अणुभट्टी बंद पडल्यावर ती खरोखर झोपलेली नसते
अणुभट्टी बंद केल्याने विखंडन शृंखला प्रतिक्रिया जवळपास तात्काळ थांबते, तरीही गाभा त्याच वेळेत थंड होत नाही. महिन्यांत किंवा वर्षांत झालेल्या कार्यामुळे तयार झालेली विखंडन उत्पादने क्षय होत राहतात आणि ऊर्जा सोडतात, जी कुठेतरी जावी लागते. बंद केल्यानंतर लगेच, ती उर्वरित उत्पादन अणुभट्टीच्या पूर्ण औष्णिक शक्तीच्या काही टक्के असते — हा छोटा भाग असला तरी व्यावसायिक प्रमाणातील प्रकल्पासाठी तो मेगावॉटमध्ये मोजला जातो. नंतर तो सेकंदांऐवजी तास आणि दिवसांत हळूहळू कमी होतो.
दशकांपासून, उद्योगाने ही उरलेली उष्णता पंप, मोटर्स, डिझेल जनरेटर आणि ग्रिड वीज वापरून व्यवस्थापित केली. ही व्यवस्था विश्वासार्हपणे कार्य करते — जोपर्यंत त्यामागील उर्जा स्रोत नाहीसे होत नाहीत. २०११ मध्ये फुकुशिमा दाइची प्रकल्पाने बाह्य वीज आणि त्याचे बॅकअप जनरेटर गमावले तेव्हा अभिसरण थांबले आणि तीन गाभे वितळले. अणु समुदायाने घेतलेला धडा असा नव्हता की यंत्रणा अविश्वासार्ह आहे, तर सक्रिय उपकरणे आणि बाह्य उर्जेवर अवलंबून असलेल्या सुरक्षा प्रणालीमध्ये एकच अयशस्वी बिंदू असतो जो बाहेरून तोडला जाऊ शकतो.
"गुरुत्वाकर्षण-चालित" सुरक्षा म्हणजे नेमके काय
निष्क्रिय सुरक्षा प्रणाली हे तर्क उलट करतात. घटक जोडण्याऐवजी ते काढून टाकतात. आर्गोन नॅशनल लॅबोरेटरीतील संशोधक अशा रचनांचे मूल्यांकन करत आहेत ज्यामध्ये अणुभट्टीत आधीपासून उपस्थित असलेली बले — गुरुत्वाकर्षण, प्लावकता आणि औष्णिक प्रसरण — गाभ्यातून शीतक द्रव हीट सिंककडे नेण्याचे काम करतात.
संकल्पना वर्णन करणे प्रमाणित करण्यापेक्षा सोपे आहे. गुरुत्वाकर्षण-चालित लूपमध्ये, तापलेले शीतक आसपासच्या द्रवापेक्षा कमी घनतेचे होते आणि वर येते, त्यामागे थंड सामग्री ओढत येते. कोणताही इंपेलर फिरत नाही, कोणताही वाल्व्ह आदेशाने उघडावा लागत नाही आणि अपघात क्रमाच्या पहिल्या काही मिनिटांत ऑपरेटरला समस्या योग्यरित्या निदान करावी लागत नाही. चालक शीर्ष लूपच्या गरम पाय आणि थंड पाय यांमधील उंचीच्या फरकातून येते, याचा अर्थ प्रकल्पाची भूमिती स्वतःच एक सुरक्षा वैशिष्ट्य बनते.
या संकल्पनेतील भिन्नता म्हणजे नैसर्गिक-अभिसरण लूप, जिथे शीतक गाभा आणि उंचावलेला उष्णता विनिमयक किंवा टाकी यांमध्ये फिरते; उष्णता पाइप जे कोणत्याही पंप केलेल्या प्रवाहाशिवाय टप्पा बदलाने ऊर्जा हलवतात; आणि मोठे औष्णिक वस्तुमान जसे तलाव किंवा ग्रेफाइट ब्लॉक्स जे उष्णता इतक्या वेळेपर्यंत शोषून घेतात की हळू प्रक्रिया ताबा घेऊ शकतात.
भौतिकशास्त्र: प्लावकता पुरेशी का आहे — आणि ती कुठे नाही
नैसर्गिक अभिसरण हे विचित्र नाही. हेच यंत्रणा हवामान चालवते आणि स्टोव्हवर पाण्याचे भांडे मिसळत ठेवते. अणुभट्टीत मात्र चुकीची मर्यादा अरुंद असते. प्लावकता टिकवू शकणारा प्रवाह दर लूपमधील घनता फरक, त्या लूपची उंची आणि द्रवाला मार्गात येणारे दाब नुकसान यांवर अवलंबून असतो. पाइप घर्षण, वाकणे आणि इंधन पिनांमधील अरुंद मार्ग हे सर्व गतीला प्रतिकार करतात.
