परमाणु रिएक्टर किसके लिए है? परमाणु रिएक्टर: निर्माण का इतिहास और संचालन का सिद्धांत

परमाणु रिएक्टरों का एक काम है: नियंत्रित प्रतिक्रिया में परमाणुओं को विभाजित करना और जारी ऊर्जा का उपयोग विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए करना। कई वर्षों तक, रिएक्टरों को चमत्कार और खतरे दोनों के रूप में देखा जाता था।

जब 1956 में शिपिंगपोर्ट, पेंसिल्वेनिया में पहला वाणिज्यिक अमेरिकी रिएक्टर ऑनलाइन आया, तो प्रौद्योगिकी को भविष्य के ऊर्जा स्रोत के रूप में सराहा गया, और कुछ का मानना ​​​​था कि रिएक्टरों से बिजली पैदा करना बहुत सस्ता हो जाएगा। अब दुनिया भर में 442 परमाणु रिएक्टर निर्मित हैं, इनमें से लगभग एक चौथाई रिएक्टर संयुक्त राज्य अमेरिका में हैं। विश्व अपनी 14 प्रतिशत बिजली का उत्पादन करने वाले परमाणु रिएक्टरों पर निर्भर हो गया है। भविष्यवादियों ने परमाणु कारों के बारे में भी कल्पना की थी।

जब 1979 में पेंसिल्वेनिया में थ्री माइल आइलैंड पावर प्लांट के यूनिट 2 रिएक्टर में शीतलन प्रणाली की विफलता और इसके रेडियोधर्मी ईंधन के आंशिक रूप से पिघलने का अनुभव हुआ, तो रिएक्टरों के बारे में गर्म भावनाएं मौलिक रूप से बदल गईं। भले ही नष्ट किया गया रिएक्टर समाहित था और कोई गंभीर विकिरण उत्सर्जित नहीं हुआ था, कई लोगों ने रिएक्टरों को संभावित विनाशकारी परिणामों के साथ बहुत जटिल और कमजोर मानना ​​​​शुरू कर दिया। लोग रिएक्टरों से निकलने वाले रेडियोधर्मी कचरे को लेकर भी चिंतित थे। परिणामस्वरूप, संयुक्त राज्य अमेरिका में नए परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का निर्माण रुक गया है। जब 1986 में सोवियत संघ में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र में एक और गंभीर दुर्घटना हुई, तो परमाणु ऊर्जा बर्बाद हो गई।

लेकिन 2000 के दशक की शुरुआत में, ऊर्जा की बढ़ती मांग और जीवाश्म ईंधन की घटती आपूर्ति के साथ-साथ कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के परिणामस्वरूप जलवायु परिवर्तन के बारे में बढ़ती चिंताओं के कारण परमाणु रिएक्टरों ने वापसी करना शुरू कर दिया।

लेकिन मार्च 2011 में एक और संकट आया - इस बार जापान में फुकुशिमा 1 परमाणु ऊर्जा संयंत्र भूकंप से बुरी तरह क्षतिग्रस्त हो गया।

परमाणु प्रतिक्रिया का उपयोग

सीधे शब्दों में कहें तो, एक परमाणु रिएक्टर परमाणुओं को विभाजित करता है और ऊर्जा छोड़ता है जो उनके हिस्सों को एक साथ रखता है।

यदि आप हाई स्कूल भौतिकी भूल गए हैं, तो हम आपको याद दिलाएंगे कि कैसे परमाणु विखंडनकाम करता है. परमाणु छोटे सौर मंडल की तरह होते हैं, जिनका कोर सूर्य जैसा होता है और इलेक्ट्रॉन इसके चारों ओर परिक्रमा करने वाले ग्रहों की तरह होते हैं। नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नामक कणों से बना होता है, जो एक साथ बंधे होते हैं। कोर के तत्वों को बांधने वाली ताकत की कल्पना करना भी मुश्किल है। यह गुरुत्वाकर्षण बल से कई अरब गुना अधिक शक्तिशाली है। इस विशाल बल के बावजूद, एक नाभिक को विभाजित करना संभव है - उस पर न्यूट्रॉन की शूटिंग करके। जब ऐसा किया जाएगा, तो बहुत सारी ऊर्जा मुक्त होगी। जब परमाणु क्षय होते हैं, तो उनके कण पास के परमाणुओं से टकराते हैं, उन्हें विभाजित करते हैं, और बदले में, वे अगले, और अगले, और अगले होते हैं। वहाँ एक तथाकथित है श्रृंखला अभिक्रिया.

