परमाणु रिएक्टर क्या है?

परमाणु रिएक्टर क्या है- सभी परमाणु रिएक्टर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरण हैं जो भारी नाभिक के विखंडन से उत्पन्न न्यूट्रॉन के एक स्थिर प्रवाह का उत्पादन करते हैं। हालाँकि, वे अपने उद्देश्य से या उनकी डिज़ाइन सुविधाओं के आधार पर भिन्न होते हैं। उद्देश्य के संदर्भ में, वे या तो अनुसंधान रिएक्टर या पावर रिएक्टर हैं।

अनुसंधान रिएक्टर क्या है

अनुसंधान रिएक्टर कई देशों में विश्वविद्यालयों और अनुसंधान केंद्रों में संचालित किए जाते हैं, जिनमें कुछ ऐसे भी हैं जहाँ कोई परमाणु ऊर्जा रिएक्टर संचालित नहीं होते हैं। ये रिएक्टर कई प्रयोजनों के लिए न्यूट्रॉन उत्पन्न करते हैं, जिसमें चिकित्सा निदान और चिकित्सा के लिए रेडियोफार्मास्युटिकल्स का उत्पादन, परीक्षण सामग्री और बुनियादी अनुसंधान का संचालन करना शामिल है।

पावर रिएक्टर क्या है

पावर रिएक्टर आमतौर पर परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में पाए जाते हैं। मुख्य रूप से बिजली उत्पादन के लिए गर्मी पैदा करने के लिए समर्पित, वे 30 से अधिक देशों में संचालित होते हैं। उनके कम उपयोग पीने के पानी या जिला जल उत्पादन हैं। छोटी इकाइयों के रूप में, वे जहाज भी चलाते हैं। परमाणु ऊर्जा रिएक्टरों के संदर्भ में परमाणु रिएक्टरों को विभेदित करना विशेष रूप से उचित है।

परमाणु ऊर्जा रिएक्टर

कई अलग-अलग प्रकार के पावर रिएक्टर हैं। उन सभी के लिए सामान्य बात यह है कि वे थर्मल ऊर्जा का उत्पादन करते हैं जो कि अपने स्वयं के लिए उपयोग किया जा सकता है या यांत्रिक ऊर्जा में और अंततः अधिकांश मामलों में विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो सकता है।

इन रिएक्टरों में, भारी परमाणु नाभिक का विखंडन, जिसमें से सबसे आम यूरेनियम -235 है, गर्मी पैदा करता है जिसे एक तरल पदार्थ में स्थानांतरित किया जाता है जो शीतलक के रूप में कार्य करता है। विखंडन प्रक्रिया के दौरान, बांड ऊर्जा जारी की जाती है और यह पहली बार उत्पन्न होने वाले विखंडन उत्पादों की गतिज ऊर्जा और न्यूट्रॉन के मुक्त होने के रूप में ध्यान देने योग्य हो जाती है। चूंकि ये कण ठोस परमाणु ईंधन में तीव्र मंदी से गुजरते हैं, गतिज ऊर्जा गर्मी ऊर्जा में बदल जाती है।

बिजली उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किए गए रिएक्टरों के मामले में, जिनके बारे में नीचे दिए गए स्पष्टीकरण अब प्रतिबंधित हो जाएंगे, गर्म द्रव गैस, पानी या एक तरल धातु हो सकता है। द्रव द्वारा संग्रहित ऊष्मा का उपयोग या तो सीधे (गैस के मामले में) या अप्रत्यक्ष रूप से (पानी और तरल धातुओं के मामले में) भाप उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। गर्म गैस या भाप को फिर एक टरबाइन में घुमाया जाता है, जो एक अल्टरनेटर चलाती है।

प्रकृति के नियमों के अनुसार, गर्मी को पूरी तरह से ऊर्जा के दूसरे रूप में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है, कुछ गर्मी अवशिष्ट है और इसे पर्यावरण में जारी किया जाता है। रिहाई या तो प्रत्यक्ष है – उदा। एक नदी में – या कूलिंग टावरों के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से वातावरण में। यह अभ्यास सभी थर्मल संयंत्रों के लिए आम है और परमाणु रिएक्टरों तक सीमित नहीं है, जो केवल एक प्रकार के थर्मल प्लांट हैं।

