सुपरक्रिटिकल वॉटर रिएक्टर

सुपरक्रिटिकल जल रिएक्टर (एससीडब्ल्यूआर) अवधारणा जनरेशन IV रिएक्टर है, जिसे हल्के जल रिएक्टर (एलडब्ल्यूआर) के रूप में डिज़ाइन किया गया है जो सुपर तरल दबाव (अर्थात 22.1 एमपीए से अधिक) पर संचालित होता है। इस संदर्भ में महत्वपूर्ण शब्द जल के महत्वपूर्ण बिंदु (थर्मोडायनामिक्स) को संदर्भित करता है, और परमाणु रिएक्टर की क्रांतिकता की अवधारणा से भ्रमित नहीं होना चाहिए।

रिएक्टर कोर में गर्म किया गया जल 374 डिग्री सेल्सियस के महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ बन जाता है, तरल जल के समान द्रव से अधिक संतृप्त भाप (जो भाप टरबाइन में उपयोग किया जा सकता है) के समान तरल पदार्थ से संक्रमण के बिना उबले जल का विशिष्ट चरण संक्रमण होता है।

इसके विपरीत, उत्तम प्रकार से स्थापित दाबित जल रिएक्टरों (पीडब्ल्यूआर) में उप-राजनीतिक दाब पर तरल जल का प्राथमिक शीतलन बंधन होता है, जो रिएक्टर कोर से द्वितीयक शीतलन बंधन तक ऊष्मा का परिवहन करता है, जहां बायलर में टर्बाइनों को चलाने के लिए भाप का उत्पादन किया जाता है।

उबलते जल रिएक्टर (बीडब्लूआर) कोर में होने वाली भाप उत्पन्न करने के लिए उबलने की प्रक्रिया के साथ, कम दबावों पर कार्य करते हैं।

सुपरक्रिटिकल भाप जनरेटर सिद्ध तकनीक है। एससीडब्ल्यूआर प्रणाली के विकास को इसकी उच्च तापीय क्षमता (~45 % व्यय~33 % वर्तमान एलडब्ल्यूआर के लिए) और सरल डिजाइन के कारण परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए आशाजनक उन्नति माना जाता है। 2012 तक 13 देशों में 32 संगठनों द्वारा इस अवधारणा की जांच की जा रही थी।

इतिहास
सोवियत संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका में 1950 और 1960 के दशक में उप-राजनीतिक-दबाव पर चलने वाले अति-उष्मित भाप ठंडा रिएक्टरों का प्रयोग किया गया था, जैसे कि बेलोयार्स्क परमाणु ऊर्जा स्टेशन, पथ शोधक और जनरल इलेक्ट्रिक के ऑपरेशन सूर्योदय (जनरल इलेक्ट्रिक) कार्यक्रम का बोनस ये एससीडब्ल्यूआर नहीं हैं। एससीडब्ल्यूआर को 1990 के दशक से विकसित किया गया था।

रिएक्टर दबाव जलयान के साथ एलडब्ल्यूआर-प्रकार और दबाव ट्यूबों के साथ कैंडू-प्रकार एससीडब्ल्यूआर दोनों विकसित किए जा रहे हैं।

2010 की पुस्तक में वैचारिक डिजाइन और विश्लेषण की विधि सम्मिलित हैं जैसे कोर डिजाइन, प्लांट प्रणाली, प्लांट डायनेमिक्स एंड कंट्रोल, प्लांट चालू होना और स्थिरता, सुरक्षा, तीव्र रिएक्टर डिजाइन आदि।

2013 के दस्तावेज़ ने 2015 में आद्य ईंधन लूप जांच को पूर्ण रूप से प्रदर्शित किया गया। ईंधन योग्यता परीक्षण 2014 में पूर्ण किया गया था।

2014 की पुस्तक में थर्मल स्पेक्ट्रम रिएक्टर (सुपर एलडब्ल्यूआर) और तीव्र रिएक्टर (सुपर एफआर) और थर्मल हाइड्रोलिक्स, सामग्री और सामग्री-शीतलक परस्पर क्रियाओं के प्रयोगात्मक परिणामों के रिएक्टर वैचारिक डिजाइन को देखा गया।

