सुपरक्रिटिकल वॉटर रिएक्टर

सुपरक्रिटिकल वॉटर रिएक्टर (SCWR) एक अवधारणा जनरेशन IV रिएक्टर  है, एक हल्के जल रिएक्टर (LWR) के रूप में डिज़ाइन किया गया है जो  सुपर तरल  प्रेशर (यानी 22.1 एमपीए से अधिक) पर संचालित होता है। इस संदर्भ में क्रिटिकल शब्द पानी के  महत्वपूर्ण बिंदु (थर्मोडायनामिक्स)  को संदर्भित करता है, और परमाणु रिएक्टर की  गंभीरता (स्थिति) स्थिति) की अवधारणा के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए।

रिएक्टर कोर में गर्म किया गया पानी 374 °C के महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर एक सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ बन जाता है, तरल पानी के समान द्रव से अधिक  संतृप्त भाप  (जो भाप टरबाइन में इस्तेमाल किया जा सकता है) के समान तरल पदार्थ से संक्रमण के बिना। उबलने का विशिष्ट  चरण संक्रमण ।

इसके विपरीत, अच्छी तरह से स्थापित दाबित जल रिएक्टरों (पीडब्ल्यूआर) में उप-राजनीतिक दाब पर तरल जल का एक प्राथमिक शीतलन पाश होता है, जो रिएक्टर कोर से द्वितीयक शीतलन पाश तक ऊष्मा का परिवहन करता है, जहां बायलर  में टर्बाइनों को चलाने के लिए भाप का उत्पादन किया जाता है। (भाप जनरेटर कहा जाता है)। उबलते पानी रिएक्टर (बीडब्लूआर) रिएक्टर कोर में होने वाली भाप उत्पन्न करने के लिए उबलने की प्रक्रिया के साथ, कम दबावों पर काम करते हैं।

सुपरक्रिटिकल स्टीम जनरेटर  एक सिद्ध तकनीक है। SCWR सिस्टम के विकास को इसकी उच्च तापीय क्षमता (~45 % बनाम ~33 % वर्तमान LWRs के लिए) और सरल डिजाइन के कारण परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए एक 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 सुपर-हीटेड स्टीम कूल्ड रिएक्टरों का प्रयोग किया गया था, जैसे कि बेलोयार्स्क परमाणु ऊर्जा स्टेशन, पाथफाइंडर और  जनरल इलेक्ट्रिक  के  ऑपरेशन सनराइज (जनरल इलेक्ट्रिक)  का बोनस। कार्यक्रम। ये SCWRs नहीं हैं। SCWRs को 1990 के दशक से विकसित किया गया था। एक रिएक्टर दबाव पोत के साथ एक LWR-प्रकार SCWR और दबाव ट्यूबों के साथ एक CANDU -प्रकार SCWR दोनों विकसित किए जा रहे हैं।

2010 की एक किताब में वैचारिक डिजाइन और विश्लेषण के तरीके शामिल हैं जैसे कोर डिजाइन, प्लांट सिस्टम, प्लांट डायनेमिक्स एंड कंट्रोल, प्लांट स्टार्टअप एंड स्टेबिलिटी, सेफ्टी, तेज रिएक्टर  डिजाइन आदि। 2013 के एक दस्तावेज़ में 2015 में एक प्रोटोटाइपिकल फ्यूल्ड लूप टेस्ट के पूरा होने को देखा गया। एक ईंधन योग्यता परीक्षण 2014 में पूरा किया गया था। 2014 की एक किताब में थर्मल स्पेक्ट्रम रिएक्टर (सुपर एलडब्ल्यूआर) और एक फास्ट रिएक्टर (सुपर एफआर) के रिएक्टर वैचारिक डिजाइन और थर्मल हाइड्रोलिक्स, सामग्री और सामग्री-शीतलक इंटरैक्शन के प्रयोगात्मक परिणाम देखे गए।

