एक परमाणु रिएक्टर के संचालन का उपकरण और सिद्धांत एक आत्मनिर्भर परमाणु प्रतिक्रिया के आरंभ और नियंत्रण पर आधारित है। इसका उपयोग अनुसंधान उपकरण के रूप में, रेडियोधर्मी समस्थानिकों के उत्पादन के लिए और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए एक शक्ति स्रोत के रूप में किया जाता है।
परमाणु रिएक्टर: यह कैसे काम करता है (संक्षेप में)
यहां परमाणु विखंडन की प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है, जिसमें एक भारी नाभिक दो छोटे टुकड़ों में टूट जाता है। ये टुकड़े अत्यधिक उत्तेजित अवस्था में हैं और न्यूट्रॉन, अन्य उप-परमाणु कणों और फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं। न्यूट्रॉन नए विखंडन का कारण बन सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अधिक न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं, और इसी तरह। विभाजनों की इस तरह की निरंतर आत्मनिर्भर श्रृंखला को श्रृंखला प्रतिक्रिया कहा जाता है। उसी समय, बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है, जिसके उत्पादन का उद्देश्य परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का उपयोग करना है।
एक परमाणु रिएक्टर और एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र के संचालन का सिद्धांत ऐसा है कि प्रतिक्रिया शुरू होने के बाद बहुत ही कम समय के भीतर लगभग 85% विखंडन ऊर्जा जारी की जाती है। शेष का उत्पादन. में होता हैन्यूट्रॉन उत्सर्जित करने के बाद विखंडन उत्पादों के रेडियोधर्मी क्षय का परिणाम। रेडियोधर्मी क्षय वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक परमाणु अधिक स्थिर अवस्था में पहुँच जाता है। यह विभाजन पूरा होने के बाद भी जारी रहता है।
परमाणु बम में श्रृंखला अभिक्रिया की तीव्रता तब तक बढ़ जाती है जब तक कि अधिकांश सामग्री विभाजित नहीं हो जाती। यह बहुत जल्दी होता है, जिससे ऐसे बमों की विशेषता वाले अत्यंत शक्तिशाली विस्फोट होते हैं। परमाणु रिएक्टर के संचालन का उपकरण और सिद्धांत एक नियंत्रित, लगभग स्थिर स्तर पर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया बनाए रखने पर आधारित है। इसे इस तरह से डिजाइन किया गया है कि यह परमाणु बम की तरह फट न सके।
श्रृंखला प्रतिक्रिया और आलोचना
एक परमाणु विखंडन रिएक्टर की भौतिकी यह है कि श्रृंखला प्रतिक्रिया न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के बाद परमाणु विखंडन की संभावना से निर्धारित होती है। यदि बाद की जनसंख्या कम हो जाती है, तो विखंडन दर अंततः शून्य हो जाएगी। इस मामले में, रिएक्टर एक सबक्रिटिकल स्थिति में होगा। यदि न्यूट्रॉनों की जनसंख्या स्थिर स्तर पर बनी रहे, तो विखंडन दर स्थिर रहेगी। रिएक्टर की हालत गंभीर होगी। और अंत में, यदि समय के साथ न्यूट्रॉन की आबादी बढ़ती है, तो विखंडन दर और शक्ति में वृद्धि होगी। कोर सुपरक्रिटिकल हो जाएगा।