मध्यस्थ-शीतलक
एससीडब्ल्यूआर सुपरक्रिटिकल दाब पर कार्य करता है। रिएक्टर निकासित शीतलक सुपरक्रिटिकल द्रव है। हल्के जल का उपयोग न्यूट्रॉन मॉडरेटर और शीतलक के रूप में किया जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु से ऊपर, भाप और तरल घनत्व बन जाते हैं, दाबक और भाप जनरेटर (दबावयुक्त जल रिएक्टर), या जेट पंप / पुनःपरिसंचरण पंप, भाप सेपरेटर और ड्रायर (बीडब्ल्यूआर) की आवश्यकता को समाप्त कर देते हैं। उबलने से बचने के अतिरिक्त, एससीडब्ल्यूआर अल्प घनत्व और मध्यम प्रभाव के साथ अराजक रिक्तियों (बुलबुले) को उत्पन्न नहीं करता है। एलडब्लूआर ताप हस्तांतरण और जल प्रवाह को प्रभावित कर सकता है, और प्रतिक्रिया रिएक्टर शक्ति को भविष्यवाणी और नियंत्रण के लिए कठिन बना सकती है। विद्युत वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए न्यूट्रॉनिक और थर्मल हाइड्रोलिक युग्मित गणना की आवश्यकता होती है। एससीडब्ल्यूआर सरलीकरण से निर्माण व्यय अल्प होनी चाहिए, विश्वसनीयता और सुरक्षा में सुधार होना चाहिए।

एलडब्ल्यूआर प्रकार एससीडब्ल्यूआर थर्मल इन्सुलेशन के साथ जल की छड़ें अपनाता है और एक कैंडू प्रकार एससीडब्ल्यूआर एक कैलेंड्रिया टैंक में जल मॉडरेटर रखता है। एलडब्ल्यूआर प्रकार एससीडब्ल्यूआर का एक तेज़ रिएक्टर कोर एक उच्च रूपांतरण एलडब्ल्यूआर के रूप में तंग ईंधन रॉड जाली को अपनाता है। अधिक न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम एससीडब्ल्यूआर में उच्च शक्ति घनत्व का लाभ है, लेकिन इसके लिए प्लूटोनियम और यूरेनियम मिश्रित ऑक्साइड ईंधन की आवश्यकता होती है जो पुनर्संसाधन से उपलब्ध होगा।

नियंत्रण
एससीडब्ल्यूआर में संभवतः शीर्ष के माध्यम से डाली गई नियंत्रण छड़ें होंगी, जैसा कि पीडब्ल्यूआर में किया जाता है।

सामग्री
एससीडब्ल्यूआर के अंदर का तापमान एलडब्ल्यूआर की तुलना में अधिक होता है। चूंकि सुपरक्रिटिकल जीवाश्म ईंधन संयंत्रों को सामग्रियों में अधिक अनुभव होता है, लेकिन इसमें उच्च तापमान पर्यावरण न्यूट्रॉन विकिरण सामग्रियों पर प्रभाव का संयोजन सम्मिलित नहीं होता है। एससीडब्ल्यूआर को पर्यावरण का विरोध करने के लिए मुख्य सामग्री (विशेष रूप से ईंधन आवरण (परमाणु ईंधन) की आवश्यकता होती है। आर एंड डी पर केंद्रित है: एससीडब्ल्यूआर और सुपरक्रिटिकल जीवाश्म ताप शक्ति प्लांट्स जैसे- शीतलक के माध्यम से साइकल में, पूर्ण रिएक्टर शीतलक को संक्षेपण के पश्चात अल्प तापमान पर संसाधित किया जाता है। यह जल रसायन विज्ञान और संरचनात्मक सामग्रियों के उत्तेजना संक्षारण निघृष्व के प्रबंधन में लाभ होता है। ताप रिएक्टर शीतलक के पुनर्संचार के कारण एलडब्ल्यूआर में यह संभव नहीं है। सामग्री और जल रसायन अनुसंधान एवं विकास में होने वाली विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए किया जाना चाहिए।
 * विकिरण के अंतर्गत सुपरक्रिटिकल जल की रसायन शास्त्र (उत्तेजना जंग को टूटने से रोकना, और न्यूट्रॉन विकिरण और उच्च तापमान के अंतर्गत संक्षारण प्रतिरोध बनाए रखना)।
 * आयामी और सूक्ष्म संरचनात्मक स्थिरता (उत्सर्जन को रोकना, सामग्री की सामर्थ्य बनाए रखना और धीरे-धीरे प्रतिरोध विकिरण को उच्च तापमान के अनुसार बनाए रखना)।
 * सामग्री जो दोनों उच्च तापमान की स्थिति का विरोध करती है और अधिक न्यूट्रॉन को अवशोषित नहीं करती है, जो ईंधन अर्थव्यवस्था को प्रभावित करती है।

