परमाणु ऊर्जा 101 — विखंडन ऊष्मा से लेकर भाप, सुरक्षा प्रणालियाँ और ग्रिड संचालन तक

किसी परमाणु ऊर्जा संयंत्र के जनरेटर को देखें तो आपको वही स्टीम टरबाइन दिखाई देगी जो थर्मल ऊर्जा संयंत्र में होती है। अंतर सिर्फ इतना है कि बॉयलर की जगह रिएक्टर होता है, और दहन की जगह विखंडन से उत्पन्न ऊष्मा को लंबे समय तक नियंत्रित किया जाता है। परमाणु ऊर्जा को समझने के लिए सिर्फ परमाणु भौतिकी ही नहीं, बल्कि ऊष्मागतिकी, पदार्थ, शीतलन, विकिरण सुरक्षा और ग्रिड संचालन को भी समग्र रूप से समझना आवश्यक है।

काशिवाज़ाकी-कारीवा

ताकाहामा

Images: Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Plant (Triglav, CC BY-SA 3.0) / Takahama Power Station (IAEA Imagebank, CC BY-SA 2.0), Wikimedia Commons. Exterior examples; reactor type and operating status cannot be inferred from the photographs alone.

संक्षिप्त विवरण

• यूरेनियम और इसी तरह के पदार्थों के विखंडन से निकलने वाली ऊष्मा एक शीतलक में स्थानांतरित होती है, जो स्टीम टरबाइन और जनरेटर के माध्यम से बिजली में परिवर्तित हो जाती है। उत्पादन का अंतिम चरण थर्मल पावर के समान ही ऊष्मा इंजन है।
• रिएक्टर का आउटपुट न्यूट्रॉन की संख्या और प्रतिक्रियाशीलता द्वारा निर्धारित होता है, जिसमें कंट्रोल रॉड, घुले हुए बोरॉन, शीतलक तापमान और अन्य माध्यमों से नकारात्मक प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है।
• हल्के जल रिएक्टरों में, प्रतिनिधि प्रकार PWR है, जो प्राथमिक प्रणाली को दबावित करके उबाल को रोकता है और स्टीम जनरेटर के माध्यम से द्वितीयक प्रणाली को ऊष्मा स्थानांतरित करता है, और BWR है, जो सीधे रिएक्टर के अंदर भाप उत्पन्न करता है।
• आपातकालीन कोर शीतलन, रोकथाम, आपातकालीन बिजली और निष्क्रिय सुरक्षा प्रणालियाँ कई स्तरों की सुरक्षा प्रदान करती हैं, जिनका उद्देश्य किसी भी घटना को रोकना है। दुर्घटना की प्रगति और रेडियोधर्मी पदार्थ को सीमित करना।

छोटे मॉड्यूलर रिएक्टर (एसएमआर), उच्च-तापमान गैस रिएक्टर, सोडियम-कूल्ड फास्ट रिएक्टर और संलयन, ये सभी सक्रिय अनुसंधान और विकास के अधीन हैं, लेकिन इनका मूल्यांकन न केवल विद्युत घनत्व के आधार पर, बल्कि निर्माण, विनियमन, ईंधन, अपशिष्ट और ग्रिड कनेक्शन के आधार पर भी किया जाना चाहिए।

1. विखंडन से विद्युत तक

जब एक भारी परमाणु नाभिक एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है और लगभग दो नाभिकों में विभाजित हो जाता है, तो द्रव्यमान दोष ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है, जिससे गतिज ऊर्जा, गामा किरणें और अतिरिक्त न्यूट्रॉन निकलते हैं। यदि औसतन, प्रत्येक विखंडन से ठीक एक न्यूट्रॉन अगले विखंडन का कारण बनता है, तो रिएक्टर क्रांतिक अवस्था में होता है; एक से कम होने पर, उत्पादन गिर जाता है; एक से अधिक होने पर, उत्पादन बढ़ जाता है। वास्तविक रिएक्टर विलंबित न्यूट्रॉन और तापमान प्रतिक्रिया को ध्यान में रखते हुए प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करते हैं।

