फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टरों का लंबा इतिहास और एक बंद ईंधन चक्र का वादा

1930 के दशक में परमाणु विखंडन की खोज ने 1940 के दशक में परमाणु हथियारों के माध्यम से परमाणु विनाश का पहला खतरा पैदा किया, इसके बाद 1950 के दशक में परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के आगमन के लिए स्वच्छ और भरपूर ऊर्जा का वादा किया। उन्हें अन्य थर्मल पावर प्लांटों को एक के साथ बदलना पड़ा जो निकास गैसों का उत्पादन नहीं करता है, राख का उत्सर्जन नहीं करता है, और केवल यूरेनियम और अन्य परमाणु ईंधन के साथ समय-समय पर ईंधन भरने की आवश्यकता होती है, जो लगभग हर जगह पाया जा सकता है।


उपकरण जो पहली बार 1938 में प्रयोगात्मक परमाणु विखंडन की संभावना को साबित करते थे

1950 और 1960 के दशक में नई परमाणु रिएक्टरों की बढ़ती गति के साथ, जिसने यूरेनियम ईंधन की संभावित कमी के बारे में चिंताएं पैदा कीं, जिसके कारण तथाकथित क्षेत्र में अध्ययनों की संख्या में वृद्धि हुई। "फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर", जो ब्रीडर रिएक्टर के अपने संशोधन में यूरेनियम ईंधन का अधिक कुशलता से उपयोग कर सकते हैं। वे न्यूट्रॉन का उपयोग ("गुणा") यूरेनियम -238 को प्लूटोनियम -239 में बदलने के लिए करते हैं, जिसे फिर यूरेनियम ईंधन के साथ मिश्रित किया जा सकता है और धीमी न्यूट्रॉन रिएक्टरों के लिए एमओएक्स ईंधन बना सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एक ही चक्र में 1% का उपयोग करना संभव नहीं है, लेकिन 60% तक यूरेनियम ऊर्जा।

1970 के दशक में यूरेनियम खोज में उछाल ने इस क्षेत्र में शोध को रोक दिया, हालांकि, उदाहरण के लिए, फ्रांस ने लगातार अपने राप्सोडी, फेनिक्स और सुपरपेनिक्स परियोजनाओं पर काम किया है, और कई वर्षों की कोशिश के बाद हाल ही में 4 वीं पीढ़ी के एटीएसआईडी प्रौद्योगिकी प्रदर्शन को छोड़ दिया। इसे अंत तक लाएं।

हालांकि, यह तेजी से रिएक्टरों का अंत नहीं है। इस लेख में, हम इंजीनियरिंग चमत्कार, और विभिन्न प्रकार के तेजी से रिएक्टरों को देखेंगे जो कि रूस, चीन और भारत जैसे देशों का उपयोग या विकास करते हैं।

फास्ट रिएक्टरों में "तेज" क्या है

परमाणु विखंडन की प्रक्रिया में फास्ट रिएक्टर न्यूट्रॉन की गति से बने होते हैं। यदि प्रकाश-जल रिएक्टरों में न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए साधारण पानी का उपयोग किया जाता है, तो फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों (ब्रिक्स) में ऐसा नहीं है। यूरेनियम -235 और अन्य समस्थानिकों द्वारा उत्सर्जित न्यूट्रॉन श्रृंखलाबद्ध प्रतिक्रिया के दौरान महत्वपूर्ण गति से चलते हैं। दिलचस्प रूप से, न्यूट्रॉन की गति इस संभावना को निर्धारित करती है कि यह एक विशिष्ट नाभिक के साथ बातचीत करता है।


थर्मल न्यूट्रॉन रिएक्टरों में ट्रांस्यूरेनिक एक्टिनाइड्स का उत्पादन

न्यूक्लाइड्स को वर्गीकृत करने के लिए, न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन जैसी संपत्ति का उपयोग किया जाता है । जब एक नाभिक एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, और या तो इसे बचाता है या क्षय होता है, तो वे कहते हैं कि यह न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन में गिर गया। फिशाइल न्यूक्लाइड में विखंडन न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन होता है। अन्य न्यूक्लाइड बस न्यूट्रॉन को बिखेरते हैं - उनके पास एक बिखरा हुआ न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन होता है। बड़े अवशोषित न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन वाले न्यूक्लियड्स को "न्यूट्रॉन ज़हर" कहा जाता है, क्योंकि वे केवल न्यूट्रॉन को बिना क्षय के अवशोषित करते हैं, और वास्तव में, न्यूट्रॉन की परमाणु प्रतिक्रिया से वंचित करते हैं।

