अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी : अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी या शाखेचे क्षेत्र विस्तृत आहे. त्यामध्ये अणुकेंद्रीय विक्रिया—विशेषत: भंजन (अणुकेंद्र फुटणे) व संघटन (दोन अणुकेंद्रांचा संयोग होणे) विक्रिया, भंजनक्षम व संघटनक्षम द्रव्ये, त्यांतून उत्पन्न होणारी उपद्रव्ये, ही उपयोगात आणण्यासाठी लागणारी सर्व यंत्रसामग्री, त्यांची घडण व रचना, निर्मिती, परीक्षा, योजना, प्रकल्प या सर्वांच्या अभ्यासाचा समावेश होतो. यासाठी भौतिकी, रसायनशास्त्र, जीवशास्त्र यांचे त्याचप्रमाणे इलेक्ट्रॉनिकी, भूविज्ञान, वातावरणविज्ञान, स्थापत्य अभियांत्रिकी, वास्तुशिल्प वगैरे अनुप्रयुक्त शाखोपशाखांतील अन्वेषणाचे (संशोधनाचे) साहाय्य होते.

ओटो हान व फ्रिट्‌झ स्ट्रासमान यांनी १९३९ साली युरेनियमावर न्यूट्रॉनांचा भडिमार करून भंजन—विक्रियेचा शोध लावला. त्यात बेरियम (Z = ५६) व लँथॅनम ( Z = ५७) ही मूलद्रव्ये आढळली (Z हा अणुक्रमांक आहे, → अणुक्रमांक). या विक्रियेचे विवरण लिझे माइटनर व फ्रिश यांनी त्याच वर्षी केले. त्याचप्रमाणे या विक्रियेत युरेनियम अणुकेंद्राचे दोन जवळजवळ सारख्या वस्तुमानाच्या किरणोत्सर्गी (अणुकेंद्र फुटून त्यातून कण अथवा किरण बाहेर पडणे) खंडांमध्ये द्विभंजन होत असले पाहिजे, असे त्यांनी प्रतिपादन केले आणि याच गोष्टीस हान व स्ट्रासमान यांनी त्याच पद्धतीने मिळविलेल्या स्ट्राँशियम (Z = ३८) व इट्रियम (Z = ३९) यांनी पुष्टी मिळाली. नंतर क्रिप्टॉन (Z = ३६) व झेनॉन (Z = ५४) ही मूलद्रव्येही मिळाली. या द्विभंजन-विक्रियेचा विशेष म्हणजे युरेनियम (२३५) मध्ये (येथे २३५ हा अणुभार आहे) एका मंदगती न्यूट्रॉनाचा ग्रास भंजनास पुरेसा आहे परंतु त्यामुळे उत्पन्न होणारी २०० Mev (Mev–दशलक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट, १ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६०२०३ × १०-१२ अर्ग) ऊर्जा ही सर्वसाधारण विघटन-विक्रियेमध्ये उत्पन्न होणाऱ्‍या ऊर्जेपेक्षा कितीतरी मोठी आहे. याचे पर्यवसान फेर्मी यांनी शिकागो विद्यापीठात डिसेंबर १९४२ मध्ये भंजन—विक्रियांची साखळी यशस्वी करून प्रायोगिक विक्रियक (अणुभट्टी) निर्माण करण्यात झाले. तीनच वर्षांत या विक्रियेचा उपयोग अणुस्फोट करण्यात झाला. त्याच्या पहिल्या संहारक प्रयोगाला (६ ऑगस्ट १९४५) हिरोशिमा शहर बळी पडले.

अणुबाँबच्या निर्मितीपूर्वी युरेनियम (२३५)या समस्थानिकाचे (एकच मूलद्रव्याचे भिन्न अणुभार असलेल्या अणूचे) नैसर्गिक युरेनियमापासून पृथक्करण करणे किंवा प्लुटोनियम (२३९)या दुसऱ्‍या भंजनक्षम द्रव्याची निर्मिती होणे आवश्यक होते. याकरिताच विक्रियकांची अभियांत्रिकी परिणत झाली. पुढे त्याचा उपयोग अणुकेंद्रीय शक्ती निर्माण करण्यात झाला.

अणुशक्तीच्या शांततामय उपयोगाकरिता नियंत्रित भंजन-विक्रियांची साखळी साध्य होणे आवश्यक होते. यासाठी अणुशक्तीचे विक्रियक बनविण्यात आले. यांचा संशोधक, शक्तिनिर्मिती, भंजनक्षम द्रव्योत्पादन व इतर किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची निर्मिती असा बहुविध उपयोग होतो. संघटन-विक्रियेचा असा उपयोग करून घेणे हेही या अभियांत्रिकीच्या क्षेत्रात येते. औष्णिक अणुकेंद्रीय संघटन-विक्रिया नियंत्रित करता आल्यास व्यावहारिक दृष्ट्या प्रचंड शक्ती उपलब्ध होईल. या शक्तीचा उपयोग मानवी जीवन समृद्ध करण्याकरिता होऊ शकेल. हवेतील नायट्रोजनापासून खते तयार करणे, समुद्रातील खाऱ्‍या पाण्याचे पिण्यायोग्य पाण्यात रूपांतर करणे, किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची निर्मिती, स्वस्त व मोठ्या प्रमाणावर विद्युत् पुरवठा हे सर्व अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकीतील प्रगतीमुळे शक्य झाले आहे. प्रस्तुत लेखात अणुकेंद्रीय विक्रियक, त्यांचे प्रकार व घटक, भंजन साखळी साध्य करण्याची तत्त्वे (न्यूट्रॉन चक्र, न्यूट्रॉन पुननिर्मिती गुणक इ.), शक्ती उत्पादनाचे नियंत्रण, भंजन शक्तीचे उष्णतेत रूपांतर, किरणोत्सर्गापासून संरक्षण, किरणोत्सर्गी द्रव्यांची विल्हेवाट, विक्रियकांचे वर्गीकरण, इंधने, आर्थिक प्रश्न इ. विषय आलेले आहेत.

अणुकेंद्रीय विक्रियक: युरेनियमाचे द्विभंजन, त्याचे वैशिष्ट्य, प्राप्त होणारी ऊर्जा इत्यादींचा उल्लेख वर आलेला आहेच. अणुकेंद्रीय भंजन-विक्रियांची साखळी निर्माण करणे व त्यांचे नियंत्रण करणे हे ज्यात साधलेले आहे, ती यंत्रणा म्हणजे विक्रियक होय. भंजन-विक्रियेच्या अभ्यासानंतर सुरुवातीसच काही विशिष्ट गोष्टी सिद्ध झाल्या. विशेषत: युरेनियम (२३५)  चे मंद न्यूट्रॉनाच्या ग्रासाने द्विभंजन होते आणि प्रत्येक द्विभंजनात सरासरी २·४४ द्रुतगती न्यूट्रॉन उत्पन्न होतात, असे आढळले. यात काही विलंबित न्यूट्रॉनांचाही अंश असतो (०·६४%). प्रत्येक भंजनात जरी उत्पन्न झालेल्या न्यूट्रॉनांची संख्या ν  असली तरी त्यांपैकी n न्यूट्रॉनच नवीन भंजनासाठी उपयोगी पडतात. ज्या द्रव्यांचा n हा अंक एकापेक्षा अधिक असतो, त्याच द्रव्यांमध्ये भंजन-विक्रियांची साखळी निर्माण करता येते. भंजन न होता युरेनियमामध्ये न्यूट्रॉनाचा ग्रास किंवा त्याचा विक्रियकातील इतर द्रव्यांमध्ये ग्रास, किंवा ग्रास न होता त्याचे निसटून जाणे या तीन प्रकारांनी न्यूट्रॉन नाहीसे होतात चौथा प्रकार म्हणजे न्यूट्रॉनग्रासाने भंजन होणे व ग्रास झालेल्या न्यूट्रॉनांपेक्षा अधिक न्यूट्रॉन निर्माण होणे, हा होय. पहिल्या तीन प्रकारांनी नष्ट झालेल्या न्यूट्रॉनांपेक्षा चौथ्या प्रकाराने उत्पन्न झालेले न्यूट्रॉन अधिक असतील, तरच भंजन-विक्रियेची साखळी चालू राहील. याकरिताच विक्रियकाला एक किमान विशिष्ट आकारमानाची व वस्तुमानाची आवश्यकता असते [→ अणुऊर्जा].

