परमाणु रिएक्टर उपकरण और संचालन का सिद्धांत। पहला परमाणु रिएक्टर - किसने आविष्कार किया

परमाणु रिएक्टरों का एक काम है: नियंत्रित प्रतिक्रिया में परमाणुओं को विभाजित करना और विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए जारी ऊर्जा का उपयोग करना। कई वर्षों से, रिएक्टरों को चमत्कार और खतरे दोनों के रूप में देखा गया है।

1956 में जब पहला अमेरिकी वाणिज्यिक रिएक्टर शिपिंगपोर्ट, पेनसिल्वेनिया में परिचालन में आया, तो प्रौद्योगिकी को भविष्य के ऊर्जा स्रोत के रूप में देखा गया, और कुछ लोगों ने सोचा कि रिएक्टर बिजली को बहुत सस्ता कर देंगे। वर्तमान में, दुनिया भर में 442 परमाणु रिएक्टर बनाए गए हैं, इनमें से लगभग एक चौथाई रिएक्टर संयुक्त राज्य में स्थित हैं। दुनिया अपनी 14 प्रतिशत बिजली के लिए परमाणु रिएक्टरों पर निर्भर हो गई है। भविष्यवादियों ने परमाणु कारों के बारे में भी कल्पना की थी।

जब 1979 में पेन्सिलवेनिया में थ्री माइल आइलैंड पावर प्लांट में ब्लॉक 2 रिएक्टर में शीतलन प्रणाली खराब हो गई और इसके परिणामस्वरूप, इसके रेडियोधर्मी ईंधन के आंशिक पिघलने से रिएक्टरों के बारे में गर्म भावनाएं मौलिक रूप से बदल गईं। नष्ट हुए रिएक्टर में रुकावट और कोई महत्वपूर्ण विकिरण जोखिम नहीं होने के बावजूद, कई लोगों ने संभावित विनाशकारी परिणामों के साथ रिएक्टरों को बहुत जटिल और कमजोर के रूप में देखना शुरू कर दिया। रिएक्टरों से निकलने वाले रेडियोधर्मी कचरे से भी लोग चिंतित थे। नतीजतन, संयुक्त राज्य अमेरिका में नए परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का निर्माण रुक गया है। 1986 में जब सोवियत संघ में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र में एक और गंभीर दुर्घटना हुई, तो परमाणु ऊर्जा बर्बाद हो गई।

लेकिन 2000 के दशक की शुरुआत में, परमाणु रिएक्टरों ने वापसी करना शुरू कर दिया, ऊर्जा की बढ़ती जरूरतों और जीवाश्म ईंधन की घटती आपूर्ति के साथ-साथ कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन से जलवायु परिवर्तन के बारे में बढ़ती चिंताओं के कारण।

लेकिन मार्च 2011 में, एक और संकट आया - इस बार भूकंप ने जापान के परमाणु ऊर्जा संयंत्र फुकुशिमा 1 को मारा।

परमाणु प्रतिक्रिया का उपयोग करना

सीधे शब्दों में कहें, एक परमाणु रिएक्टर में, परमाणु विभाजित होते हैं और उस ऊर्जा को छोड़ते हैं जो उनके भागों को एक साथ रखती है।

यदि आप हाई स्कूल भौतिकी भूल गए हैं, तो हम आपको याद दिलाएंगे कि कैसे परमाणु विखंडनकाम करता है। परमाणु छोटे सौर मंडल की तरह होते हैं, जिनमें सूर्य की तरह एक कोर होता है और इसके चारों ओर कक्षा में इलेक्ट्रॉन जैसे ग्रह होते हैं। नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नामक कणों से बना होता है जो एक साथ बंधे होते हैं। कोर के तत्वों को बांधने वाली शक्ति की कल्पना करना भी मुश्किल है। यह गुरुत्वाकर्षण बल से कई अरब गुना अधिक शक्तिशाली है। इस विशाल शक्ति के बावजूद, इस पर न्यूट्रॉन की शूटिंग करके नाभिक को विभाजित करना संभव है। जब यह किया जाता है, तो बहुत सारी ऊर्जा निकल जाएगी। जब परमाणु विघटित होते हैं, तो उनके कण आस-पास के परमाणुओं में टकराते हैं, उन्हें विभाजित करते हैं, और वे, बदले में, अगले, अगले और अगले होते हैं। एक तथाकथित है श्रृंखला अभिक्रिया.

यूरेनियम, बड़े परमाणुओं वाला एक तत्व, विखंडन प्रक्रिया के लिए आदर्श है क्योंकि कणों को इसके मूल से बांधने वाला बल अन्य तत्वों की तुलना में अपेक्षाकृत कमजोर होता है। परमाणु रिएक्टर एक विशिष्ट समस्थानिक का उपयोग करते हैं जिसे कहा जाता है पास होनाशीघ्र235 ... यूरेनियम -235 प्रकृति में दुर्लभ है, यूरेनियम खानों से अयस्क में केवल 0.7% यूरेनियम -235 होता है। यही कारण है कि रिएक्टर उपयोग करते हैं समृद्धपास होनाघावजो गैस प्रसार की प्रक्रिया के माध्यम से यूरेनियम-235 को अलग और सांद्रित करके बनाया जाता है।

श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रक्रिया एक परमाणु बम में बनाई जा सकती है, जो द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान जापानी शहरों हिरोशिमा और नागासाकी पर गिराए गए थे। लेकिन एक परमाणु रिएक्टर में, कैडमियम, हेफ़नियम या बोरॉन जैसी सामग्रियों से बनी नियंत्रण छड़ें डालकर श्रृंखला प्रतिक्रिया को नियंत्रित किया जाता है, जो कुछ न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं। यह अभी भी विखंडन प्रक्रिया को पानी को लगभग 270 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने और इसे भाप में बदलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा छोड़ने की अनुमति देता है, जिसका उपयोग बिजली संयंत्र के टर्बाइनों को चालू करने और बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। मूल रूप से, इस मामले में, कोयले के बजाय एक नियंत्रित परमाणु बम काम करता है, बिजली पैदा करता है, सिवाय इसके कि उबलते पानी की ऊर्जा कार्बन जलाने के बजाय परमाणुओं को विभाजित करने से आती है।

परमाणु रिएक्टर घटक

कई अलग-अलग प्रकार के परमाणु रिएक्टर हैं, लेकिन वे सभी कुछ सामान्य विशेषताओं को साझा करते हैं। उन सभी के पास रेडियोधर्मी ईंधन छर्रों की आपूर्ति होती है - आमतौर पर यूरेनियम ऑक्साइड - जो कि ईंधन की छड़ बनाने के लिए पाइप में स्थित होते हैं सक्रिय क्षेत्रइरिएक्टर.

रिएक्टर में पहले उल्लेखित भी है प्रबंधइछड़ीतथा- न्यूट्रॉन अवशोषित सामग्री जैसे कैडमियम, हेफ़नियम या बोरॉन, जिसे प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने या रोकने के लिए डाला जाता है।

रिएक्टर में भी है मध्यस्थ, एक पदार्थ जो न्यूट्रॉन को धीमा कर देता है और विखंडन प्रक्रिया को नियंत्रित करने में मदद करता है। संयुक्त राज्य में अधिकांश रिएक्टर सादे पानी का उपयोग करते हैं, लेकिन अन्य देशों में रिएक्टर कभी-कभी ग्रेफाइट का उपयोग करते हैं, या अधिक वज़नदारयूवाटर्सपर, जिसमें हाइड्रोजन को ड्यूटेरियम द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, हाइड्रोजन का एक समस्थानिक जिसमें एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन होता है। प्रणाली का एक अन्य महत्वपूर्ण हिस्सा है ठंडाऔर मैंतरलबीआमतौर पर साधारण पानी, जो टरबाइन को घुमाने के लिए भाप बनाने के लिए रिएक्टर से ऊष्मा को अवशोषित और स्थानांतरित करता है और रिएक्टर क्षेत्र को ठंडा करता है ताकि यह उस तापमान तक न पहुँचे जिस पर यूरेनियम पिघलेगा (लगभग 3815 डिग्री सेल्सियस)।

अंत में, रिएक्टर में संलग्न है सीपपर, एक बड़ी, भारी संरचना, आमतौर पर कई मीटर मोटी, स्टील और कंक्रीट से बनी होती है, जो रेडियोधर्मी गैसों और तरल पदार्थों को अंदर रखती है जहाँ वे किसी को नुकसान नहीं पहुँचा सकते।

उपयोग में कई अलग-अलग रिएक्टर डिज़ाइन हैं, लेकिन सबसे आम में से एक है प्रेशराइज्ड वाटर पावर रिएक्टर (VVER)... ऐसे रिएक्टर में, पानी को कोर के संपर्क में आने के लिए मजबूर किया जाता है, और फिर वहां ऐसे दबाव में रहता है कि वह भाप में नहीं बदल सकता। यह पानी तब भाप जनरेटर में बिना दबाव के आपूर्ति किए गए पानी के संपर्क में आता है, जो भाप में बदल जाता है, जो टर्बाइनों को घुमाता है। एक निर्माण भी है हाई पावर चैनल टाइप रिएक्टर (RBMK)एक पानी के सर्किट के साथ और फास्ट रिएक्टरदो सोडियम और एक पानी के सर्किट के साथ।

परमाणु रिएक्टर कितना सुरक्षित है?

इस प्रश्न का उत्तर देना कठिन है और यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप किससे पूछते हैं और आप "सुरक्षित" को कैसे समझते हैं। क्या आप रिएक्टरों में उत्पन्न होने वाले विकिरण या रेडियोधर्मी कचरे से चिंतित हैं? या आप किसी भीषण दुर्घटना की आशंका से अधिक चिंतित हैं? परमाणु ऊर्जा के लाभों के लिए आप किस हद तक जोखिम को स्वीकार्य व्यापार-बंद मानते हैं? और आप किस हद तक सरकार और परमाणु शक्ति पर भरोसा करते हैं?

"विकिरण" एक सम्मोहक तर्क है, मुख्यतः क्योंकि हम सभी जानते हैं कि विकिरण की उच्च खुराक, जैसे कि परमाणु बम से, हजारों लोगों को मार सकता है।

हालांकि, परमाणु समर्थक बताते हैं कि हम सभी नियमित रूप से विभिन्न स्रोतों से विकिरण के संपर्क में हैं, जिसमें कॉस्मिक किरणें और पृथ्वी द्वारा उत्सर्जित प्राकृतिक विकिरण शामिल हैं। औसत वार्षिक विकिरण खुराक लगभग 6.2 मिलीसीवर्ट्स (एमएसवी) है, प्राकृतिक स्रोतों से आधा और कृत्रिम स्रोतों से आधा, छाती एक्स-रे, धूम्रपान डिटेक्टरों और चमकदार घड़ी चेहरे से लेकर। नाभिकीय रिएक्टरों से हमें कितना विकिरण प्राप्त होता है? हमारे विशिष्ट वार्षिक एक्सपोजर के प्रतिशत का केवल एक अंश 0.0001 mSv है।

जबकि सभी परमाणु ऊर्जा संयंत्र अनिवार्य रूप से कम मात्रा में विकिरण को बाहर निकलने की अनुमति देते हैं, नियामक आयोग संयंत्र संचालकों को सख्त अनुपालन में रखते हैं। वे स्टेशन के आसपास रहने वाले लोगों को प्रति वर्ष 1 mSv से अधिक उजागर नहीं कर सकते हैं, और संयंत्र में श्रमिकों की सीमा 50 mSv प्रति वर्ष है। यह बहुत कुछ लग सकता है, लेकिन परमाणु नियामक आयोग के अनुसार, कोई चिकित्सा प्रमाण नहीं है कि 100 mSv से कम वार्षिक विकिरण मानव स्वास्थ्य के लिए कोई जोखिम पैदा करता है।

लेकिन यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हर कोई विकिरण जोखिमों के इस तरह के आत्मसंतुष्ट मूल्यांकन से सहमत नहीं है। उदाहरण के लिए, फिजिशियन फॉर सोशल रिस्पॉन्सिबिलिटी, जो लंबे समय से परमाणु उद्योग के आलोचक रहे हैं, ने जर्मन परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के आसपास रहने वाले बच्चों का अध्ययन किया। अध्ययन में पाया गया कि पौधे के 5 किमी के दायरे में रहने वाले लोगों में पौधे से आगे रहने वालों की तुलना में ल्यूकेमिया होने का खतरा दोगुना था।

परमाणु अपशिष्ट रिएक्टर

परमाणु ऊर्जा को इसके समर्थक "स्वच्छ" ऊर्जा कहते हैं क्योंकि रिएक्टर कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों की तुलना में वातावरण में बड़ी मात्रा में ग्रीनहाउस गैसों का उत्सर्जन नहीं करता है। लेकिन आलोचक एक और पर्यावरणीय समस्या की ओर इशारा करते हैं - परमाणु कचरे का निपटान। कुछ अपशिष्ट, रिएक्टरों से खर्च किया गया ईंधन, अभी भी रेडियोधर्मिता जारी करता है। एक और अनावश्यक सामग्री जिसे बनाए रखने की आवश्यकता है वह है उच्च स्तरीय रेडियोधर्मी अपशिष्ट, खर्च किए गए ईंधन के पुन: प्रसंस्करण से तरल अवशेष, जिसमें आंशिक रूप से यूरेनियम रहता है। अभी, इस कचरे में से अधिकांश को स्थानीय रूप से परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में पानी के तालाबों में संग्रहीत किया जाता है, जो खर्च किए गए ईंधन से उत्पन्न शेष गर्मी को अवशोषित करते हैं और श्रमिकों को विकिरण जोखिम से बचाने में मदद करते हैं।

खर्च किए गए परमाणु ईंधन के साथ एक समस्या यह है कि इसे विखंडन द्वारा बदल दिया गया है; जब बड़े यूरेनियम परमाणु विखंडन करते हैं, तो वे उपोत्पाद बनाते हैं - सीज़ियम -137 और स्ट्रोंटियम -90 जैसे कई प्रकाश तत्वों के रेडियोधर्मी समस्थानिक, जिन्हें कहा जाता है विखंडन उत्पाद... वे गर्म और अत्यधिक रेडियोधर्मी हैं, लेकिन अंततः, 30 वर्षों की अवधि में, वे कम खतरनाक रूपों में क्षय हो जाते हैं। यह अवधि उनके लिए कहा जाता है एन एसअवधिओमहाफ लाइफ... अन्य रेडियोधर्मी तत्वों के लिए, अर्ध-आयु भिन्न होगी। इसके अलावा, कुछ यूरेनियम परमाणु न्यूट्रॉन को भी पकड़ लेते हैं, जिससे प्लूटोनियम जैसे भारी तत्व बनते हैं। ये ट्रांसयूरानिक तत्व विखंडन उत्पादों के रूप में उतनी गर्मी या मर्मज्ञ विकिरण उत्पन्न नहीं करते हैं, लेकिन वे क्षय होने में अधिक समय लेते हैं। उदाहरण के लिए, प्लूटोनियम-239 का आधा जीवन 24,000 वर्ष है।

इन रेडियोधर्मीइवापसीएन एस उच्च स्तररिएक्टर मनुष्यों और अन्य जीवन रूपों के लिए खतरनाक हैं क्योंकि वे एक छोटे से जोखिम से भी विकिरण की एक बड़ी, घातक खुराक का उत्सर्जन कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, रिएक्टर से बचे हुए ईंधन को हटाने के दस साल बाद, वे प्रति घंटे 200 गुना अधिक रेडियोधर्मिता का उत्सर्जन करते हैं, जितना कि एक व्यक्ति को मारने में लगता है। और अगर अपशिष्ट भूजल या नदियों में जाता है, तो यह खाद्य श्रृंखला में समाप्त हो सकता है और बड़ी संख्या में लोगों को खतरे में डाल सकता है।

चूंकि कचरा इतना खतरनाक है, कई लोग मुश्किल स्थिति में हैं। ६०,००० टन कचरा बड़े शहरों के करीब परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में स्थित है। लेकिन अपने कचरे को स्टोर करने के लिए सुरक्षित जगह ढूंढना आसान नहीं है।

परमाणु रिएक्टर में क्या गलत हो सकता है?