एक परमाणु रिएक्टर के संचालन का सिद्धांत इस प्रकार है। इसके प्रक्षेपण से पहले, न्यूट्रॉन की आबादी शून्य के करीब है। ऑपरेटर तब कोर से कंट्रोल रॉड को हटाते हैं, जिससे परमाणु विखंडन बढ़ता है, जो अस्थायी रूप से अनुवाद करता हैसुपरक्रिटिकल अवस्था के लिए रिएक्टर। नाममात्र शक्ति तक पहुंचने के बाद, ऑपरेटर न्यूट्रॉन की संख्या को समायोजित करते हुए, नियंत्रण छड़ को आंशिक रूप से वापस कर देते हैं। भविष्य में, रिएक्टर को एक महत्वपूर्ण स्थिति में बनाए रखा जाता है। जब इसे रोकने की आवश्यकता होती है, तो ऑपरेटर पूरी तरह से छड़ें डालते हैं। यह विखंडन को दबाता है और कोर को एक उप-महत्वपूर्ण स्थिति में लाता है।
रिएक्टरों के प्रकार
दुनिया के अधिकांश परमाणु प्रतिष्ठान ऊर्जा पैदा करने वाले हैं, जो विद्युत ऊर्जा जनरेटर चलाने वाले टर्बाइनों को चालू करने के लिए आवश्यक गर्मी पैदा करते हैं। कई शोध रिएक्टर भी हैं, और कुछ देशों में परमाणु शक्ति से चलने वाली पनडुब्बी या सतह के जहाज हैं।
बिजली संयंत्र
इस प्रकार के कई प्रकार के रिएक्टर हैं, लेकिन हल्के पानी के डिजाइन को व्यापक अनुप्रयोग मिला है। बदले में, यह दबाव वाले पानी या उबलते पानी का उपयोग कर सकता है। पहले मामले में, उच्च दबाव में तरल कोर की गर्मी से गर्म होता है और भाप जनरेटर में प्रवेश करता है। वहां, प्राथमिक सर्किट से गर्मी को माध्यमिक में स्थानांतरित किया जाता है, जिसमें पानी भी होता है। अंततः उत्पन्न भाप भाप टरबाइन चक्र में कार्यशील द्रव के रूप में कार्य करती है।
उबलते प्रकार का रिएक्टर प्रत्यक्ष ऊर्जा चक्र के सिद्धांत पर काम करता है। सक्रिय क्षेत्र से गुजरने वाले पानी को औसत दबाव स्तर पर उबाल लाया जाता है। संतृप्त भाप रिएक्टर पोत में स्थित विभाजकों और ड्रायरों की एक श्रृंखला से होकर गुजरती है, जो इसे तक लाती हैअति तापित अवस्था। फिर टर्बाइन को चालू करने के लिए सुपरहीटेड जल वाष्प का उपयोग कार्यशील द्रव के रूप में किया जाता है।
उच्च तापमान गैस कूल्ड
उच्च तापमान गैस कूल्ड रिएक्टर (एचटीजीआर) एक परमाणु रिएक्टर है जिसका संचालन सिद्धांत ईंधन के रूप में ग्रेफाइट और ईंधन माइक्रोस्फीयर के मिश्रण के उपयोग पर आधारित है। दो प्रतिस्पर्धी डिजाइन हैं:
- जर्मन "फिलर" प्रणाली जो 60 मिमी व्यास गोलाकार ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करती है, जो ग्रेफाइट शेल में ग्रेफाइट और ईंधन का मिश्रण है;
- ग्रेफाइट हेक्सागोनल प्रिज्म के रूप में अमेरिकी संस्करण जो एक सक्रिय क्षेत्र बनाने के लिए इंटरलॉक करता है।
दोनों ही स्थितियों में, शीतलक में लगभग 100 वायुमंडल के दबाव में हीलियम होता है। जर्मन प्रणाली में, हीलियम गोलाकार ईंधन तत्वों की परत में अंतराल से गुजरता है, और अमेरिकी प्रणाली में, रिएक्टर के मध्य क्षेत्र की धुरी के साथ स्थित ग्रेफाइट प्रिज्म में छेद के माध्यम से। दोनों विकल्प बहुत उच्च तापमान पर काम कर सकते हैं, क्योंकि ग्रेफाइट में अत्यधिक उच्च बनाने की क्रिया का तापमान होता है, जबकि हीलियम पूरी तरह से रासायनिक रूप से निष्क्रिय होता है। गर्म हीलियम को उच्च तापमान पर गैस टरबाइन में काम करने वाले तरल पदार्थ के रूप में सीधे लगाया जा सकता है, या इसकी गर्मी का उपयोग जल चक्र भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।
