अणुऊर्जा

अणुऊर्जा : युरेनियमासारखा मोठ्या वस्तुमानाच्या (भारी) अणुकेंद्रांच्या भंजनामुळे (फुटण्यामुळे) किंवा ड्यूटेरियम वा ट्रिटियम यांसारख्या लहान वस्तुमानाच्या (हलक्या) अणुकेंद्रांच्या संघटनामुळे (संयोग झाल्यामुळे) प्राप्त होणाऱ्‍या ऊर्जेस अणुऊर्जा म्हणतात. युरेनियमासारख्या काही अणूंचे न्यूट्रॉनांमुळे एका विशिष्ट प्रकारचे भंजन होते. असमान पण तुल्य वस्तुमानाच्या दोन खंडांमध्ये त्याचे भंजन होते. अशी दोन खंडे ज्या विक्रियेत उत्पन्न होतात, त्यास द्विभंजन म्हणतात. जेव्हा एखाद्या भारी अणूचे भंजन होते, तेव्हा दोन खंडांच्या प्रत्येकी बंधनऊर्जांची बेरीज ही मूळ अणूच्या बंधनऊर्जेपेक्षा अधिक असते (‘बंधनऊर्जा’ या संज्ञेचे स्पष्टीकरण खाली दिले आहे). भंजनात या दोहोंमधल्या फरकाइतकी ऊर्जा मुक्त होते. भंजन विक्रियेमध्ये अणुकेंद्रातील दर कणास ०·४ Mev (Mev – दशलक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट, १ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६०२०३ × १०^-१२ अर्ग) या श्रेणीची ऊर्जा उपल्ब्ध होते.

याच्‍या उलट H¹ (हायड्रोजन), H² (ड्यूटेरियम), H³(ट्रिटियम) यांसारख्या हलक्या अणूंचे He⁴(हिलियम) च्या रूपात एकत्रीकरण झाल्यास प्रत्येक कणाची बंधनऊर्जा १·१ Mev पासून ७·२ Mev पर्यंत वाढते. याला संघटन-विक्रिया म्हणतात. संघटन-विक्रियेमध्ये दर कणास १·५ ते २ Mev व काही संघटन-विक्रियांमध्ये दर कणास ३ Mev पर्यंतही अणुऊर्जा उपलब्ध होते.

अणूची संरचना अणुकेंद्रबाह्य इलेक्ट्रॉन आणि अणुकेंद्रीय प्रोटॉन व न्यूटॉन या स्वरूपाची आहे [→ अणू व आणवीय संरचना]. अणुकेंद्रीय प्रोटॉनांच्या संख्येवरून म्हणजे अणुक्रमांकावरून अणूचे रासायनिक स्वरूप ठरते. एका अणूचे दुसऱ्‍या अणूत रूपांतर होते, ते त्यातील प्रोटॉन संख्या बदलल्यामुळे. अणुकेंद्रामध्ये प्रोटॉन व न्यूट्रॉन एकत्र  राहतात ते केंद्रीय आकर्षण-क्षेत्रामुळे. अणुकेंद्रातील प्रोटॉन व न्यूट्रॉन पूर्णपणे अलग करण्यासाठी लागणाऱ्‍या ऊर्जेस ‘अणुकेंद्रीय बंधनऊर्जा’ असे म्हणतात. नवीन अणू तयार होताना अणुकेंद्रीय बंधनऊर्जेमध्ये फरक झाला तर वस्तुमानाचे ऊर्जेत रूपांतर होऊन ती बाहेर पडते किंवा शोषली जाते. अणुकेंद्रीय विक्रियांमध्ये अशा तऱ्‍हेने ऊर्जा उद्‌भूत होते, तेव्हा तिला आपण अणुऊर्जा म्हणतो. मात्र ज्या विक्रियांमध्ये कणास विशेष ऊर्जा प्राप्त होते, अशाच विक्रियांचा विचार अणुऊर्जेच्या उत्पादनामध्ये होतो.

अणुकेंद्राचे स्थैर्य, वस्तुमानक्षय, बंधनऊर्जा : कोणत्याही स्थिर अणुकेंद्राचे वस्तुमान त्यातील सुट्या प्रोटॉन व न्यूट्रॉन कणांच्या वस्तुमानांच्या बेरजेपेक्षा कमी भरते. याचे कारण ऊर्जा-वस्तुमान-संबंधानुसार बंधन उत्पन्न करण्यासाठी वस्तुमानातील काही अंश खर्ची पडतो. अणुकेंद्राचे वस्तुमान पुढील सूत्राने दर्शविता येते :

_ZM^A = ZM_P + (A-Z) M_{N –} E_{B /} C²

= AM_N + Z (M_P – M_N) – E_{B /} C²

येथे Z = अणुक्रमांक, A = वस्तुमानांक (द्रव्यमानांक) = एकंदर कणासंख्या, M_N = न्यूट्रॉनाचे वस्तुमान, M_P = प्रोटॉनचे वस्तुमान, A-Z = न्यूट्रॉनसंख्या,  E_B = बंधनऊर्जा, c = प्रकाशवेग [→अणुक्रमांक द्रव्यमानांक].

वरील सूत्र अणुकेंद्राच्या वस्तुमानाला लागू पडते. त्यात अणुकेंद्राभोवती फिरणाऱ्‍या  इलेक्ट्रॉनांचे वस्तुमान मिळविल्यास संपूर्ण अणूचे वस्तुमान मिळेल. सूत्रामध्ये E_B वस्तुमान एककामध्ये [→आणवीय द्रव्यमान एकक] मोजल्यास नुसते E_B लिहून भागते किंवा वस्तुमाने ऊर्जेच्या एककात (Mev मध्ये)  मांडता येतात. अशा वेळी C²सूत्रामध्ये  मांडावयास नको.