विक्रियकांचे प्रकार: भंजन करू शकणाऱ्‍या न्यूट्रॉनाच्या गतीप्रमाणे विक्रियकांचे पुढील दोन प्रकार होतात : (१) मंद विक्रियक, म्हणजे भंजनाकरिता मंदगती न्यूट्रॉनांचा उपयोग करणारे विक्रियक. (२) द्रुत विक्रियक, म्हणजे द्रुतगती न्यूट्रॉन वापरणारे विक्रियक. योग्य मंदायक (न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करणारे द्रव्य) वापरून न्यूट्रॉनाचा वेग २,२०० मी./से. (न्यूट्रॉन–ऊर्जा १/४० ev) इतका कमी करता येतो. या न्यूट्रॉनांना ऊष्मीय वा मंद न्यूट्रॉन म्हणतात व अशा विक्रियकांना ऊष्मीय विक्रियक असे नाव आहे. इंधन, मंदायक व शीतक यांच्या वेगवेगळ्या संयोगाने झालेले प्रकार कोष्टक क्र. १ मध्ये दिले आहेत.

(१) मंद न्यूट्रॉन-विक्रियक : या विक्रियकाचे निरनिराळे घटक आ.१ मध्ये दाखविले आहेत.

(अ) गाभा : या भागामध्ये युरेनियमासारखे इंधन व शीघ्रगती न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करण्यासाठी एखादे मंदायक द्रव्य ठेवतात. मंदायक


कोष्टक क्र. १. ऊष्मीय विक्रियकांचे प्रकार

प्रकार मंदायक शीतक इंधन उद्देश
ग्रॅफाइट कार्बन डाय-ऑक्साइड

वायू

नैसर्गिक युरेनियम

(वर मॅग्नेशियम

धातूचे आवरण)

प्लुटोनियमाचे उत्पादन

आणि विद्युत् निर्मिती

ग्रॅफाइट कार्बन डाय-ऑक्साइड

वायू

किंचित संपन्न युरेनियम ऑक्साइड

(वर निष्कलंक

पोलादाचे आवरण)

विद्युत् निर्मिती आणि संशोधन
साधे पाणी साधे पाणी किंचित संपन्न युरेनियम किंवा मिश्रधातू (झिंर्कोनियम किंवा इतर इष्ट द्रव्याचे आवरण) विद्युत् निर्मिती आणि संशोधन
जड पाणी जड पाणी नैसर्गिक किंवाकिंचित संपन्न युरेनियमऑक्साइड (झिर्को-नियमाच्या मिश्रधातूचेआवरण) विद्युत् निर्मितीकिंवा संशोधन

द्रव्य म्हणून ग्रॅफाइट, जड पाणी (ड्यूटेरियम या हायड्रोजनाच्या समस्थानिकाचा ऑक्साइड), बेरिलियम धातू किंवा तिचे ऑक्साइड इ. पदार्थ वापरतात. इंधन संपन्न (भंजनक्षम समस्थानिकांचे प्रमाण उच्च असलेले) युरेनियम असेल तर साधे पाणीसुद्धा मंदायक म्हणून वापरतात. या मंदायक पदार्थातील अणूंवर न्यूट्रॉन आदळतात व त्यामुळे त्यांचा सुरुवातीचा दर सेकंदास १६,००० किमी. या सुमाराचा असणारा वेग, दर सेकंदास काही किलोमीटर इतका कमी होतो. पण हे होत असताना न्यूट्रॉनांचा ग्रास शक्य तितका कमी व्हावा म्हणून हे पदार्थ अतिशुद्ध असे घ्यावे लागतात.

आ.१. मंद न्यूट्रॉन-विक्रियकाचे घटक. (१) क्राँकीटचे कवच, (२) शीतक, (३) नियंत्रक गज, (४) इंधन बदलण्याचे प्रवेशद्वार, (५) औष्णिक कवच, (६) दावपात्र, (७) इंधन गज, (८) ग्रॅफाइटाचा गाभा, (९) शीतक पंप, (१०) उष्णता विनिमयक, (११) वाफ, (१२) वाफ-शीतक, (१३) पंप, (१४) विद्युत्-जनित्र.

(आ) परावर्तक : गाभ्यातून निसटून जाऊ पाहणाऱ्‍या न्यूट्रॉनांना परतविण्यासाठी मंदायक द्रव्यांपैकीच एखाद्या द्रव्याचा परावर्तक म्हणून उपयोग केला जातो.

(इ) उष्णतावाहक योजना : प्रत्येक अणुकेंद्रीय विक्रियकामध्ये निर्माण झालेली ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपातच उपलब्ध असते. ही उष्णता वाहून नेण्यासाठी योजलेल्या पदार्थांना ‘शीतक’ म्हणतात. साधे पाणी, जड पाणी, द्रव सोडियम धातू, कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू किंवा हीलियम वायू यांचा शीतक म्हणून उपयोग केला जातो. सर्वसाधारणपणे विद्युत् शक्ती निर्माण करण्यासाठी बांधलेल्या विक्रियकात शीतकाने वाहून नेलेल्या उष्णतेच्या साहाय्याने पाण्याची वाफ करण्यात येते व वाफेच्या साहाय्याने विद्युत् जनित्रे चालविण्यात येतात. शीतकातील उष्णता पाण्यापर्यंत पोचविण्यासाठी उष्णता-विनिमयकाची (एका पदार्थाची उष्णता दुसऱ्‍या  पदार्थाला पोचविणाऱ्‍या साधनाची) योजना असते. या विनिमयकात पाण्याची वाफ होते व थंड झालेला शीतक पंपाच्या साहाय्याने विक्रियकाच्या गाभ्यात इंधनाभोवती सोडला जातो. किरणोत्सर्गी भंजनखंडे या शतकात मिसळू नयेत. म्हणून इंधन द्रव्याला इंधन व शीतक या दोहोंशी रासायनिक दृष्ट्या अनुरूप असणाऱ्या पदार्थाचे आवरण घातले जाते. अर्थात आवरण म्हणून वापरलेल्या पदार्थाची न्यूट्रॉनग्रासक्षमता कमी असावी लागते आणि त्याचे उष्णतावाहकत्व, वितळबिंदू, ताणसामर्थ्य यांसारखे भौतिक गुणधर्मही समाधानकारक असावे लागतात. झिर्कोनियम, ॲल्युमिनियम, मॅग्नेशियम यांसारख्या धातूंपासून बनविलेल्या मिश्रधातू आवरण द्रव्ये म्हणून उपयोगात आणतात. काही विक्रियकांमध्ये निष्कलंक (स्टेनलेस) पोलादाचा आवरण द्रव्य म्हणून उपयोग केला जातो.

