बीडब्ल्यूआर रिएक्टर ईंधन असेंबली की व्याख्या

लेख

परिचय

घरों और व्यवसायों को आपूर्ति की जाने वाली कुछ बिजली उबलते पानी के रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) पावर स्टेशनों पर भाप चालित टरबाइन जनरेटर द्वारा उत्पन्न की जाती है। टरबाइन जनरेटर को चलाने के लिए भाप एक परमाणु रिएक्टर कोर में उत्पन्न होती है।

उबलते पानी के रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) के घटक

रिएक्टर कोर में यूरेनियम ऑक्साइड की गोलियां होती हैं जिन्हें ईंधन रॉड्स नामक ट्यूबों में एकत्र किया जाता है, जिन्हें ईंधन बंडल कहा जाता है। जब ईंधन बंडल को अन्य घटकों के साथ एक कठोर खोल से घेर दिया जाता है, तो इसे ईंधन असेंबली कहा जाता है। चार ईंधन असेंबली को एक वर्ग पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है जिसे एक नियंत्रण सेल कहा जाता है, जो एक सामान्य बीडब्ल्यूआर कोर डिज़ाइन में होता है। नियंत्रण सेल को कोर के अंदर लंबवत रूप से उन्मुख किया जाता है। चार ईंधन असेंबली के चौराहे पर एक न्यूट्रॉन अवशोषित नियंत्रण रॉड का उपयोग चार ईंधन असेंबली की परमाणु प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। नियंत्रण रॉड नियंत्रण सेल के अंदर लंबवत रूप से चलता है। कई नियंत्रण सेल धातु के खोल के अंदर व्यवस्थित होते हैं जो टरबाइन जनरेटर के लिए भाप उत्पन्न करने वाला रिएक्टर कोर बनाते हैं।

उबलते पानी के रिएक्टर ईंधन असेंबली

घटक

ईंधन गोली

ईंधन गोली में यूरेनियम-238, यूरेनियम-235, गेडोलिनियम-155 और गेडोलिनियम-157 के विभिन्न अनुपात ऑक्साइड रूप में होते हैं। ईंधन गोलियां आमतौर पर लगभग 0.5 इंच लंबाई और 0.45 इंच व्यास की होती हैं। ईंधन गोलियों के किनारे चैंफर किए जाते हैं ताकि गोली के विस्तार के दौरान ईंधन रॉड के साथ बातचीत को सीमित किया जा सके। यूरेनियम-238 और यूरेनियम-235 परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया के लिए ईंधन प्रदान करते हैं। यूरेनियम-235 सीधे विखंडन करता है जबकि यूरेनियम-238 प्लूटोनियम-239 में एक परमाणु परिवर्तन से गुजरता है जो सीधे विखंडन करता है। गेडोलिनियम-155 और गेडोलिनियम-157 अस्थायी न्यूट्रॉन अवशोषक के रूप में कार्य करते हैं जो 12-24 महीनों के लिए रिएक्टर को संचालित करने के लिए आवश्यक यूरेनियम की मात्रा को जोड़ने की अनुमति देते हैं। गेडोलिनियम के बिना, रिएक्टर के सुरक्षित संचालन और शटडाउन क्षमता सुनिश्चित करने के लिए अतिरिक्त नियंत्रण रॉड जोड़ने की आवश्यकता होगी।

ईंधन गोलियां

ईंधन रॉड्स

मानक ईंधन रॉड

मानक ईंधन रॉड एक खोखली ट्यूब होती है जिसका व्यास लगभग 0.5 इंच और लंबाई 160 इंच होती है। ईंधन रॉड ज़िरकैलॉय-2 से बनी होती है, जो अन्य ज़िरकोनियम मिश्र धातुओं की तुलना में अपनी सामग्री गुणों और बेहतर गर्मी हस्तांतरण गुणों के लिए जानी जाती है। प्रत्येक ईंधन रॉड के ऊपरी और निचले ज़िरकैलॉय-2 प्लग होते हैं जो ईंधन रॉड के सिरों पर वेल्डेड होते हैं। आठ (8) ईंधन रॉड्स के ऊपरी और निचले सिरा प्लग थ्रेडेड होते हैं। प्रत्येक ईंधन रॉड को 44 पीएसआईजी (300 केपीए) पर हीलियम से भरा जाता है ताकि ईंधन गोली से क्लैडिंग तक गर्मी हस्तांतरण में सुधार हो सके। एक मानक ईंधन रॉड को 1800 पीएसआईए (1.24e4 केपीए) के आंतरिक दबाव को सहन करने और बाहरी दबावों के साथ 1000 (68.e3 केपीए) और 1100 पीएसआईजी (75.8e3 केपीए) के बीच संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