यूरेनियम, बड़े परमाणुओं वाला एक तत्व, विखंडन प्रक्रिया के लिए आदर्श है क्योंकि इसके नाभिक के कणों को बांधने वाला बल अन्य तत्वों की तुलना में अपेक्षाकृत कमजोर है। परमाणु रिएक्टर एक विशिष्ट आइसोटोप का उपयोग करते हैं जिसे कहा जाता है यूदौड़ा-235 . यूरेनियम-235 प्रकृति में दुर्लभ है, यूरेनियम खदानों के अयस्क में केवल 0.7% यूरेनियम-235 होता है। इसीलिए रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है समृद्धयूघाव, जो गैस प्रसार प्रक्रिया के माध्यम से यूरेनियम -235 को अलग और केंद्रित करके बनाया गया है।

परमाणु बम में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रक्रिया बनाई जा सकती है, जैसा कि द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान जापानी शहरों हिरोशिमा और नागासाकी पर गिराया गया था। लेकिन एक परमाणु रिएक्टर में, श्रृंखला प्रतिक्रिया को कैडमियम, हेफ़नियम या बोरान जैसी सामग्रियों से बनी नियंत्रण छड़ें डालकर नियंत्रित किया जाता है जो कुछ न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं। यह अभी भी विखंडन प्रक्रिया को पानी को लगभग 270 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने और इसे भाप में बदलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जारी करने की अनुमति देता है, जिसका उपयोग बिजली संयंत्र के टर्बाइनों को घुमाने और बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। मूल रूप से, इस मामले में, एक नियंत्रित परमाणु बम बिजली बनाने के लिए कोयले के बजाय काम करता है, सिवाय इसके कि पानी को उबालने की ऊर्जा कार्बन जलाने के बजाय परमाणुओं को विभाजित करने से आती है।

परमाणु रिएक्टर घटक

परमाणु रिएक्टर कई प्रकार के होते हैं, लेकिन उन सभी में कुछ सामान्य विशेषताएं होती हैं। उन सभी में रेडियोधर्मी ईंधन छर्रों की आपूर्ति होती है - आमतौर पर यूरेनियम ऑक्साइड - जो ईंधन की छड़ें बनाने के लिए ट्यूबों में व्यवस्थित होते हैं सक्रिय क्षेत्रइरिएक्टर.

रिएक्टर में पहले उल्लेखित भी है प्रबंधकोंइछड़और- कैडमियम, हेफ़नियम या बोरान जैसे न्यूट्रॉन-अवशोषित पदार्थ से बना होता है, जिसे किसी प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने या रोकने के लिए डाला जाता है।

रिएक्टर भी है मध्यस्थ, एक पदार्थ जो न्यूट्रॉन को धीमा करता है और विखंडन प्रक्रिया को नियंत्रित करने में मदद करता है। संयुक्त राज्य अमेरिका में अधिकांश रिएक्टर साधारण पानी का उपयोग करते हैं, लेकिन अन्य देशों में रिएक्टर कभी-कभी ग्रेफाइट, या का उपयोग करते हैं भारीबहुत खूबपानीपर, जिसमें हाइड्रोजन को ड्यूटेरियम द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जो एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन के साथ हाइड्रोजन का एक आइसोटोप है। सिस्टम का एक और महत्वपूर्ण हिस्सा है ठंडाऔर मैंतरलबी, आमतौर पर साधारण पानी, जो टरबाइन को घुमाने के लिए भाप बनाने के लिए रिएक्टर से गर्मी को अवशोषित और स्थानांतरित करता है और रिएक्टर क्षेत्र को ठंडा करता है ताकि यह उस तापमान तक न पहुंचे जिस पर यूरेनियम पिघल जाएगा (लगभग 3815 डिग्री सेल्सियस)।

अंत में, रिएक्टर को बंद कर दिया गया है गोलेपर, एक बड़ी, भारी संरचना, आमतौर पर कई मीटर मोटी, स्टील और कंक्रीट से बनी होती है जो रेडियोधर्मी गैसों और तरल पदार्थों को अंदर रखती है जहां वे किसी को नुकसान नहीं पहुंचा सकते।

उपयोग में आने वाले कई अलग-अलग रिएक्टर डिज़ाइन हैं, लेकिन सबसे आम में से एक है दबावयुक्त जल विद्युत रिएक्टर (VVER). ऐसे रिएक्टर में, पानी को कोर के संपर्क में लाया जाता है और फिर वहां इतने दबाव में रखा जाता है कि वह भाप में नहीं बदल सकता। यह पानी फिर भाप जनरेटर में बिना दबाव वाले पानी के संपर्क में आता है, जो भाप में बदल जाता है, जो टरबाइनों को घुमाता है। एक डिज़ाइन भी है उच्च शक्ति चैनल-प्रकार रिएक्टर (आरबीएमके)एक जल सर्किट के साथ और तेज़ न्यूट्रॉन रिएक्टरदो सोडियम और एक जल सर्किट के साथ।

परमाणु रिएक्टर कितना सुरक्षित है?

इस प्रश्न का उत्तर देना काफी कठिन है और यह इस पर निर्भर करता है कि आप किससे पूछते हैं और आप "सुरक्षित" को कैसे परिभाषित करते हैं। क्या आप रिएक्टरों में उत्पन्न विकिरण या रेडियोधर्मी कचरे के बारे में चिंतित हैं? या क्या आप किसी भयावह दुर्घटना की आशंका से अधिक चिंतित हैं? परमाणु ऊर्जा के लाभ के लिए आप किस स्तर के जोखिम को स्वीकार्य व्यापार-बंद मानते हैं? और आप सरकार और परमाणु ऊर्जा पर किस हद तक भरोसा करते हैं?