म्हणूनच डिझाइनर कमी शक्ती आणि कमी दाबावर काय होते याकडे तीव्र लक्ष देतात, जेव्हा घनता विरोधाभास सर्वात कमजोर असतो आणि लूपमध्ये सर्वात कमी चालक बल असते. ते औष्णिक स्तरीकरणाकडेही लक्ष ठेवतात, म्हणजे गरम द्रव अभिसरण करण्याऐवजी स्थिर थरात बसण्याची प्रवृत्ती, आणि विशिष्ट परिस्थितीत लूप पूर्णपणे थांबू शकतो या शक्यतेकडे. १००% शक्तीवर उत्तम कार्य करणारी पण थंड, कमी दाबाच्या शीतकरणादरम्यान थांबणारी निष्क्रिय प्रणाली ही सुरक्षा प्रणालीच नाही.
प्रगत अणुभट्ट्या समस्या का कठीण करतात
पुढील पिढीच्या अणुभट्ट्या गेल्या साठ वर्षांतील हलक्या-पाण्याच्या रचनांची पुनरावृत्ती करत नाहीत, आणि त्यामुळे क्षय उष्णतेची समस्या अशा प्रकारे बदलते ज्यासाठी नवीन विश्लेषण आवश्यक आहे:
- वेगवेगळे शीतक. द्रव धातू, वितळलेले क्षार आणि हेलियम वायू यांचे औष्णिक गुणधर्म पाण्यापेक्षा खूप वेगळे असतात, ज्यामुळे इंधनापासून उष्णता किती लवकर काढता येते आणि दिलेल्या तापमान फरकातून किती प्लावकता निर्माण होते हे बदलते.
- उच्च शक्ती घनता. संक्षिप्त गाभे कमी आकारात अधिक ऊर्जा ठेवतात, याचा अर्थ शीतकरणाची कोणतीही हानी वेगाने वाढते.
- उच्च तापमान. प्रगत रचना बऱ्याचदा कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी किंवा औद्योगिक उष्णता अनुप्रयोग सक्षम करण्यासाठी अधिक गरम चालतात, ज्यामुळे सामान्य कार्य आणि सामग्री मर्यादा यांमधील खिडकी अरुंद होते.
- नवीन भूमिती. प्राथमिक लूप एकाच पात्रात ठेवणार्या अविभाज्य रचना, किंवा तलाव-प्रकारच्या मांडणी, उष्णता प्रवासासाठी नवीन मार्ग आणि परिचित प्लंबिंगपुरते मर्यादित नसताना प्रवाह कसा वागतो याबद्दल नवीन प्रश्न निर्माण करतात.
- लहान, कारखान्यात बनवलेली युनिट्स. अनेक प्रगत संकल्पना मॉड्यूलर उत्पादन आणि दूरस्थ स्थानासाठी डिझाइन केल्या आहेत, ज्यामुळे मोठ्या, सुसज्ज ग्रिड कनेक्शनवर अवलंबून नसलेल्या सुरक्षेचे मूल्य वाढते.
धातू वाकवण्यापूर्वी मॉडेलिंग
निष्क्रिय क्षय उष्णता काढण्याचे मूल्यांकन मूलत: सिम्युलेशन-चालित व्यायाम आहे, आणि आर्गोनसारखी संस्था तिथेच सर्वात थेट योगदान देते. विक्रेत्याने भौतिक रचनेला वचन देण्यापूर्वी, अभियंत्यांना आत्मविश्वास हवा की प्लावकता-चालित लूप त्वरित प्रवाह स्थापित करेल, स्थिर राहील आणि प्रत्येक विश्वासार्ह अपघात परिस्थितीत त्याच्या सिंकपर्यंत पुरेशी उष्णता पोहोचवेल.
कोड, सहसंबंध आणि प्रमाणीकरण
हा आत्मविश्वास तपशीलवार औष्णिक-हायड्रॉलिक मॉडेल्सना प्रायोगिक डेटाशी जोडून तयार होतो. आधुनिक सिस्टम कोड द्वि-टप्पा प्रवाह, टप्पा बदल, द्रव आणि संरचना यांमधील संयुग्म उष्णता हस्तांतरण, आणि अंतर आणि पोकळ्यांमधून उष्णतेचे विकिरण यांचे चित्रण करण्याचा प्रयत्न करतात. यातील प्रत्येक घटना साध्या गणिती उपचारांना प्रतिकार करते, म्हणून मॉडेल्स प्रयोगशाळेतील लूप आणि स्वतंत्र-परिणाम चाचण्यांमधून मिळवलेल्या अनुभवजन्य सहसंबंधांवर अवलंबून असतात.
