स्वदेशी निर्धारक (Deterministic) कंप्यूटर कोड प्रणालियों का उपयोग करते हुए केके VVER-1000 रिएक्टरों के लिए प्रारंभिक ईंधन लोडिंग, प्रथम क्रिटिकलिटी की ओर पहला चरण (First Approach to Criticality), फेज-B के निम्न-शक्ति भौतिकी प्रयोग तथा विभिन्न शक्ति स्तरों पर फेज-C भौतिकी प्रयोगों का सैद्धांतिक विश्लेषण किया गया। इन विश्लेषणों में निम्नलिखित शामिल हैं:

• ईंधन असेंबलियों को शुष्क अवस्था में लोड करना तथा बोरॉन डायल्यूशन द्वारा प्रथम क्रिटिकलिटी प्राप्त करने की प्रक्रिया के लिए उच्च बोरॉन सामग्री वाले मॉडरेटर से भराव।

• नियंत्रण संरक्षण प्रणाली (Control Protection System) के अवशोषक रॉड्स का व्यक्तिगत, समूह-वार तथा समेकित वर्थ, साथ ही आपातकालीन संरक्षण प्रणाली (Emergency Protection System) का वर्थ।

• शक्ति वितरण, बोरॉन के फलन के रूप में अभिक्रियाशीलता का तापमान गुणांक, तथा बोरिक अम्ल का अभिक्रियाशीलता गुणांक आदि।

VVER-1000 रिएक्टर सामान्यतः हॉट ज़ीरो पावर (HZP) अवस्था में मॉडरेटर से घुलनशील बोरॉन हटाकर क्रिटिकल अवस्था प्राप्त करते हैं। इस निम्न शक्ति स्तर पर अभिक्रियाशीलता फीडबैक सबसे कम प्रभावी होते हैं, इसलिए स्टार्ट-अप के दौरान होने वाली रिएक्टिविटी इनिशिएटेड एक्सीडेंट (RIA) घटनाएँ अत्यंत गंभीर हो सकती हैं। इसी को ध्यान में रखते हुए, केके VVER-1000 रिएक्टरों में HZP अवस्था पर रिएक्टिविटी इन्सर्शन ट्रांज़िएंट्स (RIT) का अध्ययन किया गया। HZP पर RIT विश्लेषण के लिए नियंत्रण संरक्षण एवं प्रणाली अवशोषक रॉड्स (CPSARs) के एकल तथा संपूर्ण कार्यशील समूह (ग्रुप-10) के बाहर निकलने (ejection) और वापस खींचे जाने (withdrawal) से उत्पन्न रिएक्टिविटी इन्सर्शन पर विचार किया गया। यह विश्लेषण अत्याधुनिक, स्वदेशी रूप से विकसित 3-D स्पेस-टाइम काइनेटिक्स कोड का उपयोग करके किया गया।

भारत में विभिन्न आधुनिक लाइट वाटर रिएक्टरों (LWR) की तैनाती की वर्तमान योजनाओं को देखते हुए, आधुनिक LWRs के डिजाइन विश्लेषण हेतु संगणनात्मक उपकरणों का सत्यापन अत्यंत महत्वपूर्ण हो गया है। बेहतर समझ प्राप्त करने के उद्देश्य से, जापान एटॉमिक एनर्जी रिसर्च इंस्टीट्यूट (JAERI) द्वारा प्रस्तावित बेंचमार्क समस्या-संग्रह का विश्लेषण किया गया, जो अगली पीढ़ी के LWR ईंधनों के रिएक्टर भौतिकी अध्ययन के लिए विकसित किया गया है। प्रस्तावित LWR ईंधनों का संवर्धन (enrichment) पारंपरिक ईंधनों की तुलना में अधिक है तथा डिस्चार्ज बर्नअप लक्ष्य लगभग 70 GWd/t है। उच्च ईंधन बर्नअप स्थितियों में कोर के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए PWR के यूरेनियम ऑक्साइड तथा मिश्रित ऑक्साइड (MOX) ईंधन पिन-सेल मॉडलों का सिमुलेशन किया गया।