रॉड स्थितियाँ

आंशिक लंबाई ईंधन रॉड

आंशिक लंबाई ईंधन रॉड्स वे ईंधन रॉड्स होती हैं जो कोर के निचले हिस्से से मानक ईंधन रॉड की लंबाई का लगभग 40% तक ही विस्तारित होती हैं। आंशिक ईंधन रॉड प्लूटोनियम-239 को ईंधन रॉड्स में उत्पन्न करने की अनुमति देती है जो आंशिक ईंधन रॉड के शीर्ष के ऊपर भाप से भरे क्षेत्र के पास होती हैं। प्लूटोनियम-239 रिएक्टर कोर की गर्मी उत्पादन में योगदान देता है और यूरेनियम-238 में न्यूट्रॉन अवशोषण द्वारा उत्पन्न होता है।

जल रॉड

जल रॉड्स को ईंधन बंडल के केंद्र में रखा जाता है ताकि ईंधन बंडल के केंद्र में शक्ति उत्पादन बढ़ सके। यह व्यवस्था ईंधन बंडल के पार अधिक समान ईंधन दहन और ईंधन थर्मल सीमाओं के लिए अधिक मार्जिन प्रदान करती है। जल रॉड का बाहरी व्यास मानक ईंधन रॉड से बड़ा होता है। ईंधन डिज़ाइन के आधार पर, एक ईंधन बंडल में शून्य से तीन जल रॉड्स हो सकते हैं।

ईंधन बंडल के घटक

a. ऊपरी टाई प्लेट और बेल हैंडल
ऊपरी टाई प्लेट ईंधन रॉड्स के शीर्ष सिरे को उचित स्थिति में ठीक करती है, चैनल का समर्थन करती है और बंडल को उठाने और स्थानांतरित करने के लिए एक हैंडल प्रदान करती है। थ्रेडेड प्लग वाले ईंधन रॉड्स को ईंधन बंडल को जगह में लॉक करने के लिए ऊपरी टाई प्लेट पर बोल्ट किया जाता है।

ईंधन असेंबली लेबल वाले घटक

b.   निचली टाई प्लेट और नोज पीस
निचली टाई प्लेट ईंधन रॉड्स के निचले सिरे की स्थिति को ठीक करती है और बंडल के वजन का समर्थन करती है। इसका निचला सिरा कोर ईंधन समर्थन में बंडल को केंद्रित करता है (यानी, यह सुनिश्चित करता है कि बंडल कोर में ठीक से बैठता है) और यह बंडल में शीतलक प्रवाह के लिए प्रवेश प्रदान करता है। निचली टाई प्लेट का नोज पीस ईंधन समर्थन टुकड़े में सटीक रूप से फिट बैठता है और ईंधन असेंबली के माध्यम से शीतलक प्रवाह को निर्देशित करता है। थ्रेडेड प्लग वाले ईंधन रॉड्स को ईंधन बंडल को जगह में लॉक करने के लिए निचली टाई प्लेट पर बोल्ट किया जाता है
c.   ईंधन स्पेसर्स
स्पेसर का कार्य ईंधन रॉड्स को उचित स्थान पर रखना है। स्पेसर्स ईंधन रॉड कंपन और कंपन से जुड़े फ्रेटिंग पहनने को दबाने के लिए आवश्यक पार्श्व समर्थन प्रदान करते हैं।
d.   फिंगर स्प्रिंग्स
फिंगर स्प्रिंग्स को ईंधन बंडल के निचले सिरे पर शामिल किया जाता है ताकि निचली टाई प्लेट और ईंधन चैनल के बीच सकारात्मक संपर्क प्रदान किया जा सके। यह व्यवस्था ईंधन असेंबली के जीवनकाल में चैनल प्रवाह में किसी भी परिवर्तन को न्यूनतम करती है।