सरकारी नियामकों ने अपने अनुभवों को पीछे देखते हुए, इंजीनियरों ने वर्षों से इष्टतम सुरक्षा के लिए रिएक्टरों को डिजाइन करने में काफी समय बिताया है। वे बस टूटते नहीं हैं, ठीक से काम करते हैं, और कुछ गलत होने पर सुरक्षा उपायों का बैकअप लेते हैं। नतीजतन, साल दर साल, परमाणु ऊर्जा संयंत्र, हवाई यात्रा की तुलना में काफी सुरक्षित प्रतीत होते हैं, जो नियमित रूप से दुनिया भर में एक वर्ष में 500 से 1,100 लोगों को मारता है।

फिर भी, परमाणु रिएक्टर बड़े टूटने से आगे निकल जाते हैं। परमाणु घटनाओं के अंतरराष्ट्रीय पैमाने पर, जो रिएक्टर दुर्घटनाओं को 1 से 7 तक रैंक करता है, 1957 के बाद से पांच दुर्घटनाएं हुई हैं, जिन्हें 5 से 7 रेटिंग दी गई है।

सबसे बुरा दुःस्वप्न शीतलन प्रणाली का टूटना है, जिसके कारण ईंधन अधिक गरम हो जाता है। ईंधन एक तरल में बदल जाता है, और फिर रेडियोधर्मी विकिरण को बाहर निकालते हुए, रोकथाम के माध्यम से जलता है। 1979 में, थ्री माइल आइलैंड एनपीपी (यूएसए) में यूनिट 2 इस परिदृश्य के कगार पर थी। सौभाग्य से, अच्छी तरह से डिजाइन की गई रोकथाम प्रणाली विकिरण को बाहर निकलने से रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत थी।

यूएसएसआर कम भाग्यशाली था। अप्रैल 1986 में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र की चौथी बिजली इकाई में एक गंभीर परमाणु दुर्घटना हुई। यह सिस्टम की विफलताओं, डिजाइन की खामियों और खराब प्रशिक्षित कर्मियों के संयोजन के कारण हुआ था। एक नियमित जांच के दौरान, प्रतिक्रिया अचानक बढ़ गई और आपातकालीन शटडाउन को रोकने के लिए नियंत्रण छड़ें जाम हो गईं। भाप के अचानक बनने से दो थर्मल विस्फोट हुए, जिससे रिएक्टर का ग्रेफाइट मॉडरेटर हवा में चला गया। रिएक्टर ईंधन की छड़ को ठंडा करने के लिए कुछ भी नहीं होने पर, उनका अति ताप शुरू हो गया और पूर्ण विनाश हुआ, जिसके परिणामस्वरूप ईंधन ने तरल रूप ले लिया। हादसे में स्टेशन के कई कर्मचारी और परिसमापक मारे गए। 323,749 वर्ग किलोमीटर के क्षेत्र में बड़ी मात्रा में विकिरण फैल गया। विकिरण से होने वाली मौतों की संख्या अभी भी स्पष्ट नहीं है, लेकिन विश्व स्वास्थ्य संगठन का कहना है कि इससे 9,000 कैंसर से मौतें हो सकती हैं।

परमाणु रिएक्टरों के निर्माता के आधार पर गारंटी प्रदान करते हैं संभाव्य मूल्यांकनइजिसमें वे किसी घटना से संभावित नुकसान को वास्तव में घटित होने की संभावना के साथ संतुलित करने का प्रयास करते हैं। लेकिन कुछ आलोचकों का कहना है कि उन्हें इसके बजाय दुर्लभ, सबसे अप्रत्याशित, लेकिन बहुत खतरनाक घटनाओं के लिए तैयार रहना चाहिए। मार्च 2011 में जापान में फुकुशिमा 1 परमाणु ऊर्जा संयंत्र में हुई दुर्घटना का एक उदाहरण है। स्टेशन को कथित तौर पर बड़े पैमाने पर भूकंप का सामना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, लेकिन 9.0 तीव्रता के भूकंप के रूप में विनाशकारी नहीं था, जिसने 5.4-मीटर लहर का सामना करने के लिए डिज़ाइन किए गए बांधों पर 14-मीटर सुनामी लहर उठाई थी। सुनामी के हमले ने स्टैंडबाय डीजल जनरेटर को नष्ट कर दिया, जो बिजली की कमी की स्थिति में परमाणु ऊर्जा संयंत्र के छह रिएक्टरों की शीतलन प्रणाली को शक्ति देने के लिए थे। इस प्रकार, फुकुशिमा रिएक्टरों की नियंत्रण छड़ों के विखंडन प्रतिक्रिया को रोकने के बाद भी, अभी भी गर्म ईंधन ने नष्ट किए गए रिएक्टरों के अंदर तापमान को खतरनाक रूप से बढ़ने दिया।

जापानी अधिकारियों ने कम से कम - बोरिक एसिड के साथ बड़ी मात्रा में समुद्री जल के साथ रिएक्टरों में बाढ़ का सहारा लिया, जो आपदा को रोक सकता था, लेकिन रिएक्टर उपकरण को नष्ट कर दिया। आखिरकार, दमकल की गाड़ियों और बजरों की मदद से, जापानी रिएक्टरों में ताजा पानी पंप करने में सक्षम हो गए। लेकिन तब तक, निगरानी ने आसपास की भूमि और पानी में विकिरण के खतरनाक स्तर को पहले ही प्रकट कर दिया था। इस परमाणु ऊर्जा संयंत्र से 40 किमी दूर एक गाँव में, रेडियोधर्मी तत्व सीज़ियम -137 चेरनोबिल आपदा के बाद के स्तर से बहुत अधिक पाया गया, जिसने इस क्षेत्र में रहने की संभावना पर संदेह पैदा किया।

उपकरण और संचालन का सिद्धांत एक आत्मनिर्भर परमाणु प्रतिक्रिया की शुरुआत और नियंत्रण पर आधारित है। इसका उपयोग अनुसंधान उपकरण के रूप में, रेडियोधर्मी समस्थानिकों के उत्पादन के लिए और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में किया जाता है।

संचालन सिद्धांत (संक्षेप में)

यहां, एक प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है जिसमें एक भारी नाभिक दो छोटे टुकड़ों में टूट जाता है। ये टुकड़े बहुत उत्तेजित अवस्था में होते हैं और न्यूट्रॉन, अन्य उप-परमाणु कणों और फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं। न्यूट्रॉन नए विखंडन का कारण बन सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उनमें से और भी अधिक उत्सर्जित होते हैं, और इसी तरह। विभाजनों की इस निरंतर, आत्मनिर्भर श्रृंखला को एक श्रृंखला प्रतिक्रिया कहा जाता है। इसी समय, बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है, जिसका उत्पादन परमाणु ऊर्जा संयंत्र का उपयोग करने का उद्देश्य है।

परमाणु रिएक्टर के संचालन का सिद्धांत ऐसा है कि लगभग 85% विखंडन ऊर्जा प्रतिक्रिया शुरू होने के बाद बहुत कम समय के भीतर निकल जाती है। शेष न्यूट्रॉन उत्सर्जित करने के बाद विखंडन उत्पादों के रेडियोधर्मी क्षय द्वारा उत्पन्न होता है। रेडियोधर्मी क्षय वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक परमाणु अधिक स्थिर अवस्था में पहुँच जाता है। यह विभाजन के पूरा होने के बाद भी जारी है।

एक परमाणु बम में, श्रृंखला प्रतिक्रिया तीव्रता में बढ़ जाती है जब तक कि अधिकांश सामग्री विभाजित न हो जाए। यह बहुत जल्दी होता है, जिससे ऐसे बमों के विशिष्ट 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 महत्वपूर्णता

परमाणु विखंडन रिएक्टर की भौतिकी यह है कि श्रृंखला प्रतिक्रिया न्यूट्रॉन उत्सर्जन के बाद परमाणु विखंडन की संभावना से निर्धारित होती है। यदि बाद की जनसंख्या कम हो जाती है, तो विभाजन की दर अंततः शून्य हो जाएगी। इस मामले में, रिएक्टर एक सबक्रिटिकल स्थिति में होगा। यदि न्यूट्रॉन की जनसंख्या स्थिर रखी जाए, तो विखंडन दर स्थिर रहेगी। रिएक्टर की हालत गंभीर होगी। अंत में, यदि समय के साथ न्यूट्रॉन की आबादी बढ़ती है, तो विखंडन दर और शक्ति में वृद्धि होगी। कोर की स्थिति सुपरक्रिटिकल हो जाएगी।

परमाणु रिएक्टर के संचालन का सिद्धांत इस प्रकार है। इसके प्रक्षेपण से पहले, न्यूट्रॉन की आबादी शून्य के करीब है। इसके बाद ऑपरेटर्स कंट्रोल रॉड्स को कोर से हटाते हैं, जिससे परमाणु विखंडन बढ़ता है, जो अस्थायी रूप से रिएक्टर को सुपरक्रिटिकल स्थिति में डाल देता है। रेटेड शक्ति तक पहुंचने के बाद, ऑपरेटर न्यूट्रॉन की संख्या को समायोजित करते हुए, नियंत्रण छड़ को आंशिक रूप से वापस कर देते हैं। इसके बाद, 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 सबक्रिटिकल अवस्था में स्थानांतरित करता है।

रिएक्टर प्रकार

दुनिया में मौजूदा परमाणु प्रतिष्ठानों में से अधिकांश बिजली संयंत्र हैं जो विद्युत ऊर्जा के जनरेटर को चलाने वाले टर्बाइनों को घुमाने के लिए आवश्यक गर्मी उत्पन्न करते हैं। कई शोध रिएक्टर भी हैं, और कुछ देशों में परमाणु ऊर्जा से चलने वाली पनडुब्बियां या सतह के जहाज हैं।

बिजली संयंत्रों

इस प्रकार के कई प्रकार के रिएक्टर हैं, लेकिन हल्के पानी पर डिजाइन का व्यापक अनुप्रयोग पाया गया है। बदले में, यह दबाव वाले पानी या उबलते पानी का उपयोग कर सकता है। पहले मामले में, उच्च दबाव वाले तरल को कोर की गर्मी से गर्म किया जाता है और भाप जनरेटर में प्रवेश करता है। वहां, प्राथमिक सर्किट से गर्मी को माध्यमिक सर्किट 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।

एक क्वथनांक-जल रिएक्टर प्रत्यक्ष शक्ति चक्र के सिद्धांत पर कार्य करता है। कोर से गुजरने वाले पानी को मध्यम दबाव के स्तर पर उबाल लाया जाता है। संतृप्त भाप रिएक्टर पोत में स्थित विभाजकों और ड्रायरों की एक श्रृंखला से होकर गुजरती है, जिससे यह अत्यधिक गर्म हो जाती है। टर्बाइन को चलाने के लिए सुपरहीटेड स्टीम का उपयोग कार्यशील द्रव के रूप में किया जाता है।

उच्च तापमान गैस ठंडा

एक उच्च तापमान वाला गैस-कूल्ड रिएक्टर (HTGR) 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 "भरने" प्रणाली, जो 60 मिमी के व्यास के साथ 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 इंटरलॉक करता है, एक कोर बनाता है।

दोनों ही मामलों में, शीतलक में लगभग 100 वायुमंडल के दबाव में हीलियम होता है। जर्मन प्रणाली में, हीलियम गोलाकार ईंधन कोशिकाओं 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 और हीलियम पूरी तरह से रासायनिक रूप से निष्क्रिय होता है। गर्म हीलियम का उपयोग सीधे उच्च तापमान पर गैस टरबाइन में काम कर रहे तरल पदार्थ के रूप में किया जा सकता है, या इसकी गर्मी का उपयोग जल चक्र में भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

तरल धातु और कार्य सिद्धांत

1960-1970 के दशक में सोडियम-कूल्ड फास्ट रिएक्टरों ने बहुत ध्यान आकर्षित किया। तब ऐसा लगा कि तेजी से विकसित हो रहे परमाणु उद्योग के लिए ईंधन के उत्पादन के लिए निकट भविष्य में उनकी प्रजनन क्षमताएं आवश्यक हैं। 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, धातु ईंधन के साथ सबसे बड़ी सफलता हासिल की गई है।

कैंडु

कनाडा ने अपने प्रयासों को उन रिएक्टरों पर केंद्रित किया है जो प्राकृतिक यूरेनियम का उपयोग करते हैं। यह इसे समृद्ध करने के लिए अन्य देशों की सेवाओं का उपयोग करने की आवश्यकता को समाप्त करता है। इस नीति का परिणाम ड्यूटेरियम-यूरेनियम रिएक्टर (CANDU) था। इसे भारी पानी से नियंत्रित और ठंडा किया जाता है। परमाणु रिएक्टर के संचालन का डिजाइन और सिद्धांत वायुमंडलीय दबाव पर ठंडे डी 2 ओ के साथ एक जलाशय का उपयोग करना है। प्राकृतिक यूरेनियम ईंधन के साथ जिरकोनियम मिश्र धातु से बने पाइपों द्वारा कोर को छेद दिया जाता है, जिसके माध्यम से भारी पानी ठंडा होता है। भारी पानी में विखंडन की गर्मी को शीतलक में स्थानांतरित करके बिजली उत्पन्न की जाती है जो भाप जनरेटर के माध्यम से फैलती है। द्वितीयक सर्किट में भाप को फिर एक पारंपरिक टरबाइन चक्र से गुजारा जाता है।

अनुसंधान सुविधाएं

वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए, एक परमाणु रिएक्टर का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, जिसका सिद्धांत असेंबलियों के रूप में जल शीतलन और प्लेट यूरेनियम ईंधन कोशिकाओं का उपयोग है। कई किलोवाट से लेकर सैकड़ों मेगावाट तक बिजली के व्यापक स्तर पर काम करने में सक्षम। चूंकि बिजली उत्पादन अनुसंधान रिएक्टरों का प्राथमिक फोकस नहीं है, इसलिए उन्हें उत्पन्न तापीय ऊर्जा, घनत्व और कोर की रेटेड न्यूट्रॉन ऊर्जा की विशेषता है। ये पैरामीटर हैं जो विशिष्ट सर्वेक्षण करने के लिए एक शोध रिएक्टर की क्षमता को मापने में मदद करते हैं। कम पावर सिस्टम आमतौर पर विश्वविद्यालयों में पाए जाते हैं और शिक्षण के लिए उपयोग किए जाते हैं, जबकि सामग्री और प्रदर्शन परीक्षण और सामान्य शोध के लिए अनुसंधान प्रयोगशालाओं में उच्च शक्ति 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 को पंप करने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि हीटिंग माध्यम का प्राकृतिक संवहन एक सुरक्षित परिचालन स्थिति बनाए रखने के लिए पर्याप्त गर्मी अपव्यय सुनिश्चित करता है। हीट एक्सचेंजर आमतौर पर सतह पर या पूल के शीर्ष पर स्थित होता है जहां गर्म पानी जमा होता है।

जहाज स्थापना

परमाणु रिएक्टरों का प्रारंभिक और मुख्य अनुप्रयोग पनडुब्बियों में है। उनका मुख्य लाभ यह है कि, जीवाश्म ईंधन दहन प्रणालियों के विपरीत, उन्हें बिजली उत्पन्न करने के लिए हवा की आवश्यकता नहीं होती है। नतीजतन, 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। नौसेना के जहाजों को सामरिक लाभ देता है। इसके लिए धन्यवाद, विदेशी बंदरगाहों या आसानी से कमजोर टैंकरों से ईंधन भरने की आवश्यकता नहीं है।

पनडुब्बी पर परमाणु रिएक्टर के संचालन के सिद्धांत को वर्गीकृत किया गया है। हालांकि, यह ज्ञात है कि संयुक्त राज्य अमेरिका में अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम का उपयोग किया जाता है, और यह कि धीमा और ठंडा पानी के साथ किया जाता है। पहले परमाणु पनडुब्बी रिएक्टर, यूएसएस नॉटिलस 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 और शटडाउन के बाद पुनरारंभ करने की क्षमता प्रदान करता है। पनडुब्बियों में बिजली संयंत्र का पता लगाने से बचने के लिए बहुत शांत होना चाहिए। पनडुब्बियों के विभिन्न वर्गों की विशिष्ट जरूरतों को पूरा करने के लिए, बिजली संयंत्रों के विभिन्न मॉडल बनाए गए हैं।

अमेरिकी नौसेना के विमान वाहक परमाणु रिएक्टर का उपयोग करते हैं, जिसके सिद्धांत को सबसे बड़ी पनडुब्बियों से उधार लिया गया माना जाता है। उनके डिजाइन का विवरण भी प्रकाशित नहीं किया गया है।

संयुक्त राज्य 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 यह माना जाता है कि वे सभी बहुत समान हैं - यह उनकी तकनीकी विशेषताओं के लिए समान आवश्यकताओं का परिणाम है। रूस के पास एक छोटा बेड़ा भी है जो सोवियत पनडुब्बियों के समान रिएक्टरों का उपयोग करता है।

औध्योगिक संयंत्र

उत्पादन उद्देश्यों के लिए, एक परमाणु रिएक्टर का उपयोग किया जाता है, जिसका सिद्धांत कम ऊर्जा उत्पादन के साथ उच्च प्रदर्शन है। यह इस तथ्य के कारण है कि कोर में प्लूटोनियम के लंबे समय तक रहने से अवांछित 240 पु का संचय होता है।