(ई) नियंत्रण व्यवस्था  : भंजन-विक्रियेचा वेग नियंत्रित करण्याकरिता आत-बाहेर सरकू शकणाऱ्‍या नियंत्रक गजांची योजना केलेली असते. सर्वसाधारपणे या नियंत्रक गजांमध्ये फार तीव्र न्यूट्रॉनग्रासक्षमता असलेल्या बोरॉन, कॅडमियम यांसारख्या पदार्थांची योजना केलेली असते. आ.१ मध्ये असा एक नियंत्रक गज दाखविला आहे. या गजांची हालचाल विद्युत् कर्षुकीय साधनांनी केली जाते.

(उ) संरक्षक आवरण  : भंजन-विक्रियेमध्ये उत्पन्न होणाऱ्‍या किरणोत्सर्गापासून संरक्षण होणे आवश्यक आहे. याकरिता विक्रियकाभोवती काँक्रीटच्या जाड भिंती उभारतात किंवा विक्रियक पाण्याच्या टाकीत खोल ठेवतात. किरण शोषले गेल्यामुळे अशा आवारणात उत्पन्न होणारी उष्णता वाहून नेण्यासाठी आतल्या बाजूने लोखंडाचा किंवा लोखंड व पाणी या दोहांचा थर वापरावा लागतो. अशा आवरणास ‘औष्णिक कवच’ असे नाव आहे.


(२) द्रुत न्यूट्रॉन-विक्रियक :भंजन-विक्रिया साध्य करण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे भंजनात उत्पन्न होणारे शीघ्रगती न्यूट्रॉन, त्यांची गती कमी होण्यापूर्वीच, भंजनक्षम पदार्थात शोषले जाण्याची संभाव्यता वाढवणे हा होय. हे साधल्यास पुढील फायदे होतात : (अ) शीघ्रगती न्यूट्रॉनांमुळे घडणाऱ्‍या जनक द्रव्याच्या भंजनाचे प्रमाण वाढते व त्याचे भंजनक्षम द्रव्यात रूपांतर न होताही ऊर्जा प्राप्त होते. अशा विक्रियकात जनक द्रव्यांच्या भंजनामुळे १० ते १५ टक्के उष्णता निर्माण होते. (आ) शीतक किंवा आवरण यांमध्ये होणाऱ्‍या न्यूट्रॉनग्रासाचे प्रमाण कमी होते म्हणून भंजनक्षम द्रव्याचे गुणनपद (भंजन-विक्रियांच्या एका पिढीच्या शेवटी निर्माण होणाऱ्‍या न्यूट्रॉनांची संख्या व त्या पिढीच्या लगेच अगोदरच्या पिढीच्या शेवटी  असणारी न्यूट्रॉनांची संख्या यांचे गुणोत्तर, चिन्हκ) वाढते व प्रजनक (भंजनक्षम द्रव्य निर्माण करणारा) विक्रियक साध्य होतो.

हे फायदे मिळवण्यासाठी संपन्न, म्हणजे भंजनक्षम द्रव्याचे प्रमाण उच्च असलेले इंधन वापरावे लागते यामुळे भंजनक्षम अणूंचे भंजन होण्याच्या विक्रियेची संभाव्यता वाढते. कमी अणुभार असलेल्या अणूंचा उपयोग टाळावा लागतो किंवा शक्य तितका कमी करावा लागतो.

अशा विक्रियकामध्ये वापरल्या जाणाऱ्‍या इंधनाच्या संपन्नतेचे प्रमाण १०–१५ टक्क्यांपेक्षाही अधिक असावे लागते. हे मुख्यत: विक्रियकाच्या आकारमानावर व घटक द्रव्यांवर अवलंबून असते. शक्य तितक्या कमी आकारमानाच्या विक्रियकातून जास्तीत जास्त ऊर्जा निर्माण करणे, हा उद्देश असतो. म्हणून अशा विक्रियकांसाठी द्रव सोडियम किंवा तत्सम उष्णतावाहक धातू शीतक म्हणून वापरावी लागते. उच्च दाब असलेला हीलियम वायूही शीतक म्हणून वापरता येतो. लहान आकारमानामुळे निसटून जाणाऱ्या न्यूट्रॉनांचे जनक द्रव्यात शोषण व्हावे, म्हणून विक्रियकाभोवती या द्रव्याचे आवरण घातले जाते. अशा विक्रियकामध्ये भंजनक्षम द्रव्याचे गुणनपद एकाहून बरेच अधिक असू शकते.

आणखी तिसऱ्‍या प्रकारचाही विक्रियक असतो तो म्हणजे न्यूट्रॉनांची गती मंद होत असता ज्यात भंजन होते असा होय. अशा विक्रियकास वरील दोन विक्रियकांमधला, म्हणून ‘मध्यस्थ विक्रियक’ असे नाव आहे.

गाभ्याच्या प्रकारांप्रमाणेही विक्रियकांचे प्रकार होतात. इंधन द्रव्य व मंदायक द्रव्य यांचे चांगले एकजीव मिश्रण असेल (उदा., पाण्यातील युरेनियम लवणाचा विद्राव), तर अशा विक्रियकास ‘सुमिश्रित विक्रियक’ म्हणतात. ज्यामध्ये इंधनाचे गोळे किंवा गज  मंदायक द्रव्यामध्ये सरकविण्यासारखे पण अलग असतात, अशा विक्रियकास ‘अमिश्रित विक्रियक’ म्हणतात. अशा इंधन घटकांची एक रचना किंवा व्यूह असतो. मंदायक द्रव्य आणि शीतक द्रव्य यांच्या प्रकारांप्रमाणे व विक्रियकांच्या उपयोगाप्रमाणेही त्यांचे निरनिराळे प्रकार होतात. यासंबंधीचे अधिक वर्णन पुढे ‘विक्रियकांचे वर्गीकरण’ या परिच्छेदात दिले आहे.

भंजन-साखळी साध्य करण्याची तत्त्वे : विक्रियकाचे संयोजन व त्याचे कार्य यांची कल्पना न्यूट्रॉनांच्या गुणनपदावरून येते. प्रत्येक भंजनात न्यूट्रॉन उत्पन्न झाले तरी इतर क्रियांमुळे भंजनक्षमतेच्या दृष्टीने त्यांच्या गुणनपदाचे मूल्य १ पेक्षाही कमी होण्याची शक्यता असते. इष्ट इंधन द्रव्याच्या बाबतीत, एखाद्या विक्रियकाच्या संयोजनामध्ये न्यूट्रॉन ऱ्‍हास कमी होऊन त्यांचे परिणामी गुणनपद १ पेक्षा अधिक कसे होईल, हा प्रश्न सोडवावा लागतो. गुणनपद १ पेक्षा अधिक असेल तर न्यूट्रॉनसंख्या वाढेल, १ पेक्षा ते कमी असेल तर ती कमी होईल. उदाहरण म्हणून नैसर्गिक युरेनियम वापरणाऱ्‍या विक्रियकाचा विचार करू.

नैसर्गिक युरेनियमामध्ये मंद न्यूट्रॉनामुळे भंजनक्षम युरेनियम (२३५) चे प्रमाण ०·७१ टक्के असते, म्हणजे भंजनक्षम द्रव्याचा १४० पट युरेनियम (२३८) असते. युरेनियम (२३५) च्या प्रत्येक भंजनामध्ये सरासरी ν = २·५  शीघ्रगती न्यूट्रॉन निर्माण होतात. सुरुवातीच्या १०० मंद न्यूट्रॉनांपासून नवीन पिढीचे मंद न्यूट्रॉन निर्माण होईपर्यंत कोणती स्थित्यंतरे होतात, ते पुढील बदलक्रमावरून कळून येईल.