ड्यूटेरॉनाची बंधनऊर्जा काढण्यास वरील सूत्राचा उपयोग करता,

E_B = M_H+M_N-M_D = १·००८१४२+१·००८९८२-२·०१४७३५

= ०·००२३८९ u

= २·२२५ Mev

(१u = ९३१·४८ Mev)… (२)

(M_H = हायड्रोजनाचे वस्तुमान, M_D = ड्यूटेरॉनाचे वस्तुमान, u = वस्तुमान-एकक) अशी मिळते. ड्यूटेरॉन (D) मध्ये दोन कण आहेत म्हणजे प्रत्येक कणामागे सरासरी १·११ Mev इतकी बंधनऊर्जा येते. जितकी कणाची बंधनऊर्जा अधिक तितके अणुकेंद्राचे स्थैर्य अधिक (पहा : आ. १). कण-बंधनऊर्जा ड्यूटेरॉनापासून निकेल-लोहापर्यंत (८·८ Mev) वाढत जाते व  नंतर युरेनियमापर्यंत (७·६ Mev) हळूहळू कमी होते.

अणूचे भंजन, द्रवबिंदू प्रतिमान: १९३९ च्या मध्यास भंजनासंबंधी काही स्थूल गोष्टी निश्चित झाल्या, त्या अशा : (१) युरेनियम व थोरियम या दोन्ही मूलद्रव्यांचे उच्च उर्जायुक्त (≈१ उत्पन्न Mev) न्यूट्रॉनामुळे भंजन होते. युरेनियम (२३५) चे मंद (उष्मीय) (०·०२५ ev) न्यूट्रॉनामुळेही भंजन होते. (२) मंद न्यूट्रॉनाच्या युरेनियम (२३८) वरील भडिमारामुळे १० ते २० ev ऊर्जा असलेल्या न्यूट्रॉनाच्या ग्रासाच्या बाबतीत ⇨ अनुस्पंदन परिणाम आढळतो होणाऱ्‍या युरेनियम (२३९) चे अर्धायुष्य (किरणोत्सर्गी पदार्थाची मूळची क्रियाशीलता निम्मी होण्यास लागणारा काळ) सुमारे २३ मिनिटांचे असते. 

 (३) भंजनातील खंडांचे दोन वर्ग आढळतात. एका वर्गातील खंडांचे वस्तुमानांक ९५μ च्या आसपास असतात. दुसऱ्‍या  वर्गातील वस्तुमानांक १४०μ च्या आसपास असतात. हलक्या खंडांची ऊर्जा १०० Mev च्या सुमारास व भारी खंडांची ६० Mev च्या आसपास आढळते. (४) १ टक्का भंजनामध्ये एका किरणोत्सर्गी खंडातून १ विलंबित (भंजनानंतर बऱ्‍याच काळाने) न्यूट्रॉन बाहेर पडतो. (५) प्रत्येक भंजनामध्ये सरासरी २·४ न्यूट्रॉन उत्पन्न होतात.

 

अणुकेंद्रीय प्रेरणा प्रबल असल्या तरी त्यांचे क्षेत्र इतके लहान असते की, प्रत्येक न्यूक्लिऑन (प्रोटॉन किंवा न्यूट्रॉन) आपल्या शेजारच्या न्यूक्लिऑनावरच फक्त परिणामकारक ठरतो. याची तुलना द्रवबिंदूमध्ये असणाऱ्‍या रेणूंच्या एकमेंकांवरील समाकर्षक प्रेरणांशी करता येईल. द्रवबिंदूतील रेणूंप्रमाणेच, न्यूक्लिऑनाचा नजीकच्या परिसरात मुक्त संचार होतो आणि न्यूक्लिऑनांमधील अंतर कायम राहते. या द्रवबिंदू प्रतिमानाच्या साहाय्याने वस्तुमानांकप्रमाणे बदलणाऱ्‍या बंधनऊर्जेचे विवरण करता येते.

 

द्रवबिंदू प्रतिमानाच्या आधाराने बोर आणि व्हीलर या शास्त्रज्ञांनी अणुकेंद्रीय भंजनाची उपपत्ती बसविली. त्यावरून स्वयंभंजन व उष्मीय आणि उच्च ऊर्जायुक्त न्यूट्रॉनांच्या योगाने होणारे भंजन हे आविष्कार शक्य आहेत, असे दिसून आले.

 

अणुकेंद्र एक गोल द्रवबिंदूच आहे असे मानले, तर त्याचा आकार हा पृष्ठताण आणि कुलंब-प्रतिसारक प्रेरणा [→अणुकेंद्रीय भौतिकी] यांच्यामधील समतोलावर अवलंबून असतो. मंद न्यूट्रॉनाच्या ग्रासाने होणाऱ्‍या संक्षोभामुळे अशा बिंदूच्या आकारात विकृती होऊन त्याची आंदोलने सुरू होतात. आ. २ मध्ये निरनिराळे संभाव्य विकृत आकार दाखवले आहेत.

पृष्ठताणामुळे बिंदूची पूर्वस्थिती येण्यास मदत होते, तर त्यावरील कुलंबप्रतिसारणामुळे विकृती वाढत जाते. अणुकेंद्राच्या बाबतीत विकृती वाढत गेली की, केंद्रीय आकर्षण दुर्बल होते व विकृती आणखी वाढते. एकदा आ अथवा इ, किंवा ई अथवा उ हा आकार प्राप्त झाला की, विकृती वाढून केंद्राचे दोन खंड होणे अपरिहार्य होते आणि अशा रीतीने त्याचे भंजन होते. बिंदूच्या निरनिराळ्या अवस्थांमधील स्थितिज ऊर्जेमध्ये विकृतीमुळे कसा फरक होत जातो ते आ. ३ आ मध्ये दाखवले आहे. भंजनामुळे उत्पन्न होणारी ऊर्जा E₀ म्हणजे आरंभीचे व नंतरचे वस्तुमान यांतील फरक.