ट्रिटियम उत्पादन

वर्तमान में, ऐसी प्रणालियों द्वारा उत्पादित मुख्य सामग्री ट्रिटियम (3 एच या टी) है - प्लूटोनियम -239 के लिए चार्ज 24,100 वर्षों का लंबा आधा जीवन है, इसलिए इस तत्व का उपयोग करने वाले परमाणु हथियारों वाले देशों में आमतौर पर आवश्यकता से अधिक होता है . 239 पु के विपरीत, ट्रिटियम का आधा जीवन लगभग 12 वर्ष है। इस प्रकार, आवश्यक भंडार बनाए रखने के लिए, हाइड्रोजन के इस रेडियोधर्मी समस्थानिक का निरंतर उत्पादन किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका में, सवाना नदी, दक्षिण कैरोलिना, कई भारी जल रिएक्टर संचालित करती है जो ट्रिटियम का उत्पादन करते हैं।

फ़्लोटिंग पावर इकाइयां

परमाणु रिएक्टर बनाए गए हैं जो दूरस्थ पृथक क्षेत्रों में बिजली और भाप हीटिंग प्रदान कर सकते हैं। रूस में, उदाहरण के लिए, आर्कटिक बस्तियों की सेवा के लिए विशेष रूप से डिजाइन किए गए छोटे बिजली संयंत्रों को आवेदन मिला है। चीन में, एक 10-मेगावाट एचटीआर-10 इकाई अनुसंधान संस्थान को गर्मी और बिजली की आपूर्ति करती है जहां यह स्थित है। स्वीडन और कनाडा में समान क्षमताओं वाले छोटे, स्वचालित रूप से नियंत्रित रिएक्टरों का विकास किया जा रहा है। 1960 और 1972 के बीच, अमेरिकी सेना ने ग्रीनलैंड और अंटार्कटिका में दूरस्थ ठिकानों का समर्थन करने के लिए कॉम्पैक्ट वाटर रिएक्टरों का इस्तेमाल किया। उन्हें ईंधन तेल बिजली संयंत्रों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था।

अंतरिक्ष की विजय

इसके अलावा, बाहरी अंतरिक्ष में बिजली की आपूर्ति और यात्रा 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 रही है। इनमें से कम से कम एक उपग्रह ने पृथ्वी के वायुमंडल में प्रवेश किया, जिसके परिणामस्वरूप कनाडा के सुदूर क्षेत्रों में रेडियोधर्मी संदूषण हुआ। 1965 में संयुक्त राज्य अमेरिका ने केवल एक परमाणु-संचालित उपग्रह लॉन्च किया। हालांकि, लंबी दूरी की अंतरिक्ष उड़ानों में उनके आवेदन, अन्य ग्रहों की मानवयुक्त खोज या स्थायी चंद्र आधार पर परियोजनाओं का विकास जारी है। यह निश्चित 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, अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी के लिए रिएक्टर जितना संभव हो उतना कॉम्पैक्ट होना चाहिए ताकि परिरक्षण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री की मात्रा को कम किया जा सके और लॉन्च और अंतरिक्ष उड़ान के दौरान वजन कम किया जा सके। ईंधन की आपूर्ति अंतरिक्ष उड़ान की पूरी अवधि के लिए रिएक्टर के संचालन को सुनिश्चित करेगी।

परमाणु रिएक्टरों के निर्माण के इतिहास में तीन चरणों का पता लगाया जा सकता है। पहले चरण में, एक आत्मनिर्भर श्रृंखला परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया की घटना के लिए आवश्यक और पर्याप्त शर्तों का निर्धारण किया गया था। दूसरे चरण में, सभी भौतिक प्रभाव स्थापित किए गए जो एक आत्मनिर्भर श्रृंखला परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया की घटना को बढ़ावा देते हैं और बाधित करते हैं, अर्थात। इस प्रक्रिया को तेज और धीमा करना। और, अंत में, रिएक्टर के डिजाइन और उसमें होने वाली प्रक्रियाओं के संबंध में मात्रात्मक गणना की गई।

परमाणु रिएक्टरों का निर्माण सामान्य परमाणु समस्या के अभिन्न कार्यों में से एक का समाधान था।

दुनिया का पहला रिएक्टर CP-1 (शिकागो भौतिकी) ई. फर्मी द्वारा एंडरसन, ज़िन, एल. वुड्स और जे. वेइल के सहयोग से डिजाइन और निर्मित किया गया था और शिकागो स्टेडियम विश्वविद्यालय के स्टैंड के नीचे टेनिस हॉल में स्थित था। रिएक्टर ने 2 दिसंबर, 1942 को 0.5 डब्ल्यू की अनुमानित प्रारंभिक शक्ति के साथ संचालन शुरू किया। पहला यूरेनियम रिएक्टर SR-1 शुद्ध यूरेनियम की कमी के कारण 6 टन यूरेनियम धातु और यूरेनियम ऑक्साइड की एक निश्चित मात्रा (बिल्कुल ज्ञात नहीं) से भरा हुआ था।

रिएक्टर को गोलाकार माना जाता था और हवा से ठंडा होने वाले ग्रेफाइट और यूरेनियम के वैकल्पिक ब्लॉकों की समान परतों के बीच सैंडविच ब्लॉक ग्रेफाइट की क्षैतिज परतों से बना होता था। रिएक्टर की महत्वपूर्ण स्थिति, जिसमें न्यूट्रॉन के नुकसान की भरपाई उनके उत्पादन (निर्माण) द्वारा की गई थी, जब तीन-चौथाई पर गोले का निर्माण किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप रिएक्टर को नियमित रूप से अंतिम आकार प्राप्त नहीं हुआ था गेंद।

12 दिनों के बाद, बिजली को 200 वाट तक बढ़ा दिया गया और स्थापना द्वारा उत्पन्न खतरनाक विकिरण के कारण बिजली में और वृद्धि को जोखिम भरा माना गया। रिएक्टर को शहर के बाहर Argonne प्रयोगशाला में ले जाया गया, जहां इसे फिर से इकट्ठा किया गया और एक सुरक्षा कवच से सुसज्जित किया गया।

अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करने और विशेष चैनलों में स्थित कैडमियम छड़ का उपयोग करके रिएक्टर को मैन्युअल रूप से नियंत्रित किया गया था। इसके अलावा, दो आपातकालीन छड़ और एक स्वचालित नियंत्रण रॉड प्रदान की गई थी।

पहले पायलट प्लांट ने प्लूटोनियम प्राप्त करने की प्रक्रिया का एक प्रायोगिक अध्ययन करना संभव बना दिया, जिससे यह निष्कर्ष निकला कि यह विधि परमाणु बम बनाने के लिए पर्याप्त मात्रा में इसके निर्माण की वास्तविक संभावना प्रदान करती है। 1943 में, ठीक उसी SR-2 रिएक्टर को Argonne National Laboratory (चित्र। 17.1) में प्रायोगिक अनुसंधान के लिए बनाया गया था, लेकिन क्यूब के रूप में एक महत्वपूर्ण आकार के साथ, और 1944 में, एक और SR-3 रिएक्टर बनाया गया था ( अंजीर। 17.2 ), जिसमें भारी पानी ने एक मॉडरेटर के रूप में कार्य किया, जिससे पिछले वाले की तुलना में रिएक्टर के आकार को काफी कम करना संभव हो गया।

शीतलन प्रणाली की कमी के कारण, अधिकतम सुरक्षित रिएक्टर शक्ति 200 W थी, लेकिन थोड़े समय के लिए शक्ति को 100 kW तक बढ़ाया जा सकता था। रिएक्टर ने पांच 5.6 मीटर लंबी कैडमियम-लेपित कांस्य नियंत्रण छड़ का इस्तेमाल किया। इनमें से तीन छड़ें आपातकालीन थीं, एक का उपयोग मोटे समायोजन के लिए किया गया था और दूसरा न्यूट्रॉन प्रवाह और रिएक्टर शक्ति के ठीक समायोजन के लिए किया गया था।

मॉस्को में 1945 के अंत में, यूएसएसआर एकेडमी ऑफ साइंसेज के प्रयोगशाला नंबर 2 के क्षेत्र में, भौतिक रिएक्टर एफ -1 के लिए एक भवन का निर्माण शुरू हुआ, और 1946 की शुरुआत में, पहले का डिजाइन चेल्याबिंस्क -40 में औद्योगिक रिएक्टर और संबंधित प्लूटोनियम संयंत्र शुरू हुआ। दिसंबर 1946 में, I.V के नेतृत्व में F-1 यूरेनियम-ग्रेफाइट अनुसंधान रिएक्टर में। कुरचतोव, यूरोप में पहली बार एक आत्मनिर्भर श्रृंखला प्रतिक्रिया की गई थी। F-1 रिएक्टर की शुरुआत, जो अभी भी विज्ञान की सेवा करती है, ने आवश्यक परमाणु स्थिरांक को मापना, पहले औद्योगिक रिएक्टर के इष्टतम डिजाइन का चयन करना और विनियमन और विकिरण सुरक्षा के मुद्दों की जांच करना संभव बना दिया।

बीसवीं शताब्दी के भौतिकी के इतिहास में यूरोप में पहला परमाणु रिएक्टर भी शामिल है, जिसे यूएसएसआर में बनाया गया था और व्यक्तिगत रूप से आई.वी. दिसंबर 1946 में कुरचटोव। इसकी शक्ति पहले ही 4000 kW तक पहुँच चुकी थी, जिसने प्राप्त अनुभव के आधार पर, औद्योगिक रिएक्टर बनाना संभव बना दिया। रिएक्टर स्वयं एक कंक्रीट के गड्ढे में स्थित था, जिसके तल पर ग्रेफाइट बार की आठ परतें रखी गई थीं। उनके ऊपर छेद-घोंसले वाली परतें बिछाई गईं, जहां यूरेनियम के ब्लॉक डाले गए। कैडमियम छड़ के लिए तीन चैनल भी बनाए गए थे, जो प्रतिक्रिया और उसके आपातकालीन स्टॉप पर नियंत्रण प्रदान करते थे, और उपकरण और प्रयोगात्मक उद्देश्यों के लिए विभिन्न आकारों और आकारों के कई क्षैतिज चैनल थे। ग्रेफाइट बार की परतों की कुल संख्या बासठ थी।

1947 में, यह रिएक्टर अप्राकृतिक प्लूटोनियम की पहली खुराक प्राप्त करने में कामयाब रहा, जो यूरेनियम की तरह, एक परमाणु ईंधन है, इसके अलावा, इसके नाभिक की बुनियादी भौतिक विशेषताओं का अध्ययन करने के लिए पर्याप्त मात्रा में। प्लूटोनियम के उत्पादन के लिए यूएसएसआर में पहला औद्योगिक रिएक्टर जून 1948 में कुरचटोव द्वारा लॉन्च किया गया था।

२०वीं शताब्दी के मध्य ४० के दशक में, लॉस एलामोस साइंटिफिक लेबोरेटरी (यूएसए) ने बिजली पैदा करने की संभावना का प्रदर्शन करते हुए प्लूटोनियम ईंधन के साथ एक प्रायोगिक फास्ट रिएक्टर बनाने का कार्य निर्धारित किया। "क्लेमेंटाइन" नामक इस रिएक्टर में 2.5 लीटर धात्विक प्लूटोनियम की कोर मात्रा थी और इसे पारे से ठंडा किया गया था। रिएक्टर असेंबली 1946 में शुरू हुई, नवंबर 1946 में महत्वपूर्णता हासिल हुई। मार्च 1949 में पावर स्टार्ट-अप हुआ। रिएक्टर 25 kW (th) की शक्ति से संचालित किया गया था।

मैनहट्टन प्रोजेक्ट (एक अमेरिकी बम बनाने की एक गुप्त योजना) के ढांचे के भीतर, यूरेनियम आइसोटोप को अलग करने का सारा काम प्रसिद्ध अमेरिकी भौतिक विज्ञानी ई। लॉरेंस की प्रयोगशाला को सौंपा गया था। जुलाई १९४१ में अमेरिकी सरकार को अपनी रिपोर्ट में, लॉरेंस ने लिखा: "अपृथक [यूरेनियम] आइसोटोप के साथ एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग करने के लिए एक बहुत ही महत्वपूर्ण नया अवसर खुल गया है। जाहिर है, अगर श्रृंखला प्रतिक्रिया की जाती है, तो इसे किया जा सकता है ... कुछ समय के लिए विशेष रूप से परमाणु संख्या 94 [प्लूटोनियम] वाले तत्व के उत्पादन के लिए ... तेज न्यूट्रॉन पर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया करेगा। इस तरह की प्रतिक्रिया में, विस्फोट की दर से ऊर्जा जारी की जाएगी, और इसी प्रणाली को "सुपरबॉम्ब" के रूप में चित्रित किया जा सकता है।

क्लेमेंटाइन रिएक्टर पहला फास्ट ब्रीडर रिएक्टर था और ईंधन के रूप में प्लूटोनियम -239 का उपयोग करने वाला पहला रिएक्टर भी था। 15 सेंटीमीटर ऊंचे और 15 सेंटीमीटर व्यास वाले सिलेंडर के रूप में सक्रिय क्षेत्र में स्टील के खोल में ऊर्ध्वाधर ईंधन की छड़ें होती हैं। मंदक, निश्चित रूप से अनुपस्थित था। धात्विक यूरेनियम और स्टील परावर्तक के रूप में कार्य करते थे। धीमी न्यूट्रॉन को पकड़ने के लिए पारा शीतलक में एक नगण्य क्रॉस सेक्शन था। रिएक्टर को रिफ्लेक्टर से कुछ यूरेनियम को हटाने वाली छड़ों द्वारा नियंत्रित किया गया था, क्योंकि थर्मल रिएक्टरों में इस्तेमाल होने वाले बोरॉन या कैडमियम फास्ट रिएक्टरों के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

Argonne National Laboratory (USA) में, वर्णित अध्ययनों की परवाह किए बिना, एक प्रायोगिक फास्ट ब्रीडर रिएक्टर EBR-1 बनाने के लिए काम किया गया था। इस परियोजना का मुख्य लक्ष्य एक बिजली इकाई के रूप में एक तेज रिएक्टर के साथ एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र की अवधारणा का परीक्षण करना था। रिएक्टर का निर्माण 1951 में शुरू हुआ था, और अगस्त 1951 में महत्वपूर्णता हासिल की गई थी। दिसंबर 1951 में, पहली बार, 200 kW (el।) की रिएक्टर शक्ति पर परमाणु ऊर्जा से विद्युत प्रवाह प्राप्त किया गया था। रिएक्टर के ईंधन तत्व स्टेनलेस स्टील ट्यूब थे जिनमें अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम धातु थी; इसके माध्यम से सोडियम और पोटेशियम मिश्र धातु को पंप करके कोर को ठंडा किया गया था (चित्र 17.3)। परावर्तक में दो भाग होते हैं: कोर के चारों ओर प्राकृतिक यूरेनियम धातु की कई छड़ें, और एक ही सामग्री के कई पच्चर के आकार के ब्लॉक। रिएक्टर को बाहरी परावर्तक में धातु यूरेनियम की छड़ें लगाकर और उससे हटाकर नियंत्रित किया गया था।

रिएक्टर ने तेजी से न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत विखंडन द्वारा जारी ऊर्जा को एक साथ उत्पन्न किया और विखंडनीय सामग्री को पुन: उत्पन्न किया। कड़ाई से बोलते हुए, एक ब्रीडर रिएक्टर को उसी विखंडनीय सामग्री का उपयोग करना चाहिए जो वह पैदा करता है, उदाहरण के लिए, द्वितीयक ईंधन सामग्री (प्लूटोनियम) के उत्पादन के लिए फीडस्टॉक के रूप में यूरेनियम -238 के साथ रिएक्टरों में प्लूटोनियम -239। हालांकि, यूरेनियम -235 वर्तमान में कई तेज रिएक्टरों में विखंडनीय सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। तेज न्यूट्रॉन रिएक्टरों में, शीतलक में कम द्रव्यमान संख्या वाले तत्व नहीं होने चाहिए, क्योंकि वे न्यूट्रॉन को धीमा कर देंगे। एक छोटे से कोर से गहन गर्मी हटाने के लिए अत्यधिक उच्च गर्मी अपव्यय गुणों वाले शीतलक की आवश्यकता होती है।

केवल एक पदार्थ - तरल सोडियम - इन शर्तों को पूरा करता है।

ईबीआर-1 रिएक्टर के कुछ समय के संचालन के बाद परावर्तक की ईंधन सामग्री के विश्लेषण से पता चला है कि प्राप्त प्रजनन अनुपात, यानी। खपत यूरेनियम -235 की मात्रा के लिए प्राप्त प्लूटोनियम -239 की मात्रा का अनुपात 100% से थोड़ा अधिक है। चूंकि रिएक्टर में स्थितियां आदर्श नहीं थीं, इसलिए यह माना जाता था कि प्लूटोनियम -239 का प्रजनन व्यावहारिक रूप से लाभदायक होना चाहिए। ग्रेट ब्रिटेन में प्लूटोनियम -239 द्वारा ईंधन वाले बहुत कम शक्ति (2 डब्ल्यू) तेज रिएक्टर पर प्रयोगों द्वारा इसकी पुष्टि की गई थी। यह पाया गया कि प्रत्येक खंडित प्लूटोनियम नाभिक के लिए, लगभग दो नवगठित नाभिक होते हैं। इस प्रकार, प्रजनन लाभ काफी महत्वपूर्ण है। अंतत: ऐसे रिएक्टरों को परमाणु ऊर्जा विकास कार्यक्रम में प्रमुख भूमिका निभानी चाहिए।

परमाणु रिएक्टर क्या है?

