17.2: परमाणु ऊर्जा के साथ बिजली उत्पन्न करना

परमाणु ईंधन चक्र

परमाणु ईंधन का उत्पादन करने के लिए यूरेनियम अयस्क का खनन, मिल्ड और समृद्ध होना चाहिए। परमाणु ईंधन चक्र निर्माण से लेकर निपटान (आंकड़ा\(\PageIndex{a}\)) तक परमाणु ईंधन की प्रगति को दर्शाता है। परमाणु ईंधन चक्र का पहला चरण यूरेनियम रिकवरी है, जिसमें यूरेनियम अयस्क का खनन किया जाता है। फिर इसे येलोकेक (यूरेनियम अयस्क कॉन्सेंट्रेट/यूरेनियम ऑक्साइड/यू ₃ ओ ₈) का उत्पादन करने के लिए मिल्ड किया जाता है। मिलिंग यूरेनियम को अयस्क के अन्य हिस्सों से अलग करती है। प्रत्येक टन खनन किए गए यूरेनियम अयस्क में आमतौर पर 1-4 पाउंड येलोकेक (0.05% से 0.20% येलोकेक) का उत्पादन होता है। इसके बाद, यूरेनियम अयस्क सांद्रता को यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड (UF ₆) में बदल दिया जाता है। फिर इसे ²³⁸ U के सापेक्ष यूरेनियम -235 (²³⁵ U) की सांद्रता बढ़ाने के लिए समृद्ध किया जाता है, ईंधन निर्माण के दौरान, प्राकृतिक और समृद्ध UF ₆ को ईंधन के रूप में उपयोग करने के लिए यूरेनियम डाइऑक्साइड (UO ₂) या यूरेनियम धातु मिश्र धातुओं में परिवर्तित किया जाता है परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए। इस प्रक्रिया में उत्पन्न ईंधन की छड़ और अन्य खतरनाक कचरे के निपटान पर परमाणु ऊर्जा के परिणामों में चर्चा की गई है।

चित्र\(\PageIndex{a}\): परमाणु ईंधन चक्र प्राकृतिक यूरेनियम की वसूली (खनन) के साथ शुरू होता है, इसके बाद मिलिंग, रूपांतरण और संवर्धन होता है। समृद्ध यूरेनियम तब ईंधन निर्माण से गुजरता है, जिससे यूरेनियम डाइऑक्साइड (UO ₂) या यूरेनियम धातु मिश्र धातु (MOX) का उत्पादन होता है। इसके बाद ईंधन बिजली संयंत्र में परमाणु रिएक्टर के पास जाता है। खर्च की गई ईंधन की छड़ें एक पूल या सूखे कास्क में संग्रहीत की जाती हैं, संभावित रूप से पुन: संसाधित की जाती हैं, और निपटान के लिए भेजी जाती हैं। पुन: संसाधित यूरेनियम ईंधन चक्र के पहले चरणों में पुन: प्रवेश कर सकता है। संवर्द्धन के दौरान उत्पादित अपशिष्ट निपटान से पहले विखंडन से गुजरते हैं। अमेरिकी एनआरसी द्वारा छवि (सार्वजनिक डोमेन)

परमाणु रिएक्टर्स

ईंधन, जो अब बेलनाकार सिरेमिक छर्रों के रूप में है, फिर ईंधन की छड़ नामक लंबी धातु की नलियों में सील कर दिया जाता है, जिन्हें नियंत्रण छड़ के साथ रिएक्टर कोर में इकट्ठा किया जाता है। प्रत्येक ईंधन गोली, जिसकी लंबाई लगभग 1 सेमी है, एक टन कोयले के समान ऊर्जा को संग्रहीत करती है। हजारों ईंधन की छड़ें रिएक्टर कोर का निर्माण करती हैं, जो परमाणु ऊर्जा संयंत्र (आंकड़ा\(\PageIndex{b}\)) में परमाणु विखंडन की साइट है।