लाभ

 * सुपरक्रिटिकल जल में उत्कृष्ट ताप हस्तांतरण गुण होते हैं जो उच्च शक्ति घनत्व, लघु कोर और लघु नियंत्रण संरचना की अनुमति देते हैं।
 * बॉयलर का उपयोग सुपरक्रिटिकल भाप जनरेटर रैंकिन चक्र अपने विशिष्ट उच्च तापमान के साथ दक्षता में सुधार करता है (वर्तमान पीडब्ल्यूआर/बीडब्ल्यूआर के ~33% के प्रति ~45% होगा)।
 * इस उच्च दक्षता से उत्तम ईंधन अर्थव्यवस्था और हल्का ईंधन भार होगा, जिससे अवशिष्ट (क्षय) ताप अल्प होगा।
 * एससीडब्ल्यूआर को सामान्यतः प्रत्यक्ष चक्र के रूप में डिज़ाइन किया गया है, जिससे भाप या ताप सुपरक्रिटिकल जल कोर से सीधे भाप टरबाइन में उपयोग किया जाता है। यह डिजाइन को सरल बनाता है। चूंकि बीडब्ल्यूआर, पीडब्लूआर की तुलना में सरल है, एससीडब्ल्यूआर समान विद्युत उत्पादन वाले अल्प-कुशल बीडब्ल्यूआर की तुलना में अधिक सरल और अधिक ठोस है। दाब बर्तन के अंदर कोई भाप सेपरेटर, भाप ड्रायर, आंतरिक पुनःपरिसंचरण पंप या पुनःपरिसंचरण प्रवाह नहीं होता है। डिजाइन बार-थ्रू, प्रत्यक्ष-चक्र है, चक्र का सबसे सरल प्रकार संभव है। छोटे कोर और इसके (प्राथमिक) कूलिंग सर्किट में संग्रहीत थर्मल और रेडियोलॉजिकल ऊर्जा भी बीडब्ल्यूआर या पीडब्लूआर की तुलना में कम होगी।
 * जल कमरे के तापमान पर तरल है, सस्ता, गैर विषैले और पारदर्शी है, निरीक्षण और मरम्मत को सरल करता है (तरल धातु से ठंडा रिएक्टरों की तुलना में)।
 * तेज़ न्यूट्रॉन रिएक्टर एससीडब्ल्यूआर प्रस्तावित स्वच्छ और पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित उन्नत रिएक्टर की तरह ब्रीडर रिएक्टर हो सकता है और लंबे समय तक रहने वाले एक्टिनाइड आइसोटोप को जला सकता है।
 * भारी जल वाला एससीडब्ल्यूआर थोरियम (यूरेनियम से 4 गुना अधिक प्रचुर मात्रा में) से ईंधन उत्पन्न कर सकता है। यदि पर्याप्त मॉडरेशन प्रदान किया जाता है, तो कैंडू के समान यह भी अपरिष्कृत प्राकृतिक यूरेनियम  का उपयोग कर सकता है
 * अन्य जल-कूल्ड रिएक्टरों की तुलना में उच्च तापमान पर प्रक्रिया गर्मी वितरित की जा सकती है