एक परमाणु रिएक्टर, जिसे पहले "परमाणु बॉयलर" के रूप में जाना जाता था, एक निरंतर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू करने और नियंत्रित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला उपकरण है। परमाणु रिएक्टरों का उपयोग परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में बिजली पैदा करने और जहाज के इंजन के लिए किया जाता है। परमाणु विखंडन से निकलने वाली गर्मी को एक काम कर रहे तरल पदार्थ (पानी या गैस) में स्थानांतरित किया जाता है जो भाप टर्बाइनों से होकर गुजरता है। पानी या गैस जहाज के ब्लेड को चलाता है, या बिजली के जनरेटर को घुमाता है। परमाणु प्रतिक्रिया से उत्पन्न भाप का उपयोग सैद्धांतिक रूप से थर्मल उद्योग या जिला हीटिंग के लिए किया जा सकता है। कुछ रिएक्टरों का उपयोग चिकित्सा और औद्योगिक उद्देश्यों के लिए या हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम के उत्पादन के लिए आइसोटोप के उत्पादन के लिए किया जाता है। उनमें से कुछ केवल शोध उद्देश्यों के लिए हैं। आज लगभग 450 परमाणु ऊर्जा रिएक्टर हैं जिनका उपयोग दुनिया भर के लगभग 30 देशों में बिजली पैदा करने के लिए किया जाता है।

परमाणु रिएक्टर के संचालन का सिद्धांत

जिस तरह पारंपरिक बिजली संयंत्र जीवाश्म ईंधन को जलाने से निकलने वाली तापीय ऊर्जा का उपयोग करके बिजली पैदा करते हैं, परमाणु रिएक्टर नियंत्रित विखंडन द्वारा जारी ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं ताकि आगे यांत्रिक या विद्युत रूपों में रूपांतरण किया जा सके।

परमाणु नाभिक की विखंडन प्रक्रिया

जब एक महत्वपूर्ण संख्या में क्षयकारी परमाणु नाभिक (जैसे यूरेनियम-235 या प्लूटोनियम-239) एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं, तो परमाणु क्षय हो सकता है। एक भारी नाभिक दो या दो से अधिक प्रकाश नाभिक (विखंडन उत्पाद) में विभाजित हो जाता है, गतिज ऊर्जा, गामा किरणों और मुक्त न्यूट्रॉन को मुक्त करता है। इनमें से कुछ न्यूट्रॉन बाद में अन्य विखंडन परमाणुओं द्वारा अवशोषित किए जा सकते हैं और आगे विखंडन का कारण बन सकते हैं, जो और भी अधिक न्यूट्रॉन जारी करता है, और इसी तरह। इस प्रक्रिया को परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है।

ऐसी परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए, न्यूट्रॉन अवशोषक और मॉडरेटर अधिक नाभिक के विखंडन में जाने वाले न्यूट्रॉन के अनुपात को बदल सकते हैं। खतरनाक स्थितियों की पहचान होने पर क्षय प्रतिक्रिया को रोकने में सक्षम होने के लिए परमाणु रिएक्टरों को मैन्युअल रूप से या स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है।

आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले न्यूट्रॉन फ्लक्स रेगुलेटर साधारण ("हल्का") पानी (दुनिया में 74.8% रिएक्टर), ठोस ग्रेफाइट (रिएक्टर का 20%) और "भारी" पानी (रिएक्टर का 5%) होते हैं। कुछ प्रायोगिक प्रकार के रिएक्टरों में बेरिलियम और हाइड्रोकार्बन का उपयोग करने का प्रस्ताव है।

परमाणु रिएक्टर में ऊष्मा का विमोचन

रिएक्टर का कार्य क्षेत्र कई तरह से गर्मी उत्पन्न करता है:

• जब नाभिक पड़ोसी परमाणुओं से टकराते हैं तो विखंडन उत्पादों की गतिज ऊर्जा तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।
• रिएक्टर विखंडन के दौरान उत्पन्न कुछ गामा विकिरण को अवशोषित करता है और इसकी ऊर्जा को गर्मी में परिवर्तित करता है।
• विखंडन उत्पादों और उन सामग्रियों के रेडियोधर्मी क्षय से गर्मी उत्पन्न होती है जो न्यूट्रॉन के अवशोषण के दौरान उजागर हुई हैं। रिएक्टर बंद होने के बाद भी यह ऊष्मा स्रोत कुछ समय के लिए अपरिवर्तित रहेगा।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान, एक किलोग्राम यूरेनियम -235 (यू -235) एक पारंपरिक किलोग्राम कोयले की तुलना में लगभग तीन मिलियन गुना अधिक ऊर्जा जारी करता है (7.2 × 1013 जूल प्रति किलोग्राम यूरेनियम-235 बनाम 2.4 × 107 जूल प्रति किलोग्राम कोयला),

परमाणु रिएक्टर शीतलन प्रणाली

परमाणु रिएक्टर में शीतलक - आमतौर पर पानी, लेकिन कभी-कभी गैस, तरल धातु (जैसे तरल सोडियम), या पिघला हुआ नमक - उत्पन्न गर्मी को अवशोषित करने के लिए रिएक्टर कोर के चारों ओर घूमता है। रिएक्टर से गर्मी को हटा दिया जाता है और फिर भाप उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। अधिकांश रिएक्टर एक शीतलन प्रणाली का उपयोग करते हैं जो पानी से भौतिक रूप से पृथक होता है जो एक दबाव वाले पानी रिएक्टर की तरह टर्बाइनों के लिए उपयोग किए जाने वाले भाप को उबालता है और उत्पन्न करता है। हालांकि, कुछ रिएक्टरों में भाप टरबाइन का पानी सीधे रिएक्टर कोर में उबलता है; उदाहरण के लिए, एक दबावयुक्त जल रिएक्टर में।

रिएक्टर में न्यूट्रॉन प्रवाह की निगरानी

रिएक्टर के बिजली उत्पादन को अधिक विखंडन पैदा करने में सक्षम न्यूट्रॉन की संख्या को नियंत्रित करके नियंत्रित किया जाता है।

न्यूट्रॉन को अवशोषित करने के लिए "न्यूट्रॉन जहर" से बने नियंत्रण छड़ का उपयोग किया जाता है। नियंत्रण रॉड द्वारा जितने अधिक न्यूट्रॉन अवशोषित किए जाते हैं, उतने ही कम न्यूट्रॉन आगे विखंडन का कारण बन सकते हैं। इस प्रकार, अवशोषण छड़ को रिएक्टर में गहराई तक डुबोने से इसकी उत्पादन शक्ति कम हो जाती है और, इसके विपरीत, नियंत्रण छड़ को हटाने से इसमें वृद्धि होगी।

सभी परमाणु रिएक्टरों में नियंत्रण के पहले स्तर पर, कई न्यूट्रॉन-समृद्ध विखंडन समस्थानिकों के विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन की प्रक्रिया एक महत्वपूर्ण भौतिक प्रक्रिया है। ये विलंबित न्यूट्रॉन विखंडन के दौरान उत्पादित न्यूट्रॉन की कुल संख्या का लगभग 0.65% बनाते हैं, और शेष (तथाकथित "फास्ट न्यूट्रॉन") विखंडन के दौरान तुरंत उत्पन्न होते हैं। विलंबित न्यूट्रॉन बनाने वाले विखंडन उत्पादों में मिलीसेकंड से लेकर कई मिनट तक का आधा जीवन होता है, और इसलिए यह निर्धारित करने में महत्वपूर्ण समय लगता है कि रिएक्टर एक महत्वपूर्ण बिंदु पर कब पहुंच गया है। रिएक्टर को चेन रिएक्टिविटी मोड में बनाए रखना, जहां महत्वपूर्ण द्रव्यमान तक पहुंचने के लिए विलंबित न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है, "वास्तविक समय" में चेन रिएक्शन को नियंत्रित करने के लिए यांत्रिक उपकरणों या मानव नियंत्रण द्वारा प्राप्त किया जाता है; अन्यथा, एक सामान्य परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया में एक घातीय वृद्धि के परिणामस्वरूप महत्वपूर्णता तक पहुंचने और परमाणु रिएक्टर के कोर के पिघलने के बीच का समय हस्तक्षेप करने के लिए बहुत कम होगा। यह अंतिम चरण, जहां विलंबित न्यूट्रॉनों को अब क्रांतिकता बनाए रखने की आवश्यकता नहीं होती है, शीघ्र क्रांतिकता के रूप में जाना जाता है। संख्यात्मक रूप में आलोचनात्मकता का वर्णन करने के लिए एक पैमाना है, जिसमें बीज की महत्वपूर्णता "शून्य डॉलर" शब्द द्वारा इंगित की जाती है, तेजी से टिपिंग बिंदु "एक डॉलर" के रूप में, इस प्रक्रिया में अन्य बिंदुओं को "सेंट" में प्रक्षेपित किया जाता है।

कुछ रिएक्टरों में, शीतलक न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में भी कार्य करता है। मॉडरेटर रिएक्टर की शक्ति को बढ़ाता है जिससे विखंडन के दौरान निकलने वाले तेज न्यूट्रॉन ऊर्जा खो देते हैं और थर्मल न्यूट्रॉन बन जाते हैं। थर्मल न्यूट्रॉन तेजी से न्यूट्रॉन की तुलना में विखंडन का कारण बनते हैं। यदि शीतलक भी न्यूट्रॉन मॉडरेटर है, तो तापमान परिवर्तन शीतलक / मॉडरेटर के घनत्व को प्रभावित कर सकता है और इसलिए रिएक्टर बिजली उत्पादन में परिवर्तन। शीतलक का तापमान जितना अधिक होगा, वह उतना ही कम घना होगा, और इसलिए कम प्रभावी मॉडरेटर होगा।

अन्य प्रकार के रिएक्टरों में, शीतलक न्यूट्रॉन को उसी तरह से अवशोषित करके "न्यूट्रॉन जहर" के रूप में कार्य करता है जैसे नियंत्रण छड़। इन रिएक्टरों में, शीतलक को गर्म करके बिजली उत्पादन बढ़ाया जा सकता है, जिससे यह कम घना हो जाता है। परमाणु रिएक्टरों में आम तौर पर आपातकालीन शटडाउन के लिए रिएक्टर को बंद करने के लिए स्वचालित और मैनुअल सिस्टम होते हैं। ये प्रणालियाँ बड़ी मात्रा में "न्यूट्रॉन जहर" (अक्सर बोरिक एसिड के रूप में बोरॉन) को रिएक्टर में डालती हैं ताकि खतरनाक स्थितियों का पता चलने या संदेह होने पर विखंडन प्रक्रिया को रोका जा सके।

अधिकांश प्रकार के रिएक्टर "क्सीनन पिट" या "आयोडीन पिट" के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया के प्रति संवेदनशील होते हैं। व्यापक विखंडन उत्पाद, क्सीनन-135, एक न्यूट्रॉन अवशोषक की भूमिका निभाता है जो रिएक्टर को बंद करना चाहता है। क्सीनन-135 के संचयन को न्यूट्रॉनों को उतनी ही तेजी से अवशोषित करके नष्ट करने के लिए पर्याप्त उच्च शक्ति स्तर बनाए रखकर नियंत्रित किया जा सकता है। विखंडन से आयोडीन-135 का निर्माण भी होता है, जो बदले में क्सीनन-135 बनाने के लिए (6.57 घंटे के आधे जीवन के साथ) क्षय हो जाता है। जब रिएक्टर बंद हो जाता है, तो आयोडीन-१३५ का क्षय होकर क्सीनन-१३५ बनता है, जो रिएक्टर को एक या दो दिनों के भीतर फिर से शुरू करना अधिक कठिन बना देता है, क्योंकि क्सीनन-१३५ सीज़ियम-१३५ बनाने के लिए क्षय करता है, जो न्यूट्रॉन अवशोषक नहीं है। क्सीनन 135, 9.2 घंटे के आधे जीवन के साथ। यह अस्थायी अवस्था "आयोडीन पिट" है। यदि रिएक्टर में पर्याप्त अतिरिक्त शक्ति है, तो इसे पुनः आरंभ किया जा सकता है। अधिक क्सीनन-135 क्सीनन-136 में बदल जाता है, जो एक न्यूट्रॉन अवशोषक से कम होता है, और कुछ घंटों के भीतर रिएक्टर तथाकथित "क्सीनन बर्नअप चरण" का अनुभव करता है। इसके अतिरिक्त, खोए हुए क्सीनन-135 को बदलने के लिए न्यूट्रॉन के अवशोषण की भरपाई के लिए रिएक्टर में नियंत्रण छड़ें डाली जानी चाहिए। इस प्रक्रिया का ठीक से पालन करने में विफलता चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र में दुर्घटना का प्रमुख कारण थी।

शिपबोर्ड परमाणु प्रतिष्ठानों (विशेषकर परमाणु पनडुब्बियों) में उपयोग किए जाने वाले रिएक्टरों को अक्सर भूमि आधारित बिजली रिएक्टरों की तरह निरंतर बिजली उत्पादन में शुरू नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, ऐसे बिजली संयंत्रों में ईंधन को बदले बिना संचालन की लंबी अवधि होनी चाहिए। इस कारण से, कई डिज़ाइन अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम का उपयोग करते हैं लेकिन ईंधन की छड़ों में एक जलने योग्य न्यूट्रॉन अवशोषक होते हैं। यह एक रिएक्टर को अधिक विखंडनीय सामग्री के साथ डिजाइन करना संभव बनाता है, जो न्यूट्रॉन अवशोषित सामग्री की उपस्थिति के कारण रिएक्टर ईंधन चक्र के जलने की शुरुआत में अपेक्षाकृत सुरक्षित है, जिसे बाद में पारंपरिक लंबे जीवन वाले न्यूट्रॉन अवशोषक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। (क्सीनन-135 से अधिक टिकाऊ), जो धीरे-धीरे रिएक्टर के जीवन पर जमा हो जाता है। ईंधन।

बिजली का उत्पादन कैसे होता है?