परमाणु ऊर्जा रिएक्टरों के प्रकार

परमाणु ऊर्जा रिएक्टरों को गर्मी उत्पन्न करने के लिए उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले ईंधन के प्रकार के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है।

यूरेनियम-ईंधन रिएक्टर्स- वर्तमान में रिएक्टरों में परमाणु विखंडन के लिए उपयोग किया जाने वाला एकमात्र प्राकृतिक तत्व यूरेनियम है। प्राकृतिक यूरेनियम एक अत्यधिक ऊर्जावान पदार्थ है: इसका एक किलोग्राम 10 टन तेल जितना ऊर्जा पैदा कर सकता है। स्वाभाविक रूप से होने वाले यूरेनियम में लगभग पूरी तरह से दो समस्थानिक शामिल हैं: U238 (99.283%) और U235 (0.711%)। पूर्व विखंडनीय नहीं है, जबकि बाद वाले थर्मल (यानी धीमी गति से) न्यूट्रॉन द्वारा विखंडित हो सकते हैं। चूंकि एक विखंडन प्रतिक्रिया में उत्सर्जित न्यूट्रॉन तेजी से होते हैं, ईंधन के रूप में यू 235 का उपयोग करने वाले रिएक्टरों के पास ईंधन से भागने से पहले इन न्यूट्रॉन को धीमा करने का एक साधन होना चाहिए। इस फ़ंक्शन को एक मॉडरेटर कहा जाता है, जो, कुछ रिएक्टरों के मामले में एक साथ शीतलक के रूप में कार्य करता है। शीतलक और मॉडरेटर प्लस की प्रकृति के अनुसार पावर रिएक्टरों को वर्गीकृत करने के लिए यह आम बात है, क्योंकि आवश्यकता अन्य डिजाइन विशेषताओं के कारण उत्पन्न हो सकती है।

प्लूटोनियम-ईंधन रिएक्टर्स- प्लूटोनियम (पु) एक कृत्रिम तत्व है जो श्रृंखला प्रतिक्रिया के उपोत्पाद के रूप में यूरेनियम-ईंधन रिएक्टरों में उत्पादित होता है। यह प्राकृतिक यूरेनियम की तुलना में एक सौ गुना अधिक ऊर्जावान है; एक ग्राम पुए में एक टन तेल जितना ऊर्जा पैदा हो सकती है। चूंकि विखंडन के क्रम में इसे तेज न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है, इसलिए सर्वोत्तम परिस्थितियों में श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए मध्यम सामग्री से बचना चाहिए। वर्तमान प्लूटोनियम-ईंधन रिएक्टर, जिसे “फास्ट” रिएक्टर भी कहा जाता है, तरल सोडियम का उपयोग करते हैं जो श्रृंखला प्रतिक्रिया को प्रतिकूल रूप से प्रभावित किए बिना उत्कृष्ट थर्मल गुणों को प्रदर्शित करता है। इस प्रकार के रिएक्टर फ्रांस, जापान और कॉमनवेल्थ ऑफ इंडिपेंडेंट स्टेट्स (CIS) में चल रहे हैं।

लाइट वाटर रिएक्टर- लाइट वाटर रिएक्टर्स श्रेणी में दबाव वाले वाटर रिएक्टर (PWR, VVER) और उबलते पानी के रिएक्टर (BWR) शामिल हैं। ये दोनों हल्के पानी का उपयोग करते हैं और इसलिए यूरेनियम को समृद्ध करते हैं। उनके द्वारा उपयोग किया जाने वाला हल्का पानी मॉडरेटर और शीतलक के कार्यों को जोड़ता है। यह पानी रिएक्टर कोर के माध्यम से बहता है, एक क्षेत्र जिसमें ईंधन की छड़ का एक बड़ा सरणी होता है जहां यह ईंधन की छड़ में मौजूद U235 के विखंडन से उत्पन्न गर्मी को उठाता है। शीतलक द्वारा भाप टरबाइन में एकत्र की गई गर्मी को स्थानांतरित करने के बाद, इसे रिएक्टर कोर में वापस भेज दिया जाता है, इस प्रकार एक लूप में बहता है, जिसे प्राथमिक सर्किट भी कहा जाता है। उच्च गुणवत्ता वाली थर्मल ऊर्जा को टरबाइन में स्थानांतरित करने के लिए, लगभग 300 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंचना आवश्यक है। यह दबाव है जिस पर शीतलक रिएक्टर कोर से बहता है जो PWR और BWR के बीच अंतर करता है।