मॉडरेटर-शीतलक
SCWR सुपरक्रिटिकल प्रेशर पर काम करता है। रिएक्टर आउटलेट कूलेंट सुपरक्रिटिकल द्रव है। हल्के पानी का उपयोग न्यूट्रॉन मॉडरेटर  और शीतलक के रूप में किया जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु से ऊपर, भाप और तरल एक ही घनत्व बन जाते हैं और अप्रभेद्य होते हैं, प्रेशराइज़र और स्टीम जनरेटर (दबावयुक्त पानी रिएक्टर), या  जेट पंप  / रीसर्क्युलेशन पंप, स्टीम सेपरेटर और ड्रायर ( BWR ) की आवश्यकता को समाप्त कर देते हैं। उबलने से बचने के अलावा, SCWR कम घनत्व और मध्यम प्रभाव के साथ अराजक रिक्तियों (बुलबुले) उत्पन्न नहीं करता है। एलडब्लूआर में यह गर्मी हस्तांतरण और जल प्रवाह को प्रभावित कर सकता है, और प्रतिक्रिया रिएक्टर शक्ति को भविष्यवाणी और नियंत्रण के लिए कठिन बना सकती है। बिजली वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए न्यूट्रॉनिक और थर्मल हाइड्रोलिक युग्मित गणना की आवश्यकता है। SCWR के सरलीकरण से निर्माण लागत कम होनी चाहिए और विश्वसनीयता और सुरक्षा में सुधार होना चाहिए। एक LWR प्रकार SCWR थर्मल इन्सुलेशन के साथ पानी की छड़ें अपनाता है और एक CANDU प्रकार SCWR एक कैलेंड्रिया टैंक में जल मॉडरेटर रखता है। LWR प्रकार SCWR का एक तेज़ रिएक्टर कोर एक उच्च रूपांतरण LWR के रूप में तंग ईंधन रॉड जाली को अपनाता है। तेज़ न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम SCWR 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
SCWRs में संभवतः शीर्ष के माध्यम से डाली गई नियंत्रण छड़ें होंगी, जैसा कि PWRs में किया जाता है।

सामग्री
SCWR के अंदर का तापमान LWR s की तुलना में अधिक होता है। हालांकि सुपरक्रिटिकल जीवाश्म ईंधन संयंत्रों को सामग्रियों में बहुत अनुभव है, लेकिन इसमें उच्च तापमान पर्यावरण  न्यूट्रॉन विकिरण  # सामग्रियों पर प्रभाव का संयोजन शामिल नहीं है। SCWRs 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: SCWRs और सुपरक्रिटिकल फॉसिल फायर पावर प्लांट्स जैसे वन्स-थ्रू कूलेंट साइकल में, पूरे रिएक्टर कूलेंट को संक्षेपण के बाद कम तापमान पर संसाधित किया जाता है। यह जल रसायन विज्ञान और संरचनात्मक सामग्रियों के तनाव संक्षारण क्रैकिंग के प्रबंधन में एक फायदा है। गर्म रिएक्टर शीतलक के पुनर्संचार के कारण LWRs में यह संभव नहीं है। सामग्री और जल रसायन अनुसंधान एवं विकास को एक बार में होने वाली विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए किया जाना चाहिए।
 * सुपरक्रिटिकल वॉटर रेडिओलिसिस की केमिस्ट्री (तनाव जंग को टूटने से रोकना, और न्यूट्रॉन विकिरण और उच्च तापमान के तहत संक्षारण प्रतिरोध बनाए रखना)
 * आयामी और माइक्रोस्ट्रक्चरल स्थिरता (उत्सर्जन को रोकना, सामग्री की ताकत  बनाए रखना और रेंगना प्रतिरोध भी विकिरण और उच्च तापमान के तहत)
 * सामग्री जो दोनों उच्च तापमान की स्थिति का विरोध करती है और बहुत अधिक न्यूट्रॉन को अवशोषित नहीं करती है, जो ब्रीडर रिएक्टर # ब्रीडिंग बनाम बर्नअप को प्रभावित करती है