यूरेनियम -238 प्रकार का एक न्यूक्लाइड न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन की इन श्रेणियों में से प्रत्येक के गैर-शून्य प्रतिशत अनुपात में दिलचस्प है, जो आंशिक रूप से बताता है कि यह प्रकाश-जल रिएक्टरों के लिए ईंधन के रूप में इतना खराब क्यों है। यह यूरेनियम -235 के मामले में पूरी तरह से अलग है - इसमें एक बड़ा विखंडन न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन है, लेकिन केवल न्यूट्रॉन में परमाणु प्रतिक्रिया के दौरान जारी न्यूट्रॉन के पास मौजूद गति की तुलना में बहुत कम है। इसका मतलब है कि क्षय प्रक्रिया को बनाए रखने के लिए प्रकाश-जल रिएक्टरों में न्यूट्रॉन को धीमा ("तापमान" गति) होना चाहिए।

और इधर, ईंधन की छड़ों के बीच, पानी है, और न्यूट्रॉन एक न्यूट्रॉन स्रोत की मदद से क्षय प्रक्रिया शुरू करने के बाद यहां और वहां हर जगह उड़ते हैं। ये तेज न्यूट्रॉन आसानी से एक पानी के अणु में हाइड्रोजन परमाणुओं से टकराते हैं, गतिज ऊर्जा खो देते हैं और धीमा हो जाते हैं। नतीजतन, वे दूसरे (या उसी) ईंधन की छड़ में उड़ते हैं और सफलतापूर्वक एक और यूरेनियम -235 न्यूक्लाइड विभाजित करते हैं।

इसके अलावा, पानी की यह निरोधात्मक संपत्ति एक सुरक्षा उपाय के रूप में काम करती है। जैसे ही कोर में तापमान बढ़ता है, पानी उबलता है और एक गैस में बदल जाता है, क्योंकि यूनिट की मात्रा में पानी के अणु कम होंगे, न्यूट्रॉन की मंदी बंद हो जाएगी, और परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया की गति कम हो जाएगी। कुख्यात RBMK मॉडल और कनाडाई भारी पानी रिएक्टर CANDU के अपवाद के साथ, यह नकारात्मक भाप अभिकर्मक गुणांक आधुनिक रिएक्टरों में सर्वव्यापी है।

हम मनोरंजन और कमाई के लिए प्लूटोनियम उगाते हैं

व्यावहारिक रूप से शुद्ध प्लूटोनियम की अंगूठी

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, यूरेनियम -238 में न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन की अजीब विशेषताएं हैं। यह दोनों न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है और स्कैटर करता है, और कभी-कभी नाभिक का विखंडन पैदा करता है, और पहली क्रिया अक्सर अधिक होती है। एक न्यूट्रॉन को पकड़ने के बाद, यूरेनियम -238 न्यूक्लाइड को (ट्रांसमिट) प्लूटोनियम -239 में परिवर्तित किया जाता है (और कुछ प्लूटोनियम -239 न्यूक्लाइड को प्लूटोनियम -240 में बदल दिया जाता है)। यह प्रक्रिया एक हल्के पानी के रिएक्टर में भी होती है, लेकिन यह जानबूझकर चल रहा है - बीआरआर में इस तरह से प्लूटोनियम बनाया जाता है।

बीआरआर में कोई न्यूट्रॉन मध्यस्थ नहीं है, क्योंकि इसे तेजी से न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है जो यूरेनियम -238 के रूप में प्लूटोनियम -239 में अधिक से अधिक परिवर्तित करते हैं। बीडीएस में, यूरेनियम -235 का समृद्ध कोर मुख्य रूप से यूरेनियम -238 से मिलकर आवरण से ढंका होता है, जो धीरे-धीरे प्लूटोनियम -239 और प्लूटोनियम -240 में बदल जाता है, जो तब एमओएक्स ईंधन के रूप में उपयोग किए जाते हैं। यह पता चला है कि बीआरआर ऑपरेशन योजना अपेक्षाकृत सरल है, और एक शीतलन सर्किट या एक पूल का उपयोग करता है। कूलर के रूप में, तरल धातु या सोडियम आधारित सर्द का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, क्योंकि वे न्यूट्रॉन को कमजोर करते हैं, लेकिन पूरी तरह से गर्मी को स्थानांतरित करते हैं।