विखंडन ऊष्मा ईंधन पेलेट, आवरण और शीतलक के माध्यम से भाप प्रणाली में स्थानांतरित होती है। तापीय उत्पादन और विद्युत उत्पादन के बीच संबंध विद्युत उत्पादन P_e को ऊष्मागतिकीय ऊपरी सीमा के माध्यम से माना जा सकता है।

ईंधन और सामग्री की सीमाओं के कारण रिएक्टर थर्मल प्लांट जितना गर्म नहीं चल पाता, इसलिए उत्पादन दक्षता काफी हद तक हीट इंजन में तापमान के इस अंतर से निर्धारित होती है। उत्पादन बढ़ाने के अलावा, भाप की स्थिति, कंडेंसर, शीतलन जल और टरबाइन में नमी की मात्रा भी दक्षता को प्रभावित करती है।

Diagram 1 · Use the button to switch views

चित्र 1 — एक PWR में, दबावयुक्त प्राथमिक शीतलक रिएक्टर और स्टीम जनरेटर के बीच परिचालित होता है, जिससे ट्यूबों के पार केवल ऊष्मा का स्थानांतरण होता है। संघनन और फीडवाटर रिटर्न से पहले सेकेंडरी स्टीम टरबाइन को चलाती है, जबकि एक अलग कूलिंग-वाटर सिस्टम अस्वीकृत ऊष्मा को हीट सिंक तक ले जाता है। स्टीम-जनरेटर ट्यूब प्राथमिक दबाव सीमा का हिस्सा होती हैं; सामान्य संचालन में तीनों द्रव आपस में नहीं मिलते हैं।

2. प्रेशराइज्ड-वाटर रिएक्टर (PWR) और बॉइलिंग-वाटर रिएक्टर (BWR) में क्या अंतर है?

एक PWR (प्रेशराइज्ड-वाटर रिएक्टर) अपने प्राथमिक शीतलक को उच्च दबाव में रखता है ताकि वह रिएक्टर के अंदर उबल न जाए, और सेकेंडरी सिस्टम के पानी को स्टीम जनरेटर के माध्यम से भाप में परिवर्तित करता है। इससे रिएक्टर बिल्डिंग के सिस्टम को टरबाइन बिल्डिंग के सिस्टम से अलग करना आसान हो जाता है, लेकिन इसके लिए प्रेशराइजर, स्टीम जनरेटर और प्राथमिक पंपों की आवश्यकता होती है। एक बॉइलिंग-वाटर रिएक्टर (BWR) सीधे रिएक्टर के अंदर भाप उत्पन्न करता है और इसे स्टीम सेपरेटर और ड्रायर के माध्यम से टरबाइन तक भेजता है। सिस्टम सरल है, लेकिन टरबाइन की तरफ विकिरण प्रबंधन और जल गुणवत्ता प्रबंधन अधिक महत्वपूर्ण हो जाते हैं।

दोनों डिज़ाइनों में ईंधन को ज़िरकोनियम मिश्रधातु आवरण में सीलबंद पेलेट्स के रूप में संग्रहित किया जाता है, और शीतलक प्रवाह ऊष्मा को दूर ले जाता है। आवरण का तापमान, ऑक्सीकरण, हाइड्रोजन उत्पादन और ईंधन-छड़ कंपन सभी डिज़ाइन सीमाओं के भीतर रखे जाते हैं। बर्नअप बढ़ाने से संसाधन उपयोग में सुधार होता है, लेकिन तापीय-यांत्रिक मार्जिन और दुर्घटना व्यवहार का भी पुनर्मूल्यांकन करने की आवश्यकता है।