चित्र\(\PageIndex{b}\): परमाणु ईंधन के छर्रों वाली ईंधन की छड़ की एक असेंबली। वैकल्पिक ऊर्जा और परमाणु ऊर्जा आयोग, फ्रांस (सार्वजनिक डोमेन) द्वारा छवि

परमाणु रिएक्टर में ऊष्मा उत्पन्न होती है जब न्यूट्रॉन यूरेनियम परमाणुओं पर हमला करते हैं, जिससे वे एक सतत श्रृंखला प्रतिक्रिया में विभाजित हो जाते हैं जो ऊष्मा ऊर्जा (आंकड़ा\(\PageIndex{c}\)) छोड़ती है। विशेष रूप से, ²³⁵ U का विखंडन, अतिरिक्त न्यूट्रॉन छोड़ता है, जो तब पास के ²³⁵ U नाभिक के विखंडन का कारण बनता है। हालांकि, यदि एक साथ बहुत अधिक परमाणुओं में विखंडन होता है, तो बहुत अधिक ऊर्जा निकलती है, जिससे विस्फोट या मंदी हो सकती है। इसे नियंत्रण छड़ से रोका जाता है, जो बोरॉन जैसी सामग्री से बने होते हैं जो परमाणु विखंडन में जारी अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं। जब न्यूट्रॉन-एब्जॉर्बिंग कंट्रोल रॉड को कोर से बाहर निकाला जाता है, तो विखंडन के लिए अधिक न्यूट्रॉन उपलब्ध हो जाते हैं, और चेन रिएक्शन में तेजी आती है, जिससे अधिक गर्मी पैदा होती है। जब उन्हें कोर में डाला जाता है, तो विखंडन के लिए कम न्यूट्रॉन उपलब्ध होते हैं, और चेन रिएक्शन धीमा या रुक जाता है, जिससे उत्पन्न गर्मी कम हो जाती है।

चित्र\(\PageIndex{c}\): विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया का योजनाबद्ध आरेख। (1) एक यूरेनियम-235 परमाणु एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, और दो नए परमाणुओं (विखंडन के टुकड़े) में बदल जाता है, जिससे तीन नए न्यूट्रॉन और ऊर्जा निकलती है। (2) उन न्यूट्रॉन में से एक यूरेनियम -238 के परमाणु द्वारा अवशोषित होता है, और प्रतिक्रिया को जारी नहीं रखता है। एक और न्यूट्रॉन बस खो जाता है और किसी भी चीज से नहीं टकराता है, प्रतिक्रिया को भी जारी नहीं रखता है। हालांकि एक न्यूट्रॉन यूरेनियम -235 के परमाणु से टकराता है, जो तब दो न्यूट्रॉन और कुछ बाध्यकारी ऊर्जा को अलग करता है। (3) वे दोनों न्यूट्रॉन यूरेनियम -235 परमाणुओं से टकराते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक और तीन न्यूट्रॉन के बीच विखंडन और रिलीज होता है, इत्यादि। Fastfission (सार्वजनिक डोमेन) द्वारा छवि और कैप्शन (संशोधित)।

परमाणु रिएक्टरों (आंकड़ा\(\PageIndex{d}\)) में रिएक्टर कोर और जारी गर्मी से बिजली उत्पन्न करने के लिए आवश्यक मशीनरी शामिल हैं। रिएक्टर कोर पानी में डूबा हुआ है। ऊष्मा ऊर्जा को स्थानांतरित करने के अलावा, पानी विखंडन प्रतिक्रियाओं को बनाए रखने के लिए आवश्यक न्यूट्रॉन को धीमा या “मध्यम” करने का भी काम करता है। अंततः, ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग उच्च दबाव वाली भाप उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, जो बिजली उत्पन्न करने के लिए एक टरबाइन को बदल देता है। यह तंत्र कोयले या प्राकृतिक गैस से उत्पन्न बिजली के समान है, लेकिन कोयले के दहन के बजाय परमाणु विखंडन ऊष्मा ऊर्जा का स्रोत है।