फ्रेंच बीआरआर का उपयोग पारंपरिक थर्मल पावर प्लांट के तरीके से बिजली उत्पन्न करने और प्लूटोनियम के उत्पादन के लिए किया गया था, जो कि एमओएक्स ईंधन बनाने के लिए आवश्यक है, जिसका उपयोग प्रकाश-जल रिएक्टरों में किया जा सकता है। इस प्रक्रिया को आयोजित करने का मुख्य कारण ऊर्जा स्वतंत्रता की इच्छा थी, क्योंकि फ्रांस में यूरेनियम के महत्वपूर्ण भंडार नहीं हैं। और इस तरह की प्रक्रिया से आयातित यूरेनियम से 60 गुना अधिक ऊर्जा प्राप्त करना संभव होगा, जिसका मतलब था कि प्रत्येक किलोग्राम 60 गुना अधिक समय तक रहेगा।


प्रायोगिक ब्रीडर रिएक्टर II (EBR II)

तेजी से न्यूट्रॉन रिएक्टर बनाने के अन्य प्रयासों में संयुक्त राज्य अमेरिका और जापानी मोनू में तेजी से एकीकृत रिएक्टर ( ज़ोइ सोडियम-कूल्ड फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर के बाद) शामिल हैं। यूरेनियम ईंधन के प्रजनन का एक सुखद दुष्प्रभाव खुले ईंधन चक्र के अंत में खर्च किए गए ईंधन की मात्रा को बचाने के लिए है, क्योंकि यूरेनियम -238 मूल रूप से मौजूद है जो एक लाइट-वाटर रिएक्टर में प्लूटोनियम -239 को जलाया जाता है। खर्च किए गए ईंधन को फिर से तेजी से न्यूट्रॉन रिएक्टर के माध्यम से पारित किया जा सकता है, जहां आइसोटोप के "कचरे" का उपयोग प्रकाश-पानी रिएक्टर द्वारा नहीं किया जा सकता है, और प्रकाश-पानी रिएक्टर के लिए अतिरिक्त ईंधन बनाया जाएगा।

दुर्भाग्य से, आरबीडी प्रकाश-पानी वाले लोगों की तुलना में अधिक महंगे हैं, और सोडियम कूलिंग (मुख्य रूप से पानी के साथ संपर्क को रोकने की आवश्यकता) के साथ समस्याओं ने इस तथ्य को जन्म दिया है कि 1970 के दशक में यूरेनियम की कीमतों में गिरावट के बाद से यूरेनियम अयस्क से अधिक बिजली ईंधन बनाने के लिए यह आमतौर पर अधिक किफायती है, और लाइट-वाटर रिएक्टर में एक खुले ईंधन चक्र के बाद उपयोग किए गए ईंधन को स्टोर या निपटान करें।

इस तथ्य के बावजूद कि प्रकाश-जल रिएक्टर भी ईंधन को थोड़ा बढ़ाता है, यूरेनियम -238 को प्लूटोनियम में परिवर्तित करता है, इसके खर्च किए गए ईंधन में अभी भी प्रारंभिक यूरेनियम का लगभग 96% , "अपशिष्ट" समस्थानिकों का लगभग 3% और प्लूटोनियम समस्थानिकों का लगभग 1% शामिल है।

जला, बच्चा, जला

यद्यपि अधिकांश फास्ट-न्यूट्रॉन रिएक्टरों का उपयोग प्रकाश-जल रिएक्टरों के लिए ईंधन को गुणा करने के लिए किया जाता है, एक अन्य प्रकार सभी ईंधन के स्थानीय उपयोग के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह के रिएक्टर को फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर (RBN) कहा जाता है, और इसके नाभिक का विन्यास BRR के विन्यास से अलग है, लेकिन इसमें कोई बुनियादी अंतर नहीं है। सैद्धांतिक रूप से, किसी भी आरबीएन का उपयोग ईंधन को पुन: उत्पन्न करने और जलाने के लिए किया जा सकता है।


सोडियम-कूल्ड फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर के योजनाबद्ध आरेख

आरबीडी से आरबीएन तक योजना को बदलने के लिए, आपको यूरेनियम -238 कोटिंग को हटाने और स्टेनलेस स्टील (या कुछ इसी तरह) से बने न्यूट्रॉन रिफ्लेक्टर स्थापित करने की आवश्यकता है। परिणामी रिएक्टर में, जारी न्यूट्रॉन नाभिक के अंदर रहते हैं, और न्यूक्लाइड्स के साथ बातचीत कर सकते हैं, विखंडन प्रक्रिया जारी रख सकते हैं।

