परमाणु रिएक्टर ऐसी मशीनें हैं जो नियंत्रित दर पर गर्मी जारी करते हुए परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित और नियंत्रित करती हैं।
एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र उस गर्मी का उपयोग करता है जो एक परमाणु रिएक्टर पैदा करता है ताकि पानी को भाप में बदल दिया जा सके, जो फिर टरबाइन जनरेटर चलाता है जो बिजली उत्पन्न करता है।
बिजली रिएक्टर कई प्रकार के होते हैं, लेकिन केवल एक, प्रकाश-जल रिएक्टर, व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
प्रकाश-जल रिएक्टर Light-water reactors
प्रकाश-जल रिएक्टर (LWR) बिजली रिएक्टर हैं जिन्हें साधारण पानी से ठंडा और संचालित किया जाता है । दो बुनियादी प्रकार हैं: दबावयुक्त जल रिएक्टर (पीडब्ल्यूआर) और उबलता जल रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर)।
दबावयुक्त जल रिएक्टर (PWR) Pressurized-water reactor (PWR)
पीडब्लूआर में, उच्च दबाव और तापमान पर पानी कोर से गर्मी को हटा देता है और भाप जनरेटर में ले जाया जाता है। वहां प्राथमिक लूप से गर्मी को कम दबाव वाले माध्यमिक लूप में स्थानांतरित किया जाता है जिसमें पानी भी होता है। द्वितीयक लूप में पानी उबाल शुरू करने के लिए आवश्यक दबाव और तापमान से थोड़ा नीचे भाप जनरेटर में प्रवेश करता है। हालाँकि, प्राथमिक लूप से ऊष्मा को अवशोषित करने पर, यह संतृप्त हो जाता है और अंततः थोड़ा अतितापित हो जाता है। इस प्रकार उत्पन्न भाप अंततः भाप-टरबाइन चक्र में कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में कार्य करती है।
- गुण:
- मजबूत नकारात्मक शून्य गुणांक – अगर पानी में बुलबुले उठने लगें तो रिएक्टर ठंडा हो जाता है क्योंकि शीतलक एक मॉडरेटर है, जो श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए आवश्यक है।
- सेकेंडरी लूप रेडियोधर्मी सामग्री को टर्बाइनों से दूर रखता है, जिससे रखरखाव आसान हो जाता है।
- बहुत अधिक परिचालन अनुभव संचित किया गया है और डिज़ाइन और प्रक्रियाओं को काफी हद तक अनुकूलित किया गया है।
- दोष:
- यदि कोई पाइप टूट जाता है तो दबावयुक्त शीतलक तेजी से बाहर निकल जाता है, जिससे बहुत सारे बैक-अप शीतलन प्रणालियों की आवश्यकता होती है।
- नया ईंधन तैयार नहीं किया जा सकता – “यूरेनियम की कमी” की आशंका
उबलता पानी रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) Boiling-water reactor (BWR)
एक BWR प्रत्यक्ष शक्ति चक्र के सिद्धांत पर काम करता है। कोर से गुजरने वाले पानी को मध्यवर्ती दबाव स्तर पर उबलने दिया जाता है। कोर क्षेत्र से बाहर निकलने वाली संतृप्त भाप को रिएक्टर पोत के भीतर स्थित विभाजकों और ड्रायरों की एक श्रृंखला के माध्यम से ले जाया जाता है जो अत्यधिक गरम अवस्था को बढ़ावा देते हैं। फिर अत्यधिक गरम जल वाष्प का उपयोग भाप टरबाइन को चालू करने के लिए कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में किया जाता है।
- गुण:
- सरल पाइपलाइन से लागत कम हो जाती है
- जेट पंपों को तेज़ करके, कम उबला हुआ पानी और अधिक संयम देकर बिजली के स्तर को बढ़ाया जा सकता है। इस प्रकार, लोड-फ़ॉलोइंग सरल और आसान है।
- बहुत अधिक परिचालन अनुभव संचित किया गया है और डिज़ाइन और प्रक्रियाओं को काफी हद तक अनुकूलित किया गया है।
- दोष:
- सिस्टम में तरल और गैसीय पानी के साथ, कई अजीब परिवर्तन संभव हैं, जिससे सुरक्षा विश्लेषण मुश्किल हो जाता है
- प्राथमिक शीतलक टर्बाइनों के सीधे संपर्क में होता है, इसलिए यदि ईंधन रॉड में रिसाव होता है, तो रेडियोधर्मी सामग्री को टरबाइन पर रखा जा सकता है। इससे रखरखाव जटिल हो जाता है क्योंकि कर्मचारियों को रेडियोधर्मी वातावरण के लिए तैयार होना पड़ता है।
- नया ईंधन तैयार नहीं किया जा सकता – “यूरेनियम की कमी” की आशंका