 

 

 

 


सुरुवातीला भंजनासाठी जितके मंद न्यूट्रॉन उपलब्ध होते तितकेच पुन्हा भंजन-विक्रियांनंतर शिल्लक राहतात. अशा रीतीने भंजन-विक्रिया-साखळी साध्य होते. काही न्यूट्रॉन विक्रियकाच्या मर्यादेबाहेर नेहमीच निसटत असतात. म्हणून प्रथमत: गाभ्याचे आकारमान अनंत समजून या न्यूट्रॉनचक्राचा व्यापकरीत्या विचार करणे व गुणनपद k∞ चे गणित करणे सोईचे असते. समजा, सुरुवातीस भंजनामुळे no शीघ्र न्यूट्रॉन उत्पन्न झाले. जर ε= प्रत्येक शीघ्र न्यूट्रॉनामुळे युरेनियम (२३८)च्या भंजनातून उत्पन्न होणारे शीघ्र न्यूट्रॉन असतील, तर उपलब्ध शीघ्र न्यूट्रॉन =no ε. यांपैकी काही न्यूट्रॉन मंद होत असताना युरेनियम (२३८) मध्ये शोषले जातील. प्रत्येक शीघ्र न्यूट्रॉन शोषला न जाण्याची संभाव्यता ρ  असेल, तर ते मंद होत जाऊन शिल्लक राहिलेले न्यूट्रॉन no ε ρ इतके असतील. हे न्यूट्रॉन उष्मीय न्यूट्रॉन म्हणून उपलब्ध होतील आणि त्यांचा युरेनियम (२३५)मध्ये किंवा इतर द्रव्यांमध्ये ग्रास होईल. या ऊष्मीय न्यूट्रॉनांपैकी जो अंश भंजनास उपयुक्त होतो, त्यास भंजनक्षम अंश ƒ म्हणतात. म्हणून no μ Ρ ƒ इतक्या न्यूट्रॉनांमुळे तितकीच भंजने होऊन शीघ्र न्यूट्रॉन उत्पन्न होतील. प्रत्येक भंजनात n शीघ्र न्यूट्रॉन नवीन पिढीत शिल्लक राहतात. म्हणजे नवीन पिढीतील शीघ्र न्यूट्रॉन no ε pƒ n इतके असतील म्हणून अखेरीस,

 

 

k∞  चे मूल्य विक्रियकातील द्रव्यावर अवलंबून असते. क्रांतिक आकारमानासाठी (विशिष्ट इंधन, विशिष्ट मंदायक इ. वापरूनविक्रियांची साखळी चालूरहाण्यासाठी लागणाऱ्या विक्रियकाच्या लहानात लहान आकारमानासाठी) न्यूट्रॉनअक्षरण (न गळणारा) अंश Lअसेल, तर k∞ L= k परिणामीL नेहमी १ पेक्षा कमी असतो. न क्षरणारा शीघ्रगती न्यूट्रॉन अंशιशीघ्रआणि न क्षरणारा उष्मीय न्यूट्रॉन अंशιमंदअसेल तर L=ιशीघ्र×ιमंद. kपरिणामीकिंवा k= k ∞ ×ιशीघ्र ×ιमंद. युरेनियम (२३८) हे द्रव्य न वापरल्यासε ≑ 1, p ≑ 1आणिk ∞ = ƒ nअसे येते.

मंदकरण:मंदकरणाच्या क्रियेमध्ये प्रत्येक आघातात न्यूट्रॉनाच्या ऊर्जेचा ऱ्‍हास होतो व त्याची गती कमी होते. ऊष्मीय गती प्राप्त होईपर्यंत न्यूट्रॉनाची गती सतत सारख्याच पद्धतीने कमी होत असे मानूनत्याचे गणित करण्याची एक रीत आहे. त्याने मिळणारी उत्तरे बऱ्‍याच प्रमाणात प्रायोगिक माहितीशी जुळणारी येतात.

क्रांतिक आकारमान:विक्रियकाच्या पृष्ठभागातून निसटणाऱ्‍या न्यूट्रॉनांची संख्या त्याच्या आकारमानावर अवलंबून असते. न्यूट्रॉनांची उत्पत्ती घनफळाच्या प्रमाणात व निसटणारे न्यूट्रॉन पृष्ठक्षेत्राच्या प्रमाणात असतात. म्हणून अक्षरण अंश वाढवण्याकरिता आकारमान वाढवले पाहिजे, कारण पृष्ठक्षेत्राचे घनफळाशी असणारे गुणोत्तर आकारमानाप्रमाणे कमी होत जाते. ज्या अवस्थेतκL चे मूल्य १ होते त्या अवस्थेत भंजन-साखळी आपोआपच चालू राहते. गाभ्याचे आकारमान सभोवती न्यूट्रॉन-परावर्तक द्रव्य वापरून कमी करता येते. उघड्या गाभ्यापेक्षा सहपरावर्तक गाभ्याचा न्यूट्रॉन-अक्षरण-अंश अधिक असतो. मंदायक म्हणून जड पाणी ज्यात वापरले आहे, अशा एका विक्रियकाच्या क्रांतिक आकारमानाच्या वृत्तचितीची उंची १७७ सेंमी., त्रिज्या ९५ सेंमी. व घनफळ ५·१९० घ. मी. आहे. त्याच विक्रियकाभोवती ६० सेंमी. जाडीचा ग्रॅफाइट परावर्तक वापरला तर क्रांतिक आकारमान, उंची १२२·५ सेंमी., त्रिज्या ९१·५ सेंमी. व घनफळ ३·१२३ घ. मी. असते. त्या विक्रियकाच्या गाभ्यामध्ये ९० टक्के युरेनियम (२३५)ने संपन्न असलेले युरेनियम असेल तर त्याचे आकारमान पुष्कळच लहान म्हणजे काही घ. सेंमी. होते. प्रत्यक्षात विक्रियकाच्या गाभ्याचे आकारमान असे ठेवतात की kचे मूल्य १ पेक्षा थोडेसे अधिक यावे.

विक्रियकाच्या शक्तीचे नियंत्रक:कोणत्याही विक्रियकात उत्पन्न होणारी शक्ती जरुरीप्रमाणे कमीजास्त करण्याची आवश्यकता असते. ही गोष्ट साध्य करण्यासाठी विक्रियकाचे न्यूट्रॉन गुणनपद kकमीजास्त करावे लागते. याकरिता विक्रियकामध्ये आत-बाहेर सरकणाऱ्‍या नियंत्रक गजांची योजना केलेली असते. सर्वसाधारण या गजांत मंद न्यूट्रॉनग्रास-क्षमता तीव्र असणाऱ्‍या बोरॉन (१०), कॅडमियन, गॅडोलिनियम किंवा हाफ्नियम यांसारख्या धातूंनी युक्त अशा मिश्रधातूंची योजना केलेली असते. असे नियंत्रक गज गाभ्यामध्ये सरकविले की, त्यातील न्यूट्रॉनांचा ग्रास होऊन न्यूट्रॉन ऱ्‍हास वाढेल व κकमी होईल. शक्ती स्थिर राखण्याकरिता हे गज गाभ्यात अशा अंतरावर सरकवावे की κचे मूल्य १ होईल. ते गज आत अधिकाधिक सरकविले तर शक्तीचे उत्पादन कमी कमी होत जाईल व हळूहळू भंजन-साखळीचा उपशम होईल याउलट गज वर उचल्यास शक्तीचे उत्पादन वाढू लागेल. शीघ्र विक्रियकात इंधनयुक्त गज वापरणे शक्य आहे.