ईंधन चैनल

एक ईंधन चैनल के कई उद्देश्य होते हैं:

प्रवाह वितरण।
नियंत्रण रॉड ब्लेड रोलर्स के लिए असर सतह।
सुधारित ईंधन बंडल कठोरता।
ईंधन हैंडलिंग के दौरान ईंधन रॉड सुरक्षा।
शीतलक दुर्घटना (एलओसीए) स्थितियों के नुकसान के दौरान एक थर्मल मास हीट सिंक के रूप में कार्य करता है।

ईंधन चैनल ईंधन बंडल को घेरता है। ईंधन चैनल दो समानांतर प्रवाह पथों को अलग करने के लिए एक अवरोध प्रदान करता है। लगभग 90% शीतलक ईंधन रॉड्स से गर्मी हटाने के लिए ईंधन चैनल के भीतर प्रवाहित होता है। लगभग 10% शीतलक प्रवाह ईंधन असेंबली के बीच के क्षेत्र में निर्देशित होता है। बाईपास प्रवाह को नियंत्रण रॉड्स और परमाणु उपकरणों को ठंडा करने की आवश्यकता होती है।

बीडब्ल्यूआर ईंधन चैनल

नियंत्रण रॉड्स

नियंत्रण रॉड्स को किसी भी असामान्य संचालन क्षणिक से ईंधन क्षति से बचने के लिए पर्याप्त तेजी से नियंत्रण रॉड डालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पूरी तरह से डाले गए से पूरी तरह से वापस खींचे गए नियंत्रण रॉड की स्थिति निकटवर्ती ईंधन असेंबली में उत्पन्न शक्ति की मात्रा में योगदान करती है। जब नियंत्रण रॉड पूरी तरह से डाला जाता है, तो निकटवर्ती ईंधन असेंबली एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने में सक्षम नहीं होती हैं। एक सामान्य नियंत्रण रॉड में स्टेनलेस स्टील ट्यूबों की एक क्रूसिफॉर्म सरणी होती है जो बोरॉन कार्बाइड (बी4सी) जहर के पाउडर रूप से भरी होती है।

पीडब्ल्यूआर ईंधन रॉड्स और नियंत्रण रॉड

ईंधन असेंबली कैसे काम करती है

निचली टाई प्लेट में नोजपीस के माध्यम से ईंधन असेंबली में प्रवेश करने वाला पानी उच्च ऊर्जा विखंडन न्यूट्रॉनों से टकराता है और विखंडन से उत्पन्न गर्मी को अवशोषित करता है। जैसे-जैसे पानी ईंधन बंडल में ऊपर उठता है, लगातार टकराव होते हैं और जैसे-जैसे विखंडन से अधिक गर्मी अवशोषित होती है, पानी का तापमान उबलने के बिंदु तक बढ़ जाता है। ईंधन बंडल के शीर्ष पर, पानी ऊपरी टाई प्लेट और चैनल को भाप के रूप में छोड़ता है और रिएक्टर कोर से बाहर निर्देशित होता है। पानी को लगातार ईंधन असेंबली में पंप किया जाता है ताकि भाप के रूप में ईंधन बंडल को छोड़ने वाले पानी की भरपाई की जा सके। लगभग हर विखंडन न्यूट्रॉन शीतलक के साथ कई टकराव का अनुभव करता है जिससे न्यूट्रॉन की ऊर्जा का स्तर इस बिंदु तक गिर जाता है कि न्यूट्रॉन को यूरेनियम-235 या प्लूटोनियम-239 द्वारा अवशोषित किया जा सकता है। कुछ उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन रिएक्टर कोर से बाहर निकल जाते हैं और कुछ न्यूट्रॉन कोर सामग्री में ईंधन के अलावा अवशोषित हो जाते हैं। ईंधन में अवशोषित न्यूट्रॉनों का एक प्रतिशत परमाणु विखंडन का अनुभव करता है और लगभग 2.5 उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं। विखंडन से उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन पानी से टकराते हैं और प्रक्रिया स्वयं को दोहराती है।