- फ़ुकुशिमा जैसे स्टेशन ब्लैकआउट घटनाओं में आम तौर पर अच्छा प्रदर्शन नहीं करता है।
CANDU रिएक्टर [कनाडा ड्यूटेरियम यूरेनियम (CANDU) रिएक्टर]
CANDU एक कनाडाई दबावयुक्त भारी जल रिएक्टर डिज़ाइन है जिसका उपयोग विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यह परिवर्णी शब्द इसके ड्यूटेरियम ऑक्साइड मॉडरेटर और इसके यूरेनियम ईंधन के उपयोग को संदर्भित करता है ।
यह अपने ईंधन के रूप में समृद्ध यूरेनियम का उपयोग करता है जबकि भारी पानी शीतलक और न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में कार्य करता है। भारी पानी को उच्च दबाव में रखा जाता है, जिससे इसे दबाव वाले पानी रिएक्टर की तरह बिना उबाले उच्च तापमान तक गर्म किया जा सकता है।
- गुण:
- बहुत कम यूरेनियम संवर्धन की आवश्यकता होती है।
- संचालन के दौरान क्षमता कारकों को ऊंचा रखते हुए ईंधन भरा जा सकता है (जब तक कि ईंधन संभालने वाली मशीनें टूट न जाएं)।
- बहुत लचीले होते हैं, और किसी भी प्रकार के ईंधन का उपयोग कर सकते हैं।
- दोष:
- कुछ प्रकारों में सकारात्मक शीतलक तापमान गुणांक होता है, जिससे सुरक्षा संबंधी चिंताएँ पैदा होती हैं।
- ड्यूटेरियम में न्यूट्रॉन अवशोषण से ट्रिटियम का उत्पादन होता है, जो रेडियोधर्मी होता है और अक्सर कम मात्रा में लीक होता है।
- पारंपरिक रिएक्टरों की तुलना में थोड़ी तेजी से हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम का उत्पादन करने के लिए सैद्धांतिक रूप से संशोधित किया जा सकता है।
सोडियम कूल्ड फास्ट रिएक्टर (Sodium Cooled Fast Reactor)
सोडियम -कूल्ड फास्ट रिएक्टर तरल सोडियम द्वारा ठंडा किया जाने वाला एक फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर है । प्रारंभिक एसएफआर विशेष रूप से दो पीढ़ी IV रिएक्टर प्रस्तावों को संदर्भित करता है, एक मिश्रित ऑक्साइड ईंधन का उपयोग करके मौजूदा तरल धातु कूल्ड रिएक्टर तकनीक पर आधारित है, और एक धातु-ईंधन इंटीग्रल फास्ट रिएक्टर पर आधारित है।
इन रिएक्टरों को तरल सोडियम धातु द्वारा ठंडा किया जाता है। सोडियम हाइड्रोजन से भारी है, एक तथ्य यह है कि न्यूट्रॉन उच्च गति (इसलिए तेज़ ) पर घूमते हैं। ये धातु या ऑक्साइड ईंधन का उपयोग कर सकते हैं, और विभिन्न प्रकार के ईंधन जला सकते हैं।
कई सोडियम-कूल्ड फास्ट रिएक्टर बनाए गए हैं और कुछ प्रचालन में हैं, विशेष रूप से रूस में।
- गुण:
- अपना स्वयं का ईंधन तैयार कर सकता है, जिससे यूरेनियम की कमी के बारे में किसी भी चिंता को प्रभावी ढंग से समाप्त किया जा सकता है (देखें तेज़ रिएक्टर क्या है?)
- अपना कचरा स्वयं जला सकते हैं
- धात्विक ईंधन और सोडियम के उत्कृष्ट तापीय गुण निष्क्रिय रूप से सुरक्षित संचालन की अनुमति देते हैं – रिएक्टर किसी भी बैकअप-सिस्टम (या आसपास के लोगों) के काम किए बिना, केवल भौतिकी पर निर्भर होकर सुरक्षित रूप से बंद हो जाएगा।
- दोष:
- सोडियम कूलेंट हवा और पानी के साथ प्रतिक्रियाशील होता है। इस प्रकार, पाइपों में रिसाव के परिणामस्वरूप सोडियम में आग लग जाती है। इन्हें आसपास इंजीनियर किया जा सकता है लेकिन ये इन रिएक्टरों के लिए एक बड़ा झटका है।
- कचरे को पूरी तरह से जलाने के लिए पुनर्संसाधन सुविधाओं की आवश्यकता होती है जिसका उपयोग परमाणु प्रसार के लिए भी किया जा सकता है।
- रिएक्टर को इसकी संसाधन-उपयोग क्षमताएं प्रदान करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अतिरिक्त न्यूट्रॉन का उपयोग गुप्त रूप से हथियारों के लिए प्लूटोनियम बनाने के लिए किया जा सकता है।
तेज़ रिएक्टर (Fast Reactors)
एक फास्ट-न्यूट्रॉन रिएक्टर (FNR) या फास्ट-स्पेक्ट्रम रिएक्टर या बस एक फास्ट रिएक्टर एक परमाणु रिएक्टर की एक श्रेणी है जिसमें विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया तेज न्यूट्रॉन (औसतन 1 MeV या उससे अधिक से अधिक ऊर्जा ले जाने वाले) द्वारा कायम रहती है, जैसे थर्मल-न्यूट्रॉन रिएक्टरों में उपयोग किए जाने वाले धीमे थर्मल न्यूट्रॉन के विपरीत।