"विकिरण" एक मजबूत तर्क है, मुख्य रूप से क्योंकि हम सभी जानते हैं कि विकिरण की बड़ी खुराक, जैसे कि परमाणु बम से, कई हजारों लोगों की जान ले सकती है।

हालाँकि, परमाणु ऊर्जा के समर्थकों का कहना है कि हम सभी नियमित रूप से विभिन्न स्रोतों से विकिरण के संपर्क में आते हैं, जिसमें कॉस्मिक किरणें और पृथ्वी द्वारा उत्सर्जित प्राकृतिक विकिरण शामिल हैं। औसत वार्षिक विकिरण खुराक लगभग 6.2 मिलीसीवर्ट (mSv) है, इसका आधा हिस्सा प्राकृतिक स्रोतों से और आधा मानव निर्मित स्रोतों से होता है, जिसमें छाती के एक्स-रे, स्मोक डिटेक्टर और चमकदार घड़ी डायल शामिल हैं। परमाणु रिएक्टरों से हमें कितना विकिरण प्राप्त होता है? हमारे सामान्य वार्षिक एक्सपोज़र के एक प्रतिशत का केवल एक छोटा सा अंश 0.0001 mSv है।

जबकि सभी परमाणु संयंत्र अनिवार्य रूप से थोड़ी मात्रा में विकिरण का रिसाव करते हैं, नियामक आयोग संयंत्र संचालकों को कठोर आवश्यकताओं का पालन करते हैं। वे संयंत्र के आसपास रहने वाले लोगों को प्रति वर्ष 1 mSv से अधिक विकिरण के संपर्क में नहीं ला सकते हैं, और संयंत्र में श्रमिकों के लिए प्रति वर्ष 50 mSv की सीमा होती है। यह बहुत कुछ लग सकता है, लेकिन परमाणु नियामक आयोग के अनुसार, इस बात का कोई चिकित्सीय प्रमाण नहीं है कि 100 mSv से कम की वार्षिक विकिरण खुराक मानव स्वास्थ्य के लिए कोई खतरा पैदा करती है।

लेकिन यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हर कोई विकिरण जोखिमों के इस आत्मसंतुष्ट मूल्यांकन से सहमत नहीं है। उदाहरण के लिए, परमाणु उद्योग के लंबे समय से आलोचक रहे फिजिशियन फॉर सोशल रिस्पॉन्सिबिलिटी ने जर्मन परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के आसपास रहने वाले बच्चों का अध्ययन किया। अध्ययन में पाया गया कि परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से दूर रहने वाले लोगों की तुलना में संयंत्रों के 5 किमी के दायरे में रहने वाले लोगों में ल्यूकेमिया होने का खतरा दोगुना था।

परमाणु रिएक्टर अपशिष्ट

परमाणु ऊर्जा को इसके समर्थकों द्वारा "स्वच्छ" ऊर्जा के रूप में प्रचारित किया जाता है क्योंकि कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों की तुलना में रिएक्टर वायुमंडल में बड़ी मात्रा में ग्रीनहाउस गैसों का उत्सर्जन नहीं करता है। लेकिन आलोचक एक अन्य पर्यावरणीय समस्या की ओर इशारा करते हैं: परमाणु कचरा निपटान। रिएक्टरों से खर्च किया गया कुछ ईंधन अभी भी रेडियोधर्मिता जारी करता है। अन्य अनावश्यक सामग्री जिसे बचाया जाना चाहिए वह है उच्च स्तरीय रेडियोधर्मी कचरा, खर्च किए गए ईंधन के पुनर्संसाधन से प्राप्त एक तरल अवशेष, जिसमें कुछ यूरेनियम रहता है। अभी, इस कचरे का अधिकांश हिस्सा पानी के तालाबों में परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में स्थानीय रूप से संग्रहीत किया जाता है, जो खर्च किए गए ईंधन द्वारा उत्पादित शेष गर्मी को अवशोषित करते हैं और श्रमिकों को विकिरण जोखिम से बचाने में मदद करते हैं।

खर्च किए गए परमाणु ईंधन के साथ समस्याओं में से एक यह है कि इसे विखंडन प्रक्रिया द्वारा बदल दिया गया है, जब बड़े यूरेनियम परमाणु विभाजित होते हैं, तो वे उपोत्पाद बनाते हैं - सीज़ियम-137 और स्ट्रोंटियम-90 जैसे कई हल्के तत्वों के रेडियोधर्मी आइसोटोप। विखंडन उत्पाद. वे गर्म और अत्यधिक रेडियोधर्मी होते हैं, लेकिन अंततः, 30 वर्षों की अवधि में, वे कम खतरनाक रूपों में विघटित हो जाते हैं। यह काल उनके लिए कहा गया है पीअवधिओमहाफ लाइफ. अन्य रेडियोधर्मी तत्वों का आधा जीवन अलग-अलग होगा। इसके अलावा, कुछ यूरेनियम परमाणु भी न्यूट्रॉन पर कब्जा कर लेते हैं, जिससे प्लूटोनियम जैसे भारी तत्व बनते हैं। ये ट्रांसयूरेनियम तत्व विखंडन उत्पादों जितनी अधिक गर्मी या मर्मज्ञ विकिरण पैदा नहीं करते हैं, लेकिन इन्हें क्षय होने में अधिक समय लगता है। उदाहरण के लिए, प्लूटोनियम-239 का आधा जीवन 24,000 वर्ष है।