3. प्रतिक्रियाशीलता और आउटपुट नियंत्रण

रिएक्टर आउटपुट में परिवर्तन प्रतिक्रियाशीलता \rho, न्यूट्रॉन जीवनकाल और विलंबित-न्यूट्रॉन अंश द्वारा नियंत्रित होते हैं। अवधारणात्मक रूप से इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

जहाँ n न्यूट्रॉन जनसंख्या है, \beta विलंबित-न्यूट्रॉन अंश है, \Lambda उत्पादन समय है और C_i विलंबित-न्यूट्रॉन पूर्ववर्ती हैं। नियंत्रण छड़ें न्यूट्रॉन को अवशोषित करके प्रतिक्रियाशीलता को बदलती हैं, जबकि एक पावर वेसल (पीडब्ल्यूआर) दीर्घकालिक रूप से आउटपुट और बर्नअप को नियंत्रित करने के लिए बोरिक एसिड की सांद्रता को भी समायोजित करता है।

ईंधन का तापमान बढ़ने पर, डॉप्लर प्रभाव अनुनाद अवशोषण को बढ़ाता है, जिससे प्रतिक्रियाशीलता कम हो जाती है। शीतलक के घनत्व में परिवर्तन भी न्यूट्रॉन के लिए मॉडरेशन की स्थिति को बदल देता है। ये ऋणात्मक तापमान गुणांक स्वाभाविक रूप से आउटपुट वृद्धि को कम करते हैं, लेकिन इनका परिमाण डिजाइन और परिचालन स्थितियों के अनुसार बदलता रहता है, इसलिए इसकी पुष्टि विश्लेषण और परीक्षण के माध्यम से की जाती है।

4. दुर्घटना के दौरान गहन सुरक्षा और ऊष्मा निष्कासन

सुरक्षा डिजाइन में गहन सुरक्षा शामिल है: कोई असामान्य घटना न होने दें, यदि वह घटित हो तो उसे नियंत्रित करें, और यदि वह आगे बढ़ जाए तो भी उसे सीमित रखें। ईंधन पेलेट, क्लैडिंग, रिएक्टर प्रेशर वेसल और कंटेनमेंट वेसल रेडियोधर्मी पदार्थ के लिए अवरोधक के रूप में कार्य करते हैं। नियंत्रण छड़ सम्मिलन, आपातकालीन कोर शीतलन, आपातकालीन डीजल जनरेटर, बैटरी, वैकल्पिक जल इंजेक्शन और कंटेनमेंट शीतलन को विभिन्न सिद्धांतों के माध्यम से अनावश्यक बनाया जाता है।

रिएक्टर बंद होने के बाद भी, विखंडन उत्पादों से उत्पन्न क्षय ऊष्मा बनी रहती है। शटडाउन के तुरंत बाद की क्षय ऊष्मा को P_0 और समय को t मानकर, एक सरलीकृत सन्निकटन इस प्रकार है:

इस सामान्य रूप का क्षय (गुणांक और इकाइयाँ मॉडल पर निर्भर करती हैं)। क्योंकि शीतलन को कई दिनों बाद भी रोका नहीं जा सकता, इसलिए प्राकृतिक परिसंचरण, भाप से चलने वाले पंप, गुरुत्वाकर्षण इंजेक्शन या एसी बिजली की पूर्ण हानि के दौरान वायु शीतलन के माध्यम से ऊष्मा को हटाने वाली निष्क्रिय सुरक्षा प्रणालियों पर शोध और उन्हें अपनाया जा रहा है।

सुरक्षा मूल्यांकन में न केवल डिज़ाइन-आधारित दुर्घटनाओं पर विचार किया जाता है, बल्कि कई विफलताओं, बाहरी बाढ़ और भूकंप, लंबे समय तक स्टेशन ब्लैकआउट, मानवीय कारकों और यहां तक कि साइबर हमलों पर भी विचार किया जाता है। संभाव्य जोखिम आकलन (PRA) कोर क्षति आवृत्ति और रेडियोधर्मी रिसाव आवृत्ति का अनुमान लगाता है, लेकिन केवल एक छोटी संख्या सुरक्षा की गारंटी नहीं देती है। विश्लेषणात्मक अनिश्चितता, निकासी योजना और आपातकालीन निर्णय लेने सहित जोखिम संचार भी आवश्यक है।