विखंडन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न ऊर्जा गर्मी उत्पन्न करती है, जिनमें से कुछ को प्रयोग करने योग्य ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। इस तापीय ऊर्जा का उपयोग करने का एक सामान्य तरीका पानी को उबालने और दबाव में भाप उत्पन्न करने के लिए उपयोग करना है, जो बदले में एक भाप टरबाइन ड्राइव को घुमाता है, जो एक अल्टरनेटर को बदल देता है और बिजली उत्पन्न करता है।

पहले रिएक्टरों की उपस्थिति का इतिहास

1932 में न्यूट्रॉन की खोज की गई थी। न्यूट्रॉन के संपर्क में आने के परिणामस्वरूप परमाणु प्रतिक्रियाओं से उकसाने वाली श्रृंखला प्रतिक्रिया की योजना पहली बार 1933 में हंगरी के वैज्ञानिक लियो सिलार्ड द्वारा की गई थी। उन्होंने लंदन में एडमिरल्टी में अगले वर्ष के दौरान अपने साधारण रिएक्टर के विचार के लिए एक पेटेंट के लिए आवेदन किया। हालांकि, स्ज़ीलार्ड के विचार में न्यूट्रॉन के स्रोत के रूप में परमाणु विखंडन के सिद्धांत को शामिल नहीं किया गया था, क्योंकि यह प्रक्रिया अभी तक खोजी नहीं गई थी। प्रकाश तत्वों में न्यूट्रॉन-मध्यस्थ परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग करके परमाणु रिएक्टरों के लिए स्ज़ीलार्ड के विचार अव्यवहारिक साबित हुए।

यूरेनियम का उपयोग करके एक नए प्रकार के रिएक्टर बनाने की प्रेरणा 1938 में लीज़ मीटनर, फ्रिट्ज स्ट्रैसमैन और ओटो हैन की खोज थी, जिन्होंने न्यूट्रॉन के साथ "बमबारी" की (बेरिलियम की अल्फा क्षय प्रतिक्रिया, एक "न्यूट्रॉन गन" का उपयोग करके) बनाने के लिए बेरियम, जैसा कि उनका मानना ​​​​था कि यह यूरेनियम नाभिक के क्षय से उत्पन्न हुआ था। 1939 की शुरुआत में बाद के अध्ययनों (स्ज़िलार्ड और फर्मी) ने दिखाया कि परमाणु के विघटन के दौरान कुछ न्यूट्रॉन भी उत्पन्न हुए थे और इसने परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया को संभव बनाया जो कि स्ज़ीलार्ड ने छह साल पहले देखा था।

2 अगस्त 1939 को, अल्बर्ट आइंस्टीन ने राष्ट्रपति फ्रैंकलिन डी. रूजवेल्ट को स्ज़ीलार्ड द्वारा लिखे गए एक पत्र पर हस्ताक्षर किए, जिसमें कहा गया है कि यूरेनियम विखंडन की खोज से "एक नए प्रकार के अत्यंत शक्तिशाली बम" का निर्माण हो सकता है। इससे रिएक्टरों और रेडियोधर्मी क्षय के अध्ययन को प्रोत्साहन मिला। स्ज़ीलार्ड और आइंस्टीन एक-दूसरे को अच्छी तरह से जानते थे और कई वर्षों तक एक साथ काम करते थे, लेकिन आइंस्टीन ने परमाणु ऊर्जा के लिए इस तरह के अवसर के बारे में कभी नहीं सोचा था, जब तक कि स्ज़ीलार्ड ने उन्हें सूचित नहीं किया, अपनी खोज की शुरुआत में, अमेरिकी सरकार को चेतावनी देने के लिए आइंस्टीन-स्ज़िलार्ड पत्र लिखने के लिए। ,

इसके तुरंत बाद, 1939 में, नाजी जर्मनी ने पोलैंड पर आक्रमण किया, यूरोप में द्वितीय विश्व युद्ध शुरू किया। आधिकारिक तौर पर, अमेरिका अभी युद्ध में नहीं था, लेकिन अक्टूबर में, जब आइंस्टीन-स्ज़ीलार्ड पत्र दिया गया था, रूजवेल्ट ने कहा कि अध्ययन का उद्देश्य यह सुनिश्चित करना है कि "नाजियों ने हमें उड़ा नहीं दिया।" अमेरिकी परमाणु परियोजना शुरू हुई, हालांकि कुछ देरी के साथ, संदेह बना रहा (विशेष रूप से फर्मी से) और सरकारी अधिकारियों की छोटी संख्या के कारण भी जो शुरू में परियोजना की देखरेख करते थे।

अगले वर्ष, अमेरिकी सरकार को यूके से फ्रिस्क-पीयर्ल्स ज्ञापन प्राप्त हुआ, जिसमें कहा गया था कि एक श्रृंखला प्रतिक्रिया करने के लिए आवश्यक यूरेनियम की मात्रा पहले की तुलना में काफी कम थी। ज्ञापन मॉड कमिटी की भागीदारी के साथ बनाया गया था, जिन्होंने यूके में परमाणु बम परियोजना पर काम किया था, जिसे बाद में "ट्यूब मिश्र" नाम दिया गया था और बाद में मैनहट्टन परियोजना में शामिल किया गया था।

अंततः, शिकागो वुडपाइल 1 नामक पहला मानव निर्मित परमाणु रिएक्टर, शिकागो विश्वविद्यालय में 1942 के अंत में एनरिको फर्मी के नेतृत्व में एक टीम द्वारा बनाया गया था। इस समय तक, अमेरिकी परमाणु कार्यक्रम पहले ही देश के प्रवेश से तेज हो चुका था। युद्ध में। शिकागो वुडपाइल 2 दिसंबर 1942 को 15:25 बजे अपने ब्रेकिंग पॉइंट पर पहुंच गया। रिएक्टर का फ्रेम लकड़ी का था, जिसमें प्राकृतिक यूरेनियम ऑक्साइड के नेस्टेड "ब्रिकेट्स" या "स्यूडोस्फीयर" के साथ ग्रेफाइट ब्लॉक (इसलिए नाम) का ढेर था।

1943 में शिकागो वुडपाइल के निर्माण के तुरंत बाद, अमेरिकी सेना ने मैनहट्टन परियोजना के लिए परमाणु रिएक्टरों की एक श्रृंखला विकसित की। सबसे बड़े रिएक्टर (वाशिंगटन राज्य में हनफोर्ड परिसर में स्थित) बनाने का मुख्य लक्ष्य परमाणु हथियारों के लिए प्लूटोनियम का बड़े पैमाने पर उत्पादन था। फर्मी और स्ज़ीलार्ड ने 19 दिसंबर, 1944 को रिएक्टरों के लिए एक पेटेंट आवेदन दायर किया। युद्धकालीन गोपनीयता के कारण इसके जारी होने में 10 साल की देरी हुई।

"दुनिया में पहला" - यह शिलालेख ईबीआर-आई रिएक्टर की साइट पर बनाया गया था, जो अब आर्को, इडाहो शहर के पास एक संग्रहालय है। मूल रूप से "शिकागो वुडपाइल 4" नाम दिया गया, इस रिएक्टर को वाल्टर ज़िन के निर्देशन में अरेगोन नेशनल लेबोरेटरी के लिए बनाया गया था। यह प्रायोगिक फास्ट न्यूट्रॉन ब्रीडर रिएक्टर संयुक्त राज्य परमाणु ऊर्जा आयोग के कब्जे में था। रिएक्टर ने 20 दिसंबर 1951 को परीक्षण किए जाने पर 0.8 किलोवाट बिजली और अगले दिन 100 किलोवाट बिजली (विद्युत) का उत्पादन किया, जिसकी डिजाइन क्षमता 200 किलोवाट (विद्युत) थी।

परमाणु रिएक्टरों के सैन्य उपयोग के अलावा, शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए परमाणु ऊर्जा पर शोध जारी रखने के राजनीतिक कारण भी थे। अमेरिकी राष्ट्रपति ड्वाइट डी. आइजनहावर ने 8 दिसंबर, 1953 को संयुक्त राष्ट्र महासभा में शांति के लिए अपना प्रसिद्ध भाषण दिया। इस राजनयिक कदम से संयुक्त राज्य अमेरिका और दुनिया भर में रिएक्टर प्रौद्योगिकी का प्रसार हुआ।

नागरिक उद्देश्यों के लिए बनाया गया पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र ओबनिंस्क में "एएम -1" परमाणु ऊर्जा संयंत्र था, जिसे सोवियत संघ में 27 जून, 1954 को लॉन्च किया गया था। इसने लगभग 5 मेगावाट बिजली का उत्पादन किया।

द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, अमेरिकी सेना ने परमाणु रिएक्टर प्रौद्योगिकी के लिए अन्य उपयोगों की तलाश की। सेना और वायु सेना में किए गए शोध को लागू नहीं किया गया है; फिर भी, संयुक्त राज्य अमेरिका की नौसेना ने 17 जनवरी, 1955 को परमाणु पनडुब्बी यूएसएस नॉटिलस (SSN-571) को लॉन्च करके सफलता हासिल की।

पहला वाणिज्यिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र (सेलफिल्ड, इंग्लैंड में काल्डर हॉल) 1956 में 50 मेगावाट (बाद में 200 मेगावाट) की प्रारंभिक क्षमता के साथ खोला गया था।

1960 के बाद से अमेरिकी सैन्य अड्डे "कैंप सेंचुरी" के लिए बिजली (2 मेगावाट) उत्पन्न करने के लिए पहले पोर्टेबल परमाणु रिएक्टर "एल्को पीएम -2 ए" का उपयोग किया गया है।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र के मुख्य घटक

अधिकांश प्रकार के परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के मुख्य घटक हैं:

परमाणु रिएक्टर के तत्व

• परमाणु ईंधन (परमाणु रिएक्टर कोर; न्यूट्रॉन मॉडरेटर)
• न्यूट्रॉन का मूल स्रोत
• न्यूट्रॉन अवशोषक
• न्यूट्रॉन गन (शटडाउन के बाद प्रतिक्रिया को फिर से शुरू करने के लिए न्यूट्रॉन का एक निरंतर स्रोत प्रदान करता है)
• शीतलन प्रणाली (अक्सर न्यूट्रॉन मॉडरेटर और कूलर समान होते हैं, आमतौर पर शुद्ध पानी)
• नियंत्रक छड़ें
• परमाणु रिएक्टर पोत (एनआरसी)

बॉयलर पानी की आपूर्ति पंप

• भाप जनरेटर (उबलते पानी रिएक्टरों में नहीं)
• भाप का टर्बाइन
• बिजली जनरेटर
• संधारित्र
• कूलिंग टॉवर (हमेशा आवश्यक नहीं)
• रेडियोधर्मी अपशिष्ट उपचार प्रणाली (रेडियोधर्मी कचरे के निपटान के लिए स्टेशन का हिस्सा)
• परमाणु ईंधन हस्तांतरण साइट
• खर्च किया गया ईंधन पूल

विकिरण सुरक्षा प्रणाली

• रेक्टर सुरक्षा प्रणाली (SZR)
• आपातकालीन डीजल जनरेटर
• आपातकालीन रिएक्टर कोर कूलिंग सिस्टम (ईसीसीएस)
• आपातकालीन तरल नियंत्रण प्रणाली (आपातकालीन बोरॉन इंजेक्शन, केवल उबलते पानी के रिएक्टरों में)
• जिम्मेदार उपभोक्ताओं के लिए सेवा जल आपूर्ति प्रणाली (SOTVOP)

सुरक्षात्मक खोल

• रिमोट कंट्रोल
• आपातकालीन स्थितियों के लिए स्थापना
• परमाणु प्रशिक्षण परिसर (एक नियम के रूप में, नियंत्रण कक्ष की नकल है)

परमाणु रिएक्टर वर्गीकरण

परमाणु रिएक्टरों के प्रकार

परमाणु रिएक्टरों को कई तरह से वर्गीकृत किया जाता है; इन वर्गीकरण विधियों का सारांश नीचे प्रस्तुत किया गया है।

परमाणु रिएक्टरों का मॉडरेटर वर्गीकरण

प्रयुक्त थर्मल रिएक्टर:

• ग्रेफाइट रिएक्टर
  
• दबावयुक्त जल रिएक्टर
• भारी पानी रिएक्टर(कनाडा, भारत, अर्जेंटीना, चीन, पाकिस्तान, रोमानिया और दक्षिण कोरिया में प्रयुक्त)।
• लाइट वॉटर रिएक्टर(एलडब्ल्यूआर)। लाइट वाटर रिएक्टर (सबसे सामान्य प्रकार का थर्मल रिएक्टर) रिएक्टरों को नियंत्रित और ठंडा करने के लिए साधारण पानी का उपयोग करते हैं। यदि पानी का तापमान बढ़ जाता है, तो इसका घनत्व कम हो जाता है, जिससे न्यूट्रॉन प्रवाह धीमा हो जाता है जिससे आगे की श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है। यह नकारात्मक प्रतिक्रिया परमाणु प्रतिक्रिया की दर को स्थिर करती है। ग्रेफाइट और भारी पानी के रिएक्टर हल्के पानी के रिएक्टरों की तुलना में अधिक तीव्रता से गर्म होते हैं। अतिरिक्त तापन के कारण ऐसे रिएक्टर प्राकृतिक यूरेनियम/कच्चे ईंधन का उपयोग कर सकते हैं।
• प्रकाश तत्व मॉडरेटर पर आधारित रिएक्टर.
• पिघला हुआ नमक संचालित रिएक्टर(MSR) लिथियम या बेरिलियम जैसे प्रकाश तत्वों की उपस्थिति से नियंत्रित होते हैं, जो शीतलक / ईंधन मैट्रिक्स लवण LiF और BEF2 में पाए जाते हैं।
• लिक्विड मेटल कूल्ड रिएक्टर, जहां शीतलक सीसा और बिस्मथ का मिश्रण है, BeO ऑक्साइड को न्यूट्रॉन अवशोषक के रूप में उपयोग कर सकता है।
• कार्बनिक संचालित रिएक्टर(ओएमआर) मॉडरेटर और कूलिंग घटकों के रूप में डाइफेनिल और टेरफेनिल का उपयोग करता है।

शीतलक के प्रकार द्वारा परमाणु रिएक्टरों का वर्गीकरण

• वाटर कूल्ड रिएक्टर... संयुक्त राज्य अमेरिका में 104 ऑपरेटिंग रिएक्टर हैं। इनमें से 69 पीडब्लूआर हैं और 35 उबलते पानी रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) हैं। दबावयुक्त जल परमाणु रिएक्टर (पीडब्लूआर) सभी पश्चिमी परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का भारी बहुमत बनाते हैं। आरवीडी प्रकार की मुख्य विशेषता एक धौंकनी, एक विशेष उच्च दबाव पोत की उपस्थिति है। अधिकांश वाणिज्यिक उच्च दबाव और नौसेना रिएक्टर सुपरचार्जर का उपयोग करते हैं। सामान्य ऑपरेशन के दौरान, ब्लोअर आंशिक रूप से पानी से भर जाता है और इसके ऊपर एक भाप का बुलबुला बना रहता है, जो पानी को इमर्शन हीटर से गर्म करके बनाया जाता है। सामान्य मोड में, सुपरचार्जर उच्च दबाव रिएक्टर पोत (एचपीआरआर) से जुड़ा होता है और दबाव कम्पेसाटर रिएक्टर में पानी की मात्रा में बदलाव की स्थिति में एक गुहा की उपस्थिति सुनिश्चित करता है। यह योजना हीटर का उपयोग करने वाले कम्पेसाटर में भाप के दबाव को बढ़ाकर या घटाकर रिएक्टर में दबाव का नियंत्रण भी प्रदान करती है।

• भारी पानी उच्च दबाव रिएक्टरवे विभिन्न प्रकार के दबाव वाले पानी रिएक्टरों (पीडब्लूआर) से संबंधित हैं, जो दबाव का उपयोग करने के सिद्धांतों को जोड़ते हैं, एक पृथक थर्मल चक्र, भारी पानी के उपयोग को शीतलक और मॉडरेटर के रूप में मानते हैं, जो आर्थिक रूप से फायदेमंद है।
• उबलते पानी रिएक्टर(बीडब्ल्यूआर)। उबलते पानी रिएक्टर मॉडल मुख्य रिएक्टर पोत के तल पर ईंधन की छड़ के आसपास उबलते पानी की उपस्थिति की विशेषता है। उबलता पानी रिएक्टर यूरेनियम डाइऑक्साइड के रूप में ईंधन के रूप में समृद्ध 235U का उपयोग करता है। ईंधन को स्टील के बर्तन में रखी छड़ों में इकट्ठा किया जाता है, जो बदले में पानी में डूबा रहता है। परमाणु विखंडन प्रक्रिया के कारण पानी उबलता है और भाप बनती है। यह भाप टर्बाइनों में पाइपलाइनों से होकर गुजरती है। टर्बाइन भाप द्वारा संचालित होते हैं, और इस प्रक्रिया से बिजली उत्पन्न होती है। सामान्य ऑपरेशन के दौरान, रिएक्टर दबाव पोत से टरबाइन तक बहने वाले जल वाष्प की मात्रा से दबाव नियंत्रित होता है।
• पूल प्रकार रिएक्टर
• लिक्विड मेटल कूल्ड रिएक्टर... चूंकि पानी एक न्यूट्रॉन मॉडरेटर है, इसलिए इसे तेज न्यूट्रॉन रिएक्टर में शीतलक के रूप में इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है। तरल धातु शीतलक में सोडियम, NaK, लेड, लेड-बिस्मथ यूटेक्टिक और प्रारंभिक रिएक्टरों के लिए पारा शामिल हैं।
• सोडियम-कूल्ड फास्ट रिएक्टर.
• लेड-कूल्ड फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर।
• गैस कूल्ड रिएक्टरउच्च तापमान संरचनाओं में हीलियम द्वारा परिकल्पित अक्रिय गैस को परिचालित करके ठंडा किया जाता है। वहीं, कार्बन डाइऑक्साइड का इस्तेमाल पहले ब्रिटिश और फ्रांसीसी परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में किया जाता था। नाइट्रोजन का भी इस्तेमाल किया गया था। ऊष्मा का उपयोग रिएक्टर के प्रकार पर निर्भर करता है। कुछ रिएक्टर इतने गर्म होते हैं कि गैस सीधे गैस टरबाइन चला सकती है। पुराने रिएक्टर डिजाइन में आमतौर पर स्टीम टर्बाइन के लिए भाप उत्पन्न करने के लिए हीट एक्सचेंजर के माध्यम से गैस पास करना शामिल होता है।
• पिघला हुआ नमक रिएक्टर(MSR) पिघले हुए नमक को परिचालित करके ठंडा किया जाता है (आमतौर पर फ्लोराइड लवण जैसे FLiBe के गलनक्रांतिक मिश्रण)। एक विशिष्ट एमएसआर में, गर्मी हस्तांतरण द्रव का उपयोग मैट्रिक्स के रूप में भी किया जाता है जिसमें विखंडनीय सामग्री भंग होती है।