विक्रियकाचे संयोजक असे करतात की, नियंत्रक गज पूर्णपणे मागे ओढून धरले असताना κचे मूल्य १ पेक्षा अधिक होते मध्यम स्थितीतκ=१ आणि ते आत पूर्णपणे सरकविले असताκ&lt १ होते म्हणून विक्रियकाचे आकारमान क्रांतिक आकारमानापेक्षा थोडेसे अधिक ठेवावे लागते. (κ-१) या राशीस ‘शेष गुणक’ म्हणतात.κ-१ Δ κ. येथेΔ κ म्हणजे प्रत्येक पिढीमध्ये न्यूट्रॉनचक्र पुरे झाले असता दर न्यूट्रॉनामागे होणारी न्यूट्रॉनांच्या संख्येतील वाढ म्हणून प्रत्येक न्यूट्रॉनचक्रानंतर सुरुवातीस n न्यूट्रॉन असतील, तर त्यात nΔ κ इतकी वाढ होईल.

प्रत्येक चक्रास Τ इतका वेळ लागला तर दर सेकंदासnΔ  κ इतके न्यूट्रॉन वाढतील म्हणजे

न्यूट्रॉनाचे सरासरी आयुर्मान T म्हणजे न्यूट्रॉनचक्रास लागणारा वेळ होय. मंद विक्रियकामध्ये T चे मूल्य १०-३सेकंद सुमाराचे व शीघ्र विक्रियकात १०-६सेकंद सुमाराचे असते. T=१·००१ आणि κ = १·००५ धरल्यास १ सेकंदामध्ये न्यूट्रॉन १५० पटींनी वाढतील.

ही परिस्थिती तत्काल उत्पन्न होणाऱ्या न्यूट्रॉनांच्या बाबतीत खरी आहे. प्रत्यक्षात सुमारे ०·७५ टक्के न्यूट्रॉन विलंबित असतात. या विलंबित न्यूट्रॉनांचे कमीत कमी ५ गट आहेत व त्यांचे सरासरी आयुर्मान ०·१ सेकंद या सुमाराचे असते. म्हणून सर्व तात्कालिक व विलंबित न्यूट्रॉनांचे सरासरी आयुर्मान सुमारे ०·१ सेकंद येते. आता κ = १·००५ व T=०·१ सेकंद ही मूल्ये वरील सूत्रांत वापरल्यास १ सेकंदात न्यूट्रॉनसंख्या १·५ पटीने म्हणजे ५ टक्के इतकीच वाढेल. याप्रमाणे विलंबित न्यूट्रॉनांच्या उपस्थितीमुळे न्यूट्रॉनवाढीचा वेग पुष्कळच कमी होतो व त्यामुळे विक्रियकाच्या शक्तीचे नियंत्रण करणे शक्य होते.

मात्रविलंबित न्यूट्रॉनांमुळे नियंत्रणामध्ये येणारे सौकर्य, जर κ&gt1+β असेल तर प्राप्त होत नाही. β म्हणजे विलंबित न्यूट्रॉनांचा अंश आहे. κ हे गुणनपद, κ (1-β) (तात्कालिक न्यूट्रॉन गुणनपद) आणि κβ (विलंबित न्यूट्रॉन गुणनपद) यांचे मिळून झालेले आहे असे समजता येईल. जर पहिला भाग १ पेक्षा कमी असेल तर दोन्ही भागांवर पुनरुत्पादन अवलंबून राहील. परंतु κ (1-β ) हा अंश १ किंवा त्यापेक्षा अधिक असेल, तर निव्वळ तात्कालिन न्यूट्रॉनांमुळे भंजन-साखळीचे नियंत्रण होईल. मंद विक्रियकामध्ये β चे मूल्य ०·० असते. κ चे मूल्य १·० किंवा अधिक झाल्यास अशा विक्रियकाचे नियंत्रक तात्कालिक न्यूट्रॉनांमुळे होईल व वर उल्लेखिलेल्या सूत्राप्रमाणे एका सेकंदात न्यूट्रॉनसंख्या सुमारे १८०० पटीने वाढेल. ही परिस्थिती धोकादायक आहे व त्यामुळे नियंत्रण करणे अशक्य होईल.

विक्रियकातील न्यूट्रॉनसंख्या कमीजास्त करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनीय उपकरणांचा वापर केला जातो. अशा उपकरणांच्या द्वारा विक्रियकातील न्यूट्रॉन-ओघ, शीतकाचा प्रवाह, त्याचे तपमान व दाब इ. गोष्टी सतत मोजल्या व नोंदल्या जातात. या उपकरणांमुळे एक स्वयंचलित यंत्रणा विक्रियकाचे नियंत्रण करते. याशिवाय विक्रियकाच्या कार्यपद्धतीत अनपेक्षित धोकादायक बदल झाल्यास विक्रियक शक्य तितक्या लौकर बंद पाडण्याची व्यवस्थाही असते.

विक्रियक सुरू करताना न्यूट्रॉनसंख्या फार कमी असते व पुढे ती संख्या दर चौ.सेंमी. दर सेकंदास १०१०इतकी वाढू शकते, म्हणून एकाच न्यूट्रॉनमापकावर अवलंबून रहाता येणार नाही, तर निरनिराळ्या मर्यादांकरिता निरनिराळी उपकरणे वापरावी लागतात.

भंजनऊर्जेचे रूपांतर: भंजन-विक्रियेतील ऊर्जेचा मुख्य भाग (१६७ Mev) भंजनखंडे व बीटा कण यांच्या गतिज ऊर्जेच्या स्वरूपात असतो व लहान भाग (६ Mev) न्यूट्रॉनांच्या गतिज ऊर्जेच्या रूपात असतो आणि गॅमा किरणांची ऊर्जा ११ Mev असते. बाकीच्या ऊर्जा न्यूट्रिनोंच्या रूपाने निसटून जाते. विद्युत् भारित कणांची ऊर्जा अणु–रेणू यांच्या आयनीकरणात (विद्युत् भारित अणु–रेणू निर्माण करण्यासाठी) खर्ची पडते. त्यातील काही भाग अणूमधील इलेक्ट्रॉनांना क्षुब्ध करण्यात जातो. आयनांची ऊर्जा इतर अणूंच्या आघातांमध्ये वाटली जाते. याप्रमाणे मूळच्या विद्युत् भारित कणांची सर्व ऊर्जा पदार्थाच्या अणु-रेणूंना गती देते व त्यामध्ये उष्णता निर्माण करते. त्याप्रमाणेच भंजनखंडांच्या ऊर्जेचेही रूपांतर होते. अमिश्रित विक्रियकाच्या बाबतीत त्याचे पर्यवसान युरेनियम गजांना उच्च तपमान देण्यात होते आणि सुमिश्रित विक्रियकात सर्व गाभाच सारखा तापतो व अशा तऱ्‍हेने अणुभट्टी तयार होते.

शीघ्रगती न्यूट्रॉनांची ऊर्जादेखील आघातांनी हळूहळू कमी होते , अणूमधील इलेक्ट्रॉन-मेघाच्या अंतर्भागात शिरून न्यूट्रॉन अणुकेंद्रावर आघात करतात. एकतर त्यांचे प्रकीर्णन (विखुरणे) होते किंवा अणुकेंद्राचे भंजन होते. मुख्यतः पहिल्या प्रकाराने त्यांची ऊर्जा अणुकेंद्रास मिळते व अखेरीस मंदायक द्रव्य आणि न्यूट्रॉन यांमध्ये उष्मीय समतोल उत्पन्न होतो. यामुळे वर उल्लेखिल्याप्रमाणे विक्रियकाचे तपमान वाढते.

