परमाणु ईंधन में सुधार करने पर

परमाणु ऊर्जा उत्पादन प्रणाली में एक प्रमुख तत्व परमाणु ईंधन है। वही, महंगा उच्च तकनीक वाला उत्पाद, जिसके निर्माण के लिए सैकड़ों इंजीनियर पिछले 50 वर्षों से काम कर रहे हैं। हालांकि, गंभीर दुर्घटनाओं, उदाहरण के लिए, थ्री माइल द्वीप और फुकुशिमा-दाइची परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में, ने दिखाया कि अत्यधिक परिस्थितियों में, परमाणु ईंधन के विफल होने की संभावना है और दुर्घटना के महत्वपूर्ण परिणाम होंगे।

यह स्वीकार करते हुए कि वर्तमान ईंधन डिजाइन गंभीर दुर्घटनाओं के लिए संवेदनशील हैं, वैकल्पिक ईंधन परियोजनाओं में नए सिरे से रुचि विफलता और हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए अधिक लचीला होगी, क्योंकि इस विफलता का मुख्य कारक है। इस तरह के नए ईंधन डिजाइन को मौजूदा ईंधन और रिएक्टर प्रणालियों के साथ संगत होना चाहिए और आधुनिक परमाणु ऊर्जा की सभी नियामक आवश्यकताओं का अनुपालन करना चाहिए।

जड़ों और मामलों की वर्तमान स्थिति के लिए थोड़ा

दुनिया भर में संचालित लगभग 400 परमाणु ऊर्जा संयंत्र, ग्रह पर 1/10 से अधिक विद्युत उत्पादन प्रदान करते हैं, पूरे वर्ष के लिए कम ईंधन (वजन से) का उपभोग करते हैं, जो एक दिन में सबसे बड़ा कोयला आधारित बिजली संयंत्र नहीं है।

परमाणु ईंधन की ऊर्जा तीव्रता को समझने के लिए इस तरह के सामान्यीकृत आँकड़े।

अधिकांश परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए वर्तमान परमाणु ईंधन या ईंधन विधानसभा (एफए) एक मशीन-निर्माण उत्पाद है, जो दबाव में समृद्ध यूरेनियम छर्रों और गैस से भरा जिरकोनियम बेलनाकार गोले (ईंधन की छड़) का एक गुच्छा है। इस बंडल को एक सिंगल डिज़ाइन में "हनीकॉम्ब" टाइप स्पेसर ग्रिड के साथ एक केंद्रीय पाइप पर लगाया गया है।


परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में पश्चिमी डिजाइन ईंधन असेंबलियों का प्रवेश नियंत्रण

यह माना जाता है कि जून 1946 में अमेरिकी नौसेना के परिवहन रिएक्टर कार्यक्रम के लिए ईंधन तत्व के रूप में जिरकोनियम को पहली बार एडमिरल हाइमन रिकोवर द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इस सामग्री में वांछित गुण हैं और लंबे समय से खुद को साबित किया है।

गोलियों की सामग्री के रूप में, भारी धातु ऑक्साइड का आमतौर पर उपयोग किया जाता है। आमतौर पर यह यूरेनियम डाइऑक्साइड है, बहुत कम बार - यूरेनियम और प्लूटोनियम ऑक्साइड का मिश्रण। 235U आइसोटोप सामग्री के साथ यूरेनियम 5% से अधिक नहीं है, इसका उपयोग आधुनिक बिजली रिएक्टरों में किया जाता है, जिसमें प्राकृतिक यूरेनियम आइसोटोप रचना (~ 0.71%) या थोड़ा समृद्ध है।

पिछले दशकों में इन सामान्य विशेषताओं को बनाए रखते हुए, ईंधन असेंबलियों की "माध्यमिक" संरचनात्मक सुविधाओं में धीरे-धीरे बदलाव आया है। इससे ईंधन के उपभोक्ता गुणों में सुधार हुआ, इसकी विश्वसनीयता और सुरक्षा, ईंधन असेंबलियों के पुराने संस्करणों के साथ एक ठोस प्रतिस्पर्धात्मक लाभ प्रदान करना।

यहाँ उनमें से कुछ हैं:

1. वृद्धि स्तर में वृद्धि: 1970 के दशक में यह बमुश्किल 3% से अधिक थी, जबकि आज प्रकाश-जल रिएक्टरों के लिए अधिकतम संवर्धन 5% तक पहुंच रहा है। संवर्धन के स्तर में वृद्धि के साथ, यह रिएक्टर कोर में कुशल है - होनहार ईंधन में टैबलेट के भागों के बीच अंतर तक।
2. द्रव्यमान से यूरेनियम लोडिंग में वृद्धि। यह परिवर्तन मुख्य रूप से ईंधन तत्वों की ज्यामिति और ईंधन विधानसभा के संरचनात्मक भागों में बदलाव के कारण हुआ। उदाहरण के लिए, वीएवीआर रिएक्टरों के लिए, विधानसभा के "ईंधन" भाग की लंबाई में वृद्धि हुई - लगभग 15 सेमी। पश्चिमी-डिजाइन रिएक्टरों के लिए, एक चौकोर आकार की विधानसभा में ईंधन की छड़ की संख्या समय के साथ बदल गई: यह 15x15 थी, यह 17x17 थी।
3. जिरकोनियम मिश्र में महत्वपूर्ण परिवर्तन। शेल सामग्री के आधुनिकीकरण का एक महत्वपूर्ण उदाहरण मुख्य मिश्र धातु तत्वों में से एक के रूप में नाइओबियम का व्यापक परिचय है। अतीत में आम लोगों के विपरीत, जिसमें नाइओबियम अनुपस्थित था या थोड़ी मात्रा में (Zircaloy 4, Zircaloy 2) निहित था, लगभग 1% नाइओबियम युक्त सामग्री प्रमुख हो गई थी। यह लागू होता है, उदाहरण के लिए, वेस्टिंगहाउस ब्रांडेड मिश्र धातुओं (जिरलो, ज़िरलो, एक्सआईओएम), फ्रामटोम / अरेवा (एम 5, क्यू मिश्र) और रोसाटॉम (E110, E635 मिश्र)। इसके अलावा, ज़िरकोनियम मिश्र धातुओं की संख्या में, टिन, निकल और क्रोमियम जैसे घटक कम या समाप्त हो गए थे। ज़िरकोनियम मिश्र धातु में हेफ़नियम की सामग्री को कम करने के लिए बेहतर तकनीक।
4. ईंधन विधानसभा डिजाइनों का व्यापक सुधार। विकास के दौरान, असेंबलियों के कुछ डिज़ाइन तत्वों (ईंधन असेंबलियों के हाउसिंग और कवर) को बाहर रखा गया था। ऐसे समाधान थे जो ईंधन असेंबली की ताकत को बढ़ाते हैं, विरूपण के प्रतिरोध, समाधान जो अतिरिक्त ईंधन रॉड अखंडता (मलबे के फिल्टर की शुरूआत) प्रदान करते हैं और नए नियामक आवश्यकताओं को संतुष्ट करते हैं, उदाहरण के लिए, भूकंप प्रतिरोध। ईंधन असेंबलियों का डिजाइन ढह गया था, जिससे व्यक्तिगत ईंधन तत्वों और निरंतर संचालन के प्रतिस्थापन की अनुमति मिली।

सभी को ऊपर सूचीबद्ध नहीं किया गया है, बल्कि ईंधन के डिजाइन में सबसे बुनियादी परिवर्तन हैं जो पहले ईंधन विधानसभाओं के निर्माण के बाद से हुए हैं।

ठोकर खाने वाला

पहले पैराग्राफ से यह अनुमान लगाया जा सकता है कि वर्तमान ईंधन असेंबली पहले ही विकास के लंबे समय तक दक्षता और सुरक्षा के सीमा संकेतक तक पहुंचने में कामयाब रहे हैं, लेकिन कम से कम दो कारक अब डिजाइनरों को परमाणु ईंधन में सुधार जारी रखने के लिए बाध्य करते हैं।

इस जटिल प्रणाली में सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता या कूलिंग के नुकसान की शुरुआत की संभावना के साथ मिलकर, एक प्रकाश-पानी रिएक्टर के सक्रिय क्षेत्र ~ 150 डब्ल्यू / सेमी 3 के विशाल विशिष्ट बिजली रिलीज को देखते हुए, शुरुआत से ही इंजीनियरों ने डिजाइनिंग सिस्टम के महत्व को समझा।

दुर्घटनाओं के लिए शमन की रणनीति विकसित करने के लिए, सुरक्षा प्रणालियों को डिजाइन करने के आधार के रूप में दो प्रकार की घटनाओं को लिया गया था: सकारात्मक प्रतिक्रियाशीलता सम्मिलन दुर्घटना (आरआईए ) पर आधारित घटनाएं और शीतलक दुर्घटना ( हानि-शीतलक दुर्घटना) के नुकसान पर आधारित घटनाएं (एलओसीए) )। बुनियादी सुरक्षा प्रणालियों को विशेष रूप से इन डिजाइन घटनाओं का जवाब देने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