उन्नत LWR रिएक्टर भौतिकी सुरक्षा मूल्यांकन के लिए आवश्यक विशेषज्ञता स्थापित करने के उद्देश्य से, SRI में एक सामान्य यूरोपीय प्रेशराइज़्ड वाटर रिएक्टर (EPR) के स्थिर अवस्था कोर न्यूट्रॉनिक्स विश्लेषण का कार्य किया गया है। इस अध्ययन में उन्नत लैटिस बर्नअप कोड का उपयोग करते हुए EPR के लैटिस-स्तरीय गणनाएँ शामिल हैं। अध्ययन के अंतर्गत कोर भौतिकी के महत्वपूर्ण मानदंडों—जैसे विभिन्न रिएक्टर अवस्थाओं के लिए प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन गुणांक (K_eff), नियंत्रण एवं शटडाउन बैंकों का वर्थ, तथा विलंबित न्यूट्रॉन अंश—की गणना की गई है।

परमाणु विद्युत उत्पादन के दौरान अत्यधिक रेडियोटॉक्सिक उप-उत्पाद, जैसे माइनर एक्टिनाइड्स, उत्पन्न होते हैं, जो प्रयुक्त ईंधन भंडारण या पुनःप्रसंस्करण संयंत्रों में बड़ी मात्रा में संचित हो जाते हैं। इन माइनर एक्टिनाइड्स से दीर्घकालिक रेडियोटॉक्सिसिटी के जोखिम को कम करने के लिए, दीर्घायु माइनर एक्टिनाइड्स को अल्पायु अथवा स्थिर प्रजातियों में रूपांतरित (Transmutation) करने हेतु सैद्धांतिक एवं प्रायोगिक अध्ययन किए जा रहे हैं। उदाहरण के तौर पर, प्रयुक्त परमाणु रिएक्टर ईंधन में रेडियोटॉक्सिसिटी के प्रमुख योगदानकर्ताओं में से एक Am-241 के ट्रांस्म्यूटेशन गुणधर्मों का विश्लेषण थर्मल तथा फास्ट रिएक्टर न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रा दोनों में किया गया है, और प्रभावी ट्रांस्म्यूटेशन के लिए फास्ट न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम की श्रेष्ठता स्थापित की गई है।

मोंटे कार्लो (MC) न्यूट्रॉनिक्स कोड के साथ युग्मित ईंधन क्षय (Fuel Depletion) गणनाएँ जटिल ज्यामितियों का सटीक मॉडलन करने तथा विभिन्न न्यूक्लाइड इन्वेंट्री का बेहतर आकलन करने की क्षमता के कारण विशेष महत्व प्राप्त कर रही हैं। इसी को ध्यान में रखते हुए, एक संगणनात्मक मॉड्यूल विकसित किया गया है, जो मौजूदा MC आधारित न्यूट्रॉनिक्स कोड को ORIGEN प्रकार के परमाणु ईंधन बर्नअप कोड के साथ संयोजित करके समय-निर्भर बर्नअप गणनाएँ करता है।

न्यूट्रॉनिक्स कोड रिएक्टर कोर के विभिन्न क्षेत्रों के लिए न्यूट्रॉन फ्लक्स तथा प्रभावी एक-समूह (1G) क्रॉस-सेक्शन प्रदान करने में सक्षम है, जिन्हें ईंधन बर्नअप कोड के लिए इनपुट के रूप में उपयोग किया जाता है। इसके पश्चात ईंधन बर्नअप कोड कोर के प्रत्येक निर्दिष्ट क्षेत्र के लिए बहु-न्यूक्लाइड क्षय (depletion) गणनाएँ करता है और अगली मोंटे कार्लो (MC) सिमुलेशनों के लिए पदार्थ संरचनाएँ प्रदान करता है। इस प्रकार की युग्मन (coupling) योजना का उपयोग करके, किसी भी प्रकार की रिएक्टर ज्यामिति के लिए बर्नअप-निर्भर अध्ययनों को उच्च सटीकता के साथ किया जा सकता है।

शील्ड संरचनाओं में मौजूद असमानताएँ (In-homogeneities) उल्लेखनीय मात्रा में विकिरण रिसाव (स्ट्रीमिंग) का कारण बनती हैं, जिससे सुलभ क्षेत्रों में विकिरण स्तर बढ़ जाता है। शील्ड में उपस्थित डक्ट्स और रिक्त स्थान (voids) जैसी असमानताओं के माध्यम से विकिरण के प्रसार के कारण उत्पन्न स्ट्रीमिंग विकिरण डोज़ का मूल्यांकन और परिमाणीकरण करना अत्यंत कठिन होता है, क्योंकि शील्ड संरचनाएँ जटिल होती हैं और सभी प्रकार की शील्डिंग समस्याओं के समाधान हेतु कोई सामान्य दृष्टिकोण या उपयुक्त अनुभवजन्य सूत्र उपलब्ध नहीं है। इन उद्देश्यों को ध्यान में रखते हुए, बल्क शील्ड्स में विद्यमान विभिन्न असमानताओं का अनुकरण करते हुए प्रोटोटाइप गामा एवं न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग प्रयोग किए गए हैं।