गॅमा किरणांच्या ऊर्जेचे रूपांतर तीन प्रकारच्या क्रियांनी होते : (१)प्रकाशविद्युत् परिणामाने इलेक्ट्रॉनांची उत्पत्ती [→प्रकाशविद्युत], (२) प्रकीर्णन व (३) इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन या जोडीची उत्पत्ती.


प्रकीर्णनाने गॅमा किरणांची ऊर्जा कमी होत होत अखेरीस ती प्रकाशविद्युत् इलेक्ट्रॉनांच्या उत्पत्तीत खर्ची पडते. सर्व इलेक्ट्रॉन व पॉझिट्रॉन यांच्या ऊर्जेचे रूपांतर आयनीकरण, फोटॉनांची (प्रकाशपुंजांची) उत्पत्ती व त्यांचे पुन्हा प्रकाशविद्युत् परिणामाप्रमाणे शोषण ह्यात होते. गॅमा किरणांचे शोषण संपूर्ण होऊन त्यांचे उष्णतेमध्ये रूपांतर होईपर्यंत त्यांचा अंतःप्रवेश बराच होतो, म्हणून ही उष्णता विक्रियकाच्या सर्व भागांत सारखी पसरते. न्यूट्रिनोंची ऊर्जा मात्र शोषण न होता सर्वच्या सर्व विक्रियकामधून निसटते असे म्हणता येईल.

 

उष्णतेचे संक्रमण : विक्रियकातील भंजन-विक्रियांमध्ये उत्पन्न होणाऱ्‍या ऊर्जेचे अखेरीस उष्णतेमध्ये रूपांतर होते. बहुतेक सर्व उष्णता विक्रियकाच्या अंतर्भागात उत्पन्न होते किंवा अमिश्रित विक्रियकामध्ये युरेनियमाच्या गजांत उत्पन्न होते. विक्रियकाचे वैशिष्ट्य हे की, ही उष्णता हवी तितकी वाढवता येते. तिची कमाल मर्यादा भंजन-विक्रियेवर अवलंबून नसून किती ऊर्जा सुरक्षितपणे वाहून नेता येते यावर अवलंबून असते. उत्पन्न होणारी उष्णता पाहिजे तितकी जलद वाहून नेता आली नाही तर विक्रियकातील द्रव्ये वितळू लागतील किंवा नाश पावतील म्हणून विक्रियकाच्या संयोजनामध्ये शीघ्र उष्णता संक्रमणाची योजना करावी लागते. गाभ्यातील द्रव्याच्या प्रत्येक लिटरामागे कित्येक सहस्त्र किलोवॉट शक्तीचा हा प्रश्न असून घटक द्रव्ये, मंदायक द्रव्ये व शीतक द्रव्ये उत्तम उष्णतावाहक तरी असली पाहिजेतच, शिवाय उच्च तपमानातही ती टिकली पाहिजेत.

शीतक द्रव्ये बहुधा द्रायूरूपात (वायू किंवा द्रव रूपात) असतात. अशी द्रव्ये उष्णवाहक, उच्च तपमानात टिकणारी, कमी न्यूट्रॉनग्रासक्षमतेची आणि कमी खर्चाची असावीत. या दृष्टीने साधे पाणी व जड पाणी ही उपयुक्त आहेत. त्याचप्रमाणे द्रवरूप कार्बनयुक्त द्रव्ये, द्रव लवण द्रव्ये, द्रव धातू (उदा., द्रव सोडियम) आणि हवा व कार्बन डाय-ऑक्साइड यांचाही वापर होतो. हीलियम व नायट्रोजन वापरणेही शक्य आहे.

उच्च तपमानात शीतक पाणी उच्च दाबाखाली असावे लागते. द्रवरूप कार्बनयुक्त द्रव्ये व द्रवरूप सोडियम यांचे तपमान उच्च दाब नसतानाही अघिक उच्च प्रतीचे राहू शकते. उष्णतेच्या संक्रमणाची व्यवहारिक पद्धत म्हणजे विक्रियकाची उष्णता बाष्पित्रास (पाण्याची वाफ तयार करण्याच्या साधनास) देणे. निर्माण झालेली वाफ वाफचक्की (टरबाइन) चालू करते. वाफचक्कीवर चालणाऱ्‍या विद्युत् जनित्राचे वीज उत्पन्न करता येते. म्हणजे विक्रियकाच्या उष्णतेचे बाष्पित्रात होणारे संक्रमण ही भंजनऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर होण्यासाठी प्रमुख पायरी होय.


आ. २ उष्णता-संक्रमण योजना. (अ) अमिश्रित विक्रियक : १) परावर्तक, २) घनरूप इंधन, ३) मंदायक, ४) प्रवाही शीतक (आ) सुमिश्रित विक्रियक : १) परावर्तक, २) द्रवरूप इंधन, ३) मंदायक मिश्रण, ४) प्रवाही शीतक.

आ. २ मध्ये दोन प्रकारच्या विक्रियकांतील उष्णता संक्रमण योजना दाखविल्या आहेत.कमाल कार्यक्षमतेच्या दृष्टीने निर्गमद्वारापाशी शीतकाचे तपमान जास्तीत जास्त राखणे आवश्यक ठरते. यासाठी साध्या पाण्याऐवजी द्रवरूप वायू किंवा शीतक म्हणून वापरतात. विक्रियकामधून जाताना शुद्ध केलेले पाणी अल्प प्रमाणात किरणोत्सर्गी होते.

आ.३. द्विमंडल उष्णता-संक्रमण योजना. (१) विक्रियक, (२) शीतक, (३) पाणी, (४) वाफ, (५) पंप.

हायड्रोजन (३), ऑक्सिजन (१९) व नायट्रोजन (१६) हे समस्थानिक उत्पन्न झाल्यास त्यांचा फारसा उपद्रव नसतो. मात्र लवणयुक्त पाण्यामध्ये गॅमा किरणोत्सर्गी द्रव्ये उत्पन्न होतात म्हणून ते शुद्ध करणे इष्ट ठरते. द्रवरूप सोडियम वापरल्यास न्यूट्रॉनग्रासाने सोडियम (२४) हा किरणोत्सर्गी समस्थानिक उत्पन्न होतो व त्यापासून तीव्र पारगामी गॅमा किरणांचा उत्सर्ग होत असतो. त्या दृष्टीने त्याचा उपयोग अनिष्ट ठरतो. पण दोन टप्प्यांनी उष्णता संक्रमण केल्यास हा उपद्रव नाहीसा होतो. किरणोत्सर्गी शीतकाचा प्रवाह एकाच मंडलामध्ये असतो, तेव्हा त्या भागाची दुरुस्ती वगैरे व्यवस्था पहाणे अशक्य होते. द्विमंडलामधील (पहा : आ. ३) शीतकाच्या दुसऱ्या भागातील शीतक विक्रियकातून जात नाही आणि तो किरणोत्सर्गी नसतो. हा दुसरा भाग बाष्पित्रात जातो. त्यामुळे त्यापासून धोका नसतो व संबंधित तज्ञांना या दुसऱ्या भागाची व्यवस्था पहाणे शक्य होते.