तरल धातु परमाणु रिएक्टर: योजना और संचालन का सिद्धांत
सोडियम कूलेंट वाले फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टरों ने 1960 और 1970 के दशक में बहुत ध्यान आकर्षित किया। फिरऐसा लग रहा था कि तेजी से विकसित हो रहे परमाणु उद्योग के लिए ईंधन के उत्पादन के लिए निकट भविष्य में परमाणु ईंधन को पुन: उत्पन्न करने की उनकी क्षमता आवश्यक थी। 1980 के दशक में जब यह स्पष्ट हो गया कि यह अपेक्षा अवास्तविक है, तो उत्साह फीका पड़ गया। हालाँकि, संयुक्त राज्य अमेरिका, रूस, फ्रांस, ग्रेट ब्रिटेन, जापान और जर्मनी में इस प्रकार के कई रिएक्टर बनाए गए हैं। उनमें से ज्यादातर यूरेनियम डाइऑक्साइड या प्लूटोनियम डाइऑक्साइड के साथ इसके मिश्रण पर चलते हैं। हालांकि, संयुक्त राज्य अमेरिका में सबसे बड़ी सफलता धातुई ईंधन के साथ रही है।
चंदू
कनाडा ने प्राकृतिक यूरेनियम का उपयोग करने वाले रिएक्टरों पर अपना ध्यान केंद्रित किया है। यह अन्य देशों की सेवाओं का सहारा लेने के लिए इसके संवर्धन की आवश्यकता को समाप्त करता है। इस नीति का परिणाम ड्यूटेरियम-यूरेनियम रिएक्टर (CANDU) था। इसमें नियंत्रण और शीतलन भारी जल द्वारा किया जाता है। परमाणु रिएक्टर के संचालन का उपकरण और सिद्धांत वायुमंडलीय दबाव पर ठंडे D2O वाले टैंक का उपयोग करना है। प्राकृतिक यूरेनियम ईंधन के साथ जिरकोनियम मिश्र धातु से बने पाइप द्वारा कोर को छेद दिया जाता है, जिसके माध्यम से भारी पानी इसे ठंडा करता है। भारी पानी में विखंडन की गर्मी को शीतलक में स्थानांतरित करके बिजली का उत्पादन किया जाता है जो भाप जनरेटर के माध्यम से परिचालित होता है। द्वितीयक परिपथ में भाप तब सामान्य टरबाइन चक्र से होकर गुजरती है।
अनुसंधान प्रतिष्ठान
वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए सबसे अधिक बार परमाणु रिएक्टर का उपयोग किया जाता है, जिसका सिद्धांत जल शीतलन का उपयोग करना है औरअसेंबलियों के रूप में लैमेलर यूरेनियम ईंधन तत्व। कुछ किलोवाट से लेकर सैकड़ों मेगावाट तक बिजली स्तरों की एक विस्तृत श्रृंखला पर काम करने में सक्षम। चूंकि बिजली उत्पादन अनुसंधान रिएक्टरों का मुख्य कार्य नहीं है, इसलिए उन्हें कोर में उत्पन्न थर्मल ऊर्जा, घनत्व और न्यूट्रॉन की नाममात्र ऊर्जा की विशेषता है। ये पैरामीटर हैं जो विशिष्ट सर्वेक्षण करने के लिए एक शोध रिएक्टर की क्षमता को मापने में मदद करते हैं। विश्वविद्यालयों में आमतौर पर शिक्षण उद्देश्यों के लिए कम शक्ति प्रणालियों का उपयोग किया जाता है, जबकि सामग्री और प्रदर्शन परीक्षण और सामान्य शोध के लिए अनुसंधान एवं विकास प्रयोगशालाओं में उच्च शक्ति प्रणालियों की आवश्यकता होती है।