चित्र\(\PageIndex{d}\): (1) एक परमाणु रिएक्टर में, यूरेनियम छर्रों से भरी ईंधन की छड़ें पानी में रखी जाती हैं। (2) ईंधन की छड़ के अंदर, यूरेनियम परमाणु अलग हो जाते हैं, ऊर्जा छोड़ते हैं। (3) यह ऊर्जा पानी को गर्म करती है, जिससे भाप बनती है। (4) भाप एक टरबाइन के माध्यम से चलती है, जो बिजली बनाने के लिए जनरेटर को बदल देती है। (5) कंडेंसर, भाप वापस पानी में ठंडा हो जाता है, जिसे फिर से इस्तेमाल किया जा सकता है। कुछ परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में, कूलिंग टॉवर से अतिरिक्त गर्मी निकलती है। EPA (सार्वजनिक डोमेन) द्वारा छवि और कैप्शन (संशोधित)।

परमाणु रिएक्टरों के दो मुख्य प्रकार हैं: दबाव वाले पानी के रिएक्टर और उबलते पानी के रिएक्टर।

प्रेशराइज्ड वाटर रिएक्टर

एक दबाव वाले पानी के रिएक्टर में, पानी की तीन अलग-अलग धाराएँ होती हैं: रिएक्टर कोर के संपर्क में आने वाला पानी, भाप पैदा करने वाला पानी और ठंडा पानी (आंकड़ा\(\PageIndex{e}\))। रिएक्टर कोर पानी में डूबा हुआ है, जो एक स्टील पोत के पास होता है। यह एक कंटेनमेंट स्ट्रक्चर से घिरा हुआ है। चूंकि परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया उसके आसपास के पानी को गर्म करती है, इसलिए पानी को चक्रीय धारा में पंप किया जाता है। यह गर्मी को पानी की दूसरी धारा में स्थानांतरित करता है, जो एक अलग पोत में होता है। इस दूसरी धारा को कम दबाव में रखा जाता है, जिससे पानी उबलने और भाप बन जाता है। भाप एक टरबाइन को बदल देती है, जिससे बिजली पैदा होती है। फिर भाप को ठंडे पानी की एक अलग धारा द्वारा कंडेनसर में ठंडा किया जाता है। क्योंकि रिएक्टर कोर का पानी रिएक्टर के अन्य हिस्सों के साथ नहीं मिलाता है, इसलिए सभी रिएक्टर रेडियोधर्मी नहीं होते हैं।

चित्र\(\PageIndex{e}\): एक दबाव वाले पानी के रिएक्टर में पानी की तीन अलग-अलग धाराएँ होती हैं। पहली धारा रिएक्टर दबाव पोत में रिएक्टर कोर से जुड़ी है। दूसरी धारा भाप जनरेटर से जुड़ी है। तीसरी धारा बाहरी स्रोत से होती है और इसका उपयोग भाप को गाढ़ा करने के लिए किया जाता है। रिएक्टर प्रेशर वेसल में कंट्रोल रॉड और ईंधन की छड़ें (लेबल नहीं लगाई गई) होती हैं। प्रेशर टैंक पानी के दबाव को नियंत्रित करता है। रिएक्टर से गर्म पानी भाप जनरेटर में चला जाता है, जहां यह भाप का उत्पादन करने के लिए दूसरी धारा में पानी गर्म करता है। भाप जनरेटर से भाप भाप लाइन के माध्यम से चलती है और एक टरबाइन को चालू करती है, जिससे इलेक्ट्रिक जनरेटर को शक्ति मिलती है। कंडेनसर में भाप ठंडा हो जाती है, और ठंडा पानी फिर भाप जनरेटर में वापस पंप किया जाता है। रिएक्टर प्रेशर वेसल, प्रेशर टैंक और स्टीम जनरेटर सभी एक कंटेनमेंट स्ट्रक्चर में हैं। बाहरी स्रोत से पानी का उपयोग कंडेनसर में भाप को ठंडा करने के लिए किया जाता है। बाहरी स्रोत से पानी शंकु के आकार के कूलिंग टॉवर में ठंडा हो जाता है। परमाणु ऊर्जा कार्यालय/अमेरिकी ऊर्जा विभाग (सार्वजनिक डोमेन) द्वारा छवि।