(i) गामा स्ट्रीमिंग प्रयोग

गामा विकिरण स्ट्रीमिंग प्रयोग एक ऐसी व्यवस्था का उपयोग करके किए गए, जिसमें 80 सेमी × 80 सेमी × 50 सेमी आयामों का एक स्टेनलेस स्टील बॉक्स शामिल था, जिसे शील्डिंग सामग्री के रूप में रेत से भरा गया था, तथा एक Co-60 गामा स्रोत का उपयोग किया गया। अध्ययन के लिए रेत शील्डिंग सामग्री में असमानताओं (इन-होमोजेनेटीज़) के रूप में सीधे खोखले बेलनाकार, वलयाकार (ऐन्यूलर) तथा समकोणीय Z-आकार के डक्ट्स का उपयोग किया गया। इन डक्ट्स के माध्यम से होने वाली गामा विकिरण स्ट्रीमिंग का मापन NaI(Tl) आधारित हैंड-हेल्ड गामा स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा किया गया। नीचे दिए गए चित्र प्रायोगिक व्यवस्था तथा इस अध्ययन से प्राप्त कुछ प्रतिनिधि परिणामों को दर्शाते हैं।

प्रायोगिक व्यवस्था का योजनात्मक आरेख

सीधा खोखला बेलनाकार डक्ट सीधा वलयाकार (ऐन्यूलर) बेलनाकार डक्ट (R_in = 2.9 सेमी) सीधा वलयाकार (ऐन्यूलर) बेलनाकार डक्ट (R_in = 1.7 सेमी)

(ii) न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग प्रयोग

IGCAR की प्रस्तावित त्वरक (एक्सेलरेटर) सुविधा में न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग प्रयोग किए गए। एक्सेलरेटर हॉल में शीतलन चैनलों, विद्युत तथा नियंत्रण केबलों को नियंत्रण कक्ष तक बिछाने के लिए कुछ खाइयाँ (trenches) बनी हुई हैं। न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग प्रयोग इनमें से एक खाई में किए गए, जहाँ एक मानक Am–Be न्यूट्रॉन स्रोत को खाई के प्रवेश बिंदु पर रखा गया। प्रायोगिक व्यवस्था का एक चित्रात्मक दृश्य आकृति में दर्शाया गया है। खाई के प्रवेश एवं निकास छोर सहित, खाई के साथ-साथ पाँच स्थानों पर डोज़ दरों का मापन किया गया। न्यूट्रॉन डोज़ दर मापने के लिए न्यूट्रॉन मॉनिटर, REM काउंटर तथा न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया गया। प्रयोगों के परिणामों की तुलना सैद्धांतिक मोंटे कार्लो सिमुलेशनों से की गई, ताकि न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग विश्लेषण कार्यप्रणाली का सत्यापन किया जा सके।

न्यूट्रॉन स्ट्रीमिंग प्रायोगिक व्यवस्था का योजनात्मक आरेख

पर्यावरण में बाह्य विकिरण एवं रेडियोधर्मिता के प्रमुख स्रोत प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले रेडियोन्यूक्लाइड्स जैसे ^40K से उत्सर्जित गामा विकिरण तथा पर्यावरणीय पदार्थों में उपस्थित यूरेनियम (^238U) और थोरियम (^232Th) के रेडियोधर्मी क्षय उत्पाद हैं। सेफ्टी रिसर्च इंस्टीट्यूट (SRI) की विकिरण भौतिकी प्रयोगशाला में उपलब्ध गामा स्पेक्ट्रोस्कोपिक उपकरण, जैसे स्किन्टिलेशन आधारित NaI(Tl) डिटेक्टर तथा हाई प्योरिटी जर्मेनियम (HPGe) डिटेक्टर, का देश के विभिन्न स्थानों से एकत्रित मिट्टी एवं तटीय तलछट नमूनों में उपस्थित रेडियोधर्मिता के मापन हेतु व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