परमाणु रिएक्टरों की पीढ़ी

• पहली पीढ़ी का रिएक्टर(शुरुआती प्रोटोटाइप, अनुसंधान रिएक्टर, गैर-वाणिज्यिक बिजली रिएक्टर)
• दूसरी पीढ़ी का रिएक्टर(अधिकांश आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र 1965-1996)
• तीसरी पीढ़ी का रिएक्टर(मौजूदा डिजाइनों में विकासवादी सुधार १९९६ - वर्तमान)
• चौथी पीढ़ी का रिएक्टर(प्रौद्योगिकियां अभी भी विकास के अधीन हैं, संचालन शुरू होने की अज्ञात तिथि, संभवतः 2030)

2003 में, फ्रांसीसी परमाणु ऊर्जा आयोग (सीईए) ने न्यूक्लियोनिक्स वीक के दौरान पहली बार पदनाम "जनरल II" पेश किया।

जनरेशन IV इंटरनेशनल फोरम (GIF) की शुरुआत के संबंध में 2000 में "जनरल III" का पहला उल्लेख किया गया था।

नए प्रकार के बिजली संयंत्रों के विकास के लिए संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग (डीओई) द्वारा 2000 में "जनरल IV" का नाम दिया गया था।

ईंधन के प्रकार द्वारा परमाणु रिएक्टरों का वर्गीकरण

• ठोस ईंधन रिएक्टर
• तरल ईंधन रिएक्टर
• वाटर कूल्ड सजातीय रिएक्टर
• पिघला हुआ नमक रिएक्टर
• गैस से चलने वाले रिएक्टर (सैद्धांतिक)

उद्देश्य से परमाणु रिएक्टरों का वर्गीकरण

• विद्युत उत्पादन
• छोटे क्लस्टर रिएक्टरों सहित परमाणु ऊर्जा संयंत्र
• स्व-चालित उपकरण (परमाणु ऊर्जा संयंत्र देखें)
• परमाणु अपतटीय प्रतिष्ठान
• विभिन्न प्रकार के रॉकेट इंजनों की पेशकश
• गर्मी के अन्य उपयोग
• डिसेलिनेशन
• घरेलू और औद्योगिक हीटिंग के लिए ताप उत्पादन
• हाइड्रोजन ऊर्जा में उपयोग के लिए हाइड्रोजन उत्पादन
• तत्वों के परिवर्तन के लिए उत्पादन रिएक्टर
• ब्रीडर रिएक्टर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया में उपभोग की तुलना में अधिक विखंडनीय सामग्री का उत्पादन करने में सक्षम हैं (मूल समस्थानिक U-238 को Pu-239, या Th-232 से U-233 में परिवर्तित करके)। इस प्रकार, एक चक्र पूरा करने के बाद, यूरेनियम ब्रीडर रिएक्टर को प्राकृतिक या यहां तक ​​कि घटे हुए यूरेनियम से फिर से भरा जा सकता है। बदले में, थोरियम ब्रीडर रिएक्टर में थोरियम से ईंधन भरा जा सकता है। हालांकि, विखंडनीय सामग्री की प्रारंभिक आपूर्ति की आवश्यकता है।
• विभिन्न रेडियोधर्मी समस्थानिकों का निर्माण, जैसे स्मोक डिटेक्टर और कोबाल्ट -60, मोलिब्डेनम -99 और अन्य में उपयोग के लिए एमरिकियम, संकेतक के रूप में और उपचार के लिए उपयोग किया जाता है।
• परमाणु हथियारों के लिए सामग्री का उत्पादन जैसे हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम
• न्यूट्रॉन विकिरण के स्रोत का निर्माण (उदाहरण के लिए, एक स्पंदित रिएक्टर "लेडी गोडिवा") और पॉज़िट्रॉन विकिरण (उदाहरण के लिए, पोटेशियम-आर्गन विधि द्वारा न्यूट्रॉन सक्रियण विश्लेषण और डेटिंग)
• अनुसंधान रिएक्टर: आमतौर पर, रिएक्टरों का उपयोग अनुसंधान और शिक्षण, सामग्री परीक्षण, या दवा और उद्योग के लिए रेडियोआइसोटोप के उत्पादन के लिए किया जाता है। वे बिजली रिएक्टरों या जहाज रिएक्टरों की तुलना में बहुत छोटे हैं। इनमें से कई रिएक्टर परिसर में हैं। 56 देशों में ऐसे करीब 280 रिएक्टर काम कर रहे हैं। कुछ अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम ईंधन के साथ काम करते हैं। कम संवर्धन वाले ईंधनों को बदलने के लिए अंतर्राष्ट्रीय प्रयास चल रहे हैं।

आधुनिक परमाणु रिएक्टर

ये रिएक्टर परमाणु ईंधन, नियंत्रण छड़, मॉडरेटर और शीतलक रखने के लिए एक दबाव पोत का उपयोग करते हैं। उच्च दबाव में तरल पानी के साथ रिएक्टरों का ठंडा होना और न्यूट्रॉन का मॉडरेशन होता है। दबाव पोत से निकलने वाला गर्म रेडियोधर्मी पानी भाप जनरेटर सर्किट से होकर गुजरता है, जो बदले में द्वितीयक (गैर-रेडियोधर्मी) सर्किट को गर्म करता है। ये रिएक्टर अधिकांश आधुनिक रिएक्टरों का निर्माण करते हैं। यह न्यूट्रॉन रिएक्टर की हीटिंग संरचना के लिए एक उपकरण है, जिनमें से नवीनतम VVER-1200, उन्नत दबावयुक्त जल रिएक्टर और यूरोपीय दबावयुक्त जल रिएक्टर हैं। अमेरिकी नौसेना के रिएक्टर इस प्रकार के हैं।

उबलते पानी के रिएक्टर भाप जनरेटर के बिना दबाव वाले पानी के रिएक्टरों की तरह होते हैं। उबलते पानी के रिएक्टर भी पानी का उपयोग शीतलक के रूप में और न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में दबाव वाले पानी रिएक्टरों के रूप में करते हैं, लेकिन कम दबाव पर, बॉयलर के अंदर पानी को उबालने की अनुमति देता है, जिससे भाप बनती है जो टर्बाइनों को चलाती है। एक दबावयुक्त जल रिएक्टर के विपरीत, कोई प्राथमिक या द्वितीयक परिपथ नहीं होता है। इन रिएक्टरों की ताप क्षमता अधिक हो सकती है, और वे संरचनात्मक रूप से सरल, और इससे भी अधिक स्थिर और सुरक्षित हो सकते हैं। यह एक थर्मल रिएक्टर उपकरण है, जिनमें से नवीनतम उन्नत उबलते पानी रिएक्टर और किफायती सरलीकृत उबलते पानी परमाणु रिएक्टर हैं।

कनाडाई विकास (CANDU के रूप में जाना जाता है), ये दबाव वाले शीतलक के साथ भारी पानी संचालित रिएक्टर हैं। दबाव वाले पानी के रिएक्टरों की तरह एकल दबाव वाले बर्तन का उपयोग करने के बजाय, ईंधन को सैकड़ों उच्च दबाव वाले मार्गों में संग्रहित किया जाता है। ये रिएक्टर प्राकृतिक यूरेनियम पर चलते हैं और थर्मल न्यूट्रॉन रिएक्टर हैं। भारी पानी रिएक्टरों को पूरी शक्ति से संचालित करते समय ईंधन भरा जा सकता है, जिससे यूरेनियम का उपयोग करते समय वे बहुत कुशल हो जाते हैं (यह कोर प्रवाह के सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है)। कनाडा, अर्जेंटीना, चीन, भारत, पाकिस्तान, रोमानिया और दक्षिण कोरिया में भारी पानी के CANDU रिएक्टर बनाए गए हैं। भारत कई भारी जल रिएक्टरों का भी संचालन करता है, जिन्हें अक्सर "CANDU डेरिवेटिव" के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसे कनाडा सरकार द्वारा 1974 के स्माइलिंग बुद्धा परमाणु हथियार परीक्षण के बाद भारत के साथ अपने परमाणु संबंध समाप्त करने के बाद बनाया गया था।

सोवियत विकास, प्लूटोनियम, साथ ही बिजली के उत्पादन के लिए डिज़ाइन किया गया। RBMK पानी को शीतलक के रूप में और ग्रेफाइट को न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में उपयोग करते हैं। आरबीएमके कुछ मामलों में CANDUs के समान हैं, क्योंकि वे ऑपरेशन के दौरान रिचार्जेबल हो सकते हैं और एक दबाव पोत (दबाव वाले पानी रिएक्टरों के रूप में) के बजाय दबाव ट्यूबों का उपयोग कर सकते हैं। हालांकि, CANDU के विपरीत, वे बहुत अस्थिर और भारी होते हैं, जिससे रिएक्टर कैप महंगा हो जाता है। आरबीएमके डिजाइनों में कई महत्वपूर्ण सुरक्षा खामियों की भी पहचान की गई थी, हालांकि इनमें से कुछ खामियों को चेरनोबिल आपदा के बाद ठीक किया गया था। उनकी मुख्य विशेषता हल्के पानी और गैर-समृद्ध यूरेनियम का उपयोग है। 2010 तक, 11 रिएक्टर खुले रहते हैं, मुख्य रूप से सुरक्षा सुधार और अमेरिकी ऊर्जा विभाग जैसे अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा संगठनों के समर्थन के कारण। इन सुधारों के बावजूद, आरबीएमके रिएक्टरों को अभी भी उपयोग करने के लिए सबसे खतरनाक रिएक्टर डिजाइनों में से एक माना जाता है। RBMK रिएक्टरों का उपयोग केवल पूर्व सोवियत संघ में किया जाता था।

वे आम तौर पर एक ग्रेफाइट न्यूट्रॉन मॉडरेटर और एक CO2 शीतलक का उपयोग करते हैं। अपने उच्च ऑपरेटिंग तापमान के कारण, वे दबाव वाले पानी रिएक्टरों की तुलना में गर्मी पैदा करने के लिए अधिक कुशल हो सकते हैं। इस डिजाइन के कई ऑपरेटिंग रिएक्टर हैं, मुख्यतः यूनाइटेड किंगडम में, जहां अवधारणा विकसित की गई थी। पुराने विकास (यानी मैग्नॉक्स स्टेशन) या तो बंद हैं या निकट भविष्य में बंद हो जाएंगे। हालांकि, बेहतर गैस-कूल्ड रिएक्टरों का अनुमानित परिचालन जीवन 10 से 20 वर्षों का है। इस प्रकार के रिएक्टर थर्मल रिएक्टर हैं। बड़े कोर वॉल्यूम के कारण ऐसे रिएक्टरों को बंद करने की लागत अधिक हो सकती है।

इस रिएक्टर का डिज़ाइन बिना मॉडरेटर के, लिक्विड मेटल कूल्ड है और जितना खर्च करता है उससे अधिक ईंधन पैदा करता है। उन्हें ईंधन को "गुणा" करने के लिए कहा जाता है क्योंकि वे न्यूट्रॉन पर कब्जा करके विखंडनीय ईंधन का उत्पादन करते हैं। इस तरह के रिएक्टर दक्षता के मामले में दबाव वाले पानी रिएक्टरों के समान कार्य कर सकते हैं, उन्हें बढ़े हुए दबाव की भरपाई करने की आवश्यकता होती है, क्योंकि वे एक तरल धातु का उपयोग करते हैं जो बहुत अधिक तापमान पर भी अधिक दबाव नहीं बनाता है। यूएसएसआर में बीएन-350 और बीएन-600 और फ्रांस में सुपरफेनिक्स इस प्रकार के रिएक्टर थे, जैसा कि संयुक्त राज्य अमेरिका में फर्मी-आई था। जापान में मोंजू रिएक्टर, 1995 में एक सोडियम रिसाव से क्षतिग्रस्त हो गया, मई 2010 में परिचालन फिर से शुरू हुआ। ये सभी रिएक्टर तरल सोडियम का उपयोग करते हैं / करते हैं। ये रिएक्टर तेज रिएक्टर हैं और थर्मल रिएक्टरों से संबंधित नहीं हैं। ये रिएक्टर दो प्रकार के होते हैं:

तरल धातु के रूप में सीसा का उपयोग रेडियोधर्मी विकिरण के खिलाफ उत्कृष्ट सुरक्षा प्रदान करता है और बहुत उच्च तापमान पर संचालन की अनुमति देता है। इसके अलावा, सीसा (ज्यादातर) न्यूट्रॉन के लिए पारदर्शी होता है, इसलिए शीतलक में कम न्यूट्रॉन खो जाते हैं और शीतलक रेडियोधर्मी नहीं बनता है। सोडियम के विपरीत, सीसा आमतौर पर निष्क्रिय होता है, इसलिए विस्फोट या दुर्घटना का जोखिम कम होता है, लेकिन इतनी बड़ी मात्रा में सीसा विषाक्तता और अपशिष्ट निपटान की समस्या पैदा कर सकता है। इस प्रकार के रिएक्टरों में अक्सर लेड-बिस्मथ यूटेक्टिक मिश्रण का उपयोग किया जा सकता है। इस मामले में, बिस्मथ विकिरण के लिए थोड़ा हस्तक्षेप पेश करेगा, क्योंकि यह न्यूट्रॉन के लिए पूरी तरह से पारदर्शी नहीं है, और सीसे की तुलना में अधिक आसानी से दूसरे आइसोटोप में परिवर्तित किया जा सकता है। रूसी अल्फा-श्रेणी की पनडुब्बी अपनी प्राथमिक बिजली उत्पादन प्रणाली के रूप में लेड-बिस्मथ-कूल्ड फास्ट ब्रीडर रिएक्टर का उपयोग करती है।

अधिकांश लिक्विड मेटल ब्रीडर रिएक्टर (एलएमएफबीआर) इसी प्रकार के होते हैं। सोडियम प्राप्त करना अपेक्षाकृत आसान है और इसके साथ काम करना आसान है, और यह इसमें डूबे हुए रिएक्टर के विभिन्न हिस्सों के क्षरण को रोकने में भी मदद करता है। हालांकि, सोडियम पानी के संपर्क में हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करता है, इसलिए सावधानी बरतनी चाहिए, हालांकि ऐसे विस्फोट अधिक शक्तिशाली नहीं होंगे, उदाहरण के लिए, एससीडब्ल्यूआर या आरडब्ल्यूडी रिएक्टरों से अत्यधिक गरम द्रव रिसाव। ईबीआर-I अपने प्रकार का पहला रिएक्टर है जहां कोर में पिघला हुआ होता है।

वे सिरेमिक गेंदों में दबाए गए ईंधन का उपयोग करते हैं जिसमें गेंदों के माध्यम से गैस परिचालित होती है। परिणाम किफायती, एकीकृत ईंधन के साथ कुशल, सरल, बहुत सुरक्षित रिएक्टर है। प्रोटोटाइप AVR रिएक्टर था।

उनमें, ईंधन फ्लोराइड लवण में घुल जाता है, या फ्लोराइड का उपयोग गर्मी वाहक के रूप में किया जाता है। उनकी विविध सुरक्षा प्रणालियाँ, उच्च दक्षता और उच्च ऊर्जा घनत्व वाहनों के लिए उपयुक्त हैं। यह उल्लेखनीय है कि उनके पास कोर में उच्च दबाव या दहनशील घटकों के अधीन कोई भाग नहीं है। प्रोटोटाइप MSRE रिएक्टर था, जिसमें थोरियम ईंधन चक्र का भी उपयोग किया जाता था। एक ब्रीडर रिएक्टर के रूप में, यह यूरेनियम और ट्रांसयूरेनियम दोनों तत्वों को निकालने, खर्च किए गए ईंधन को पुन: संसाधित करता है, वर्तमान में संचालन में पारंपरिक सीधे-थ्रू यूरेनियम लाइट वॉटर रिएक्टरों की तुलना में ट्रांसयूरेनियम कचरे का केवल 0.1% छोड़ देता है। एक अलग मुद्दा रेडियोधर्मी विखंडन उत्पाद है, जो पुन: प्रसंस्करण से नहीं गुजरता है और पारंपरिक रिएक्टरों में इसका निपटान किया जाना चाहिए।

ये रिएक्टर ईंधन का उपयोग घुलनशील लवण के रूप में करते हैं जो पानी में घुल जाते हैं और एक शीतलक और न्यूट्रॉन मॉडरेटर के साथ मिश्रित होते हैं।