ऐसे तेज़ रिएक्टर को किसी न्यूट्रॉन मॉडरेटर की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन थर्मल-न्यूट्रॉन रिएक्टर के लिए आवश्यक ईंधन की तुलना में विखंडनीय सामग्री में अपेक्षाकृत समृद्ध ईंधन की आवश्यकता होती है।
फास्ट रिएक्टर उन्नत परमाणु रिएक्टरों का एक वर्ग है जिसमें सुरक्षा, स्थिरता और अपशिष्ट में पारंपरिक रिएक्टरों की तुलना में कुछ प्रमुख फायदे हैं।
जबकि पारंपरिक रिएक्टरों में उत्सर्जित होने के बाद न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए मॉडरेटर होते हैं, तेज़ रिएक्टर अपने न्यूट्रॉन को तेज़ी से आगे बढ़ाते रहते हैं (इसलिए नाम)। तेज़ न्यूट्रॉन यूरेनियम के प्रमुख आइसोटोप (U238) में ऊर्जा को अनलॉक कर सकते हैं और इस प्रकार ज्ञात ईंधन संसाधनों को लगभग 200 गुना तक बढ़ा सकते हैं।
गुण
- तेज़ रिएक्टर थर्मल रिएक्टरों की तुलना में अपने प्राथमिक ईंधन से अधिक न्यूट्रॉन प्राप्त करते हैं, इसलिए इनका उपयोग नए ईंधन के उत्पादन के लिए किया जा सकता है, जो परमाणु ऊर्जा की स्थिरता को काफी हद तक बढ़ाता है ।
- तेज़ रिएक्टर सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाले परमाणु कचरे को नष्ट करने में सक्षम हैं, इसे सैकड़ों सहस्राब्दियों के बजाय सदियों में हानिरहित कचरे में बदल देते हैं ।
- तेज़ रिएक्टर आमतौर पर पानी के बजाय तरल धातु शीतलक का उपयोग करते हैं। इनमें बेहतर गर्मी-स्थानांतरण गुण होते हैं और गंभीर दुर्घटना परिदृश्यों में भी गर्मी को दूर करने के लिए प्राकृतिक परिसंचरण की अनुमति मिलती है। परिणाम: यदि संयंत्र में कुछ बहुत गलत हो जाता है, और कोई भी ऑपरेटर जाग नहीं रहा है, और कोई भी नियंत्रण छड़ काम नहीं कर रही है, तो रिएक्टर स्वाभाविक रूप से खुद को बंद कर सकता है । यह एक चोर के साथ आता है (नुकसान देखें)।
- तेज़ रिएक्टर ऑक्साइड के बजाय धातु ईंधन का उपयोग कर सकते हैं (तरल धातु शीतलक के साथ रासायनिक अनुकूलता के लिए धन्यवाद)। चूंकि धातु में बहुत अधिक तापीय चालकता होती है, इसलिए रिएक्टर तापमान सीमा को पार किए बिना खुद को बंद कर सकता है। इससे इन रिएक्टरों की सुरक्षा काफी बढ़ जाती है ।
दोष
- जबकि तेज़ रिएक्टर 200 गुना अधिक संसाधन कुशल होते हैं, उन्हें शुरू में शुरू करने के लिए 3x या अधिक विखंडनीय परमाणुओं की आवश्यकता होती है। यही मुख्य कारण है कि थर्मल रिएक्टरों को सबसे पहले विकसित किया गया।
- तेज़ रिएक्टरों में समय का पैमाना आम तौर पर थर्मल रिएक्टरों की तुलना में तेज़ होता है (ज्यादातर इसलिए क्योंकि तेज़ रिएक्टरों में विलंबित न्यूट्रॉन कम होते हैं )। इस प्रकार वे थर्मल रिएक्टरों की तुलना में तेजी से अप्रत्याशित परिवर्तनों से गुजर सकते हैं।
- तेज़ रिएक्टर शीतलक में बुलबुले पारंपरिक रिएक्टर की तरह, रिएक्टर को ठंडा करने के बजाय गर्म कर सकते हैं। अधिक गर्मी अधिक बुलबुले बनाती है, जो अधिक गर्मी पैदा करती है, इत्यादि। यह सकारात्मक प्रतिक्रिया डरावनी है (लेकिन नकारात्मक प्रतिक्रिया पर हावी होने के कारण इसे प्रबंधित किया जा सकता है)।
- न्यूट्रॉन को तेजी से गतिमान रखने के लिए, तेज रिएक्टरों को भारी परमाणुओं से प्राप्त विदेशी शीतलक की आवश्यकता होती है । सबसे आम शीतलक तरल सोडियम है, जो सर्वविदित है लेकिन हवा और पानी के साथ अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है। दूसरा तरल सीसा-बिस्मथ यूटेक्टिक है, जो सबसे सुखद सामग्री भी नहीं है। इन विचित्र सामग्रियों को कई प्रणालियों (जैसे पाइपिंग) में अतिरिक्त देखभाल और कम सहनशीलता की आवश्यकता होती है, जिससे संभवतः लागत बढ़ जाती है ।