परमाणु ऊर्जा का 'अदृश्य कवच': ज़िरकोनियम मिश्र धातुएँ श्रृंखला प्रतिक्रिया की सुरक्षा कैसे करती हैं

यदि आपके पास मोटी सुरक्षात्मक ढाल परत के माध्यम से एक दबावयुक्त जल रिएक्टर परमाणु ऊर्जा संयंत्र में प्रवेश करने का अवसर है, तो आपको रिएक्टर का हृदय, जिसे कोर के रूप में जाना जाता है, एक विशाल स्टील दबाव पोत दिखाई देगा। कोर के अंदर, हजारों पतली धातु ट्यूब, प्रत्येक तीन से चार मीटर लंबी, एक अनुशासित संरचना में व्यवस्थित होती हैं, जो उच्च {{2} तापमान, उच्च दबाव वाले पानी के भीतर चुपचाप खड़ी होती हैं। ये ट्यूब परमाणु ईंधन के लिए बाहरी आवरण के रूप में काम करते हैं: ज़िरकोनियम मिश्र धातु क्लैडिंग ट्यूब।

वे प्रकाश उत्सर्जित नहीं करते या गर्मी उत्पन्न नहीं करते, फिर भी वे संपूर्ण परमाणु प्रतिक्रिया की सबसे महत्वपूर्ण सुरक्षा जिम्मेदारी निभाते हैं। यदि परमाणु ईंधन की तुलना रिएक्टर के "हृदय" से की जाती है, तो ज़िरकोनियम मिश्र धातु का आवरण इस हृदय के चारों ओर "पेरीकार्डियम" के रूप में कार्य करता है {{1}एक पतला लेकिन मजबूत, अविनाशी अदृश्य कवच।

विशेष रूप से जिरकोनियम क्यों?

रिएक्टर क्लैडिंग सामग्री की आवश्यकताएँ वस्तुतः कठोर हैं। उन्हें एक साथ तीन विरोधाभासी विशिष्टताओं को पूरा करना होगा:

1. न्यूट्रॉन के प्रति "उदासीनता" - श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए आवश्यक कीमती न्यूट्रॉन के उपभोग से बचने के लिए थर्मल न्यूट्रॉन के लिए अवशोषण क्रॉस - अनुभाग बेहद कम होना चाहिए।

2. उच्च तापमान वाले पानी के प्रति प्रतिरोधक क्षमता - जब 300-400 डिग्री पर और उच्च दबाव में लंबे समय तक संक्षारक पानी में डुबोया जाता है, तो सतह पर कम से कम जंग लगती है या छिल जाती है।

3. विकिरण "सहिष्णुता": तीव्र न्यूट्रॉन बमबारी के तहत बिना भंगुरता या सूजन के यांत्रिक गुणों को बनाए रखता है।

पूरी आवर्त सारणी में, केवल कुछ मुट्ठी भर धातुएँ ही तीनों मानदंडों को पूरा करती हैं। मैग्नीशियम बहुत अधिक प्रतिक्रियाशील है, एल्युमीनियम में उच्च तापमान स्थिरता का अभाव है, और स्टील अत्यधिक न्यूट्रॉन अवशोषण प्रदर्शित करता है... इन उम्मीदवारों के बीच केवल ज़िरकोनियम ही बाहर खड़ा है, जो असाधारण अंतर्निहित संक्षारण प्रतिरोध और विकिरण प्रतिरोध के साथ-साथ 0.18 बेरियल (लोहे के 2.56 बेरियल और निकल के 4.5 बेरियल से काफी नीचे) का एक अल्ट्रा कम थर्मल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस {{4} सेक्शन का दावा करता है। ज़िरकोनियम मिश्र धातुओं का विकास दबावयुक्त जल रिएक्टरों के बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण मोड़ का प्रतिनिधित्व करता है; उनके बिना, आज ऊर्जा मिश्रण में परमाणु ऊर्जा की हिस्सेदारी काफी कम हो जाएगी।

ज़िरकोनियम से "कवच" में परिवर्तन

हालाँकि, शुद्ध ज़िरकोनियम बहुत नरम होता है और इसमें रिएक्टर कोर के भीतर तीव्र थर्मल विस्तार/संकुचन और जल प्रवाह प्रभावों को सीधे झेलने के लिए पर्याप्त ताकत का अभाव होता है। इसे संबोधित करने के लिए, धातुविदों ने दो समाधान विकसित किए हैं:

सबसे पहले, मिश्रधातु. ज़िरकोनियम में टिन, लोहा, क्रोमियम और निकल जैसे तत्वों की थोड़ी मात्रा मिलाने से Zr-2 और Zr-4 मिश्र धातुओं द्वारा प्रस्तुत क्लासिक सिस्टम बनता है। ये एडिटिव्स जिरकोनियम क्रिस्टल जाली में मजबूत सलाखों की तरह जुड़ जाते हैं, जिससे इसकी ताकत, रेंगने के प्रतिरोध और हाइड्रॉक्साइड संक्षारण के प्रतिरोध में काफी वृद्धि होती है। इसके बाद, फ्रांस, संयुक्त राज्य अमेरिका और रूस ने M5, ZIRLO और E110 जैसे अधिक उन्नत ग्रेड विकसित किए, जो और भी बेहतर प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं।

दूसरा, अशुद्धियों को दूर करना। प्रकृति में, ज़िरकोनियम और हेफ़नियम हमेशा जुड़वां तत्वों के रूप में सह-अस्तित्व में रहते हैं। हालाँकि, हेफ़नियम का थर्मल न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस-ज़िरकोनियम का 600 गुना है{{4}जो इसे एक वास्तविक न्यूट्रॉन "ब्लैक होल" बनाता है। नतीजतन, परमाणु {{6} ग्रेड ज़िरकोनियम की हेफ़नियम सामग्री को सख्ती से 0.01% से नीचे नियंत्रित किया जाना चाहिए, जिसके लिए एक अत्यंत जटिल विलायक निष्कर्षण पृथक्करण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है, जिसकी लागत औद्योगिक {{8} ग्रेड ज़िरकोनियम से कहीं अधिक है। इस कारण से, परमाणु ग्रेड ज़िरकोनियम का उत्पादन किसी देश के परमाणु उद्योग की आत्मनिर्भरता के प्रमुख संकेतक के रूप में कार्य करता है।

पहला सुरक्षा अवरोध

During reactor operation, the role of the cladding tubes extends far beyond merely "encasing fuel." Their integrity directly determines the boundaries of nuclear safety.

विखंडन उत्पाद रिसाव की रोकथाम: परमाणु विखंडन के दौरान उत्पन्न सीज़ियम और आयोडीन जैसे रेडियोधर्मी पदार्थ सीधे शीतलक में लीक हो सकते हैं यदि रोकथाम पोत टूट जाता है। सभी स्थापित परमाणु ऊर्जा मानकों के लिए आवश्यक है कि संपूर्ण सेवा जीवन में रोकथाम पोत विफलता दर 1 प्रति हजार से कम रहे।

गर्मी हस्तांतरण: ईंधन छर्रों द्वारा उत्पन्न पर्याप्त गर्मी को तेजी से क्लैडिंग दीवार के माध्यम से बाहरी जल प्रवाह में स्थानांतरित किया जाना चाहिए, जहां इसे टरबाइन को चलाने के लिए भाप में परिवर्तित किया जाता है। ज़िरकोनियम मिश्र धातु की उत्कृष्ट तापीय चालकता इस गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया में उच्च दक्षता सुनिश्चित करती है।

दुर्घटना सीमा पर संचालन: जल हानि दुर्घटनाओं जैसी चरम स्थितियों में, मुख्य तापमान 1200 डिग्री से ऊपर बढ़ सकता है। इस बिंदु पर, जिरकोनियम मिश्रधातु जल वाष्प के साथ तीव्र ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं से गुजरती है, जिससे हाइड्रोजन गैस उत्पन्न होती है। -यह फुकुशिमा परमाणु दुर्घटना के दौरान हाइड्रोजन विस्फोट का प्रत्यक्ष कारण था। नतीजतन, उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण दर को धीमा करने के लिए अगली पीढ़ी के ज़िरकोनियम मिश्र धातुओं को विकसित किया जा रहा है, जिससे आपातकालीन शीतलन के लिए एक महत्वपूर्ण समय खिड़की तैयार की जा रही है।