इन रेडियोधर्मीइबरबाद करनाएस उच्च स्तररिएक्टर मनुष्यों और अन्य जीवन रूपों के लिए खतरनाक हैं क्योंकि वे थोड़े से जोखिम से भी विकिरण की भारी, घातक खुराक जारी कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, किसी रिएक्टर से बचा हुआ ईंधन निकालने के दस साल बाद, वे प्रति घंटे 200 गुना अधिक रेडियोधर्मिता उत्सर्जित कर रहे हैं, जितना किसी व्यक्ति को मारने में लगता है। और यदि अपशिष्ट भूजल या नदियों में चला जाता है, तो यह खाद्य श्रृंखला में प्रवेश कर सकता है और बड़ी संख्या में लोगों को खतरे में डाल सकता है।

क्योंकि कचरा इतना खतरनाक है, बहुत से लोग मुश्किल स्थिति में हैं। 60,000 टन कचरा प्रमुख शहरों के निकट परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में स्थित है। लेकिन कचरे को रखने के लिए सुरक्षित जगह ढूंढना आसान नहीं है।

परमाणु रिएक्टर में क्या गलत हो सकता है?

सरकारी नियामकों द्वारा अपने अनुभव को देखते हुए, इंजीनियरों ने पिछले कुछ वर्षों में इष्टतम सुरक्षा के लिए रिएक्टरों को डिजाइन करने में काफी समय बिताया है। बात सिर्फ इतनी है कि वे टूटते नहीं हैं, ठीक से काम करते हैं, और यदि कुछ योजना के अनुसार नहीं होता है तो उनके पास बैकअप सुरक्षा उपाय होते हैं। परिणामस्वरूप, साल-दर-साल परमाणु ऊर्जा संयंत्र हवाई यात्रा की तुलना में काफी सुरक्षित प्रतीत होते हैं, जिससे दुनिया भर में प्रति वर्ष नियमित रूप से 500 से 1,100 लोगों की मौत हो जाती है।

हालाँकि, परमाणु रिएक्टरों को बड़ी खराबी का सामना करना पड़ता है। अंतर्राष्ट्रीय परमाणु घटना पैमाने पर, जो रिएक्टर दुर्घटनाओं को 1 से 7 तक दर देता है, 1957 के बाद से पाँच दुर्घटनाएँ हुई हैं जिनकी दर 5 से 7 है।

सबसे बुरा सपना शीतलन प्रणाली की विफलता है, जिसके कारण ईंधन अधिक गर्म हो जाता है। ईंधन तरल में बदल जाता है और फिर रेडियोधर्मी विकिरण छोड़ते हुए, कंटेनर में जलता है। 1979 में, थ्री माइल आइलैंड परमाणु ऊर्जा संयंत्र (यूएसए) की यूनिट 2 इस परिदृश्य के कगार पर थी। सौभाग्य से, एक अच्छी तरह से डिजाइन की गई रोकथाम प्रणाली विकिरण को बाहर निकलने से रोकने के लिए काफी मजबूत थी।

यूएसएसआर कम भाग्यशाली था। अप्रैल 1986 में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र की चौथी बिजली इकाई में एक गंभीर परमाणु दुर्घटना हुई। यह सिस्टम की विफलताओं, डिज़ाइन की खामियों और खराब प्रशिक्षित कर्मियों के संयोजन के कारण हुआ था। एक नियमित परीक्षण के दौरान, प्रतिक्रिया अचानक तेज हो गई और नियंत्रण छड़ें जाम हो गईं, जिससे आपातकालीन शटडाउन रोक दिया गया। भाप के अचानक निर्माण के कारण दो थर्मल विस्फोट हुए, जिससे रिएक्टर का ग्रेफाइट मॉडरेटर हवा में उड़ गया। रिएक्टर की ईंधन छड़ों को ठंडा करने के लिए किसी भी चीज़ के अभाव में, वे अत्यधिक गरम होने लगीं और पूरी तरह ढहने लगीं, जिसके परिणामस्वरूप ईंधन ने तरल रूप धारण कर लिया। कई स्टेशन कर्मचारी और दुर्घटना परिसमापक की मृत्यु हो गई। 323,749 वर्ग किलोमीटर क्षेत्र में बड़ी मात्रा में विकिरण फैला। विकिरण से होने वाली मौतों की संख्या अभी भी स्पष्ट नहीं है, लेकिन विश्व स्वास्थ्य संगठन का कहना है कि इसके कारण 9,000 कैंसर मौतें हो सकती हैं।