5. टरबाइन, जनरेटर और ग्रिड संचालन

परमाणु संयंत्र ईंधन लागत में नगण्य परिवर्तन के साथ उच्च क्षमता गुणांक पर लंबे समय तक चलते हैं। दूसरी ओर, ईंधन भरना, आवधिक निरीक्षण, उत्पादन में परिवर्तन, शीतलन जल का तापमान और पारेषण लाइन की बाधाएं संचालन योजना को प्रभावित करती हैं। स्टीम टरबाइन उच्च, मध्यवर्ती और निम्न दबाव चरणों से गुजरते हुए संघनन में जल में परिवर्तित हो जाती है। चूंकि गीली भाप की बूंदें ब्लेड को नष्ट कर देती हैं, इसलिए पुनः ताप, नमी पृथक्करण और जल निकासी प्रबंधन जैसी तकनीकों का उपयोग किया जाता है।

एक सिंक्रोनस जनरेटर अपने घूर्णनशील द्रव्यमान की जड़ता से ग्रिड को बिजली की आपूर्ति करता है। उत्पादन में अचानक परिवर्तन से ऊष्मीय तनाव, ईंधन का तापमान, नियंत्रण छड़ की स्थिति और भाप की स्थिति प्रभावित होती है, इसलिए यह श्रम विभाजन का सरल मामला नहीं है जहां परमाणु ऊर्जा सभी नवीकरणीय ऊर्जा परिवर्तनशीलता पर नज़र रखती है। यह बैटरी, जल विद्युत, गैस टरबाइन और मांग प्रतिक्रिया के साथ संयुक्त है, जिनमें से प्रत्येक अपने समय पैमाने पर विनियमन का कार्य साझा करता है।

6. ईंधन चक्र और अपशिष्ट

ईंधन चक्र अयस्क खनन, रूपांतरण, संवर्धन और ईंधन निर्माण से शुरू होकर कोर के भीतर विकिरण, प्रयुक्त ईंधन के भंडारण, पुनर्संसाधन और अंतिम निपटान तक चलता है। हल्के जल रिएक्टर कम संवर्धित यूरेनियम का उपयोग करते हैं, लेकिन कुछ उन्नत रिएक्टरों के लिए उच्च संवर्धित HALEU (उच्च-परख निम्न-संवर्धित यूरेनियम) की आवश्यकता होती है। संवर्धन और पुनर्संसाधन सुविधाओं पर आपूर्ति श्रृंखला की भू-राजनीति और सुरक्षा उपाय भी प्रौद्योगिकी मूल्यांकन का हिस्सा हैं।

व्यर्थ ईंधन को पूल या शुष्क कंटेनरों में रखा जाता है ताकि क्षय ऊष्मा और विकिरण समय के साथ कम हो सकें। उच्च-स्तरीय रेडियोधर्मी अपशिष्ट के गहरे भूवैज्ञानिक निपटान का मूल्यांकन कई अवरोधों - कांचयुक्त अपशिष्ट रूप, धातु कंटेनर, बफर सामग्री और आधारशिला - के पार लंबी अवधि में किया जाता है। यह एक सामाजिक-तकनीकी प्रणाली है जिसमें न केवल मात्रा बल्कि ऊष्मा उत्पादन, रेडियोन्यूक्लाइड प्रवासन, परिवहन और क्षेत्रीय सहमति भी शामिल है।