हानि
चूंकि, यह स्टेनलेस स्टील क्लैडिंग के लिए बहुत अधिक नहीं है। एलडब्ल्यूआर प्रकार एससीडब्ल्यूआर के सुरक्षा विश्लेषण से पता चला है कि सुरक्षा मानदंड दुर्घटनाओं और असामान्य क्षणिकता पर अंतर के साथ मिलते हैं, जिसमें प्रवाह की कुल हानि और शीतलक दुर्घटना की हानि सम्मिलित है।  वन्स-थ्रू कूलेंट साइकिल के कारण कोई डबल एंडेड ब्रेक नहीं होता है। शीतलक दुर्घटना के हानि पर कोर को प्रेरित प्रवाह से ठंडा किया जाता है। रिएक्टर पोत के शीर्ष गुंबद में जल की सूची एक इन-वेसल संचायक के रूप में कार्य करती है। एससीडब्ल्यूआर सुरक्षा सिद्धांत कूलेंट इन्वेंट्री को बनाए रखने के लिए नहीं है, किंतु कोर कूलेंट प्रवाह दर को बनाए रखने के लिए है।  दुर्घटनाओं पर जल स्तर की तुलना में निरीक्षण करना सरल है। थ्री माइल द्वीप दुर्घटना में जल स्तर संकेत में त्रुटि हुई और ऑपरेटरों ने ईसीसीएस को बंद कर दिया। चूंकि, एलडब्ल्यूआर प्रकार की डिज़ाइन, रिएक्टर प्रेशर वेसल इनर वॉल को पीडब्ल्यूआर के रूप में इनलेट कूलेंट द्वारा ठंडा किया जाता है। आउटलेट कूलेंट नोजल थर्मल आस्तीन से लैस हैं। दबाव-ट्यूब डिज़ाइन, जहां कोर को प्रत्येक ईंधन चैनल के लिए छोटे ट्यूबों में बांटा गया है, इसमें संभावित रूप से कम समस्याएं हैं, क्योंकि छोटे व्यास के ट्यूबिंग बड़े एकल दबाव वाले जहाजों की तुलना में बहुत पतले हो सकते हैं, और ट्यूब को अंदर से इन्सुलेट किया जा सकता है अक्रिय सिरेमिक इन्सुलेशन इसलिए यह कम (कैलेंड्रिया जल) तापमान पर काम कर सकता है।
 * कम जल की सूची (ठोस प्राथमिक बंधन के कारण) का अर्थ है कि क्षणिक और दुर्घटनाओं को बफर करने के लिए कम ताप क्षमता (जैसे, फीडजल प्रवाह की हानि या बड़े ब्रेक लॉस-ऑफ-कूलेंट दुर्घटना) जिसके परिणामस्वरूप दुर्घटना और क्षणिक तापमान पारंपरिक धातु आवरण के लिए बहुत अधिक है ।
 * उच्च तापमान के साथ संयुक्त उच्च दबाव और कोर में उच्च तापमान भी बढ़ जाता है (पीडब्ल्यूआर/बीडब्ल्यूआर की तुलना में) पोत सामग्री पर यांत्रिक और थर्मल तनाव में वृद्धि होती है जिसे हल करना कठिन होता है।

• शीतलक कोर के अंत में अपने घनत्व को बहुत कम कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप वहां अतिरिक्त मॉडरेटर लगाने की आवश्यकता होती है।