लेकिन तीन मील द्वीप और फुकुशिमा-दाइची परमाणु ऊर्जा संयंत्रों जैसे दुर्घटनाओं के अनुभव ने साबित कर दिया कि कई विफलताओं और अतिव्यापी शुरुआत की घटनाओं के साथ, सक्रिय सुरक्षा प्रणालियां उन्हें सौंपे गए कार्यों का सामना करने में सक्षम नहीं हैं, विशेष रूप से कोर में स्थित ईंधन विधानसभाओं से अवशिष्ट गर्मी को हटाने में। ।

अपने सरल रूप में गर्मी हस्तांतरण समीकरण अच्छी तरह से बताता है कि गर्मी के नुकसान के साथ दुर्घटना के विकास के दौरान परमाणु रिएक्टर में क्या हो रहा है:



समीकरण के बाईं ओर समय ( टी ) के तापमान ( टी ) में परिवर्तन का वर्णन करता है; यह परिवर्तन कोर ( pSr ) में सामग्रियों की गर्मी क्षमता से भी निर्धारित होता है। सामान्य मामले में दाहिने हाथ की ओर पहला शब्द एक सरलीकृत रूप में, कोर से गर्मी को हटाने के लिए गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं (चालन, संवहन और विकिरण) का प्रतिनिधित्व करता है। दूसरा शब्द कोर ( क्यू ) में उत्पन्न गर्मी की मात्रा है।

उपरोक्त घटनाओं के दौरान, सक्रिय क्षेत्र के शीतलन मोड का उल्लंघन किया जाता है, दाएं हाथ का पहला शब्द संख्यात्मक रूप से छोटा हो जाता है और गर्मी Q धीरे-धीरे तापमान में वृद्धि का कारण बनता है। जिस क्षण से रिएक्टर कोर आंशिक रूप से या पूरी तरह से उजागर हो जाता है (पानी का स्तर गिरता है, पानी भाप द्वारा बदल दिया जाता है), कोर से गर्मी हटाने की क्षमता तेजी से घट जाती है, ईंधन छड़ का तापमान बढ़ता रहता है, जो ईंधन छड़ के रासायनिक और भौतिक गिरावट की शुरुआत के रूप में कार्य करता है। फ्यूल रॉड क्लैडिंग का भौतिक क्षरण तापमान (700-1000 ° C) से शुरू होता है और गोले के फूटने और फटने का कारण बनता है।

रासायनिक क्षरण मुख्य रूप से जिरकोनियम के भाप ऑक्सीकरण के माध्यम से व्यक्त किया जाता है। प्रमुख कारक इस प्रतिक्रिया का परिचायक है। और हां, इस प्रतिक्रिया का उत्पाद विस्फोटक हाइड्रोजन है। उदाहरण के लिए, दबाव के तहत एक रिएक्टर के प्रत्येक ईंधन विधानसभा में ~ 125 किलो जिरकोनियम भाप के साथ प्रतिक्रिया में लगभग 820 एमजे गर्मी और 2700 लीटर से अधिक हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करता है।

प्रकाश-जल रिएक्टर के डिजाइन के आधार पर, कोर में लगभग 25-40 टन ज़िरकोनियम मौजूद होता है, जिसके पूर्ण ऑक्सीकरण के साथ ही ईंधन की अवशिष्ट (सबसे अच्छा) ऊर्जा रिलीज के अलावा, बड़ी मात्रा में गर्मी उत्पन्न होगी।


रिएक्टर के शटडाउन समय के आधार पर सिस्टम की थर्मल पावर का मूल्य, जिरकोनियम ऑक्सीकरण की एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया को ध्यान में रखते हुए

उत्पन्न हाइड्रोजन, बदले में, शांति से जमा नहीं होगा, और इसके निपटान के लिए सिस्टम के उचित संचालन के बिना, यह बड़े पैमाने पर विस्फोट या आग का कारण बनेगा, जबकि कोर पोत को पिघला सकता है और रिएक्टर डिब्बे के कंक्रीट को उठा सकता है।

दुर्घटना प्रतिरोधी ईंधन अवधारणा

ऊपर वर्णित सर्वनाश परिदृश्य मूल रूप से 2011 में फुकुशिमा परमाणु ऊर्जा संयंत्र की घटनाओं को दोहराता है। इस घटना के कारण कई परमाणु सुरक्षा मानकों का पुनरीक्षण हुआ, विशेष रूप से गंभीर डिजाइन से संबंधित और डिजाइन आधार दुर्घटनाओं से परे (रिएक्टर स्थापना का पूरा ब्लैकआउट और कूलेंट के नुकसान के साथ)। विशेष रूप से, इस दुर्घटना के लिए, अन्य ऊर्जा स्रोतों के साथ परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की प्रतिस्पर्धा दुनिया के कई क्षेत्रों में तेज हो गई है, जो परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की अर्थशास्त्र और उनकी सुरक्षा (परियोजनाओं के आर्थिक प्रदर्शन के बराबर या कभी-कभी खोने के साथ, गैर-परमाणु ऊर्जा स्रोतों को पसंद कर सकते हैं) के लिए आवश्यकताओं को काफी बढ़ा देता है।