बॉयलिंग वॉटर रिएक्टर

उबलते पानी के रिएक्टर में, पानी की दो अलग-अलग धाराएँ होती हैं: रिएक्टर कोर के संपर्क में आने वाला पानी और ठंडा पानी (आंकड़ा\(\PageIndex{f}\))। रिएक्टर कोर उस पानी को गर्म करता है जिसमें वह डूबा हुआ है। यह पानी एक स्टील पोत के पास है जो एक कंटेनमेंट स्ट्रक्चर से घिरा हुआ है। रिएक्टर कोर के पानी को गर्म करने के रूप में उत्पादित भाप एक टरबाइन को बदल देती है, जिससे बिजली उत्पन्न होती है। फिर भाप को ठंडे पानी की एक अलग धारा द्वारा कंडेनसर में ठंडा किया जाता है। क्योंकि रिएक्टर कोर का पानी रिएक्टर के सभी हिस्सों के संपर्क में आता है, इसलिए पूरी चीज रेडियोधर्मी है।

चित्र\(\PageIndex{f}\): उबलते पानी के रिएक्टर में पानी की दो धाराएँ होती हैं। पहली धारा में, वही पानी जो रिएक्टर दबाव पोत में रिएक्टर कोर को स्नान करता है और भाप में बदल जाता है और एक टरबाइन को बदल देता है। तीसरी धारा बाहरी स्रोत से होती है और इसका उपयोग भाप को गाढ़ा करने के लिए किया जाता है। रिएक्टर प्रेशर वेसल में कंट्रोल रॉड और ईंधन की छड़ें (लेबल नहीं लगाई गई) होती हैं। यह एक बड़ी रोकथाम संरचना के भीतर है। जब रिएक्टर द्वारा पानी गर्म किया जाता है, तो यह भाप में वाष्पित हो जाता है। यह स्टीम लाइन के माध्यम से चलता है और एक टरबाइन को चालू करता है, जिससे इलेक्ट्रिक जनरेटर को शक्ति मिलती है। कंडेनसर में भाप ठंडा हो जाती है, और ठंडा पानी फिर रिएक्टर प्रेशर पोत में वापस पंप किया जाता है। बाहरी स्रोत से पानी का उपयोग कंडेनसर में भाप को ठंडा करने के लिए किया जाता है। बाहरी स्रोत से पानी शंकु के आकार के कूलिंग टॉवर में ठंडा हो जाता है। परमाणु ऊर्जा कार्यालय/अमेरिकी ऊर्जा विभाग (सार्वजनिक डोमेन) द्वारा छवि।

एट्रिब्यूशन

निम्नलिखित स्रोतों से मेलिसा हा द्वारा संशोधित:

• यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया कॉलेज प्रेप (CC-BY) द्वारा एपी पर्यावरण विज्ञान से गैर-नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत। CNX पर मुफ्त में डाउनलोड करें।
• परमाणु ईंधन चक्र के चरण। 2020। यूएस एनआरसी। 01-16-2021 (सार्वजनिक डोमेन) एक्सेस किया गया।
• परमाणु व्याख्या: परमाणु ईंधन चक्र 2020। अमेरिकी ऊर्जा सूचना प्रशासन। 01-16-2021 (सार्वजनिक डोमेन) एक्सेस किया गया।