परमाणु रिएक्टर निर्माता किसके आधार पर गारंटी प्रदान करते हैं? संभाव्य मूल्यांकनइ, जिसमें वे किसी घटना के संभावित नुकसान को उसके वास्तव में घटित होने की संभावना के साथ संतुलित करने का प्रयास करते हैं। लेकिन कुछ आलोचकों का कहना है कि उन्हें दुर्लभ, अप्रत्याशित लेकिन अत्यधिक खतरनाक घटनाओं के लिए तैयार रहना चाहिए। इसका एक उदाहरण मार्च 2011 में जापान के फुकुशिमा 1 परमाणु ऊर्जा संयंत्र में हुई दुर्घटना है। कथित तौर पर स्टेशन को एक मजबूत भूकंप का सामना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, लेकिन यह 9.0 तीव्रता के भूकंप जितना विनाशकारी नहीं था, जिसने 5.4-मीटर की लहर का सामना करने के लिए डिज़ाइन किए गए बांधों के ऊपर 14-मीटर सुनामी लहर भेजी थी। सुनामी के हमले ने बैकअप डीजल जनरेटरों को नष्ट कर दिया, जिनका उद्देश्य बिजली बंद होने की स्थिति में संयंत्र के छह रिएक्टरों की शीतलन प्रणाली को बिजली देना था, इसलिए फुकुशिमा रिएक्टरों की नियंत्रण छड़ों का विखंडन बंद होने के बाद भी, अभी भी गर्म ईंधन ने तापमान बनाए रखा नष्ट हुए रिएक्टरों के अंदर खतरनाक ढंग से वृद्धि होना।

जापानी अधिकारियों ने अंतिम उपाय का सहारा लिया - बोरिक एसिड के साथ रिएक्टरों में भारी मात्रा में समुद्री पानी भर दिया, जो एक आपदा को रोकने में सक्षम था, लेकिन रिएक्टर उपकरण को नष्ट कर दिया। आख़िरकार, फ़ायर ट्रकों और नौकाओं की मदद से, जापानी रिएक्टरों में ताज़ा पानी पंप करने में सक्षम हो गए। लेकिन तब तक, निगरानी ने आसपास की भूमि और पानी में विकिरण के खतरनाक स्तर को पहले ही दिखा दिया था। संयंत्र से 40 किमी दूर एक गाँव में, रेडियोधर्मी तत्व सीज़ियम-137 चेरनोबिल आपदा के बाद की तुलना में बहुत अधिक स्तर पर पाया गया, जिससे क्षेत्र में मानव निवास की संभावना पर संदेह पैदा हो गया।

जब जर्मन रसायनज्ञ ओटो हैन और फ्रिट्ज़ स्ट्रैसमैन पहली बार 1938 में न्यूट्रॉन विकिरण का उपयोग करके यूरेनियम नाभिक को विभाजित करने में सफल हुए, तो उन्हें अपनी खोज के पैमाने के बारे में जनता को सूचित करने की कोई जल्दी नहीं थी। इन प्रयोगों ने शांतिपूर्ण और सैन्य दोनों उद्देश्यों के लिए परमाणु ऊर्जा के उपयोग की नींव रखी।

परमाणु बम का उप-उत्पाद

ओटो हैन, जिन्होंने 1938 में अपनी मृत्यु से पहले ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी लिसे मीटनर के साथ सहयोग किया था, अच्छी तरह से जानते थे कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन - एक अजेय श्रृंखला प्रतिक्रिया - का मतलब परमाणु बम है। परमाणु हथियारों के निर्माण में जर्मनी से आगे निकलने के लिए उत्सुक संयुक्त राज्य अमेरिका ने अभूतपूर्व दायरे का एक उद्यम, मैनहट्टन परियोजना शुरू की। नेवादा रेगिस्तान में तीन शहर विकसित हुए हैं। 40,000 लोगों ने यहां गहरी गोपनीयता में काम किया, "परमाणु बम के जनक" रॉबर्ट ओपेनहाइमर के नेतृत्व में, लगभग 40 अनुसंधान संस्थान, प्रयोगशालाएं और कारखाने रिकॉर्ड समय में उभरे। प्लूटोनियम निकालने के लिए, पहला परमाणु रिएक्टर शिकागो विश्वविद्यालय के फुटबॉल स्टेडियम के स्टैंड के नीचे बनाया गया था। यहां एनरिको फर्मी के नेतृत्व में 1942 में पहली नियंत्रित आत्मनिर्भर श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू की गई थी। परिणामी गर्मी के लिए अभी तक कोई उपयोगी उपयोग नहीं पाया गया है।

परमाणु प्रतिक्रिया से विद्युत ऊर्जा

1954 में दुनिया का पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र यूएसएसआर में लॉन्च किया गया था। यह मॉस्को से लगभग 100 किमी दूर ओबनिंस्क में स्थित था और इसकी क्षमता 5 मेगावाट थी। 1956 में, पहले बड़े परमाणु रिएक्टर का संचालन अंग्रेजी शहर काल्डर हॉल में शुरू हुआ। इस परमाणु ऊर्जा संयंत्र में गैस कूलिंग थी, जो सापेक्ष परिचालन सुरक्षा सुनिश्चित करती थी। लेकिन विश्व बाजार में, 1957 में संयुक्त राज्य अमेरिका में विकसित दबावयुक्त जल-शीतलित जल-शीतलित परमाणु रिएक्टर अधिक व्यापक हो गए हैं। ऐसे स्टेशन अपेक्षाकृत कम लागत पर बनाए जा सकते हैं, लेकिन उनकी विश्वसनीयता वांछित नहीं है। यूक्रेनी परमाणु ऊर्जा संयंत्र चेरनोबिल में, रिएक्टर कोर के पिघलने से पर्यावरण में रेडियोधर्मी पदार्थों की रिहाई के साथ विस्फोट हुआ। इस आपदा के कारण हजारों लोगों की मृत्यु हो गई और गंभीर बीमारियाँ हुईं, विशेषकर यूरोप में परमाणु ऊर्जा के उपयोग के खिलाफ कई विरोध प्रदर्शन हुए।