PWR में, शीतलक को लगाया गया दबाव उबलने से रोकने के लिए पर्याप्त रूप से उच्च होता है। ईंधन से खींची गई गर्मी को हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से एक माध्यमिक सर्किट के पानी में स्थानांतरित किया जाता है। द्वितीयक सर्किट का पानी भाप में बदल जाता है, जिसे टरबाइन में डाला जाता है। BWR में, शीतलक को लगाया गया दबाव PWR की तुलना में पर्याप्त रूप से कम होता है ताकि इसे उबलने दिया जा सके। यह इस प्रक्रिया से निकलने वाली भाप है जिसे टरबाइन में डाला जाता है।

दबाव और उबलते पानी के बीच यह बुनियादी अंतर दो प्रकार के हल्के पानी रिएक्टरों की कई डिज़ाइन विशेषताओं को निर्धारित करता है, जैसा कि नीचे बताया गया है। उनके अलग-अलग डिज़ाइनों के बावजूद, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि दो रिएक्टर प्रकार सुरक्षा के बराबर स्तर प्रदान करते हैं।

दबावयुक्त जल रिएक्टर- विखंडन क्षेत्र (ईंधन तत्व) 150 से 160 बार (15 से 16 MPA) के दबाव में एक रिएक्टर दबाव पोत में निहित है। प्राथमिक सर्किट रिएक्टर दबाव पोत को हीट एक्सचेंजर्स से जोड़ता है। इन हीट एक्सचेंजर्स का माध्यमिक पक्ष लगभग 60 बार (6 MPA) के दबाव में है – माध्यमिक पानी को उबालने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त कम है। इसलिए, हीट एक्सचेंजर्स वास्तव में जनरेटर को भाप देते हैं। द्वितीयक सर्किट के माध्यम से, वाष्प एक टरबाइन को एक वैकल्पिक ड्राइविंग के लिए भेजा जाता है। टरबाइन से निकलने वाली भाप टरबाइन में अपनी ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा पहुंचाने के बाद एक कंडेनसर द्वारा पानी में वापस परिवर्तित हो जाती है। यह फिर भाप जनरेटर में लौटता है। चूंकि टरबाइन (द्वितीयक सर्किट) को चलाने वाले पानी को रिएक्टर कूलेंट (प्राथमिक सर्किट) के रूप में उपयोग किए जाने वाले पानी से भौतिक रूप से अलग किया जाता है, टरबाइन-अल्टरनेटर सेट को रिएक्टर भवन के बाहर एक टरबाइन हॉल में रखा जा सकता है।

उबलते पानी के रिएक्टर- विखंडन क्षेत्र लगभग 70 बार (7 MPA) के दबाव में एक रिएक्टर दबाव पोत में निहित होता है। तापमान (290 ° C) तक पहुँच जाने पर, पानी उबलने लगता है और परिणामस्वरूप भाप सीधे रिएक्टर के दबाव वाले बर्तन में पैदा होती है। रिएक्टर के दबाव वाले बर्तन के ऊपरी हिस्से में भाप और पानी के अलग होने के बाद, भाप को एक टरबाइन चलाकर एक अल्टरनेटर को सीधा किया जाता है। टरबाइन से निकलने वाली भाप टरबाइन में अपनी ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा पहुंचाने के बाद एक कंडेनसर द्वारा पानी में वापस परिवर्तित हो जाती है। फिर इसे प्राथमिक शीतलन सर्किट में वापस खिलाया जाता है जहां यह विखंडन क्षेत्र में नई ऊष्मा को अवशोषित करता है। चूंकि विखंडन क्षेत्र में उत्पादित भाप थोड़ी रेडियोधर्मी होती है, मुख्य रूप से अल्पकालिक सक्रियण उत्पादों के कारण, टरबाइन को रिएक्टर के समान प्रबलित भवन में रखा जाता है।