लाभ

 * सुपरक्रिटिकल पानी में उत्कृष्ट गर्मी हस्तांतरण गुण होते हैं जो उच्च शक्ति घनत्व, एक छोटा कोर और एक छोटी रोकथाम संरचना की अनुमति देते हैं।
 * बॉयलर का उपयोग#सुपरक्रिटिकल स्टीम जनरेटर रैंकिन चक्र  अपने विशिष्ट उच्च तापमान के साथ दक्षता में सुधार करता है (वर्तमान PWR/BWRs के ~33% बनाम ~45% होगा)।
 * इस उच्च दक्षता से बेहतर ईंधन अर्थव्यवस्था और हल्का ईंधन भार होगा, क्षय ताप को कम करना # शटडाउन में पावर रिएक्टर | अवशिष्ट (क्षय) ताप।
 * SCWR को आमतौर पर एक प्रत्यक्ष चक्र के रूप में डिज़ाइन किया गया है, जिससे भाप या गर्म सुपरक्रिटिकल पानी कोर से सीधे भाप टरबाइन में उपयोग किया जाता है। यह डिजाइन को सरल बनाता है। चूंकि एक बीडब्ल्यूआर एक पीडब्लूआर की तुलना में सरल है, एक एससीडब्ल्यूआर समान विद्युत उत्पादन वाले कम-कुशल बीडब्ल्यूआर की तुलना में बहुत सरल और अधिक कॉम्पैक्ट है। प्रेशर वेसल के अंदर कोई स्टीम सेपरेटर, स्टीम ड्रायर, इंटरनल रीसर्क्युलेशन पंप या रीसर्क्युलेशन फ्लो नहीं है। डिजाइन एक 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।
 * पानी 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)।
 * एक फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर  SCWR प्रस्तावित  स्वच्छ और पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित उन्नत रिएक्टर  की तरह एक  ब्रीडर रिएक्टर  हो सकता है और लंबे समय तक रहने वाले  एक्टिनाइड  आइसोटोप को जला सकता है।
 * एक भारी पानी वाला SCWR थोरियम  (यूरेनियम से 4 गुना अधिक प्रचुर मात्रा में) से ईंधन पैदा कर सकता है। यदि पर्याप्त मॉडरेशन प्रदान किया जाता है, तो CANDU के समान यह भी अपरिष्कृत  प्राकृतिक यूरेनियम  का उपयोग कर सकता है
 * अन्य वाटर-कूल्ड रिएक्टरों की तुलना में उच्च तापमान पर प्रक्रिया गर्मी  वितरित की जा सकती है

नुकसान
हालांकि, 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 के मार्जिन के साथ मिले हैं, जिसमें प्रवाह की कुल हानि और शीतलक दुर्घटना का नुकसान शामिल है।  वन्स-थ्रू कूलेंट साइकिल के कारण कोई डबल एंडेड ब्रेक नहीं होता है। शीतलक दुर्घटना के नुकसान पर कोर को प्रेरित प्रवाह से ठंडा किया जाता है। रिएक्टर पोत के शीर्ष गुंबद में पानी की सूची एक इन-वेसल संचायक के रूप में कार्य करती है। SCWR सुरक्षा सिद्धांत कूलेंट इन्वेंट्री को बनाए रखने के लिए नहीं है, बल्कि कोर कूलेंट प्रवाह दर को बनाए रखने के लिए है।  दुर्घटनाओं पर जल स्तर की तुलना में निगरानी करना आसान है। थ्री माइल द्वीप दुर्घटना में जल स्तर सिग्नल में त्रुटि हुई और ऑपरेटरों ने ईसीसीएस को बंद कर दिया। हालाँकि, एक LWR प्रकार की डिज़ाइन, रिएक्टर प्रेशर वेसल इनर वॉल को PWR के रूप में इनलेट कूलेंट द्वारा ठंडा किया जाता है। आउटलेट कूलेंट नोजल थर्मल आस्तीन से लैस हैं। एक 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 पानी) तापमान पर काम कर सकता है। • शीतलक कोर के अंत में अपने घनत्व को बहुत कम कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप वहां अतिरिक्त मॉडरेटर लगाने की आवश्यकता होती है।
 * कम पानी की सूची (कॉम्पैक्ट प्राइमरी लूप के कारण) का अर्थ है कि क्षणिक और दुर्घटनाओं को बफर करने के लिए कम ताप क्षमता (जैसे, फीडवाटर फ्लो का नुकसान या बड़े ब्रेक लॉस-ऑफ-कूलेंट दुर्घटना) जिसके परिणामस्वरूप दुर्घटना और क्षणिक तापमान पारंपरिक धातु के लिए बहुत अधिक है आवरण।
 * 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 मुश्किल होता है।