नतीजतन, RBNs टूट सकते हैं और ईंधन में न्यूक्लाइड को तब तक परिवर्तित कर सकते हैं जब तक कि उसमें एक्टिनाइड्स (यूरेनियम और प्लूटोनियम सहित) की कोई महत्वपूर्ण मात्रा शेष न हो। इस प्रक्रिया को पाइरोमेटेलर्जिकल ईंधन पुनर्जनन के साथ जोड़ा जा सकता है, जो आरबीएफ में इसके उपयोग के लिए एक हल्के-जल रिएक्टर में खर्च किए गए ईंधन को पुन: आपूर्ति करने की अनुमति देता है, जो परमाणु ईंधन चक्र को अनिवार्य रूप से बंद कर देता है।

फ्रांसीसी प्रतिरोध

पश्चिम में आरबीएन के विकास को रोकने में न केवल अर्थव्यवस्था ने भूमिका निभाई। RBN ने आतंकवादियों और राजनेताओं दोनों का ध्यान आकर्षित किया। पूर्व के काम का एक उदाहरण सुपरफिनिक्स परमाणु ऊर्जा संयंत्र पर रॉकेट हमला है, जो पर्यावरणीय आतंकवादी चैम निसिम द्वारा 18 जनवरी 1982 को किया गया था। उन्होंने आरपीजी -7 सोवियत हैंड-हेल्ड एंटी-टैंक ग्रेनेड लांचर से परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में गोलीबारी की, यह विश्वास करते हुए कि आरबीएन "अपने सभी तेज न्यूट्रॉन के साथ विस्फोट कर सकता है।" परमाणु ऊर्जा संयंत्र फ्रांस, इटली और जर्मनी की एक संयुक्त परियोजना थी, और यह मूल रूप से इस परियोजना के परमाणु ऊर्जा संयंत्रों को फ्रांस और जर्मनी दोनों में बनाने की योजना थी।


सुपरफोनिक्स रिएक्टर बिल्डिंग

शुरुआत से ही, सुपरफ़ेनिक्स को एंटीइंन्यूक्लियर समूहों से मजबूत राजनीतिक प्रतिरोध का सामना करना पड़ा, और रिएक्टर का प्रोटोटाइप 1998 में बंद हो गया, जब फ्रांसीसी सरकार का नेतृत्व हरे मंत्रियों द्वारा किया गया था। बंद होने का एकमात्र घोषित कारण यह था कि परियोजना इसकी "अत्यधिक लागत" के कारण अस्थिर हो गई थी, क्योंकि 1976 से इस पर 9.1 बिलियन यूरो खर्च किए गए हैं, यानी प्रति वर्ष लगभग 430 मिलियन यूरो। और यह इस तथ्य के बावजूद है कि 1996 में सोडियम लूप के साथ समस्याओं का समाधान किया गया था, और रिएक्टर ने वास्तव में अपने अधिकांश अस्तित्व के लिए बिजली की आपूर्ति करके पैसा बनाया था।

वर्तमान घटनाक्रम

यूएसएसआर, चीन और भारत में जो कुछ हो रहा था उससे अमरीका, फ्रांस और अन्य पश्चिमी देशों की स्थिति बहुत अलग है। 1973 के बाद से, कैस्पियन सागर (अब यह कजाकिस्तान का क्षेत्र है) के तट पर स्थित BN-350 , 135 मेगावाट बिजली और अलवणीकृत पानी के साथ पास के शहर अक्ताओ को प्रदान करता है। यह केवल 1994 में बंद कर दिया गया था, क्योंकि प्रबंधन कंपनी ईंधन की खरीद के लिए धन से बाहर भाग गई थी। 1999 में, ऑपरेशन के 26 साल बाद, इसे पूरी तरह से बंद कर दिया गया था।

बीएन -600 श्रृंखला को बीएन -600 रिएक्टर द्वारा जारी रखा गया था, जो रूस में ज़ेरेन्ची शहर के पास सेवरडलोव्स्क क्षेत्र में बेलोयार्स्क एनपीपी में बनाया गया था। यह सोडियम-कूल्ड पूल का उपयोग करता है और 1980 से काम कर रहा है, जो स्थानीय ग्रिड को 600 मेगावाट की आपूर्ति करता है। कई छोटी परेशानियों के बावजूद, मुख्य रूप से सोडियम रिसाव से संबंधित, उनका कार्य इतिहास परेशानी से मुक्त था, इस तथ्य के बावजूद कि वे इस श्रृंखला में दूसरे प्रोटोटाइप थे [इस क्षण से फीनिक्स रिएक्टर को 2009 में मध्य 2014 तक बंद कर दिया गया था (लॉन्च बीएन -800) बीएन -600 दुनिया में केवल सक्रिय फास्ट न्यूट्रॉन ऊर्जा रिएक्टर / लगभग था। ट्रांस।]।