E₀ = _ZM^A –Z₁M^A1-Z₂M^A2 (Mev) …(३)

 

या ऊर्जेमध्ये न्यूट्रॉन ग्रासाने निष्पन्न होणाऱ्‍या ऊर्जेचा अंतर्भाव नाही. दोन खंडे वेगळी होण्यापूर्वी, संभाव्य दोन भागांमधील अंतर r हे R₁+R₂ पेक्षा कमी असेल (R₁ आणि R₂ या संभाव्य भागांच्या त्रिज्या आहेत) त्यावेळी E ही ऊर्जा पृष्ठताण आणि कुलंब-प्रेरणा यांवर अवलंबून असेल. r = o ते r = R₁₊R₂ या भागात E च्या बदलाप्रमाणे अणूंचे तीन प्रकार होतात (पहा : आ. ३ आ.).  प्रकार १ : A&gt100 अशा स्थिर केंद्राच्या बाबतीत E₀ ही ऊर्जा E_c या कुलंब- स्थितिज ऊर्जेपेक्षा ( r = R₁₊R₂ ) सुमारे ५० Mev ने कमी असते.

आ. ३. (अ) भंजनखंडांचा स्पर्शसमयीचा विन्यास. स्थितिज ऊर्जा १९७ Mev. (आ) भंजनखंडांची स्थितिज ऊर्जा विरूद्ध त्यांच्या मध्यांतील अंतर यांचा आलेख.

प्रकार २ : भारी अणूंच्या बाबतीत E_c – E₀ सुमारे ६ Mev असते. (उदा युरेनियम, थोरियम, प्लुटोनियम यांचे अणू). म्हणजे एवढी ऊर्जा प्राप्त झाल्यावरच त्यांचे भंजन होईल. प्रकार ३ : युरेनियमापेक्षा भारी अणुकेंद्रांच्या बाबतीत E₀ &gt E_c असू शकेल आणि म्हणून अशा अणूंचे स्वयंभंजन शक्य होते. प्रकार २ च्या अणूंच्या बाबतीत⇨ पुंजयामिकीच्या सिद्धांतानुसार त्यांच्या स्वयंभंजनाची थोडी तरी संभाव्यता असतेच. युरेनियम (२३८) च्या बाबतीत प्रत्येक तासाला प्रत्येक ग्रॅममध्ये सुमारे २५ स्वयंभंजने होतात (या विक्रियेचे अर्धायुष्य ≈ १०^१७ वर्षं). प्रकार २ च्या केंद्रामध्ये E_c-E₀ इतकी कारक-ऊर्जा (उत्तेजित करणारी ऊर्जा) दिल्यास भंजन कार्यान्वित करता येते. याला ‘प्रवर्तित’ भंजन म्हणतात. अशी कारक ऊर्जा न्यूट्रॉनाच्या शिवाय आल्फा (α) सारख्या कणाच्या किंवा गॅमा (⋎) फोटॉनाच्या भडिमाराने देता येते. अनुभवसिद्ध वस्तुमान-ऊर्जा सूत्राप्रमाणे क्षुब्धावस्थेच्या ऊर्जेचे गणित करता येते. युरेनियम (२३५) च्या बाबतीत निव्वळ न्यूट्रॉनाच्या ग्रासाने ६·५ Mev इतकी संक्षोभ-ऊर्जा उपलब्ध होते. म्हणून ऊष्मीय न्यूट्रॉनाच्या योगाने त्याचे भंजन होते. उलट युरेनियम (२३८) च्या बाबतीत अशी संक्षोम-ऊर्जा ४·९ Mev उत्पन्न होते. कारक-ऊर्जा ५·५ Mev असल्यामुळे युरेनियम (२३८) च्या भंजनाकरिता सुमारे १ Mev ऊर्जायुक्त न्यूट्रॉन आवश्यक आहेत.

 

सर्वसाधारणपणे विषम वस्तुमानांकांच्या अणूंमध्ये प्रवर्तित भंजनाकरिता न्यूट्रॉनाला कोणतीही सुरुवातीची विवक्षित ऊर्जा लागत नाही. याउलट सम वस्तुमानांकांच्या अणूंच्या बाबतीत विवक्षित आद्यतल-ऊर्जेच्या (किमान ऊर्जेच्या न्यूट्रॉनांची जरूरी असते आणि त्यावरून बोर-व्हीलर उपपत्तीला पुष्टी मिळते. परंतु या नियमांना अपवादही आढळतात. तसेच बोर-व्हीलर उपपत्तीनुसार भंजित खंडांचे वस्तुमान समसमान असण्याची संभाव्यता सर्वांत जास्त येते प्रत्यक्षात मात्र प्रकार उलट दिसतो. समान भंजन असंभवनीय आढळते. इतर तपशिलांतही विसंवाद आढळतो. खंडांमधील विद्युत् भार-विनिमय, त्यांचे कोनीय वितरण, खंडांची ऊर्जा वगैरे विषयांचा अभ्यास (उदा., मुंबई येथील भाभा अणु-संशोधन केंद्रामध्ये) सध्या चालू आहे. भंजनाची उपपत्ती हा विषय अद्याप संशोधनाधीन आहे. कोष्टक क्र.१ मध्ये काही अणूंच्या संक्षोभ-ऊर्जा, कारक-ऊर्जा वगैरे माहिती दिली आहे. त्यावरून वरील सामान्य नियम स्पष्ट होतील.