सबसे आम अनुसंधान परमाणु रिएक्टर, जिसकी संरचना और संचालन का सिद्धांत इस प्रकार है। इसका सक्रिय क्षेत्र पानी के एक बड़े गहरे पूल के तल पर स्थित है। यह उन चैनलों के अवलोकन और प्लेसमेंट को सरल करता है जिनके माध्यम से न्यूट्रॉन बीम को निर्देशित किया जा सकता है। कम बिजली के स्तर पर, शीतलक से खून बहने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि शीतलक का प्राकृतिक संवहन एक सुरक्षित संचालन स्थिति बनाए रखने के लिए पर्याप्त गर्मी अपव्यय प्रदान करता है। हीट एक्सचेंजर आमतौर पर सतह पर या पूल के शीर्ष पर स्थित होता है जहां गर्म पानी जमा होता है।
जहाज की स्थापना
परमाणु रिएक्टरों का मूल और मुख्य उपयोग पनडुब्बियों में होता है। उनका मुख्य लाभ हैकि, जीवाश्म ईंधन दहन प्रणालियों के विपरीत, उन्हें बिजली उत्पन्न करने के लिए हवा की आवश्यकता नहीं होती है। इसलिए, एक परमाणु पनडुब्बी लंबे समय तक जलमग्न रह सकती है, जबकि एक पारंपरिक डीजल-इलेक्ट्रिक पनडुब्बी को हवा में अपने इंजन शुरू करने के लिए समय-समय पर सतह पर उठना चाहिए। परमाणु शक्ति नौसेना के जहाजों को सामरिक लाभ देती है। यह विदेशी बंदरगाहों पर या कमजोर टैंकरों से ईंधन भरने की आवश्यकता को समाप्त करता है।
एक पनडुब्बी पर परमाणु रिएक्टर के संचालन के सिद्धांत को वर्गीकृत किया गया है। हालांकि, यह ज्ञात है कि संयुक्त राज्य अमेरिका में यह अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम का उपयोग करता है, और धीमा और ठंडा पानी हल्के पानी द्वारा किया जाता है। परमाणु पनडुब्बी यूएसएस नॉटिलस के पहले रिएक्टर का डिजाइन शक्तिशाली अनुसंधान सुविधाओं से काफी प्रभावित था। इसकी अनूठी विशेषताएं एक बहुत बड़ा प्रतिक्रियाशीलता मार्जिन है, जो बिना ईंधन भरने के लंबे समय तक संचालन सुनिश्चित करता है और एक स्टॉप के बाद पुनरारंभ करने की क्षमता सुनिश्चित करता है। पता लगाने से बचने के लिए उप में पावर स्टेशन बहुत शांत होना चाहिए। पनडुब्बियों के विभिन्न वर्गों की विशिष्ट जरूरतों को पूरा करने के लिए, बिजली संयंत्रों के विभिन्न मॉडल बनाए गए।
अमेरिकी नौसेना के विमानवाहक पोत एक परमाणु रिएक्टर का उपयोग करते हैं, जिसके सिद्धांत को सबसे बड़ी पनडुब्बियों से उधार लिया गया माना जाता है। उनके डिजाइन का विवरण भी जारी नहीं किया गया है।
अमेरिका के अलावा ब्रिटेन, फ्रांस, रूस, चीन और भारत के पास परमाणु पनडुब्बी हैं। प्रत्येक मामले में, डिजाइन का खुलासा नहीं किया गया था, लेकिन ऐसा माना जाता है कि वे सभी बहुत समान हैं - यहउनकी तकनीकी विशेषताओं के लिए समान आवश्यकताओं का परिणाम है। रूस के पास परमाणु शक्ति से चलने वाले आइसब्रेकर का एक छोटा बेड़ा भी है जिसमें सोवियत पनडुब्बियों के समान रिएक्टर हैं।
औद्योगिक प्रतिष्ठान
हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम-239 के उत्पादन के लिए, एक परमाणु रिएक्टर का उपयोग किया जाता है, जिसका सिद्धांत निम्न स्तर के ऊर्जा उत्पादन के साथ उच्च उत्पादकता है। यह इस तथ्य के कारण है कि कोर में प्लूटोनियम के लंबे समय तक रहने से अवांछित 240Pu.