परमाणु रिएक्टर कैसे काम करता है

जिस तरह पारंपरिक थर्मल पावर स्टेशन जलते जीवाश्म ईंधन से जारी थर्मल ऊर्जा का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करते हैं, वैसे ही परमाणु रिएक्टर नियंत्रित परमाणु विखंडन द्वारा जारी ऊर्जा को यांत्रिक या विद्युत रूपों में आगे रूपांतरण के लिए थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

विखंडन

जब यूरेनियम -235 या प्लूटोनियम -239 जैसे एक बड़े फिशाइल परमाणु नाभिक एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, तो यह परमाणु विखंडन से गुजर सकता है। भारी नाभिक दो या अधिक लाइटर नाभिकों (विखंडन उत्पादों) में विभाजित होकर गतिज ऊर्जा, गामा विकिरण और मुक्त न्यूट्रॉन को मुक्त करता है। इन न्यूट्रॉन का एक हिस्सा बाद में अन्य विदारक परमाणुओं द्वारा अवशोषित किया जा सकता है और आगे विखंडन की घटनाओं को ट्रिगर कर सकता है, जो अधिक न्यूट्रॉन जारी करता है, और इसी तरह। इसे परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है।

ऐसी परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए, न्यूट्रॉन जहर और न्यूट्रॉन मध्यस्थ न्यूट्रॉन के हिस्से को बदल सकते हैं जो कि अधिक विखंडन का कारण बनेंगे। परमाणु रिएक्टरों में आमतौर पर स्वत: और मैनुअल सिस्टम होते हैं, अगर विखंडन की स्थिति का पता लगाने के लिए विखंडन प्रतिक्रिया को बंद कर दिया जाए। आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले मॉडरेटर्स में नियमित (हल्का) पानी (दुनिया के 74.8% रिएक्टरों में), ठोस ग्रेफाइट (रिएक्टरों का 20%) और भारी पानी (5% रिएक्टर) शामिल हैं। कुछ प्रायोगिक प्रकार के रिएक्टर में बेरिलियम का उपयोग किया गया है, और हाइड्रोकार्बन को एक और संभावना के रूप में सुझाया गया है।

गर्मी पैदा होना

• जब ये नाभिक पास के परमाणुओं से टकराते हैं तो विखंडन उत्पादों की गतिज ऊर्जा थर्मल ऊर्जा में बदल जाती है।
• रिएक्टर विखंडन के दौरान उत्पन्न कुछ गामा किरणों को अवशोषित करता है और उनकी ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करता है।
• हीट का उत्पादन विखंडन उत्पादों और रेडियोधर्मी क्षय द्वारा होता है जो न्यूट्रॉन अवशोषण द्वारा सक्रिय किया गया है। रिएक्टर बंद होने के बाद भी यह क्षय ताप-स्रोत कुछ समय के लिए रहेगा।

कूलिंग

एक परमाणु रिएक्टर शीतलक – आमतौर पर पानी लेकिन कभी-कभी एक गैस या एक तरल धातु (जैसे तरल सोडियम) या पिघला हुआ नमक – जो गर्मी उत्पन्न करता है उसे अवशोषित करने के लिए रिएक्टर कोर के बाहर परिचालित किया जाता है। गर्मी को रिएक्टर से दूर ले जाया जाता है और फिर भाप उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। अधिकांश रिएक्टर सिस्टम एक शीतलन प्रणाली को नियोजित करते हैं जो पानी से भौतिक रूप से अलग हो जाती है जिसे टरबाइन के लिए दबावयुक्त पानी रिएक्टर की तरह उबालने के लिए उबाला जाएगा।