva 10-30 µSv/év effektív dózist eredményez, ami a természetes háttérsugárzás 1%-a.

Fúziós reaktorokban a hulladék fő része a divertor, első fal és tenyészköpeny alkatrészek folyamatos cseréjéből jön, illetve az erőmű lebontásakor, amikor a vákuumkamra és a tekercsek is sorra kerülnek. Mindezen alkatrészeket neutronok fluxusa éri. Az árnyékolásnak köszönhetően a plazmától távolodva drasztikusan csökken az aktiválódás mértéke.

Nagy különbség a fissziós hulladékhoz képest, hogy az aktivációs termékek esetén többségben vannak a rövid felezési idejű izotópok, és nincsenek alfa-bomló izotópok. Ennek köszönhetően már száz év hűtés után a fissziós hulladék  0.1% részére csökkenhet a fúziós hulladék radiotoxicitása, és alkalmassá válhat újrafelhasználásra. Ha új típusú, alacsony aktiválódású anyagokat használunk – mint például vanádium ötvözetek – akkor az újrahasznosítás néhány évtizeden belül lehetséges, ami pénzügyileg is kedvező.

 

Baleseti forgatókönyvek

Egy baleset esetén biztonsági szempontból a fúziós reaktorok legfontosabb tulajdonsága, hogy a fúziós reakció azonnal és önmagától leáll bármilyen baleseti- vagy üzemzavari körülmények között. Fúziós erőművekben balesetek mögött nem állhatnak nukleáris okok. Mivel nincs láncreakció, a passzív biztonság teljesíthető a fúziós reaktorok esetén. Azok az energialeltárak melyek a balesetek során szóba jöhetnek jóval alacsonyabbak mint a fisszió esetén, miközben a lényeges térfogatok és felületek nagyok, az időskálák hosszabbak.

A reaktor leállása után a az aktiválódott szerkezeti elemek hőforrásként szolgálnak (bomláshő). A fúziós reaktorok konstrukciójának egyik következménye, hogy minden hűtőközeg elvesztése esetén is, pusztán hővezetéssel és hősugárzással annyi hő távozik el, hogy a szerkezeti elemek megolvadása elkerülhető. Ez jó példája a passzív biztonságnak, hiszen a remanens hő eltávolítása tisztán fizikai effektusokkal történik és nem támaszkodik mérnöki megoldásokra. A hőmérsékleti sugárzás sosem hibásodhat meg.

A biztonsági rendszerek tervezésekor a figyelem a „hagyományos” veszélyforrásokra összpontosul, ilyenek lehetnek pl. a vákuumvesztés, az aktív hűtés elvesztése, zárlat, tekercs deformáció, hidrogénfejlődés (robbanásveszély) stb. A fúziós reaktorkamrában önfenntartó égés nem tud kialakulni, hiszen a rendszer a tűznél nagyobb energiasűrűségű energiaforrásra van tervezve. A hűtési rendszer passzív hőtehetetlensége is elegendő ahhoz hogy az önfenntartó égés kialakulását megakadályozza.

Részletes modellszámítások foglalkoznak egy baleset esetén környezetbe kerülhető radioaktív anyagok hatásával. Egyetlen egyszerű példaként a lakosság kitelepítésének elkerüléséhez az egyszeri trícium kibocsájtásnak 200 gramm alatt kell maradnia. Ennek megfelelően a telephelyen bármely komponensben mindig kevesebb mint 150 gramm trícium lesz megtalálható.

Amennyiben összehasonlítjuk egy fúziós erőműből származó trícium vagy acélpor lehetséges veszélyeit a fissziós erőművek 131I és 137Cs készletével, azt találjuk, hogy potenciális radiotoxicitás terén a fúzió egy 500-as faktorral jobban áll.

Összegzés

A szabályozott magfúzió folyamata inherensen biztonságos, reaktormegszaladás nem tud bekövetkezni. A normálüzemi kibocsájtás a legrosszabb esetben is a természetes háttérsugárzás 1%-a alatt marad. A fúziós erőművek radioaktív hulladéka néhány évtized pihentetés után újrafelhasználható. A lehetséges baleseti szcenáriók közül a legsúlyosabb sem jár évekig vagy annál hosszabban tartó környeti hatásokkal, vagy a környékbeli lakosság kitelepítésével.