 

---

 

भंजन-विक्रियेचासंभाव्यतादर्शककाटछेद: अनेक विघटन – विक्रियांच्या तुलनेने भंजनाची संभाव्यता किती आहे, याची माहिती सैद्धांतिक त्याचप्रमाणे व्यावहारिक दृष्ट्या महत्त्वाची आहे. उदा., युरेनियम (२३५) न्यूट्रॉनाचा ग्रास करील किंवा त्याचे प्रकीर्णन (विखुरणे) करील ग्रास झाल्यास ⋎ प्रारणाने किंवा α कण – उत्सर्गाने अणुकेंद्र स्थिर होईल किंवा भंजन होईल, त्याची संभाव्यता त्या त्या विक्रियेच्या काट-

कोष्टक क्र, १ भारी अणुकेंद्रांचे भंजन होण्यासाठी लागणारी ऊष्मीय न्यूट्रॉनांची ऊर्जा.

लक्ष्यकेंद्र	संयुक्त अणुकेंद्र	संक्षोभ-ऊर्जा Mev	कारक-ऊर्जा Mev	विवक्षित आद्यतल ऊर्जा Mev
U233 U235 U238 U232 U239	U234 U236 U239 U233 U240	६·६ ६·४ ४·९ ५·९ ६·४	४·६ ५·३ ५·५ ६·५ ४·०	–                   – ०·६ १·४                 –

येथे U- युरेनियम, Th- थोरियम व  Pu- प्लुटोनियम दर्शवितात.

छेदाच्या मूल्याने (प्रेक्षेपित न्यूट्रॉनाला लक्ष्य म्हणून उपलब्ध असलेल्या अणुकेंद्राच्या परिणामी क्षेत्रफळाने) दर्शवितात. काटछेदाचे एकक १०^-२४ चौ.सेंमी. किंवा ‘बार्न’ हे आहे. प्रत्येक प्रक्षेपित कणासाठी प्रत्येक चौ. सेंमी मधील प्रत्येक चौ. सेंमी मधील प्रत्येक लक्ष्यकणाच्या मागे प्रतिसेकंदास विशिष्ट विक्रिया होण्याची  संभाव्यता १०^-२४ असेल, तर काटछेद १ बार्न म्हणतात. उष्मीय न्यूट्रॉनाकरिता (वेग २२०० मी./से.) निरनिराळ्या विक्रियांचे काटछेद कोष्टक क्र. २ मध्ये दिले आहेत. [या कोष्टकावरून युरेनियम (२३३), युरेनियम (२३५) आणि प्लुटोनियम (२३९) हे आणून फक्त भंजनक्षमतेच्या दृष्टीने आणि मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा निर्माण करण्याच्या दृष्टीने उपयुक्त आहेत, हे स्पष्ट होईल.] आपाती (अणुकेंद्रावर प्रक्षेपित झालेल्या) न्यूट्रॉनाची ऊर्जा आणि भंजन-विक्रियेचा काटछेद σ_f यांचा संबंध जटिल स्वरूपाचा आहे. मंद न्यूट्रॉनाच्या बाबतीत σ_f स्थूलमानाने वेगाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो. अनुस्पंदन परिणाम २० evऊर्जेच्या खाली निदान २० वेळा तरी आढळतात. उच्च ऊर्जायुक्त (१Mev) न्यूट्रॉनाच्या बाबतीत भंजन-काटछेद σ_f, १ वार्न सुमाराचा आढळतो.

भंजन-खंड : युरेनियम (२३५) च्या भंजन खंडांचे वस्तुमानांक ८५ ते १०४ आणि १३० ते १४९ अशा दोन वर्गात आढळतात. कमाल संभाव्य भंजन ७ टक्केच आढळते. खंडांचे वस्तुमानांक सरासरीने ९५ आणि १३९ आढळतात.

एकंदरीत, वस्तुमानांक ७२ ते १५८ यांच्यामध्ये निरनिराळी ८७ खंडे मिळून सर्व प्रकार होतात अशी निरनिराळी ४० प्रकारची भंजने होतात. भंजनातील खंडांमध्ये स्थिर अणूतील न्यूट्रॉनसंख्येपेक्षा अधिक न्यूट्रॉन असतात. म्हणून प्रत्येक खंड अखेरीस अणूच्या स्थितीप्रत जाईपर्यंत एका किरणोत्सर्गी श्रेणीचा [→किरणोत्सर्ग] जनक होतो. उदा.,

₉₂ U²³³ + ₀n¹à ₉₂ U²³⁶à₅₄Xe¹⁴⁰+₃₈Sr⁹⁴

+2₀n¹+Y+200Mev

यामध्ये झेनॉन (१४०) या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यापासून उत्पन्न होणारी श्रेणी अशी  :

54Xe140	β–	⟶	55Cs140	β–	⟶
	१६सेकंद			६६सेकंद

 

56Ba140	β–	⟶	57La140	β–	⟶	58Ce140
	१२·८दिवस			४॰तास

  (स्थिर)

येथे  β^– हा निगॅट्रॉनाचे (इलेक्ट्रॉनाचे) उत्सर्जन दाखवितो.

आणि ₅₆Ba¹⁴⁰ ₅₁La¹⁴⁰या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांच्या शोधामुळे मंजन-विक्रिया प्रथम सिद्ध झाली. आणखी उल्लेखनीय किरणोत्सर्गी श्रेणी पुढे दिल्या आहेत  :

60Nd147	β–	⟶	61Pm14740	β–	⟶	62Sm147
	११दिवस			४वर्षे

(≈  १॰^११ वर्षे)

अणुक्रमांक ६१ चे मूलद्रव्य आधी स्वतंत्ररीत्या सापडले नव्हते, त्याला प्रोमेथियम (Pm)  हे नाव देण्यात आले. पूर्वी अवगत नसलेला ४३ अणुक्रमांकाचा समस्थानिक (त्याच मूलद्रव्याचा भिन्न अणुभार असलेला) अणूही अशाच एका श्रेणीचा घटक आहे. त्याला आता टेक्नेशियम (Tc) हे नाव दिले आहे.