अभिनव परमाणु प्रणाली और परियोजनाएं

उन्नत रिएक्टर

एक दर्जन से अधिक उन्नत रिएक्टर डिजाइन विकास के विभिन्न चरणों में हैं। उनमें से कुछ RWD, BWR और PHWR रिएक्टरों के डिजाइन से विकसित हुए हैं, कुछ अधिक महत्वपूर्ण रूप से भिन्न हैं। पूर्व में उन्नत उबलते पानी रिएक्टर (एबीडब्ल्यूआर) (जिनमें से दो वर्तमान में चालू हैं और अन्य निर्माणाधीन हैं), साथ ही निष्क्रिय सुरक्षा प्रणाली (ईएसबीडब्ल्यूआर) और एपी1000 प्रतिष्ठानों (रेफरी। परमाणु ऊर्जा के साथ योजनाबद्ध किफायती हल्के उबलते पानी रिएक्टर) शामिल हैं। कार्यक्रम 2010)।

इंटीग्रल फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर(आईएफआर) का निर्माण, परीक्षण और परीक्षण 1980 के दशक के दौरान किया गया था और फिर 1990 के दशक में परमाणु अप्रसार नीतियों के कारण क्लिंटन प्रशासन के इस्तीफे के बाद सेवामुक्त कर दिया गया था। खर्च किए गए परमाणु ईंधन का पुन: प्रसंस्करण इसके डिजाइन के मूल में है और इसलिए, यह ऑपरेटिंग रिएक्टरों से कचरे का केवल एक अंश पैदा करता है।

मॉड्यूलर उच्च तापमान गैस कूल्ड रिएक्टररिएक्टर (HTGCR) को इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि उच्च तापमान न्यूट्रॉन बीम क्रॉस सेक्शन के डॉपलर चौड़ीकरण के कारण उत्पादन शक्ति को कम कर देता है। रिएक्टर एक सिरेमिक प्रकार के ईंधन का उपयोग करता है, इसलिए इसका सुरक्षित संचालन तापमान पावर व्युत्पन्न तापमान सीमा से अधिक है। अधिकांश संरचनाओं को अक्रिय हीलियम से ठंडा किया जाता है। वाष्प के विस्तार के कारण हीलियम विस्फोट नहीं कर सकता, न्यूट्रॉन का अवशोषक नहीं है, जिससे रेडियोधर्मिता हो सकती है, और प्रदूषकों को भंग नहीं करता है जो रेडियोधर्मी हो सकते हैं। विशिष्ट डिजाइनों में हल्के जल रिएक्टरों (आमतौर पर 3) की तुलना में निष्क्रिय सुरक्षा की अधिक परतें (7 तक) होती हैं। एक अनूठी विशेषता जो सुरक्षा प्रदान कर सकती है, वह यह है कि ईंधन के गोले वास्तव में एक कोर बनाते हैं और समय के साथ एक-एक करके बदले जाते हैं। ईंधन सेल की डिजाइन विशेषताएं उन्हें रीसायकल करना महंगा बनाती हैं।

छोटा, बंद, मोबाइल, स्वायत्त रिएक्टर (एसएसटीएआर)मूल रूप से संयुक्त राज्य अमेरिका में परीक्षण और विकसित किया गया था। रिएक्टर को एक निष्क्रिय सुरक्षा प्रणाली के साथ एक तेज न्यूट्रॉन रिएक्टर के रूप में माना गया था, जिसे किसी खराबी का संदेह होने पर दूर से बंद किया जा सकता है।

स्वच्छ और पर्यावरण के अनुकूल उन्नत रिएक्टर (CAESAR)एक परमाणु रिएक्टर की अवधारणा है जो न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में भाप का उपयोग करती है - एक डिजाइन अभी भी विकास में है।

स्केल-डाउन वाटर-मॉडरेटेड रिएक्टर उन्नत उबलते पानी रिएक्टर (ABWR) पर आधारित है, जो वर्तमान में प्रचालन में है। यह एक पूर्ण तेज रिएक्टर नहीं है, लेकिन मुख्य रूप से एपिथर्मल न्यूट्रॉन का उपयोग करता है, जिसमें थर्मल और तेज के बीच मध्यवर्ती गति होती है।

हाइड्रोजन न्यूट्रॉन मॉडरेटर के साथ स्व-विनियमन परमाणु ऊर्जा मॉड्यूल (एचपीएम)लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी द्वारा निर्मित एक संरचनात्मक प्रकार का रिएक्टर है जो ईंधन के रूप में यूरेनियम हाइड्राइड का उपयोग करता है।

सबक्रिटिकल परमाणु रिएक्टरसुरक्षित और अधिक स्थिर-कार्य करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, लेकिन इंजीनियरिंग और आर्थिक दृष्टि से कठिन हैं। एक उदाहरण "ऊर्जा बूस्टर" है।

थोरियम आधारित रिएक्टर... इस उद्देश्य के लिए विशेष रूप से डिजाइन किए गए रिएक्टरों में थोरियम-232 को यू-233 में परिवर्तित किया जा सकता है। इस तरह थोरियम, जो यूरेनियम से चार गुना अधिक प्रचुर मात्रा में है, यू-233 पर आधारित परमाणु ईंधन का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यह माना जाता है कि U-233 में पारंपरिक रूप से उपयोग किए जाने वाले U-235 की तुलना में अनुकूल परमाणु गुण हैं, विशेष रूप से एक बेहतर न्यूट्रॉन दक्षता और उत्पादित लंबे समय तक रहने वाले ट्रांसयूरानिक कचरे की मात्रा में कमी।

उन्नत भारी जल रिएक्टर (एएचडब्ल्यूआर)- प्रस्तावित भारी पानी रिएक्टर, जो अगली पीढ़ी के पीएचडब्ल्यूआर प्रकार के विकास का प्रतिनिधित्व करेगा। भाभा परमाणु अनुसंधान केंद्र (बीएआरसी), भारत में विकास के तहत।

कामिनी- ईंधन के रूप में यूरेनियम-233 आइसोटोप का उपयोग करने वाला एक अनूठा रिएक्टर। BARC अनुसंधान केंद्र और इंदिरा गांधी परमाणु अनुसंधान केंद्र (IGCAR) में भारत में निर्मित।

भारत ने थोरियम-यूरेनियम-233 ईंधन चक्र का उपयोग करके तेज रिएक्टर बनाने की भी योजना बनाई है। एफबीटीआर (फास्ट ब्रीडर रिएक्टर) (कलपक्कम, भारत) प्रचालन के दौरान ईंधन के रूप में प्लूटोनियम और शीतलक के रूप में तरल सोडियम का उपयोग करता है।

चौथी पीढ़ी के रिएक्टर क्या हैं?

रिएक्टरों की चौथी पीढ़ी विभिन्न सैद्धांतिक डिजाइनों का एक संग्रह है जिन पर वर्तमान में विचार किया जा रहा है। इन परियोजनाओं के 2030 तक लागू होने की संभावना नहीं है। संचालन में आधुनिक रिएक्टरों को आमतौर पर दूसरी या तीसरी पीढ़ी की प्रणाली माना जाता है। कुछ समय के लिए पहली पीढ़ी के सिस्टम का उपयोग नहीं किया गया है। इस चौथी पीढ़ी के रिएक्टरों का विकास आधिकारिक तौर पर जेनरेशन IV इंटरनेशनल फोरम (GIF) में आठ प्रौद्योगिकी लक्ष्यों के साथ शुरू किया गया था। मुख्य उद्देश्य परमाणु सुरक्षा में सुधार, प्रसार सुरक्षा में वृद्धि, कचरे को कम करना और प्राकृतिक संसाधनों का उपयोग करना और ऐसे संयंत्रों के निर्माण और लॉन्च की लागत को कम करना था।

• गैस-कूल्ड फास्ट रिएक्टर
• लीड कूल्ड फास्ट रिएक्टर
• तरल नमक रिएक्टर
• सोडियम कूल्ड फास्ट रिएक्टर
• वाटर कूल्ड सुपरक्रिटिकल न्यूक्लियर रिएक्टर
• अल्ट्रा उच्च तापमान परमाणु रिएक्टर

पांचवीं पीढ़ी के रिएक्टर क्या हैं?

रिएक्टरों की पांचवीं पीढ़ी ऐसी परियोजनाएं हैं, जिनका कार्यान्वयन सैद्धांतिक दृष्टिकोण से संभव है, लेकिन जो वर्तमान समय में सक्रिय विचार और अनुसंधान का विषय नहीं हैं। हालांकि ऐसे रिएक्टर वर्तमान या अल्पावधि में बनाए जा सकते हैं, लेकिन वे आर्थिक व्यवहार्यता, व्यावहारिकता या सुरक्षा के कारणों के लिए बहुत कम रुचि पैदा करते हैं।

• तरल चरण रिएक्टर... एक परमाणु रिएक्टर के मूल में तरल के साथ एक बंद लूप, जहां विखंडनीय सामग्री पिघला हुआ यूरेनियम या यूरेनियम समाधान के रूप में एक कार्यशील गैस के साथ ठंडा होता है, जो होल्डिंग पोत के आधार में छेद के माध्यम से अंतःक्षिप्त होता है।
• कोर में गैस चरण रिएक्टर... एक परमाणु इंजन के साथ एक रॉकेट के लिए एक बंद चक्र का एक प्रकार, जहां एक क्वार्ट्ज पोत में स्थित गैसीय यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड विखंडनीय सामग्री है। एक कार्यशील गैस (जैसे हाइड्रोजन) इस पोत के चारों ओर प्रवाहित होगी और परमाणु प्रतिक्रिया से पराबैंगनी विकिरण को अवशोषित करेगी। इस डिजाइन को रॉकेट इंजन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसा कि हैरी हैरिसन के 1976 के विज्ञान कथा उपन्यास स्काईफॉल में उल्लेख किया गया है। सिद्धांत रूप में, यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड को परमाणु ईंधन के रूप में उपयोग करने के बजाय (एक मध्यवर्ती के रूप में, जैसा कि वर्तमान में किया जाता है) के परिणामस्वरूप ऊर्जा उत्पादन लागत कम होगी और रिएक्टरों के आकार में भी काफी कमी आएगी। व्यवहार में, इस तरह के उच्च शक्ति घनत्व पर काम करने वाला एक रिएक्टर न्यूट्रॉन के अनियंत्रित प्रवाह का उत्पादन करेगा, जिससे अधिकांश रिएक्टर सामग्री की ताकत गुण कमजोर हो जाएंगे। इस प्रकार, प्रवाह थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों में जारी कणों के प्रवाह के समान होगा। बदले में, इसके लिए उन सामग्रियों के उपयोग की आवश्यकता होगी जो एक संलयन प्रतिक्रिया में विकिरण सामग्री के लिए एक सुविधा के कार्यान्वयन के लिए अंतर्राष्ट्रीय परियोजना के ढांचे में उपयोग किए जाने वाले समान हैं।
• गैस चरण विद्युतचुंबकीय रिएक्टर... गैस-चरण रिएक्टर के समान, लेकिन फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के साथ पराबैंगनी प्रकाश को सीधे बिजली में परिवर्तित करना।
• विखंडन रिएक्टर
• हाइब्रिड परमाणु संलयन... न्यूट्रॉन का उपयोग किया जाता है, जो मूल या "प्रजनन क्षेत्र में पदार्थ" के संलयन और क्षय के दौरान उत्सर्जित होता है। उदाहरण के लिए, U-238, Th-232, या किसी अन्य रिएक्टर से खर्च किए गए ईंधन / रेडियोधर्मी कचरे का अपेक्षाकृत सौम्य समस्थानिकों में रूपांतरण।

कोर में गैस चरण रिएक्टर। एक परमाणु इंजन के साथ एक रॉकेट के लिए एक बंद चक्र का एक प्रकार, जहां एक क्वार्ट्ज पोत में स्थित गैसीय यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड विखंडनीय सामग्री है। एक कार्यशील गैस (जैसे हाइड्रोजन) इस पोत के चारों ओर प्रवाहित होगी और परमाणु प्रतिक्रिया से पराबैंगनी विकिरण को अवशोषित करेगी। इस डिजाइन को रॉकेट इंजन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसा कि हैरी हैरिसन के 1976 के विज्ञान कथा उपन्यास स्काईफॉल में उल्लेख किया गया है। सिद्धांत रूप में, यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड को परमाणु ईंधन के रूप में उपयोग करने के बजाय (एक मध्यवर्ती के रूप में, जैसा कि वर्तमान में किया जाता है) के परिणामस्वरूप ऊर्जा उत्पादन लागत कम होगी और रिएक्टरों के आकार में भी काफी कमी आएगी। व्यवहार में, इस तरह के उच्च शक्ति घनत्व पर काम करने वाला एक रिएक्टर न्यूट्रॉन के अनियंत्रित प्रवाह का उत्पादन करेगा, जिससे अधिकांश रिएक्टर सामग्री की ताकत गुण कमजोर हो जाएंगे। इस प्रकार, प्रवाह थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों में जारी कणों के प्रवाह के समान होगा। बदले में, इसके लिए उन सामग्रियों के उपयोग की आवश्यकता होगी जो एक संलयन प्रतिक्रिया में विकिरण सामग्री के लिए एक सुविधा के कार्यान्वयन के लिए अंतर्राष्ट्रीय परियोजना के ढांचे में उपयोग किए जाने वाले समान हैं।

गैस-चरण विद्युत चुम्बकीय रिएक्टर। गैस-चरण रिएक्टर के समान, लेकिन फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के साथ पराबैंगनी प्रकाश को सीधे बिजली में परिवर्तित करना।

विखंडन रिएक्टर

हाइब्रिड परमाणु संलयन। न्यूट्रॉन का उपयोग किया जाता है, जो मूल या "प्रजनन क्षेत्र में पदार्थ" के संलयन और क्षय के दौरान उत्सर्जित होता है। उदाहरण के लिए, U-238, Th-232, या किसी अन्य रिएक्टर से खर्च किए गए ईंधन/रेडियोधर्मी कचरे का अपेक्षाकृत सौम्य समस्थानिकों में रूपांतरण।

फ्यूजन रिएक्टर

एक्टिनाइड्स को संभालने से जुड़ी जटिलताओं के बिना बिजली उत्पन्न करने के लिए फ्यूजन पावर प्लांट में नियंत्रित फ्यूजन का उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, गंभीर वैज्ञानिक और तकनीकी बाधाएं बनी हुई हैं। कई थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर बनाए गए हैं, लेकिन हाल ही में यह सुनिश्चित करना संभव हो पाया है कि रिएक्टर जितनी ऊर्जा खर्च करते हैं, उससे अधिक ऊर्जा छोड़ते हैं। इस तथ्य के बावजूद कि अनुसंधान 1950 के दशक में शुरू हुआ, यह माना जाता है कि एक वाणिज्यिक संलयन रिएक्टर 2050 तक काम नहीं करेगा। थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का उपयोग करने के लिए आईटीईआर परियोजना के भीतर वर्तमान में प्रयास चल रहे हैं।

परमाणु ईंधन चक्र

थर्मल रिएक्टर आमतौर पर यूरेनियम के शुद्धिकरण और संवर्धन की डिग्री पर निर्भर करते हैं। कुछ परमाणु रिएक्टर प्लूटोनियम और यूरेनियम के मिश्रण पर काम कर सकते हैं (देखें एमओएक्स ईंधन)। वह प्रक्रिया जिसके द्वारा यूरेनियम अयस्क का खनन, प्रसंस्करण, संवर्धन, उपयोग, संभवतः पुनर्संसाधन और निपटान किया जाता है, परमाणु ईंधन चक्र के रूप में जाना जाता है।

प्रकृति में 1% तक यूरेनियम आसानी से विखंडनीय आइसोटोप U-235 है। इस प्रकार, अधिकांश रिएक्टरों के डिजाइन में समृद्ध ईंधन का उपयोग शामिल है। संवर्धन में U-235 के अनुपात में वृद्धि शामिल है और, एक नियम के रूप में, गैस प्रसार या गैस अपकेंद्रित्र का उपयोग करके किया जाता है। समृद्ध उत्पाद को आगे यूरेनियम डाइऑक्साइड पाउडर में परिवर्तित किया जाता है, जिसे संपीड़ित किया जाता है और ग्रेन्युल में निकाल दिया जाता है। इन दानों को ट्यूबों में रखा जाता है, जिन्हें बाद में सील कर दिया जाता है। इन ट्यूबों को ईंधन छड़ कहा जाता है। प्रत्येक परमाणु रिएक्टर इनमें से कई ईंधन छड़ों का उपयोग करता है।