बेलोयार्स्क में बीएन -800

बीएन -800 रिएक्टर, बेलोयार्स्क में एक ही स्थान पर बनाया गया है, बीएन श्रृंखला का अंतिम प्रोटोटाइप है और वीईआर -200 लाइट-वाटर रिएक्टर की तुलना में 85% सेवा बचत प्रदान करता है। डिज़ाइन किया गया बीएन -200 पहला बड़े पैमाने पर उत्पादन आरबीएन होगा। चीनी प्रयोगात्मक रिएक्टर CEFR FNR और CFR-600 रूसी बीएन रिएक्टर तकनीक पर आधारित हैं। रूस BRN पर लीड कूलिंग BREST के साथ भी काम कर रहा है।

भारत ने थोरियम -232 की बहुतायत की खोज की, जिससे यूरेनियम रिएक्टरों के समानांतर थोरियम-आधारित विकसित करने के लिए एक महत्वाकांक्षी कार्यक्रम का निर्माण हुआ। थोरियम कार्यक्रम में तीन चरण होते हैं। पहले वे प्रकाश-जल रिएक्टरों का उपयोग करके यूरेनियम से प्लूटोनियम का उत्पादन करते हैं। आरबीएन तब थोरियम -232 से यूरेनियम -233 बनाता है, जो प्लूटोनियम को जलाता है। अंत में, उन्नत भारी जल रिएक्टरों को परिणामस्वरूप थोरियम को ईंधन के रूप में और यूरेनियम -233 और प्लूटोनियम को सहायक ईंधन के रूप में उपयोग करना होगा।

अन्य IV पीढ़ी के RBN को भी विकसित किया जा रहा है - उदाहरण के लिए, हीलियम के साथ एक गैस-ठंडा फास्ट रिएक्टर (HBR)।

ईंधन चक्र को बंद करना

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, आरबीएन आज के सभी खर्च किए गए ईंधन का उपयोग करने में सक्षम हैं (जिसे अक्सर "परमाणु अपशिष्ट" कहा जाता है)। पाइरोमैटर्जिकल ईंधन पुनर्जनन के साथ मिलकर, यह परमाणु विखंडन रिएक्टरों को सभी यूरेनियम ईंधन, माध्यमिक एक्टिनाइड्स, और इसी तरह का उपयोग करके लगभग शून्य अपशिष्ट के साथ काम करने की अनुमति देगा। यह प्रक्रिया रूसी परमाणु कार्यक्रम का मुख्य लक्ष्य है, और चीन, जापान और दक्षिण कोरिया के परमाणु कार्यक्रमों को भी ध्यान में रखा गया है।

संयुक्त राज्य अमेरिका में परियोजनाओं के साथ समानांतर में (मुख्य रूप से आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में और पिरोमेटेलर्जिकल ईंधन पुनर्जनन के साथ एकीकृत फास्ट रिएक्टर के लिए इसकी परियोजना), दक्षिण कोरिया में कोरियाई परमाणु ऊर्जा अनुसंधान संस्थान ईंधन चक्र को बंद करने के लिए सक्रिय रूप से काम कर रहा है। लक्ष्य खर्च किए गए ईंधन को हर उस चीज से अलग करना है जो अभी भी ईंधन के रूप में उपयुक्त है - यानी, जो कि रेडियोधर्मी बनी हुई है। दुर्भाग्य से, राजनीतिक कारणों से, रूस व्यावहारिक रूप से चीन के अपवाद के साथ अन्य देशों के साथ इन परियोजनाओं पर काम नहीं करता है, और दक्षिण कोरिया जापान और चीन के अलावा किसी और के साथ सहयोग नहीं करता है।

लेकिन, इसके बावजूद, IV पीढ़ी के आरबीएन बनाने और इसे नए परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए पसंदीदा रिएक्टर बनाने के प्रयास जारी हैं - यह न केवल पुनर्संबंधित परमाणु ईंधन का पूर्ण उपयोग करने और ईंधन चक्र को बंद करने की अनुमति देगा, बल्कि ऊर्जा की मात्रा भी बढ़ाएगा जिसे हम यूरेनियम (और) से निकाल सकते हैं (और संभवतः थोरियम) कई बार। यह हम दोनों को उन शर्तों के सबसे निराशावादी अनुमानों को बढ़ाने की अनुमति देगा जो हम मौजूदा यूरेनियम पर सैकड़ों साल से एक आरामदायक कुछ हजार तक पकड़ सकते हैं, और यूरेनियम ईंधन के रूप में कचरे को पीछे नहीं छोड़ सकते हैं।