यह कारक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों, विशेष रूप से परमाणु ईंधन में बिजली उत्पादन के सभी तत्वों की आवश्यकताओं को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है। मौजूदा दशक में, एक मौलिक रूप से नया ईंधन बनाने के लिए काम किया गया है जो सामान्य संचालन के दौरान आर्थिक प्रदर्शन और सुरक्षा को बनाए रखते हुए या गंभीर दुर्घटनाओं का सामना कर सकता है। इस तरह के कई घटनाक्रमों को सामूहिक रूप से एक्सीडेंट टॉलरेंट फ्यूल (एटीएफ) कहा गया है - एक ईंधन जिसमें वृद्धि दुर्घटना प्रतिरोध है।

ईंधन असेंबलियों के डिजाइन में परिवर्तन का दर्शन परमाणु ईंधन के मुख्य घटकों की सामग्री के प्रतिस्थापन पर आधारित है, मुख्य रूप से ईंधन तत्वों और ईंधन छर्रों के गोले, सामग्री के साथ जो दुर्घटना के समय होने वाली प्रक्रियाओं के लिए अधिक प्रतिरोधी होगा।

TVEL खोल

एटीएफ ईंधन के लिए ईंधन रॉड के ईंधन तत्वों के लिए ईंधन तत्वों को चुनने में मुख्य दृष्टिकोण भाप-जिरकोनियम प्रतिक्रिया की डिग्री को खत्म करने या कम करने की आवश्यकता है और, परिणामस्वरूप, अतिरिक्त गर्मी और हाइड्रोजन की रिहाई। एक त्वरित और स्पष्ट समाधान जिरकोनियम शेल की सतह पर एक सुरक्षात्मक कोटिंग लागू करना है। जिरकोनियम शेल पर पतली कोटिंग का ईंधन के थर्मल और न्यूट्रॉन भौतिक विशेषताओं पर न्यूनतम प्रभाव होना चाहिए। वैज्ञानिकों ने पाया है कि क्रोमियम, एल्यूमीनियम, सिलिकॉन उच्च तापमान पर वाष्प ऑक्सीकरण के लिए अच्छा प्रतिरोध है। ये अशुद्धियाँ उच्च तापमान वाले वाष्प माध्यम में स्थिरता प्रदर्शित करती हैं, इस तथ्य के बावजूद कि वे भाप से कुछ हद तक प्रतिक्रिया कर सकती हैं।


तापमान के आधार पर जोड़े में विभिन्न सामग्रियों के लिए परवलयिक ऑक्सीकरण दर

जैसा कि ग्राफ से देखा जा सकता है, इन सामग्रियों की ऑक्सीकरण दर, जो फार्म और उनके ऑक्साइड फिल्मों के अनुसार संरक्षित है, जिरकोनियम के ऑक्सीकरण दर की तुलना में कम परिमाण के दो आदेश हैं। भाप ऑक्सीकरण की दर में कमी सीधे रिएक्टर कोर में गंभीर LOCA के दौरान गर्मी और हाइड्रोजन विकास की दर को प्रभावित करती है।

धातु के क्रोम के साथ TVEL गोले की कोटिंग को अब आगे के विकास के लिए सबसे आशाजनक तकनीक माना जाता है। ज़िरकोनियम के उपयोग के बिना टीवीईएल क्लैडिंग को भी आशाजनक माना जाता है, उदाहरण के लिए, FeCrAl और SiC / SiC सामग्री।


1300 .C से ऊपर के तापमान पर EnCore ईंधन (वेस्टिंगहाउस) के सिलिकॉन खोल का परीक्षण

ईंधन कोशिकाओं

एटीएफ ईंधन के विकास में दूसरी सबसे महत्वपूर्ण दिशा ईंधन मैट्रिक्स की सामग्री का चयन और औचित्य है, जिसमें शास्त्रीय सिरेमिक की तुलना में बेहतर तापीय चालकता होगी। इसके परिणामस्वरूप, कई उभरती हुई समस्याओं को हल करने की आवश्यकता होती है: शेल और ईंधन की रासायनिक प्रतिक्रियाओं को रोकना, ईंधन द्वारा शेल को सूजन और क्षति, विखंडन उत्पादों का स्थानीयकरण, आदि।