प्रोटोटाइप फास्ट ब्रीडर रिएक्टर (PFBR) निर्माण के उन्नत चरण में है और निकट भविष्य में इसके क्रिटिकल अवस्था प्राप्त करने की अपेक्षा है। PFBR एक 500 मेगावाट विद्युत (MWe) क्षमता वाला, सोडियम-शीतित, पूल-प्रकार का, मिश्रित ऑक्साइड (MOX) ईंधन चालित रिएक्टर है। देश में स्वदेशी रूप से अभिकल्पित अपनी तरह का यह पहला रिएक्टर होने के कारण इसके महत्व को देखते हुए, SRI ने नियामक निर्णय प्रक्रिया को समर्थन प्रदान करने के उद्देश्य से PFBR के रिएक्टर भौतिकी पहलुओं के मूल्यांकन में विशेष रुचि ली है।

भारत में परमाणु विद्युत क्षमता की समग्र वृद्धि मुख्यतः फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों (FBRs) की तीव्र वृद्धि पर निर्भर करेगी। FBRs की तेज़ वृद्धि प्राप्त करने के लिए धातु ईंधन चक्र एक उपयुक्त विकल्प है, क्योंकि यह अधिक ब्रिडिंग लाभ तथा कम ईंधन द्विगुणन समय (Fuel Doubling Time) प्रदान करता है। इसी परिप्रेक्ष्य में, यूरेनियम–प्लूटोनियम–ज़िरकोनियम त्रिघटकीय मिश्र धातु ईंधन पर आधारित कई धातु ईंधन चालित फास्ट ब्रीडर रिएक्टर (MFBR) डिज़ाइनों की परिकल्पना की गई है। अनुसंधान कार्य के रूप में, विभिन्न शक्ति स्तरों एवं ईंधन संरचनाओं वाले MFBR कोरों का विश्लेषण किया गया है, ताकि पारंपरिक MOX ईंधन चालित फास्ट रिएक्टरों की तुलना में उनके भौतिकी मानदंडों तथा ब्रिडिंग व्यवहार का मूल्यांकन किया जा सके। इस अध्ययन से संबंधित अधिक विवरण SRI हाइलाइट्स (2010–14) में उपलब्ध हैं।

भारत में उपलब्ध विशाल थोरियम भंडार के उपयोग को परमाणु ऊर्जा के माध्यम से ऊर्जा स्थिरता स्थापित करने के उद्देश्य से सक्रिय रूप से आगे बढ़ाया जा रहा है। थोरियम के प्रभावी उपयोग के लिए एक विकल्प धातु ईंधन आधारित फास्ट रिएक्टर हो सकता है, जो अधिक ब्रिडिंग लाभ प्राप्त कर सकता है। अनुसंधान एवं विकास (R&D) विषय के रूप में, उच्च शक्ति वाले MFBR कोर की एक परिकल्पित संरचना में ब्लैंकेट क्षेत्र में थोरियम के समावेशन के प्रभाव का अध्ययन किया गया है। अध्ययन के परिणाम समग्र विखंडनीय (Fissile) ब्रिडिंग क्षमता तथा सुरक्षा के दृष्टिकोण से उत्साहजनक पाए गए हैं।.

सुरक्षा मूल्यांकन के एक अभिन्न अंग के रूप में, फास्ट रिएक्टरों के गतिक व्यवहार का विश्लेषण करना तथा विभिन्न अभिक्रियाशीलता (Reactivity) प्रविष्टि परिस्थितियों के अंतर्गत उनकी स्थिरता सीमा निर्धारित करना आवश्यक है। इसी उद्देश्य से, आधुनिक सॉफ्टवेयर वातावरण में स्वदेशी संगणनात्मक उपकरण विकसित करने के प्रयास किए गए हैं, ताकि फास्ट रिएक्टरों के निम्नलिखित पहलुओं का अध्ययन किया जा सके:

• क्षणिक अत्यधिक शक्ति (Transient Over Power) की घटनाएँ (जैसे अवशोषक रॉड का अनियंत्रित रूप से बाहर निकलना)।

• प्रवाह की हानि (Loss of Flow) तथा ऊष्मा सिंक की हानि (Loss of Heat Sink) की परिस्थितियाँ, जो रिएक्टर को असुरक्षित अवस्थाओं की ओर ले जाती हैं।

• स्थिर गतिक अवस्थाओं (Stable Dynamic Regimes) का अभिलक्षणन: नियंत्रण प्रणाली सिद्धांत पर आधारित एक गणितीय मॉडल विकसित किया गया है, जिसे स्टेट-स्पेस औपचारिकता (State-Space Formalism) के माध्यम से निरूपित किया गया है।