ईंधन असेंबली डिज़ाइन विविधताएँ

जीई-2 - 7x7 ईंधन बंडल।

जीई-3 - 49 ईंधन रॉड्स के साथ उन्नत 7x7 ईंधन बंडल, जिनमें से एक खंडित है।

जीई-4 - 63 ईंधन रॉड्स और 1 जल रॉड के साथ 8x8 ईंधन बंडल।

जीई-5 - 62 ईंधन रॉड्स और दो जल रॉड्स वाले बैरियर ईंधन बंडल वाले हीलियम के साथ पूर्व-दबावयुक्त 8x8 ईंधन बंडल।

जीई-6 और 7 - बैरियर ईंधन के साथ हीलियम के साथ 3 मानक वायुमंडल (300 केपीए) पर पूर्व-दबावयुक्त

जीई-8 - 58 से 62 ईंधन रॉड्स और 2-6 जल रॉड्स के साथ 8x8 सरणी। हीलियम के साथ 5 मानक वायुमंडल (510 केपीए) पर पूर्व-दबावयुक्त।

जीई-10 - 60 पूर्ण लंबाई ईंधन रॉड्स और एक बड़ा केंद्रीय जल रॉड के साथ 8x8 सरणी।

जीई-11 और 13 - 66 पूर्ण लंबाई ईंधन रॉड्स, 8 आंशिक लंबाई रॉड्स, और दो बड़े केंद्रीय जल रॉड्स के साथ 9x9 सरणी।

जीई-12 और 14 - 78 पूर्ण लंबाई ईंधन रॉड्स, 14 आंशिक लंबाई रॉड्स, और दो बड़े केंद्रीय जल रॉड्स के साथ 10x10 सरणी।

जीएनएफ-2 - दो जल रॉड्स और दो लंबाई के आंशिक ईंधन रॉड्स के साथ 10X10 ईंधन बंडल; मानक ईंधन रॉड का लगभग 40% और 70%।

जीएनएफ-3 - एकल बड़े केंद्रीय जल रॉड और दो लंबाई के आंशिक ईंधन रॉड्स के साथ 10X10 ईंधन बंडल; मानक ईंधन रॉड का लगभग 40% और 70%।

ट्राइटन11 - तीन जल रॉड्स और दो लंबाई के आंशिक ईंधन रॉड्स के साथ 11X11 ईंधन बंडल; मानक ईंधन रॉड का लगभग 33% और 67%।

ईंधन रॉड्स - कुछ डिज़ाइनों में, ईंधन रॉड के अंदर का हिस्सा शुद्ध ज़िरकोनियम के साथ लेपित होता है ताकि विस्तारित ईंधन गोलियों की शक्ति को अवशोषित किया जा सके। कुछ ईंधन रॉड्स ज़िरकैलॉय-4 या उन्नत ज़िरकोनियम मिश्र धातुओं से बने होते हैं।

नियंत्रण रॉड्स - कुछ डिज़ाइन हाफ़नियम या सिल्वर-इंडियम-कैडमियम मिश्र धातुओं का उपयोग करते हैं