दक्षिण कोरियाई परमाणु ऊर्जा संस्थान (KAERI) पारंपरिक यूरेनियम डाइऑक्साइड गोलियों की तुलना में विखंडन उत्पादों की प्रतिधारण क्षमता और बेहतर तापीय चालकता बढ़ाने के लिए माइक्रोलेमेंट टैबलेट (microcell) के निर्माण पर काम कर रहा है।


माइक्रोलेमेंट फ्यूल पिल कॉन्सेप्ट

आकृति एक वैचारिक चित्रण दिखाती है जहाँ यह देखा जा सकता है कि UO2 के दाने या दाने एक पतली दीवार से घिरे हैं। ऐसी गोलियाँ बनाने का मुख्य कार्य गोलियों से विखंडन उत्पादों के उत्पादन को कम करना है। विखंडन उत्पादों को बनाए रखने की बेहतर क्षमता आयोडीन और सीज़ियम की वजह से एक ईंधन रॉड के अंदर तनाव को कम करने वाली दरार को कम करती है।

यह उम्मीद की जाती है कि यह ईंधन की छड़ की ताकत को सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है। इसके अलावा, एक दुर्घटना के दौरान माइक्रोबेलमेंट संरचना टैबलेट के बड़े पैमाने पर विखंडन को रोक देगा, जिससे रेडियोधर्मी विखंडन उत्पादों की अतिरिक्त अवधारण हो सकती है।

ऐसी गोलियों की तापीय चालकता को तापीय चालकता के एक उच्च गुणांक के साथ सामग्री जोड़कर सुधार किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक तत्व की दीवार के रूप में धातुओं का उपयोग करना।


धातु के साथ विशिष्ट ट्रेस तत्व संरचना

यह परिवर्तन ईंधन तत्वों के संचालन की सामान्य और आपातकालीन स्थितियों के तहत टैबलेट के केंद्र में तापमान को कम करेगा।

उपरोक्त नवाचारों को व्यवहार में कैसे लागू किया जाता है, यह समझने के लिए, मैं निम्नलिखित उदाहरण दूंगा। वेस्टिंगहाउस एनकोर ब्रांड नाम के तहत एक सहिष्णु ईंधन बनाता है, जो कि एक U3Si2 यूरेनियम सिलिसाइड टैबलेट है, जो शुरू में इस कार्यक्रम के पहले चरण में संलग्न (इस कार्यक्रम के पहले चरण में) ज़िरलो क्रोमेड ज़िरकोनॉन मिश्र धातु से बना था।

यह उम्मीद की जाती है कि यूरेनियम सिलिसाइड ईंधन थर्मल चालकता में 5 गुना से अधिक और घनत्व में ~ 1/5 से पारंपरिक डाइऑक्साइड को पार कर जाएगा, और सिलिकॉन कार्बाइड शेल द्वारा न्यूट्रॉन अवशोषण zirconium मिश्र धातुओं की तुलना में ~ 1/4 कम होना चाहिए।

अंतिम दो मापदंडों के कारण, कंपनी का इरादा 5% के भीतर एनकोर संवर्धन रखने का है, जो बाजार में इसके प्रचार की सुविधा प्रदान करेगा। 2018 में, वेस्टिंगहाउस ने 2019 में क्रोम-प्लेटेड जिरकोनियम शेल में ईंधन छड़ के पायलट उत्पादन को शुरू करने की योजना बनाई है - यूएसए में बायरन एनपीपी में मानक ईंधन असेंबलियों के हिस्से के रूप में उनका परीक्षण शुरू करने के लिए।

परिणाम

ऊपर वर्णित परिवर्तन अब लागू की जा रही वास्तविक परियोजनाओं का हिस्सा हैं। शायद भविष्य में हम अधिक विदेशी समाधानों की शुरूआत का गवाह बनेंगे ।

अब तक, यह केवल ध्यान देने योग्य है कि आर्थिक रूप से व्यवहार्य और नए बाजार पर उपस्थिति, सुरक्षा के दृष्टिकोण से, परमाणु ईंधन परियोजनाएं दुनिया में परमाणु ऊर्जा की स्थिति को मजबूत करने में मदद करेंगी।

लेखक: यत्सेंको मिखाइल

सूत्रों का कहना है:

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2. IAEA-TECDOC-1797 "दुर्घटना सहिष्णु ईंधन अवधारणा
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3. पत्रिका की सामग्री "परमाणु विशेषज्ञ" नंबर 3, मई 2018।