इंधनक्षय व जनन : नैसर्गिक युरेनियमामधील युरेनियम (२३५) या समस्थानिकाचे उष्मीय न्यूट्रॉनांच्या योगाने भंजन होते, म्हणून या धातूस प्राथमिक किंवा प्रधान इंधन असे म्हणतात. प्रत्येक युरेनियम (२३५)च्या भंजनामध्ये सरासरी २·५ न्यूट्रॉन उत्पन्न होतात. त्यांपैकी १ भंजन-साखळी चालू ठेवण्यासाठी उपयोगी पडतो, ०·९ चा युरेनियम (२३८) या द्रव्यात ग्रास होतो व ०·६ चा मंदायक द्रव्यात किंवा युरेनियम (२३५) मध्ये ग्रास होतो किंवा तो निसटून जातो.

युरेनियम (२३८) मध्ये ग्रास होणाऱ्या न्यूट्रॉनामुळे पुढील विक्रिया घडतात :

U238 + n U239 β ⟶  Np239 β Pu239
२·3 मिनिटे २·3 दिवस

 (येथे n आणि β¯ हे अनुक्रमे न्यूट्रॉन आणि निगॅट्रॉन म्हणजे इलेक्ट्रॉन दर्शवितात.) प्लुटोनियम (२३९) चे अर्धायुष्य २४,३६० वर्षे आहे व ते नैसर्गिकरीत्या मिळत नाही. याचा विशेष म्हणजे मंद न्यूट्रॉनामुळे ते भंजनक्षम आहे व त्याच्या भंजनातून सरासरीने ३ न्यूट्रॉन उत्पन्न होतात. म्हणून प्लुटोनियम (२३९) ला ‘उपलब्ध’ किंवा ‘निष्पन्न इंधन’ म्हणतात. युरेनियम (२३३) हेही एक निष्पन्न इंधन आहे. ते थोरियमाच्या रूपांतराने पुढीलप्रमाणे मिळते.

Th232 + n Th233 β ⟶  Pa233 β U233
२३·५ मिनिटे २७·५ दिवस

युरेनियम (२३३) चे अर्धायुष्य १·६२×१०वर्षे आहे व ते मंद न्यूट्रॉनाच्या योगाने भंजन पावते. याप्रमाणे प्रारंभिक इंधनापासून प्लुटोनियम (२३९) किंवा युरेनियम (२३३) सारखे इंधन निष्पन्न होते. निष्पन्न इंधन/प्रारंभिक इंधन या गुणोत्तरास‘रूपांतर गुणोत्तर’ म्हणतात. युरेनियम-ग्रॅफ्राइट विक्रियकाचा विचार केल्यास रूपांतर गुणोत्तर ०·९येते व सरासरीने प्रत्येक युरेनियम (२३५) अणूपासून०·९ प्लुटोनियम अणू प्राप्त होतो. रूपांतर गुणोत्तर १ किंवा अधिक होईल असे विक्रियकाचे संयोजन करता येते. याकरिता मंदायकामध्ये व इतर द्रव्यांमध्ये होणारा न्यूट्रॉनांचा ऱ्‍हास कमी करावा लागतो व मग प्रत्येक प्रारंभिक इंधनाच्या अणूपासून एक किंवा अधिक निष्पन्न इंधनाचे अणू प्राप्त होतात अशा तऱ्‍हेच्या विक्रियकाला ‘प्रजनक विक्रियक’ म्हणतात.


निष्पन्न इंधन विक्रियकातून वेळोवेळी वेगळे काढता येते आणि त्याच किंवा इतर विक्रियकात वापरता येते. मात्र जळलेल्या जनक द्रव्याची–युरेनियम (२३८) किंवा थोरियम (२३२)–भरपाई करून प्रजनक विक्रियक अमर्यादित कालापर्यंत चालू ठेवण्याची शक्यता नसते. कारण भंजनखंडांची वाढ होत असते. विक्रियकाच्या दृष्टीने त्याच्या कार्याच्या आड येणाऱ्‍या या विघातक आगंतुक द्रव्यामध्ये न्यूट्रॉनांचा ग्रास होतो व अखेरीस भंजन-साखळीच बंद पडते. यामुळे असा विक्रियक चालू रहाण्याचा काल मर्यादित होतो. उदाहरण म्हणून १ टक्का युरेनियम (२३५) असलेल्या युरेनियम विक्रियकाचा विचार करू. समजा, नवीन इंधन घालण्याच्या वेळेला विक्रियकाचे आकारमान निव्वळ क्रांतिक आकारमानाइतकेच म्हणजे शून्य शक्ति-उत्पादनाचे आहे. प्रत्येक वेळेस ही परिस्थिती कायम राखण्यास नियंत्रक गजांचा वापर करावा लागेल. सर्व इंधन एकाच वेळी घालवयाचे आहे असे समजू. या परिस्थितीत १ टक्का युरेनियम (२३५) असणाऱ्‍या युरेनियमाच्या प्रत्येक किग्रॅ. मागे सु. १२५ मेवॉ. तास (१ मेवॉ. = १० वॉट) ऊर्जा उत्पन्न होईल. यापुढे सर्व इंधन पुन्हा नवीन घालावे लागेल. याशिवाय किरणोत्सर्गामुळे युरेनियमावर होणाऱ्‍या परिणामांचा विचार केल्यास या गणितात बरीच तफावत आढळेल. घनरूपी इंधन-घटकांची यांत्रिक ताकद किरणोत्सर्गाच्या परिस्थितीत कितपत रहाते हा फार महत्त्वाच्या भाग आहे. हा दोष द्रवरूप इंधन वापरून निवारता येतो (उदा., युरेनियमाचा द्रव धातूमधील विद्राव किंवा युरेनियम लवण द्रव्याचे पाण्यातील मिश्रण). द्रव इंधनाच्या प्रवाही धर्मामुळे इंधन पुन:प्राप्ती आणि विक्रियक यांची एकत्र रचना करता येते. तत्त्वत: अशी रचना अमर्यादित कालापर्यंत चालू राहील. २० वर्षेपर्यंत तरी अशा रचनेचे कार्य चालू राहिल्याने प्रयोगाने आढळून आले आहे.

किरणोत्सर्गापासून संरक्षण : भंजन-विक्रियेत व भंजनखंडांतून मोठ्या प्रमाणात किरणोत्सर्ग होत असतो. बीटा व गॅमा किरण आणि न्यूट्रॉन यांच्या हानिकारक परिणामांपासून सर्व संबंधित व्यक्तींचे संरक्षण होणे आवश्यक आहे. म्हणून कार्यशाळा, प्रयोगशाळा व विक्रियकाचा परिसर यांमधील सर्व प्रकारच्या किरणांची तीव्रता सह्य पातळीच्या खाली असली पाहिजे. विक्रियकाच्या भोवती जाड काँक्रीटच्या भिंती व किरणोत्सर्गी द्रव्यांभोवती संरक्षक आवरण घातल्याने हा प्रश्न सुटतो. शिवाय शीघ्र विक्रियकाभोवती जाड मंदायकाचा थरही वापरतात. इमारतींच्या आत व बाहेर मात्रामापक (किरणोत्सर्गाचे प्रमाण मोजण्याचे साधन) ठेवल्याने किरणांची तीव्रता कळते. त्याचप्रमाणे प्रत्येक व्यक्तीलाही मात्रामापक बिल्ले दिलेले असतात. एक मेगॅवॉट शक्त्युत्पादक विक्रियकाभोवती ३ ते ३·५ मी. जाड काँक्रीटची भिंत घातल्यास न्यूट्रॉनांचा ग्रास करणाऱ्या द्रव्यांचा अंतर्भाव असतो.