कठीण भाग म्हणजे प्रमाण. बेंच-स्केल प्रयोग नैसर्गिक अभिसरण अंदाजानुसार सुरू होते हे दाखवू शकतो, तरीही पूर्ण-उंची, पूर्ण-दाब सुविधेत तेच भौतिकशास्त्र वेगळे वागू शकते कारण प्लावकता उभ्या अंतरावर अवलंबून असते. स्केलिंग नियम हे अंतर कमी करण्यास मदत करतात, पण ते तेव्हाच कार्य करतात जेव्हा अंतर्निहित घटना आधीच योग्यरित्या ओळखल्या गेल्या असतील. म्हणूनच वास्तविक हार्डवेअरविरुद्ध प्रमाणीकरण हा कोणत्याही निष्क्रिय सुरक्षा दाव्याचा अंतिम आधारस्तंभ राहतो.
खुली प्रश्ने आणि परवाना देण्याचा लांबचा मार्ग
स्विच नसलेल्या प्रणालींसाठी नियामकांसमोर एक अवघड समस्या असते. पारंपरिक परवाना तर्क विचारतो की सुरक्षा घटक आदेश दिल्यावर सुरू होईल का. गुरुत्वाकर्षण-चालित प्रणालीला कधीच आदेश दिला जात नाही; ती फक्त प्रतिसाद देते. त्यामुळे विश्लेषणाकडे हे सिद्ध करण्याकडे वळते की काहीही — मलबा, वायू बंधन, गोठणे, स्तरीकरण, किंवा अनपेक्षित बायपास मार्ग — गरज पडल्यावर लूपला त्याचे काम करण्यापासून रोखू शकत नाही.
अभियंते आणि पुनरावलोकनकर्त्यांनी ठरवावयाच्या प्रश्नांमध्ये: सक्रिय उपाय किंवा नैसर्गिक शीतकरण ताबा घेण्यापूर्वी निष्क्रिय शीतकरण किती काळ टिकवावे लागते? प्रकल्पाच्या आयुष्यातील वर्षांनंतर, गंज किंवा निक्षेपणामुळे पृष्ठभाग बदलल्यानंतर प्रणालीची गरज पडल्यास काय होते? खरोखर निष्क्रिय प्रणाली अनिश्चित काळ निष्क्रिय राहू शकते हे लक्षात घेता, कार्यादरम्यान कार्यक्षमता कशी सत्यापित करावी? यातील प्रत्येक भौतिकशास्त्र, सामग्री विज्ञान आणि नियामक प्रथेच्या छेदनबिंदूवर आहे.
प्रकल्पाच्या कुंपणापलीकडे निष्क्रिय सुरक्षा काय देते
धोका अणुभट्टी पात्राच्या पलीकडे खूप पसरतो. ज्या रचनेचे क्षय उष्णता काढणे गुरुत्वाकर्षण आणि साठवलेल्या औष्णिक वस्तुमानावर अवलंबून असते ती बाहेरून अक्षम करणे कठीण, कमी आपत्कालीन नियोजन पायाभूत सुविधा आवश्यक, आणि व्यवस्थापनीय घटनेचे आपत्तीत रूपांतर करणार्या साखळी ग्रिड अयशस्वीतेसाठी कमी असुरक्षित असते. दूरस्थ औद्योगिक स्थळे, खाण कार्ये, किंवा कमजोर प्रसारण नेटवर्क असलेल्या प्रदेशांसाठी प्रस्तावित प्रगत अणुभट्ट्यांसाठी, हे स्वातंत्र्य इंधन कार्यक्षमतेतील कोणत्याही किरकोळ वाढीपेक्षा अधिक महत्त्वाचे असू शकते.
यापैकी काहीही निष्क्रिय प्रणालींना सर्व-उपचार बनवत नाही. त्यांना अजूनही काळजीपूर्वक अभियांत्रिकी, कठोर चाचणी आणि त्यांच्या मर्यादांचे प्रामाणिक हिशेब आवश्यक आहेत. पण ते एक खरा तात्विक बदल दर्शवतात: आपत्तीला यंत्रणा किती लवकर प्रतिसाद देऊ शकते हे विचारण्याऐवजी, संशोधक अशी अणुभट्टी कशी डिझाइन करावी हे विचारत आहेत जिला प्रतिसाद देण्यासाठी यंत्रणा कधीच लागत नाही. आर्गोनचे मूल्यांकन कार्य या बदलाच्या अगदी मध्यभागी आहे, एक आकर्षक कल्पना संख्या, सहसंबंध आणि नियामक तपासू शकेल अशा पुराव्यात रूपांतरित करत आहे.
हा लेख Interesting Engineering च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.
Originally published on interestingengineering.com