उबलते पानी के रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) के लाभ

रिएक्टर पोत और संबंधित घटक लगभग 1,000–1,100 पीएसआई (6.9e3 – 7.5e3 केपीए) के काफी कम दबाव पर संचालित होते हैं, जबकि एक प्रेसराइज्ड वाटर रिएक्टर (पीडब्ल्यूआर) में लगभग 2,250 पीएसआई (15e3 केपीए) होता है।
पीडब्ल्यूआर की तुलना में दबाव पोत काफी कम विकिरण के अधीन होता है और इसलिए उम्र के साथ इतना भंगुर नहीं होता है।
निम्न परमाणु ईंधन तापमान पर संचालित होता है, मुख्य रूप से वाष्पीकरण की गुप्त गर्मी द्वारा गर्मी हस्तांतरण के कारण, पीडब्ल्यूआर में संवेदनशील गर्मी के विपरीत।
पीडब्ल्यूआर की तुलना में शीतलक के नुकसान का कारण बनने वाले टूटने का कम जोखिम (संभावना), और यदि ऐसा टूटना होता है तो कोर क्षति का कम जोखिम। यह कम पाइप, कम बड़े-व्यास वाले पाइप, कम वेल्ड और कोई भाप जनरेटर ट्यूब नहीं होने के कारण है।
बीडब्ल्यूआर में आमतौर पर उनके प्रमुख सुरक्षा-संबंधी प्रणालियों पर एन-2 अतिरेक होता है, जो सामान्यतः चार "ट्रेनों" के घटकों से मिलकर बनती हैं। इसका अर्थ है कि एक सुरक्षा प्रणाली के चार घटकों में से दो तक विफल हो सकते हैं और यदि बुलाया जाता है तो प्रणाली अभी भी प्रदर्शन करेगी।

उबलते पानी के रिएक्टर (बीडब्ल्यूआर) के नुकसान

बीडब्ल्यूआर को संचालन के दौरान परमाणु ईंधन की खपत का प्रबंधन करने के लिए अधिक जटिल गणनाओं की आवश्यकता होती है क्योंकि कोर के ऊपरी हिस्से में "दो-चरण (पानी और भाप) द्रव प्रवाह" होता है। इसके लिए रिएक्टर कोर में अधिक उपकरणों की भी आवश्यकता होती है।
पीडब्ल्यूआर के समान शक्ति के लिए एक बड़ा रिएक्टर दबाव पोत, पुराने मॉडलों के लिए जो अभी भी एक मुख्य भाप जनरेटर और संबंधित पाइपिंग का उपयोग करते हैं, के साथ।
लघु-जीवित सक्रियण उत्पादों द्वारा टरबाइन का संदूषण। इसका अर्थ है कि भाप टरबाइन से सीधे रिएक्टर कोर से प्रवेश करने वाले विकिरण स्तरों के कारण सामान्य संचालन के दौरान टरबाइन के चारों ओर शील्डिंग और पहुंच नियंत्रण की आवश्यकता होती है। यह एक मध्यम रूप से मामूली चिंता है, क्योंकि अधिकांश विकिरण प्रवाह नाइट्रोजन-16 (पानी में ऑक्सीजन का सक्रियण) के कारण होता है, जिसका आधा जीवन 7.1 सेकंड होता है, जिससे शटडाउन के कुछ मिनटों के भीतर टरबाइन कक्ष में प्रवेश किया जा सकता है। व्यापक अनुभव यह प्रदर्शित करता है कि बीडब्ल्यूआर के टरबाइन, कंडेनसेट और फीडवाटर घटकों पर शटडाउन रखरखाव को मूल रूप से एक जीवाश्म-ईंधन संयंत्र के रूप में किया जा सकता है।
जैसा कि निर्मित, बिना संशोधित मार्क I कंटेनमेंट की दबाव रोकने की क्षमता के बारे में चिंताएँ उठाई गई हैं - कि ऐसा एक सीमित दोष द्वारा उत्पन्न दबावों को रोकने के लिए अपर्याप्त हो सकता है जो अत्यधिक गंभीर कोर क्षति का परिणाम है। इस डबल विफलता परिदृश्य में, जिसे फुकुशिमा I परमाणु दुर्घटनाओं से पहले अत्यधिक असंभाव्य माना गया था, एक बिना संशोधित मार्क I कंटेनमेंट कुछ हद तक रेडियोधर्मी रिलीज की अनुमति दे सकता है। यह मार्क I कंटेनमेंट के संशोधन द्वारा कम किया जाना चाहिए; अर्थात्, एक आउटगैस स्टैक प्रणाली का जोड़ जो, यदि कंटेनमेंट दबाव महत्वपूर्ण सेटपॉइंट्स से अधिक हो जाता है, तो रेडियोन्यूक्लाइड्स को फँसाने के लिए डिज़ाइन किए गए सक्रिय कार्बन फिल्टर के माध्यम से गुजरने के बाद दबाव डालने वाली गैसों के व्यवस्थित निर्वहन की अनुमति देने वाला है।