• 1896: हेनरी बेकरेल ने यूरेनियम से रेडियोधर्मी उत्सर्जन की खोज की।
• 1919 अर्नेस्ट रदरफोर्ड कृत्रिम रूप से नाइट्रोजन परमाणुओं पर अल्फा कणों की बमबारी करके परमाणु प्रतिक्रिया करने वाले पहले व्यक्ति थे, जो ऑक्सीजन में बदल गए।
• 1932: जेम्स चैडविक ने बेरिलियम परमाणुओं पर अल्फा कण दागे और न्यूट्रॉन की खोज की।
• 19.38: ओटो हैन ने पहली बार प्रयोगशाला में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया हासिल की, जिसमें यूरेनियम नाभिक को न्यूट्रॉन के साथ विभाजित किया गया।

I. परमाणु रिएक्टर का डिज़ाइन

एक परमाणु रिएक्टर में निम्नलिखित पाँच मुख्य तत्व होते हैं:

1) परमाणु ईंधन;

2) न्यूट्रॉन मॉडरेटर;

3) नियामक प्रणाली;

4) शीतलन प्रणाली;

5) सुरक्षात्मक स्क्रीन।

1. परमाणु ईंधन.

परमाणु ईंधन ऊर्जा का एक स्रोत है। वर्तमान में तीन प्रकार की विखंडनीय सामग्री ज्ञात हैं:

ए) यूरेनियम 235, जो प्राकृतिक यूरेनियम का 0.7% या 1/140 बनाता है;

6) प्लूटोनियम 239, जो यूरेनियम 238 पर आधारित कुछ रिएक्टरों में बनता है, जो प्राकृतिक यूरेनियम का लगभग पूरा द्रव्यमान (99.3%, या 139/140 भाग) बनाता है।

न्यूट्रॉन को पकड़कर, यूरेनियम 238 नाभिक नेप्च्यूनियम नाभिक में बदल जाता है - मेंडेलीव की आवर्त सारणी का 93 वां तत्व; उत्तरार्द्ध, बदले में, प्लूटोनियम नाभिक में बदल जाता है - आवर्त सारणी का 94 वां तत्व। प्लूटोनियम को रासायनिक तरीकों से विकिरणित यूरेनियम से आसानी से निकाला जाता है और इसका उपयोग परमाणु ईंधन के रूप में किया जा सकता है;

ग) यूरेनियम 233, जो थोरियम से प्राप्त यूरेनियम का एक कृत्रिम आइसोटोप है।

यूरेनियम 235 के विपरीत, जो प्राकृतिक यूरेनियम में पाया जाता है, प्लूटोनियम 239 और यूरेनियम 233 केवल कृत्रिम रूप से प्राप्त होते हैं। इसीलिए इन्हें द्वितीयक परमाणु ईंधन कहा जाता है; ऐसे ईंधन का स्रोत यूरेनियम 238 और थोरियम 232 है।

इस प्रकार, ऊपर सूचीबद्ध सभी प्रकार के परमाणु ईंधन में यूरेनियम मुख्य है। यह सभी देशों में यूरेनियम भंडार की खोज और अन्वेषण के व्यापक दायरे की व्याख्या करता है।

कभी-कभी परमाणु रिएक्टर में निकलने वाली ऊर्जा की तुलना रासायनिक दहन प्रतिक्रिया के दौरान निकलने वाली ऊर्जा से की जाती है। हालाँकि, उनके बीच एक बुनियादी अंतर है।

यूरेनियम के विखंडन के दौरान प्राप्त गर्मी की मात्रा, उदाहरण के लिए, कोयले के दहन के दौरान प्राप्त गर्मी की मात्रा से काफी अधिक है: 1 किलो यूरेनियम 235, सिगरेट के एक पैकेट की मात्रा के बराबर, सैद्धांतिक रूप से उतनी ही ऊर्जा प्रदान कर सकता है जितनी 2600 टन कोयला.

हालाँकि, इन ऊर्जा अवसरों का पूरी तरह से दोहन नहीं किया गया है, क्योंकि सभी यूरेनियम 235 को प्राकृतिक यूरेनियम से अलग नहीं किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, 1 किलोग्राम यूरेनियम, यूरेनियम 235 के साथ इसके संवर्धन की डिग्री के आधार पर, वर्तमान में लगभग 10 टन कोयले के बराबर है। लेकिन यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि परमाणु ईंधन के उपयोग से परिवहन में सुविधा होती है और इसलिए, ईंधन की लागत में काफी कमी आती है। ब्रिटिश विशेषज्ञों ने गणना की है कि यूरेनियम को समृद्ध करके वे रिएक्टरों में उत्पन्न गर्मी को 10 गुना तक बढ़ाने में सक्षम होंगे, जो 1 टन यूरेनियम से 100 हजार टन कोयले के बराबर होगी।