(स्थिर).

भंजनामध्ये उदभूत होणारी ऊर्जा : अनुभवसिद्ध वस्तुमानसूत्राच्या आधारे भंजन-खंडे ज्ञात असतील, तर उत्पन्न होणार्‍या  ऊर्जेचे गणित करता येते. उदा., ₄₂Mo³⁵ व₅₇La¹³⁹

ही दोन खंडे असतील तर एकूण उदभूत होणारी उर्जा १९८ Mev होईल. उष्मीय न्यूट्रॉनामुळे युरेनियम (२३५) च्या भंजनामध्ये उत्पन्न होणार्‍या २०० Mev उर्जेचा हिशेब साधारणपणे पुढे दिल्याप्रमाणे आढळतो  :

भंजन-खंडांची गतिज ऊर्जा =१६७ Mev, उदभूत न्यूट्रॉन कणांची  गतिज ऊर्जा =५ Mev,y किरणांची ऊर्जा ७ Mev,b, कणांची गणित ऊर्जा =५ Mev, किरणोत्सर्गी द्रव्यांमधून निघणार्‍या  किरणांची ऊर्जा =५ Mev, न्यूट्रिनोंची ऊर्जा =११ Mev. एकूण ऊर्जा =५ Mev.

कोष्टक क्र.२ ऊष्मीय न्यूट्रॉनाकरिता निरनिराळ्या विक्रियांचे काटछेद.

अणुकेंद्र	अर्धायुष्य वर्षे	भंजन-काटछेद σ f बार्न	ग्रास-काटछेद σ r बार्न	शोषण-काटछेद σ a बार्न	प्रकीर्णन- काटछेद σ s बार्न	भंजनातील सरासरी न्यूट्रॉन संख्या	σ r /σ f
92 U233	१·६२X१०५	५२५±४	५३±२	५७८±४	—	२·५१±०·०२	०·१०१
92 U233	७·१X१०८	५८२±४	१०१±५	६८३±३	१५±२	२·४४±०·०२	०·१८
92 U233	४·५५X१०९	४·१८±४	३·५	७६८±०·०७	८·३±०·२	—-	—
92 U233	२·४४X१०४	७४२±४	२८६±४	१०२८±८	९·६±०·५	२·८९±०·०३	०·३९

---

भंजनापासून उत्पन्न होणारी ऊर्जा किलोवॉट-तास (kWh) या एककाच्या रूपात मांडल्यास विशेष उद्बोधक होईल. समजा, १ ग्रॅम युरेनियम (२३५)चे पूर्ण भंजन झाले तर त्यातून उत्पन्न होणारी ऊर्जा

६·०२५ x १०२३	X २०० x१·६ x १०-१३ वॉट – सेकंद = ८·२ x १०१०
२३५

वॉट-सेकंद आहे, म्हणजेच सुमारे २·३ X १०^४ किलोवॉट-तास म्हणजे एका दिवसात ही ऊर्जा वापरली, तर शक्ती सुमारे १ मेगॅवॉट होईल. त्याचप्रमाणे १ किलोग्रॅम युरेनियम (२३५)च्या भंजनाने १,००० मेगॅवॉट-दिवस ऊर्जा मिळेल. समजा, यातील ३० टक्के ऊर्जेचे विद्युत् ऊर्जेमध्ये रूपांतर झाले, तर ही ऊर्जा ३०० मेगॅवॉट-दिवस होईल. एवढी ऊर्जा उत्पन्न करावयास २,५०० टन कोळसा जाळावा लागेल. कित्येक देशांत दगडी कोळसा आणि खनिज तेल यांसारख्या इंधनांचा खूप तुटवडा आहे. हा तुटवडा भरून काढण्याची  मोठी क्षमता अणुकेंद्रीय विक्रियकामुळे (अणुभट्टीमुळे) प्राप्त होईल, हे वरील विवेचनावरून कळेल. याशिवाय अशा विक्रियकापासून किरणोत्सर्गी द्रव्ये मिळतात व त्यांचा उपयोग भौतिकी, रसायन, जीवशास्त्र वगैरे विज्ञानांच्या संशोधनासाठी आणि वैद्यक, शेती इ. विषयांमध्येही होतो [→अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी  अणुऊर्जेचे शांततामय उपयोग].

भंजन-विक्रियेची साखळी : प्रत्येक युरेनियम (२३५) अणूच्या भंजन-विक्रियेत उद्‌भूत होणारी सुमारे २०० Mev इतकी ऊर्जा व प्रत्येक भंजनात उत्पन्न होणारे २ किंवा ३ उच्च ऊर्जायुक्त न्यूट्रॉन यांचा विचार करता हे न्यूट्रॉन मंद करता आले, तर त्यांचा पुन्हा भंजनाकरिता उपयोग होऊन भंजन-विक्रियेची साखळी निर्माण करता येईल, तिचे नियमन करता येईल व अणुशक्तीचे उत्पादन साध्य होईल. दोन पिढ्यांतील न्यूट्रॉनांमधील कालावधी अत्यल्प म्हणजे सुमारे १०^-६ सेकंद असेल, तर एकंदर भंजनक्षम द्रव्याचा अल्पावधीत भडका उडेल आणि अणुबाँब बनविण्याची शक्यता निर्माण होईल [→अणुबाँब].

चार प्रकारच्या निरनिराळ्या विक्रियांमध्ये अनुकूल समतोल साधल्यावरच युरेनियम (२३५)च्या भंजनाची साखळी-विक्रिया यशस्वी करता येते  : (१) शोषण होणाऱ्‍या न्यूट्रॉन संख्येपेक्षा अधिक न्यूट्रॉन उत्पन्न करणारी भंजन-विक्रिया (आकारमानावर अवलंबून) (२) भंजन न करता होणारा न्यूट्रॉनाचा ग्रास (आकारमानावर अवलंबून) (३) युरेनियमाशिवाय इतर द्रव्यांमध्ये भंजन न करता होणारे न्यूट्रॉनाचे शोषण (आकारमानावर अवलंबून) (४) भंजनक्षम न्यूट्रॉनाचे, ग्रास न होता पृष्ठभागापासून होणारे विमोचन म्हणजे निसटून जाणे (पृष्ठक्षेत्रफळावर अवलंबून).