का संचय होता है।
ट्रिटियम उत्पादन
वर्तमान में, ऐसी प्रणालियों द्वारा उत्पादित मुख्य सामग्री ट्रिटियम (3H या T) है, जो हाइड्रोजन बम के लिए चार्ज है। प्लूटोनियम -239 का लंबा आधा जीवन 24,100 वर्षों का है, इसलिए परमाणु हथियार वाले देशों में इस तत्व का उपयोग करने वाले देशों में इसकी आवश्यकता से अधिक है। 239Pu के विपरीत, ट्रिटियम का आधा जीवन लगभग 12 वर्ष है। इस प्रकार, आवश्यक आपूर्ति बनाए रखने के लिए, हाइड्रोजन के इस रेडियोधर्मी समस्थानिक का निरंतर उत्पादन किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, अमेरिका में, सवाना नदी, दक्षिण कैरोलिना में, कई भारी जल रिएक्टर हैं जो ट्रिटियम का उत्पादन करते हैं।
अस्थायी बिजली इकाइयां
परमाणु रिएक्टर बनाए गए हैं जो दूरस्थ पृथक क्षेत्रों में बिजली और भाप हीटिंग प्रदान कर सकते हैं। रूस में, उदाहरण के लिए, आवेदन मिला हैछोटे बिजली संयंत्र विशेष रूप से आर्कटिक समुदायों की सेवा के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। चीन में, एक 10 मेगावाट एचटीआर-10 संयंत्र अनुसंधान संस्थान को गर्मी और बिजली की आपूर्ति करता है जहां यह स्थित है। स्वीडन और कनाडा में समान क्षमता वाले छोटे नियंत्रित रिएक्टर विकसित किए जा रहे हैं। 1960 और 1972 के बीच, अमेरिकी सेना ने ग्रीनलैंड और अंटार्कटिका में दूरदराज के ठिकानों को बिजली देने के लिए कॉम्पैक्ट वाटर रिएक्टरों का इस्तेमाल किया। उनकी जगह तेल से चलने वाले बिजली संयंत्रों ने ले ली है।
अंतरिक्ष अन्वेषण
इसके अलावा, बाहरी अंतरिक्ष में बिजली आपूर्ति और आवाजाही के लिए रिएक्टर विकसित किए गए हैं। 1967 और 1988 के बीच, सोवियत संघ ने बिजली उपकरण और टेलीमेट्री के लिए कोस्मोस उपग्रहों पर छोटे परमाणु प्रतिष्ठान स्थापित किए, लेकिन यह नीति आलोचना का लक्ष्य बन गई। इनमें से कम से कम एक उपग्रह ने पृथ्वी के वायुमंडल में प्रवेश किया, जिसके परिणामस्वरूप कनाडा के दूरस्थ क्षेत्रों में रेडियोधर्मी संदूषण हुआ। 1965 में संयुक्त राज्य अमेरिका ने केवल एक परमाणु-संचालित उपग्रह लॉन्च किया। हालांकि, गहरी अंतरिक्ष उड़ानों, अन्य ग्रहों की मानवयुक्त खोज या स्थायी चंद्र आधार पर उनके उपयोग के लिए परियोजनाएं विकसित की जा रही हैं। यह अनिवार्य रूप से एक गैस-कूल्ड या तरल-धातु परमाणु रिएक्टर होगा, जिसके भौतिक सिद्धांत रेडिएटर के आकार को कम करने के लिए आवश्यक उच्चतम संभव तापमान प्रदान करेंगे। इसके अलावा, एक अंतरिक्ष रिएक्टर जितना संभव हो उतना कॉम्पैक्ट होना चाहिए ताकि उपयोग की जाने वाली सामग्री की मात्रा को कम किया जा सकेपरिरक्षण, और प्रक्षेपण और अंतरिक्ष उड़ान के दौरान वजन कम करने के लिए। ईंधन आरक्षित अंतरिक्ष उड़ान की पूरी अवधि के लिए रिएक्टर के संचालन को सुनिश्चित करेगा।