चूंकि, एलडब्ल्यूआर प्रकार एससीडब्ल्यूआर डिज़ाइन ईंधन असेंबलियों में बीडब्ल्यूआर के रूप में पानी की छड़ों को अपनाता है। पानी की छड़ों में शीतलक घनत्व पतली थर्मल इन्सुलेशन के साथ उच्च रखा जाता है, पूरी तरह से इन्सुलेट नहीं किया जाता है। कैंडू प्रकार एससीडब्ल्यूआर के अधिकांश डिज़ाइन एक आंतरिक कैलेंड्रिया का उपयोग करते हैं, जहां फीडजल प्रवाह का भाग कोर के माध्यम से शीर्ष ट्यूबों के माध्यम से निर्देशित होता है, जो उस क्षेत्र में अतिरिक्त मॉडरेशन (फीडवाटर) प्रदान करता है। इसमें फीडवाटर के साथ पूरी पोत दीवार को ठंडा करने में सक्षम होने का अतिरिक्त लाभ है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप जटिल और भौतिक रूप से मांग (उच्च तापमान, उच्च तापमान अंतर, उच्च विकिरण) आंतरिक कैलेंड्रिया और प्लेना व्यवस्था होती है। एक प्रेशर-ट्यूब डिज़ाइन में विशेषताएँ होती हैं क्योंकि अधिकांश मॉडरेटर कैलेंड्रिया में कम तापमान और दबाव पर होते हैं, मॉडरेशन पर शीतलक घनत्व प्रभाव को कम करते हैं, और कैलेंड्रिया पानी द्वारा वास्तविक दबाव ट्यूब को ठंडा रखा जा सकता है।

विकिरण के अनुसार सुपर क्रिटिकल जल रसायन पर व्यापक सामग्री विकास और अनुसंधान की आवश्यकता है।

चूंकि, पूरे एससीडब्ल्यूआर शीतलक को संघनन के बाद साफ किया जाता है। यह जल रसायन के प्रबंधन और संरचनात्मक सामग्रियों के तनाव जंग क्रैकिंग में एक लाभ है। एलडब्ल्यूआर में यह संभव नहीं है जहां गर्म शीतलक परिचालित होता है।

• जल के सुपरक्रिटिकल स्थिति में पहुंचने से पहले अस्थिरता से बचने के लिए विशेष स्टार्ट-अप प्रक्रियाओं की आवश्यकता है।

चूंकि, अस्थिरता को बीडब्ल्यूआर के रूप में शीतलक प्रवाह दर अनुपात में शक्ति द्वारा प्रबंधित किया जाता है। एससीडब्ल्यूआर में बीडब्ल्यूआर की तुलना में शीतलक घनत्व परिवर्तन छोटा होता है।

• तेज़ एससीडब्ल्यूआर को नकारात्मक शून्य गुणांक रखने के लिए अपेक्षाकृत जटिल रिएक्टर कोर की आवश्यकता होती है।

चूंकि, एकल शीतलक प्रवाह पास कोर संभव है।

• वर्तमान में व्यापक डिजाइनों के सभी विकल्पों के साथ (ज्यादातर सबक्रिटिकल वाटर कूल्ड, किसी प्रकार के वाटर मॉडरेट थर्मल रिएक्टर) तकनीक और पुर्जों के कम आपूर्तिकर्ता होंगे और कम से कम प्रारंभिक में दशकों पुरानी सिद्ध तकनीक या इसके विकासवादी सुधारों की तुलना में कम विशेषज्ञता होगी जैसे कि पीढ़ी III + रिएक्टर ।