शेवटच्या तीन विक्रियांमुळे होणारा न्यूट्रॉनाचा ऱ्‍हास हा पहिल्या भंजनक्षम न्यूट्रॉनाच्या उत्पादनापेक्षा कमी किंवा बरोबरीचा असेल तरच भंजन विक्रियेची साखळी निर्माण होईल. येथे इतर द्रव्ये म्हणजे न्यूट्रॉन मंद करण्याकरिता वापरलेले मंदायक द्रव्य, त्याशिवाय नियंत्रणाकरिता कॅडमियमासारखे ग्रास करण्यात विशेष कार्यक्षम असे द्रव्य वापरावे लागते. युरेनियमाचे आकारमान वाढविले असता नव्याने निर्माण होणाऱ्या न्यूट्रॉनांची संख्या वाढते तर पृष्ठभागातून होणाऱ्‍या न्यूट्रॉनाच्या विमोचनामुळे होणारा न्यूट्रॉनांचा ऱ्हास  पृष्ठक्षेत्रफळाच्या समप्रमाणात असतो. पदार्थ जितका मोठ्या आकाराचा घ्यावा तितके आकारमान/पृष्ठक्षेत्रफळ हे गुणोत्तर वाढत जाते. म्हणजेच न्यूट्रॉनांचे उत्पादन वाढते. परंतु त्यामानाने न्यूट्रॉनांचा ऱ्‍हास कमी प्रमाणात वाढतो म्हणून युरेनियमाचे आकारमान वाढवता वाढवता शेवटी असे आकारमान निष्पन्न होते की, त्यावेळी न्यूट्रॉनाचा ऱ्‍हास हा बरोबर न्यूट्रॉनाच्या पुनरुत्पादनाइतकाच होतो. भंजनक्षम द्रव्यामध्ये ज्या आकारमानाच्या वेळी ऱ्‍हास व पुनरूत्पादन यांच्यामध्ये समतोल उत्पन्न होते त्या आकारमानाला त्या द्रव्याचे इष्टमान आकारमान असे म्हणतात. भंजनविक्रियेची साखळी प्रस्थापित होण्यासाठी भंजनक्षम द्रव्याचे आकारमान किमान इष्टमान आकारमानाइतके, म्हणजेच  वस्तुमान सीमांत वस्तुंमानाइतके, घेणे आवश्यक आहे. रासायनिक विक्रियांची संभाव्यता द्रव्याच्या आकारमानाच्या निरपेक्ष असते. हा या दोहोंत मोठा फरक आहे.

निरनिराळ्या विक्रियांची संभाव्यता निश्चितपणे ज्ञात झाली (पहा : कोष्टक क्र. २) की, उपयुक्त विक्रियकाकरिता लागणाऱ्‍या आवश्यक गोष्टी ठरवता येतात. वापरलेले इंधन [युरेनियम (२३५), प्लुटोनियम (२३९)], मंदायक द्रव्य (ग्रॅफाइट, जड पाणी, साधे पाणी, सोडियम) आणि भंजन साखळी-विक्रियेच्या योजनेचा हेतू (नवीन भंजनक्षम द्रव्य उत्पन्न करणे, संशोधन करणे, ऊर्जा निर्माण करणे) या गोष्टींवरून अणुकेंद्रीय विक्रियकांचे वर्गीकरण करतात.

अमेरिकेतील शिकागो विद्यापीठामध्ये एन्‍रिको फेर्मी यांनी अणुकेंद्रीय विक्रियकामध्ये २ डिसेंबर १९४२ रोजी पहिली साखळी-विक्रिया साध्य केली आणि ६ ऑगस्ट १९४५ हा पहिल्या अणुबाँबचा हिरोशिमावर स्फोट झाला.

ऊष्मीय अणुकेंद्रीय विक्रिया, ताऱ्यांमधील शक्त्युत्पादन: सूर्यापासून प्रतिसेकंदास  ४ X १०^२३अर्ग इतक्या ऊर्जेचे प्रारणात रूपांतर होत आहे आणि हे काही अब्ज वर्षे चाललेले आहे. ताऱ्‍यांमधील अशा प्रचंड ऊर्जेचा उद्भव होतो तरी कसा, हा भौतिकीमधील एक महत्त्वाचा प्रश्न गणला गेलेला आहे. सर्वसाधारण रासायनिक वा अन्य विक्रियांपासून अशी ऊर्जा निर्माण होणे अशक्य असल्याचे दिसून आल्याने, अणुकेंद्रीय विक्रियांचा विचार चालू झाला. प्रस्तुत नोंदीच्या सुरूवातीस दाखविल्याप्रमाणे हायड्रोजनासारख्या हलक्या अणूंचे हीलियमासारख्या अणूत संघटन झाले तर अणुऊर्जा निर्माण होईल. अशा तऱ्‍हेच्या विक्रिया निव्वळ उच्च तापमानामुळे हलके अणू एकमेकांवर प्रचंड वेगाने आदळत असल्यामुळे, ताऱ्‍यांमध्ये होत असल्या पाहिजेत.

सूर्याच्या पृष्ठभागाचे तापमान ६,०००^० के. (केल्व्हिन एकक) आहे, अंतर्भागात ते २ X १०^७ के. पर्यंत वाढते. सूर्य मध्यम प्रतीचा तारा आहे. इतर ताऱ्‍यांचे पृष्ठतापमान २,०००^० ते ५०,०००^० के. पर्यंत असून अंतर्भागात ते सूर्याप्रमाणेच अधिक असले पाहिजे. त्याची घनता सूर्याच्या घनतेच्या १०^५ पटींपर्यंतही आढळते.