परमाणु विखंडन की प्रक्रिया, जो गर्मी की रिहाई के साथ होती है, और रासायनिक दहन के बीच दूसरा अंतर यह है कि दहन प्रतिक्रिया के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, जबकि श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए केवल कुछ न्यूट्रॉन और परमाणु ईंधन के एक निश्चित द्रव्यमान की आवश्यकता होती है, बराबर क्रांतिक द्रव्यमान को, जिसे हम परमाणु बम के अनुभाग में पहले ही परिभाषित कर चुके हैं।

और अंत में, परमाणु विखंडन की अदृश्य प्रक्रिया के साथ अत्यंत हानिकारक विकिरण का उत्सर्जन होता है, जिससे सुरक्षा प्रदान की जानी चाहिए।

2. न्यूट्रॉन मॉडरेटर।

रिएक्टर में विखंडन उत्पादों के प्रसार से बचने के लिए, परमाणु ईंधन को विशेष गोले में रखा जाना चाहिए। ऐसे गोले बनाने के लिए, आप एल्यूमीनियम का उपयोग कर सकते हैं (शीतलक तापमान 200 डिग्री से अधिक नहीं होना चाहिए), या इससे भी बेहतर, बेरिलियम या ज़िरकोनियम - नई धातुएं, जिनका शुद्ध रूप में उत्पादन बड़ी कठिनाइयों से भरा होता है।

परमाणु विखंडन के दौरान उत्पन्न न्यूट्रॉन (किसी भारी तत्व के एक नाभिक के विखंडन के दौरान औसतन 2-3 न्यूट्रॉन) में एक निश्चित ऊर्जा होती है। न्यूट्रॉन द्वारा अन्य नाभिकों को विभाजित करने की संभावना सबसे अधिक होने के लिए, जिसके बिना प्रतिक्रिया आत्मनिर्भर नहीं होगी, यह आवश्यक है कि ये न्यूट्रॉन अपनी गति का कुछ हिस्सा खो दें। यह रिएक्टर में एक मॉडरेटर रखकर प्राप्त किया जाता है, जिसमें लगातार कई टकरावों के परिणामस्वरूप तेज़ न्यूट्रॉन धीमे न्यूट्रॉन में परिवर्तित हो जाते हैं। चूंकि मॉडरेटर के रूप में उपयोग किए जाने वाले पदार्थ में लगभग न्यूट्रॉन के द्रव्यमान के बराबर द्रव्यमान वाला नाभिक होना चाहिए, यानी, हल्के तत्वों के नाभिक, शुरुआत से ही भारी पानी को मॉडरेटर के रूप में उपयोग किया जाता था (डी 2 0, जहां डी ड्यूटेरियम है) , जिसने साधारण पानी में हल्के हाइड्रोजन को प्रतिस्थापित कर दिया एन 2 0)। हालाँकि, अब वे ग्रेफाइट का अधिक से अधिक उपयोग करने का प्रयास कर रहे हैं - यह सस्ता है और लगभग समान प्रभाव देता है।

स्वीडन में खरीदे गए एक टन भारी पानी की कीमत 70-80 मिलियन फ़्रैंक है। परमाणु ऊर्जा के शांतिपूर्ण उपयोग पर जिनेवा सम्मेलन में, अमेरिकियों ने घोषणा की कि वे जल्द ही 22 मिलियन फ़्रैंक प्रति टन की कीमत पर भारी पानी बेचने में सक्षम होंगे।

एक टन ग्रेफाइट की कीमत 400 हजार फ़्रैंक है, और एक टन बेरिलियम ऑक्साइड की कीमत 20 मिलियन फ़्रैंक है।

मॉडरेटर के रूप में उपयोग किया जाने वाला पदार्थ शुद्ध होना चाहिए ताकि न्यूट्रॉन के मॉडरेटर से गुजरने पर होने वाले नुकसान से बचा जा सके। दौड़ के अंत में, न्यूट्रॉन की औसत गति लगभग 2200 मीटर/सेकंड थी, जबकि उनकी प्रारंभिक गति लगभग 20 हजार किमी/सेकंड थी। रिएक्टरों में, गर्मी की रिहाई धीरे-धीरे होती है और इसे नियंत्रित किया जा सकता है, परमाणु बम के विपरीत, जहां यह तुरंत होता है और विस्फोट का रूप धारण कर लेता है।

कुछ प्रकार के तेज़ रिएक्टरों को मॉडरेटर की आवश्यकता नहीं होती है।

3. नियामक प्रणाली.