चूंकि, एलडब्ल्यूआर को 1950 के दशक में सबक्रिटिकल फॉसिल फायर पावर टेक्नोलॉजीज के आधार पर विकसित किया गया था। एलडब्ल्यूआर की सफलता उस अनुभव पर आधारित है। 1950 के दशक के बाद सुपरक्रिटिकल फॉसिल फायर पावर प्लांट विकसित किए गए थे। वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए वाल्व, पाइपिंग, टर्बाइन, फीडवाटर पंप और हीटर जैसे टर्बाइन थ्रॉटल दबाव 30एमपीए तक और तापमान 630C तक के संचालन के लिए सम्मिलित हैं। एससीडब्ल्यूआर एलडब्ल्यूआर का प्राकृतिक विकास है। स्रोत द्वारा बिजली की लागत में अमेरिकी ऊर्जा सूचना प्रशासन (ईआईए) के बिजली की स्तरित लागत (एलसीओई) अनुमानों (2010-2020) के ऐतिहासिक सारांश से शेल गैस के कारण बिजली बाजार में एलडब्ल्यूआर की प्रतिस्पर्धा को अमेरिका में चुनौती दी जा रही है। एलडब्ल्यूआर परमाणु ऊर्जा उत्पादन के सबसे बड़े हिस्से के साथ प्रमुख डिजाइन हैं और दुनिया में नए निर्माण के लिए वर्तमान पेशकश हैं। इनोवेशन डायनेमिक्स बताते हैं कि इनोवेशन सबसे बड़े मार्केट शेयर वाली कंपनियों से नहीं आता है। एससीडब्ल्यूआर और एलडब्ल्यूआर की तुलना नवाचार गतिशीलता के संदर्भ में प्रासंगिक नहीं है। यदि छोटा मॉड्यूलर रिएक्टर (एसएमआर) प्रतिस्पर्धी है, तो एससीडब्ल्यूआर का एक एसएमआर संस्करण इसके लाभ को बढ़ाएगा।

• रासायनिक शिम अत्यधिक भिन्न व्यवहार कर सकता है क्योंकि सुपरक्रिटिकल पानी के समाधान गुण तरल पानी से बहुत भिन्न होते हैं। वर्तमान में अधिकांश दाबित जल रिएक्टर बर्नअप के प्रारम्भ  में प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए  बोरिक अम्ल का उपयोग करते हैं।

चूंकि, सकारात्मक शीतलक शून्य गुणांक के कारण एससीडब्ल्यूआर के साथ-साथ बीडब्ल्यूआर में रासायनिक शिम का उपयोग नहीं किया जा सकता है। एससीडब्ल्यूआर बीडब्ल्यूआर के समान माध्यमिक शट-डाउन के रूप में बोरेटेड पानी का उपयोग करते हैं।

• डिजाइन के आधार पर ऑनलाइन ईंधन भरना असंभव हो सकता है। जबकि कैंडू ऑनलाइन ईंधन भरने में सक्षम हैं, अन्य जल संचालित रिएक्टर नहीं हैं।

चूंकि, संयुक्त राज्य अमेरिका में एलडब्ल्यूआर का क्षमता कारक पहले से ही 90% से अधिक है। दबाव पोत प्रकार एससीडब्ल्यूआर को ऑनलाइन ईंधन भरने की आवश्यकता नहीं होती है।

यह भी देखें

 * जनरेशन IV रिएक्टर
 * ब्रीडर रिएक्टर
 * कम मॉडरेशन जल रिएक्टर, एक अवधारणा जो कुछ अर्थों में समान है और अन्य में एससीडब्ल्यूआर अवधारणा के लिए अतिव्यापी है, और जनरेशन IV प्रोग्राम के अतिरिक्त विकास के अधीन है।
 * जनरेशन III रिएक्टर
 * उन्नत उबलते पानी रिएक्टर (एबीडब्ल्यूआर)
 * आर्थिक सरलीकृत उबलता पानी रिएक्टर (ईएसबीडब्ल्यूआर) (पीढ़ी III+)

संदर्भ

 * INL SCWR page
 * INL presentation
 * INL Progress Report for the FY-03 Generation-IV R&D Activities for the Development of the SCWR in the U.S.
 * Generation IV International Forum SCWR website.
 * INL SCWR workshop summary

बाहरी कड़ियाँ

 * Idaho National Laboratory Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR) Fact Sheet
 * UW presentation: SCWR Fuel Rod Design Requirements (PowerPoint presentation).
 * ANL SCWR Stability Analysis (PowerPoint presentation).
 * INL ADVANCED REACTOR, FUEL CYCLE,AND ENERGY PRODUCTS WORKSHOP FOR UNIVERSITIES (PDF).
 * Natural circulation in water cooled nuclear power plants (IAEA-TECDOC-1474)