चार प्रोटॉन एकमेकांवर आदळून त्यांचे हीलियमामध्ये रूपांतर झाले तर २६·७ Mev ऊर्जा निर्माण होईल, पण ही विक्रिया असंभाव्य आहे. तथापि या मानाची ऊर्जा अणुकेंद्रीय विक्रियांमध्ये संभवनीय आहे. अशा दोन प्रोटॉन-प्रोटॉन विक्रियांची सूत्रे पुढे दिली आहेत. या सूत्रांत ज्या मूलद्रव्यावर विक्रिया केलेली असेल त्याची संज्ञा प्रथम दिली आहे. त्यापुढे कंसात प्रथम ज्या कणाचा मारा केला असेल त्याची संज्ञा व मग विक्रियेत बाहेर पडणाऱ्या  कणाची संज्ञा आणि कंसाबाहेर जे नवीन मूलद्रव्य तयार झाले असेल त्याची संज्ञा दिली आहे. येथे ρ, α, β⁺,β^–,⋎, ϸ या संज्ञा अनुक्रमे प्रोटॉन, आल्फा, पॉझिट्रॉन, निगॅट्रॉन (इलेक्ट्रॉन), गॅमा किरण व न्यूट्रिनो दर्शवितात.

(१)H¹ (ρ, β⁺)H² H² (ρ,⋎) He³ He³(He³, 2ρ) He⁴ +12·8 Mev(परिणामत: 4 H¹ → He⁴ +2β+ +2⋎+2ν).

एकूण उद्‌भूत ऊर्जा २६·७ Mev. यातून न्यूट्रिनोची उर्जा उणे करता २६·२ Mev इतकी ऊर्जा शिल्लक राहते.

(2) H¹ (ρ, β⁺) H² H² (ρ, ⋎) He³

                                              He⁴ (He³, ⋎) Be⁷ .     … (अ)

Be⁷ (β^–, ⋎) Li⁷  Li⁷ (ρ, α) He⁴                                …(आ)

Be⁷ (ρ,  ⋎) B⁸  B⁸ →   Be⁸+β⁺ + ⋎,

                              व Be⁸→ He⁴ + He⁴                            …(इ)

यांपैकी पहिली विक्रिया सूर्यापेक्षा कमी तापमानाच्या ताऱ्यामध्ये संभवते दुसरी सूर्याच्या सध्याच्या  अवस्थेत शक्य आहे.

तिसरी एक आवर्तन-विक्रिया बेटे यांनी सूर्यापेक्षा अधिक उष्ण ताऱ्‍याकरिता सुचविली आहे, ती कार्बन-नायट्रोजन (C-N) विक्रिया अशी  :

उत्पन्न होणाऱ्या ऊर्जेचे शोषण होऊन तिचे विक्रियांना लागणाऱ्या उष्णतेत रूपांतर होईल. जेव्हा उत्पन्न होणारी ऊर्जा प्रारण-ऊर्जेबरोबर होईल, तेव्हा त्या मूल्याप्रत तापमान स्थिर होईल.

ताऱ्यांमध्ये उत्पन्न होणाऱ्या ऊर्जेचे गणित, ज्योतिर्विज्ञानातील माहितीवर आणि अणुकेंद्रीय विक्रीयांच्या संभाव्यतेचे काटछेद ज्ञात असण्यावर अवलंबून आहे. ताऱ्‍यांमधील हायड्रोजन संपुष्टात आल्यावर तारा संकोच पावू लागतो त्यामुळे त्याचे तापमान वाढून २ × १०^{८ ०}के. पर्यंत पोचले की, He⁴ (He⁴+95 Kev) Be⁸ Be⁸(He⁴) C¹²+7·4 Mev  या विक्रियांनी कार्बन C¹² तयार होईल. यापुढे (α, ⋎)  या विक्रियांनी  O¹⁶ व इतर मूलद्रव्ये निर्माण होतील.

भंजन-अणुबाँबमध्ये उत्पन्न होणाऱ्या ऊर्जेपेक्षाही ऊष्मीय अणुकेंद्रीय विक्रियांतील हायड्रोजन बाँबच्या स्फोटाची ऊर्जा कितीतरी पटीने जास्त असते. संघटन ऊर्जा नियंत्रित करता आली, तर मग रासायनिक इंधनद्रव्यांच्या ऱ्‍हासाने व अभावाने उत्पन्न होणारी शक्त्युत्पादनाची समस्या कायमची सुटेल.

---

ऊष्मीय अणुकेंद्रीय विक्रिया, संघटन-विक्रियांचे प्रयोग: संघटन-विक्रियांचा शोध १९२०-३० या कालाखंडातीलच आहे. त्यांच्या संभाव्यतेचे संशोधन व सूक्ष्म अभ्यास मात्र १९५० नंतरचा आहे. १९५५ मध्ये भारतीय शास्त्रज्ञ भाभा यांनी जिनिव्हा येथे केलेल्या भाषणानुसार अणुऊर्जेच्या उत्पादनाकरिता उष्मीय अणुकेंद्रीय विक्रियांच्या नियंत्रणाकडे जगाचे विशेष लक्ष लागले आहे. या प्रकारच्या काही साध्या संघटन-विक्रिया पुढे दिल्या आहेत. या विक्रियांत n हा न्यूट्रॉन दर्शवितो.

H² (H², n) He³ + 3·25 Mev

H² (H², ρ) He³ + 4·0 Mev

H³ (H², n) He⁴ + 17·6 Mev

He³ (H², ρ) He⁴ + 18·3 Mev

Li⁶ (H², α) He⁴ + 22·4 Mev

Li⁷ (ρ, α) He⁴ + 17·3 Mev.