हालाँकि, एक LWR प्रकार SCWR डिज़ाइन ईंधन असेंबलियों में BWRs 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। CANDU प्रकार SCWR के अधिकांश डिज़ाइन एक आंतरिक कैलेंड्रिया का उपयोग करते हैं, जहां फीडवाटर प्रवाह का हिस्सा 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 तहत सुपर क्रिटिकल जल रसायन पर व्यापक सामग्री विकास और अनुसंधान की आवश्यकता है।

हालाँकि, पूरे SCWR शीतलक को संघनन के बाद साफ किया जाता है। यह जल रसायन के प्रबंधन और संरचनात्मक सामग्रियों के तनाव जंग खुर  में एक फायदा है। LWRs में यह संभव नहीं है जहां गर्म शीतलक परिचालित होता है।

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

हालाँकि, अस्थिरता को BWR के रूप में शीतलक प्रवाह दर अनुपात में शक्ति द्वारा प्रबंधित किया जाता है। SCWRs में BWRs की तुलना में शीतलक घनत्व परिवर्तन छोटा होता है।

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

हालांकि, सिंगल कूलेंट फ्लो 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 शुरुआत में दशकों पुरानी सिद्ध तकनीक या इसके विकासवादी सुधारों की तुलना में कम विशेषज्ञता होगी जैसे कि पीढ़ी III + रिएक्टर ।

हालांकि, एलडब्ल्यूआर को 1950 के दशक में सबक्रिटिकल फॉसिल फायर पावर टेक्नोलॉजीज के आधार पर विकसित किया गया था। LWRs 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 30MPa तक और तापमान 630C तक के संचालन के लिए मौजूद हैं। SCWRs LWRs 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। LWR 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। SCWRs और LWRs की तुलना नवाचार गतिशीलता के संदर्भ में प्रासंगिक नहीं है। यदि  छोटा मॉड्यूलर रिएक्टर  (SMR) प्रतिस्पर्धी है, तो SCWRs का एक SMR 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  जला  की शुरुआत में प्रतिक्रियाशीलता को नियंत्रित करने के लिए  बोरिक एसिड  का उपयोग करते हैं।

हालाँकि, सकारात्मक शीतलक शून्य गुणांक के कारण SCWRs के साथ-साथ BWRs 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।

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

यह भी देखें

 * जनरेशन IV रिएक्टर
 * ब्रीडर रिएक्टर
 * कम मॉडरेशन पानी रिएक्टर, एक अवधारणा जो कुछ मायनों में समान है और अन्य में SCWR अवधारणा को ओवरलैप करती है, और जनरेशन IV प्रोग्राम के अलावा विकास के अधीन है।
 * जनरेशन III रिएक्टर
 * उन्नत उबलते पानी रिएक्टर ( ABWR )
 * आर्थिक सरलीकृत उबलता पानी रिएक्टर ( ESBWR ) (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)