7. एसएमआर और अत्याधुनिक अनुसंधान

• छोटे मॉड्यूलर रिएक्टर (एसएमआर): इनका उद्देश्य कारखाने में निर्माण और निष्क्रिय सुरक्षा सुनिश्चित करना है। कम उत्पादन का मतलब यह नहीं है कि ये सुरक्षित भी हैं — प्रति किलोवाट निर्माण लागत, मॉड्यूल परिवहन, नियामक समीक्षा और ईंधन आपूर्ति, इन सभी कारकों की तुलना करना आवश्यक है।

• उच्च-तापमान गैस रिएक्टर: ये हीलियम शीतलन और ऊष्मा-प्रतिरोधी ईंधन का उपयोग करके उच्च-तापमान ऊष्मा निकालते हैं, जिसका उपयोग हाइड्रोजन उत्पादन या औद्योगिक ऊष्मा के लिए किया जाता है। ग्रेफाइट विकिरण व्यवहार और दुर्घटना के दौरान ऊष्मा निष्कासन पर विशेष ध्यान दिया जाता है।

• सोडियम-शीतित तीव्र रिएक्टर: ये ईंधन निर्माण और रूपांतरण के लिए तीव्र न्यूट्रॉन का उपयोग करते हैं। सोडियम की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता, पदार्थ संक्षारण और ईंधन चक्र, इन सभी कारकों का प्रबंधन आवश्यक है।

• दुर्घटना-सहिष्णु ईंधन (एटीएफ): ये उच्च-तापमान ऑक्सीकरण और हाइड्रोजन उत्पादन को रोकने के लिए SiC क्लैडिंग या उन्नत मिश्र धातुओं का उपयोग करते हैं। सामान्य परिचालन ऊष्मा स्थानांतरण, निर्माण क्षमता और विकिरण जीवन के साथ इसकी अनुकूलता का मूल्यांकन करना आवश्यक है।

• डिजिटल इंस्ट्रूमेंटेशन और नियंत्रण: अतिरिक्त सुरक्षा प्रणालियों का डिजिटलीकरण, निदान और रखरखाव में सुधार। सॉफ्टवेयर की सामान्य विफलता और साइबर सुरक्षा का सत्यापन आवश्यक है।

फ्यूजन, फिशन से भिन्न सिद्धांत पर काम करता है, लेकिन यह एक विद्युत उत्पादन अनुसंधान है जो प्लाज्मा नियंत्रण, सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट, ब्लैंकेट, ट्रिटियम ईंधन, ऊष्मा निष्कासन और दूरस्थ रखरखाव को एकीकृत करता है। एक प्रायोगिक रिएक्टर का प्लाज्मा प्रदर्शन और एक विद्युत संयंत्र का क्षमता कारक और सामग्री जीवनकाल अलग-अलग मापदंड हैं - समाचार पढ़ते समय इन्हें अलग-अलग समझना महत्वपूर्ण है।

निष्कर्ष

परमाणु ऊर्जा एक ऊष्मा इंजन है जो विखंडन ऊष्मा को स्टीम टरबाइन को प्रदान करता है, और साथ ही यह एक सुरक्षा प्रणाली भी है जो प्रतिक्रियाशीलता, शीतलन, विकिरण और ग्रिड को नियंत्रित करती है। उच्च क्षमता कारक और ईंधन घनत्व इसकी ताकत हैं, लेकिन मूल्यांकन में दुर्घटना के दौरान क्षय ऊष्मा, अपशिष्ट, निर्माण अवधि और नियामक एवं क्षेत्रीय सहमति को भी शामिल करना आवश्यक है।

सुविधाओं और अनुसंधान की तुलना करते समय, निम्नलिखित बातों की पुष्टि करना सहायक होता है: (1) किस प्रकार का रिएक्टर किस तापमान और दबाव को संभाल सकता है, (2) शटडाउन के बाद कितने दिनों की ऊष्मा को दूर करने की आवश्यकता होती है और कैसे, (3) कौन से अवरोधक और सुरक्षा परतें स्वतंत्र हैं, और (4) ईंधन, अपशिष्ट और ग्रिड संचालन के लिए कौन जिम्मेदार है।