वर दिलेल्या D-D विक्रिया (H² म्हणजे D- ड्यूटेरियम) सारख्याच संभाव्यतेच्या आहेत. वरील विक्रियांच्या उपयोगाने परिणामत: सहा H² अणूंच्या संघटनाने दोन  He⁴ अणू आणि २ प्रोटॉन, २ न्यूट्रॉन उत्पन्न होतील व एकूण ऊर्जा ४३ Mev उत्पन्न होईल. म्हणजे ड्यूटेरियमाच्या प्रत्येक ग्रॅम वस्तुमानापासून १०^५ किलोवॉट-तास ऊर्जा निर्माण होईल. ही ऊर्जा एक ग्रॅम युरेनियम-भंजनापासून उत्पन्न होणाऱ्या ऊर्जेच्या सुमारे पाचपट आहे. पृथ्वीवरील सर्व महासागरांतील पाण्यात सुमारे ५×१०^१६ किग्रॅ. ड्यूटेरियम आहे. यापासून मिळणारी ऊर्जा १०^२०किलोवॉटवर्ष असेल.

D–T आणि D–D विक्रियांच्या संभाव्यतेचे काटछेद आ.४ मध्ये दिले आहेत (T–ट्रिटियम = H³).  या आकृतीवरून असे दिसते की, ड्यूटेरॉनाची (ड्यूटेरियमाच्या अणुकेंद्राची ) ऊर्जा १०–१५ Kevने कमी झाली की संघटन-विक्रियेची संभाव्यता १०० पटीने कमी होते.

उच्च तापमानाच्या स्थितीत अणूमधील इलेक्ट्रॉन पूर्णपणे मुक्त होतात आणि आयनांचा (प्रोटॉन, ड्यूटेरॉन, ट्रिटॉन वगैरे) एक द्रायू (प्रवाही पदार्थ) तयार होते. ऊष्मीय अणुकेंद्रीय विक्रियांचे नियंत्रण करावयाचे म्हटले, तर हा आयनांचा द्रायू एकत्र राखणे आवश्यक आहे. संघटन-विक्रियेसाठी, ड्यूटेरियम व ट्रिटियम यांची अणुकेंद्रे एका लहान जागेत शलाकारूपाने बंदिस्त करून त्यांस एकमेकांवर आदळण्याची

शक्यता निर्माण करावी लागते. असा आयनद्रायू एकत्र ठेवणे विवक्षित चुंबकीय क्षेत्ररचनेने शक्य होते. मात्र काही काल तरी  (≈१०^-६ सेकंद) ही स्थिती स्थिर राहणे आवश्यक आहे. संघटन अणुऊर्जा निर्माण करण्यात हीच मुख्य अडचण आहे [→आयनद्रायु भौतिकी].

संघटन-विक्रियेचे नियंत्रण, संघटन-विक्रियक : संघटन-विक्रियक यशस्वी होण्याकरिता काही उपाधी सांभाळणे आवश्यक आहे. (१) आयनद्रायूची घनता फार वाढू नये ती १०^१४ ते १०^१८ /घन सेंमी. पर्यंत असावी. हा द्रायू विवक्षित चुंबकीय क्षेत्राच्या उपायोजनेने काही मायक्रोसेकंद (१०^-६ सेकंद) एकत्रित राहणे आवश्यक आहे. (२) संघटन-विक्रियेचे स्वयंनियंत्रण होणे आवश्यक आहे. इष्ट तापमान प्राप्त झाले की, संघटन-ऊर्जेमुळे ते कायम राहावयास हवे. प्रारणाने होणारा ऱ्‍हास उत्पन्न होणाऱ्या  ऊर्जेपेक्षा जास्त असू नये म्हणून इष्ट तापमानाची आवश्यकता आहे. D–D संघटन-विक्रियेच्या बाबतीत हे तापमान ४ × १०^{८ ०} के. व D–T विक्रियेसाठी  ४·५ × १०^७ ० के असावे  लागते. ट्रिटियमाच्या उत्पादनासाठी Li⁶(n, T) H_e⁴ ही विक्रिया वापरता येईल. (३) संघटन-विक्रियकामध्ये ड्यूटेरियम व ट्रिटियम यांचे मिश्रण इंधन म्हणून वापरले तर मुक्त होणाऱ्या न्यूट्रॉनांचे शोषण होऊन त्यांच्या ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर व्हायला हवे. विक्रियकांच्या भोवतालच्या आवरणात मंदायक द्रव्य व लिथियम वापरावे लागेल. अशा प्रकारे ड्यूटेरियम व लिथियम खर्ची पडून ट्रिटियम उत्पन्न करणे आवश्यक आहे.

आयनद्रायू एकत्र राखणे आणि त्याचे तापमान वाढविणे हे सध्या संशोधनाधीन आहे.

संघटन-अणुबाँबचे प्रयोग यशस्वी झालेले आहेत. इष्ट तापमानाकरिता अंतर्भागामध्ये भंजन-अणुबाँब वापरता येतो. अशा रचनेस भंजन-संघटन-स्फोटक बाँब म्हणता येईल. भंजन-संघटन-भंजन स्फोटही सिद्ध झाले आहेत.

पहा : अणुकेंद्रीय भौतिकी अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी अणुबाँब अणु व आणवीय संरचना.

संदर्भ : 1. Allis, W. P. Nuclear Fusion, New York, 1960.

           2. Kaplan, I. Nuclear Physics, New York, 1964.

           3. Stephenson, R. Introduction to Nuclear Engineering, New York, 1958.

    ४. आठवले, वि. त्र्यं. संपा. अणुयुग, मुंबई, १९६९.

गोडबोले, रा. द.

“