अधिकांश वाणिज्यिक BWR और PWR रिएक्टर लगभग 4% U-235 से समृद्ध यूरेनियम का उपयोग करते हैं। इसके अलावा, कुछ औद्योगिक उच्च न्यूट्रॉन अर्थव्यवस्था रिएक्टरों को समृद्ध ईंधन की बिल्कुल भी आवश्यकता नहीं होती है (अर्थात, वे प्राकृतिक यूरेनियम का उपयोग कर सकते हैं)। अंतर्राष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा एजेंसी के अनुसार, दुनिया में कम से कम 100 अनुसंधान रिएक्टर हैं जो अत्यधिक समृद्ध ईंधन (हथियार ग्रेड / 90% समृद्ध यूरेनियम) का उपयोग करते हैं। इस प्रकार के ईंधन (संभवतः परमाणु हथियारों के उत्पादन में उपयोग के लिए) की चोरी के जोखिम ने कम समृद्ध यूरेनियम (जो कम प्रसार खतरा पैदा करता है) के साथ रिएक्टरों को स्विच करने के लिए एक अभियान का आह्वान किया है।

नाभिकीय विखंडन में सक्षम विखंडनीय U-235 और गैर-विखंडन योग्य U-238 का उपयोग परमाणु परिवर्तन प्रक्रिया में किया जाता है। U-235 थर्मल (यानी धीरे-धीरे चलने वाले) न्यूट्रॉन द्वारा विखंडित होता है। एक थर्मल न्यूट्रॉन एक न्यूट्रॉन है जो लगभग उसी गति से चलता है जैसे उसके चारों ओर परमाणु। चूंकि परमाणुओं की कंपन आवृत्ति उनके पूर्ण तापमान के समानुपाती होती है, थर्मल न्यूट्रॉन में समान कंपन गति से चलने पर U-235 को विभाजित करने की अधिक क्षमता होती है। दूसरी ओर, यदि न्यूट्रॉन बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रहा है, तो U-238 के न्यूट्रॉन पर कब्जा करने की अधिक संभावना है। U-239 परमाणु प्लूटोनियम-239 के निर्माण के साथ जितनी जल्दी हो सके क्षय होता है, जो स्वयं एक ईंधन है। पु-239 एक पूर्ण ईंधन है और अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम ईंधन का उपयोग करते समय भी इसे ध्यान में रखा जाना चाहिए। कुछ रिएक्टरों में U-235 विखंडन प्रक्रियाओं पर प्लूटोनियम क्षय प्रक्रियाएं प्रबल होंगी। विशेष रूप से मूल लोड किए गए U-235 के समाप्त होने के बाद। प्लूटोनियम तेजी से और थर्मल दोनों रिएक्टरों में विखंडन करता है, जो इसे परमाणु रिएक्टरों और परमाणु बम दोनों के लिए आदर्श बनाता है।

अधिकांश मौजूदा रिएक्टर थर्मल रिएक्टर हैं, जो आम तौर पर पानी का उपयोग न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में करते हैं (मॉडरेटर का अर्थ है कि यह एक न्यूट्रॉन को थर्मल वेग से धीमा कर देता है) और एक शीतलक के रूप में भी। हालांकि, एक तेज न्यूट्रॉन रिएक्टर में, थोड़ा अलग प्रकार के शीतलक का उपयोग किया जाता है, जो न्यूट्रॉन प्रवाह को बहुत अधिक धीमा नहीं करेगा। यह तेजी से न्यूट्रॉन को प्रबल करने की अनुमति देता है, जिसका उपयोग ईंधन की आपूर्ति को लगातार भरने के लिए प्रभावी ढंग से किया जा सकता है। बस सस्ते, बिना समृद्ध यूरेनियम को कोर में रखने से, अनायास गैर-विखंडन योग्य U-238 ईंधन को "प्रजनन" करते हुए Pu-239 में बदल जाएगा।

थोरियम-आधारित ईंधन चक्र में, थोरियम-232 तेज और थर्मल दोनों रिएक्टरों में एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है। थोरियम के बीटा क्षय से प्रोटैक्टीनियम-233 और फिर यूरेनियम-233 का निर्माण होता है, जो बदले में ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है। अतः यूरेनियम-238 की तरह थोरियम-232 उपजाऊ पदार्थ है।

परमाणु रिएक्टरों का रखरखाव

एक परमाणु ईंधन भंडार में ऊर्जा की मात्रा को अक्सर "पूर्ण दिन" शब्द में व्यक्त किया जाता है, जो कि गर्मी उत्पन्न करने के लिए पूर्ण शक्ति पर एक रिएक्टर के संचालन के 24 घंटे की अवधि (दिन) की संख्या है। रिएक्टर परिचालन चक्र (ईंधन भरने के लिए आवश्यक अंतराल के बीच) में पूर्ण शक्ति पर संचालन के दिन चक्र की शुरुआत में ईंधन असेंबलियों में निहित यूरेनियम -235 (यू -235) की मात्रा से संबंधित हैं। चक्र की शुरुआत में कोर में U-235 का प्रतिशत जितना अधिक होगा, उतने अधिक दिनों तक पूरी शक्ति से संचालन रिएक्टर को संचालित करने की अनुमति देगा।

कार्य चक्र के अंत में, कुछ असेंबलियों में ईंधन को "संसाधित" किया जाता है, अनलोड किया जाता है और नए (ताजा) ईंधन असेंबलियों के रूप में प्रतिस्थापित किया जाता है। साथ ही, परमाणु ईंधन में विखंडन उत्पादों के संचय की ऐसी प्रतिक्रिया रिएक्टर में परमाणु ईंधन के सेवा जीवन को निर्धारित करती है। ईंधन विखंडन की अंतिम प्रक्रिया होने से बहुत पहले, रिएक्टर के पास लंबे समय तक रहने वाले न्यूट्रॉन-अवशोषित क्षय उप-उत्पादों को जमा करने का समय होगा, जिससे श्रृंखला प्रतिक्रिया को आगे बढ़ने से रोका जा सकेगा। रिएक्टर कोर का अंश जिसे ईंधन भरने के दौरान बदल दिया जाता है, आमतौर पर उबलते पानी रिएक्टर के लिए एक चौथाई और दबाव वाले पानी रिएक्टर के लिए एक तिहाई होता है। इस खर्च किए गए ईंधन का उपयोग और भंडारण एक औद्योगिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र के संचालन को व्यवस्थित करने में सबसे कठिन कार्यों में से एक है। इस तरह का परमाणु कचरा हजारों सालों से अत्यधिक रेडियोधर्मी और जहरीला होता है।

ईंधन भरने के लिए सभी रिएक्टरों को सेवा से बाहर करने की आवश्यकता नहीं है; उदाहरण के लिए, गोलाकार ईंधन तत्वों से भरे परमाणु रिएक्टर, RBMK रिएक्टर (हाई पावर चैनल रिएक्टर), पिघला हुआ नमक रिएक्टर, मैग्नॉक्स, AGR और CANDU रिएक्टर यूनिट के संचालन के दौरान ईंधन कोशिकाओं को स्थानांतरित करने की अनुमति देते हैं। CANDU रिएक्टर में, अलग-अलग ईंधन कोशिकाओं को कोर में इस तरह रखना संभव है कि ईंधन सेल में U-235 सामग्री को समायोजित किया जा सके।

परमाणु ईंधन से प्राप्त ऊर्जा की मात्रा को इसका बर्नअप कहा जाता है, जिसे ईंधन भार की मूल इकाई द्वारा उत्पन्न तापीय ऊर्जा के रूप में व्यक्त किया जाता है। बर्न-अप आमतौर पर भारी धातु शुरू करने के प्रति टन थर्मल मेगावाट दिनों के रूप में व्यक्त किया जाता है।

परमाणु ऊर्जा सुरक्षा

परमाणु सुरक्षा परमाणु और विकिरण दुर्घटनाओं को रोकने या उनके परिणामों को स्थानीय बनाने के उद्देश्य से की जाने वाली कार्रवाई है। परमाणु ऊर्जा ने रिएक्टरों की सुरक्षा और प्रदर्शन में सुधार किया है, और नए, सुरक्षित रिएक्टर डिजाइनों का भी प्रस्ताव दिया है (जिनका आमतौर पर परीक्षण नहीं किया गया है)। हालांकि, इस बात की कोई गारंटी नहीं है कि ऐसे रिएक्टरों का डिजाइन, निर्माण और मज़बूती से संचालन करने में सक्षम होंगे। गलतियाँ तब होती हैं जब जापान में फुकुशिमा परमाणु ऊर्जा संयंत्र के रिएक्टर डिजाइनरों ने एनआरजी (नेशनल रिसर्च ग्रुप) और जापानियों की कई चेतावनियों के बावजूद भूकंप सुनामी से बैकअप सिस्टम को बंद करने की उम्मीद नहीं की थी, जो भूकंप के बाद रिएक्टर को स्थिर करने वाला था। प्रशासन। परमाणु सुरक्षा पर। यूबीएस एजी के अनुसार, फुकुशिमा I परमाणु दुर्घटनाएं सवाल उठाती हैं कि क्या जापान जैसी उन्नत अर्थव्यवस्थाएं भी परमाणु सुरक्षा सुनिश्चित कर सकती हैं। आतंकवादी हमलों सहित भयावह परिदृश्य भी संभव हैं। एमआईटी (मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी) की एक अंतःविषय टीम ने गणना की है कि परमाणु ऊर्जा में अपेक्षित वृद्धि को देखते हुए, 2005-2055 के बीच कम से कम चार गंभीर परमाणु दुर्घटनाएं होने की उम्मीद है।

परमाणु और विकिरण दुर्घटनाएं

कुछ गंभीर परमाणु और विकिरण दुर्घटनाएँ हुई हैं। परमाणु ऊर्जा संयंत्र दुर्घटनाओं में हादसा SL-1 (1961), थ्री माइल आइलैंड दुर्घटना (1979), चेरनोबिल दुर्घटना (1986), और फुकुशिमा दाइची परमाणु दुर्घटना (2011) शामिल हैं। परमाणु-संचालित दुर्घटनाओं में K-19 (1961), K-27 (1968), और K-431 (1985) में रिएक्टर दुर्घटनाएँ शामिल हैं।

परमाणु रिएक्टरों को कम से कम 34 बार पृथ्वी की कक्षा में प्रक्षेपित किया जा चुका है। परमाणु संस्थापन द्वारा संचालित सोवियत मानवरहित उपग्रह RORSAT से जुड़ी घटनाओं की एक श्रृंखला ने कक्षा से पृथ्वी के वायुमंडल में खर्च किए गए परमाणु ईंधन के प्रवेश को प्रेरित किया।

प्राकृतिक परमाणु रिएक्टर

जबकि विखंडन रिएक्टरों को अक्सर आधुनिक तकनीक का उत्पाद माना जाता है, पहले परमाणु रिएक्टर जंगली में मौजूद होते हैं। एक प्राकृतिक परमाणु रिएक्टर का निर्माण कुछ शर्तों के तहत किया जा सकता है जो एक डिज़ाइन किए गए रिएक्टर में स्थितियों का अनुकरण करते हैं। आज तक, पश्चिम अफ्रीका के गैबॉन में ओक्लो यूरेनियम खदान में तीन अलग-अलग अयस्क भंडारों के भीतर पंद्रह प्राकृतिक परमाणु रिएक्टरों की खोज की गई है। ओक्लो के प्रसिद्ध "मृत" रिएक्टरों की खोज पहली बार 1972 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी फ्रांसिस पेरिन ने की थी। इन रिएक्टरों में आत्मनिर्भर विखंडन प्रतिक्रिया लगभग 1.5 अरब साल पहले हुई थी, और इस अवधि के दौरान औसतन 100 किलोवाट बिजली उत्पादन पैदा करते हुए कई सौ हजार वर्षों तक कायम रही है। एक प्राकृतिक परमाणु रिएक्टर की अवधारणा को 1956 में अरकंसास विश्वविद्यालय में पॉल कुरोदा द्वारा सिद्धांत के संदर्भ में समझाया गया था।

इस तरह के रिएक्टर अब पृथ्वी पर नहीं बन सकते हैं: इस विशाल अवधि के दौरान रेडियोधर्मी क्षय ने प्राकृतिक यूरेनियम में U-235 के अनुपात को एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए आवश्यक स्तर से कम कर दिया है।

प्राकृतिक परमाणु रिएक्टरों का गठन तब हुआ जब एक खनिज समृद्ध यूरेनियम जमा भूजल से भरना शुरू हुआ, जो न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में कार्य करता था और एक महत्वपूर्ण श्रृंखला प्रतिक्रिया को बंद कर देता था। पानी के रूप में न्यूट्रॉन मॉडरेटर वाष्पीकृत हो जाता है, प्रतिक्रिया को तेज करता है और फिर वापस संघनित होता है, जिससे परमाणु प्रतिक्रिया में मंदी आती है और पिघलने से बचाव होता है। विखंडन प्रतिक्रिया सैकड़ों हजारों वर्षों से जारी है।

ऐसे प्राकृतिक रिएक्टरों का भूगर्भीय वातावरण में रेडियोधर्मी कचरे के निपटान में रुचि रखने वाले वैज्ञानिकों द्वारा विस्तार से अध्ययन किया गया है। वे एक केस स्टडी का प्रस्ताव करते हैं कि कैसे रेडियोधर्मी आइसोटोप पृथ्वी की पपड़ी के माध्यम से पलायन करेंगे। भूगर्भीय लैंडफिलिंग के आलोचकों के लिए यह एक महत्वपूर्ण बिंदु है, जो डरते हैं कि कचरे में आइसोटोप पानी की आपूर्ति में समाप्त हो सकते हैं या पर्यावरण में स्थानांतरित हो सकते हैं।

परमाणु ऊर्जा की पर्यावरणीय समस्याएं

एक परमाणु रिएक्टर हवा और भूजल में ट्रिटियम, Sr-90 की थोड़ी मात्रा छोड़ता है। ट्रिटियम से दूषित पानी रंगहीन और गंधहीन होता है। Sr-90 की बड़ी खुराक जानवरों में और संभवतः मनुष्यों में हड्डी के कैंसर और ल्यूकेमिया के खतरे को बढ़ाती है।

शिकागो विश्वविद्यालय के फुटबॉल मैदान के पश्चिमी स्टैंड के तहत निर्मित और 2 दिसंबर, 1942 को कमीशन किया गया, शिकागो पाइल -1 (CP-1) दुनिया का पहला परमाणु रिएक्टर था। इसमें ग्रेफाइट और यूरेनियम ब्लॉक, साथ ही कैडमियम, इंडियम और सिल्वर कंट्रोल रॉड शामिल थे, लेकिन इसमें कोई विकिरण सुरक्षा और शीतलन प्रणाली नहीं थी। परियोजना के वैज्ञानिक निदेशक, भौतिक विज्ञानी एनरिको फर्मी ने सीपी -1 को "काली ईंटों और लकड़ी के लॉग का एक नम ढेर" के रूप में वर्णित किया।

16 नवंबर, 1942 को रिएक्टर पर काम शुरू हुआ। कड़ी मेहनत की गई है। भौतिकविदों और विश्वविद्यालय के कर्मचारियों ने चौबीसों घंटे काम किया। उन्होंने ग्रेफाइट ब्लॉकों में एम्बेडेड यूरेनियम ऑक्साइड और यूरेनियम सिल्लियों की 57 परतों का ग्रिड बनाया। एक लकड़ी के फ्रेम ने संरचना का समर्थन किया। फर्मी की सुरक्षा, लियोना वुड्स - परियोजना की एकमात्र महिला - ने ढेर के बढ़ने पर सावधानीपूर्वक माप लिया।

2 दिसंबर, 1942 को रिएक्टर परीक्षण के लिए तैयार था। इसमें 22,000 यूरेनियम सिल्लियां थीं और 380 टन ग्रेफाइट, साथ ही 40 टन यूरेनियम ऑक्साइड और छह टन यूरेनियम धातु की खपत हुई थी। रिएक्टर को बनाने में 2.7 मिलियन डॉलर लगे थे। प्रयोग 09-45 पर शुरू हुआ। इसमें 49 लोगों ने भाग लिया: फर्मी, कॉम्पटन, स्ज़ीलार्ड, ज़िन, हेबेरी, वुड्स, एक युवा बढ़ई, जिसने ग्रेफाइट ब्लॉक और कैडमियम रॉड, डॉक्टर, सामान्य छात्र और अन्य वैज्ञानिक बनाए।

"आत्मघाती दस्ते" में तीन लोग शामिल थे - वे सुरक्षा व्यवस्था का हिस्सा थे। उनका काम कुछ गलत होने पर आग बुझाना था। नियंत्रण भी था: नियंत्रण छड़, जिसे मैन्युअल रूप से नियंत्रित किया गया था, और एक आपातकालीन छड़, जो रिएक्टर के ऊपर बालकनी की रेलिंग से बंधी थी। आपात स्थिति में, बालकनी पर ड्यूटी पर तैनात एक व्यक्ति को रस्सी काटनी पड़ती थी और रॉड प्रतिक्रिया को बुझा देती थी।

15-53 में, इतिहास में पहली बार, एक आत्मनिर्भर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू हुई। प्रयोग को सफलता के साथ ताज पहनाया गया। रिएक्टर ने 28 मिनट तक काम किया।