एक व्यक्ति को अपनी इच्छानुसार परमाणु प्रतिक्रिया उत्पन्न करने, नियंत्रित करने और रोकने में सक्षम होना चाहिए। यह बोरॉन स्टील या कैडमियम से बनी नियंत्रण छड़ों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है - ऐसी सामग्री जिसमें न्यूट्रॉन को अवशोषित करने की क्षमता होती है। रिएक्टर में नियंत्रण छड़ों को जिस गहराई तक उतारा जाता है, उसके आधार पर, कोर में न्यूट्रॉन की संख्या बढ़ती या घटती है, जिससे अंततः प्रक्रिया को विनियमित करना संभव हो जाता है। नियंत्रण छड़ों को सर्वोमैकेनिज्म का उपयोग करके स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है; इनमें से कुछ छड़ें खतरे की स्थिति में तुरंत कोर में गिर सकती हैं।

सबसे पहले ऐसी चिंताएँ थीं कि एक रिएक्टर विस्फोट से परमाणु बम जितनी ही क्षति होगी। यह साबित करने के लिए कि रिएक्टर विस्फोट केवल सामान्य परिस्थितियों से भिन्न परिस्थितियों में होता है और परमाणु संयंत्र के आसपास रहने वाली आबादी के लिए कोई गंभीर खतरा पैदा नहीं करता है, अमेरिकियों ने जानबूझकर एक तथाकथित "उबलते" रिएक्टर को उड़ा दिया। दरअसल, एक विस्फोट हुआ था जिसे हम "शास्त्रीय" यानी गैर-परमाणु के रूप में चिह्नित कर सकते हैं; यह एक बार फिर साबित करता है कि परमाणु रिएक्टरों को आबादी वाले क्षेत्रों के पास बिना किसी विशेष खतरे के बनाया जा सकता है।

4. शीतलन प्रणाली.

परमाणु विखंडन के दौरान, एक निश्चित ऊर्जा निकलती है, जो क्षय उत्पादों और परिणामी न्यूट्रॉन में स्थानांतरित हो जाती है। यह ऊर्जा, न्यूट्रॉन के कई टकरावों के परिणामस्वरूप, थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, इसलिए, रिएक्टर की तीव्र विफलता को रोकने के लिए, गर्मी को हटाया जाना चाहिए। रेडियोधर्मी आइसोटोप का उत्पादन करने के लिए डिज़ाइन किए गए रिएक्टरों में, इस गर्मी का उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किए गए रिएक्टरों में, इसके विपरीत, यह मुख्य उत्पाद बन जाता है। गैस या पानी का उपयोग करके ठंडा किया जा सकता है, जो विशेष ट्यूबों के माध्यम से दबाव में रिएक्टर में घूमता है और फिर हीट एक्सचेंजर में ठंडा किया जाता है। जारी गर्मी का उपयोग जनरेटर से जुड़े टरबाइन को घुमाने वाली भाप को गर्म करने के लिए किया जा सकता है; ऐसा उपकरण एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र होगा।

5. सुरक्षात्मक स्क्रीन।

रिएक्टर के बाहर उड़ने वाले न्यूट्रॉन के हानिकारक प्रभावों से बचने के लिए, और प्रतिक्रिया के दौरान उत्सर्जित गामा विकिरण से खुद को बचाने के लिए, विश्वसनीय सुरक्षा आवश्यक है। वैज्ञानिकों ने गणना की है कि 100 हजार किलोवाट की क्षमता वाला एक रिएक्टर इतनी मात्रा में रेडियोधर्मी विकिरण उत्सर्जित करता है कि उससे 100 मीटर की दूरी पर स्थित व्यक्ति इसे 2 मिनट में प्राप्त कर लेगा। घातक खुराक। रिएक्टर की सेवा करने वाले कर्मियों की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, सीसे के स्लैब के साथ विशेष कंक्रीट से दो मीटर की दीवारें बनाई गई हैं।

पहला रिएक्टर दिसंबर 1942 में इटालियन फर्मी द्वारा बनाया गया था। 1955 के अंत तक, दुनिया में लगभग 50 परमाणु रिएक्टर थे (यूएसए - 2 1, इंग्लैंड - 4, कनाडा - 2, फ्रांस - 2)। यह जोड़ा जाना चाहिए कि 1956 की शुरुआत तक, लगभग 50 और रिएक्टर अनुसंधान और औद्योगिक उद्देश्यों के लिए डिजाइन किए गए थे (यूएसए - 23, फ्रांस - 4, इंग्लैंड - 3, कनाडा - 1)।

इन रिएक्टरों के प्रकार बहुत विविध हैं, जिनमें ईंधन के रूप में ग्रेफाइट मॉडरेटर और प्राकृतिक यूरेनियम वाले धीमे न्यूट्रॉन रिएक्टरों से लेकर प्लूटोनियम से समृद्ध यूरेनियम या थोरियम से कृत्रिम रूप से उत्पादित यूरेनियम 233 का उपयोग करने वाले तेज़ न्यूट्रॉन रिएक्टरों तक ईंधन के रूप में शामिल हैं।

इन दो विरोधी प्रकारों के अलावा, रिएक्टरों की एक पूरी श्रृंखला है जो परमाणु ईंधन की संरचना, या मॉडरेटर के प्रकार, या शीतलक में एक दूसरे से भिन्न होती है।

यह ध्यान रखना बहुत महत्वपूर्ण है कि, हालांकि इस मुद्दे का सैद्धांतिक पक्ष अब सभी देशों के विशेषज्ञों द्वारा अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है, व्यावहारिक क्षेत्र में विभिन्न देश अभी तक एक ही स्तर पर नहीं पहुंचे हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका और रूस अन्य देशों से आगे हैं। यह तर्क दिया जा सकता है कि परमाणु ऊर्जा का भविष्य मुख्य रूप से प्रौद्योगिकी की प्रगति पर निर्भर करेगा।