किरणोत्सर्गी द्रव्यांची विल्हेवाट : विक्रियकात उत्पन्न होणारी किरणोत्सर्गी द्रव्ये म्हणजे भंजनखंडे, त्यांपासून निर्माण होणारी किरणोत्सर्गी द्रव्यांची माला व न्यूट्रॉनग्रासाने उत्पन्न होणारी किरणोत्सर्गी द्रव्ये ही होत. अशुद्ध पाण्यातील लवणे किरणोत्सर्गी बनतात. पाणी अत्यंत शुद्ध असेल तर हा उपद्रव टाळता येतो.

जीवसृष्टीला किरणोत्सर्गापासून अपाय होऊ नये म्हणून किरमोत्सर्गी द्रव्ये बंदिस्त तरी ठेवली पाहिजेत किंवा त्यांचे पाण्यात मिश्रण करून ती पसरून विखरून टाकली पाहिजेत. या दोन्ही प्रकारांत आजूबाजूच्या जीवसृष्टीला अपाय होणार नाही असे या द्रव्यांचे प्रमाण राखले पाहिजे.

इंधन आणि शीतक द्रव्ये या दोहोंशी रासायनिक दृष्टया अक्रिय असणाऱ्या पदार्थाचे इंधनाभोवती आवरण घातले पाहिजे. या आवरणाचा भंग होऊन खंड द्रव्ये शीतकात पसरल्यास, ती द्रव्ये शीतक शुद्ध करण्याच्या प्रयोगशाळेत शीतकापासून वेगळी करण्यात येतात. ही खंड द्रव्ये शीतकात येऊन पोचली असता व विक्रियकाला एखादा अपघात झाल्यास ती तेथून हवेत पसरण्याचा संभव असतो. तो टाळण्यासाठी पुष्कळ वेळा सबंध विक्रियक एका मोठ्या हवाबंद आवरणाखाली ठेवला जातो. हे आवरण कधी जाड पत्र्याच्या मोठ्या दाबपात्राच्या (उच्च दाब सहन करू शकेल अशा पात्राच्या) स्वरूपात, तर कधी काँक्रीटच्या इमारतीच्या स्वरूपात असते. तुर्भे येथील ‘सायरस’ नावाच्या विक्रियकाभोवती शंकराच्या पिंडीच्या आकाराचा लोखंडी घुमट आहे त्यामुळे कधीकाळी इंधनात निर्माण झालेली खंड द्रव्ये भट्टीतून बाहेर निसटली, तरी ती घुमटाबाहेर पडू शकणार नाहीत. इंग्लंडमध्ये विंडस्केल येथे असलेल्या विक्रियकाभोवती असा संरक्षक घुमट नव्हता व त्यामुळे तेथे एका अपघातात बाहेर पडलेल्या किरणोत्सर्गी खंड द्रव्यांमुळे आजूबाजूच्या कित्येक चौरस किमी. प्रदेशातील भाजीपाला दूषित झाला होता. गुरांच्या आहारात किरणोत्सर्गी खंड द्रव्ये असलेले गवत गेल्यामुळे दूधही दूषित झाले होते. म्हणून खंड द्रव्यांचा किरणोत्सर्ग पुरेसा कमी होईपर्यत शक्य तितक्या प्रकारे काळजी घ्यावी लागते. विक्रियकात वापरल्या गेलेल्या इंधनातील उरलेले इंधन परत मिळण्यासाठी रासायनिक कारखान्यात जेथे धाडले जाते, तेथेही अशाच प्रकारे नीट काळजी घ्यावी लागते. रासायनिक पृथक्करणाने वेगळी केलेली खंड द्रव्ये दूर महासागराच्या बुडाशी सोडली जातात किंवा भूपृष्ठाखाली निष्कलंक पोलादाच्या टाक्यांमधून साठवून ठेवण्यात येतात.


विक्रियकांचे वर्गीकरण : विक्रियकांचे वर्गीकरण विविध प्रकारांनी करता येते. ते प्रकार असे : (१) भंजनक्षम न्यूट्रॉनाच्या सरासरी वेगावरून मंद, मध्यस्थ व शीघ्र असे प्रकार, (२) इंधनाचे प्रकार, (३) मंदायक द्रव्याचे प्रकार, (४) इंधन व मंदायक यांच्या मिश्रणाचे प्रकार, (५) शीतक द्रव्याचे प्रकार, (६) उद्दिष्ट व विक्रियकाच्या कार्याचे स्वरूप.

(१) शीघ्र विक्रियकांना मंदायकाची आवश्यकता नसते. या प्रकारच्या विक्रियकाकरिता प्लुटोनियम (२३९) हे इंधन सोयीचे असते. मंद विक्रीयकांमध्ये नैसर्गिक युरेनियम किंवा युरेनियम (२३५), युरेनियम (२३३) किंवा प्लुटोनियम (२३९) यांच्या विशिष्ट अंशाने संपन्न असे इंधन वापरावे लागते. मंदायक द्रव्यही लागते. शीघ्र विक्रियकांचे क्रांतिक आकारमान लहान असते, परंतु त्यामुळेच उच्च उष्णता-संक्रमणाचे तांत्रिक प्रश्न अवघड होतात.

(२) युरेनियम (२३५) मधून बाहेर पडणाऱ्या विलंबित न्यूट्रॉनांचा अंश सर्वांत अधिक असतो. नियंत्रणाच्या दृष्टीने हे सोयीस्कार असते. युरेनियम (२३३) हे इंधन भावी कालात सर्वांत विपुल ठरेल, कारण त्याच्या थोरियम या जनक द्रव्याचा साठा युरेनियमाच्या मानाने कितीतरी पट आहे. प्लुटोनियम (२३९) हे इंधन शीघ्र प्रजनक विक्रियकासाठी उपयुक्त ठरते. युरेनियम (२३५) हेच फक्त असे इंधन आहे की मंद किंवा शीघ्र न्यूट्रॉनांच्या उपयोगाने युरेनियम (२३८) किंवा थोरियम (२३२) यांच्यापासून भंजनक्षम द्रव्याचे जनन होते.

(३) भंजनक्षम द्रव्याच्या इंधानाचे गज किंवा गोळे या स्वरूपात मोठ्या प्रमाणात उपयोग करावयाचा असतो, तेव्हा नियंत्रणाची क्रिया सुकर कशी होईल, या दृष्टीने मंदायकाचा उपयोग करावा लागतो.

(४) विक्रियक अमिश्रित किंवा सुमिश्रित स्वरूपाचे असतात. अमिश्रित प्रकारात पट्टया, गज वा पोकळ नळ्या यांच्या स्वरूपात असलेले इंधन मंदायकामध्ये ठराविक प्रकारे रचलेले असते. सुमिश्रित विक्रियकांत इंधन व मंदायक द्रव्ये याचे चांगले मिश्रण केलेले असते व ते घन स्वरूपात किंवा विद्रावाच्या (एखाद्या द्रवात विरघळलेल्या) स्वरूपात असते.

आ. ४ राणा प्रतापसागर विक्रियकाचा गाभा. (अ) वरून दिसणारा भाग : १) नियंत्रक गज, २) औष्णिक कवच, ३) इंधन गज(५) शीतक द्रव्याचा प्रवाह विक्रियकाच्या गाभ्यातून बाहेर पडून बाष्पित्राला उष्णता देतो. बाहेरील उष्णता संक्रमकामधून इंधन द्रव्य पंपाने फिरवून पुन्हा विक्रियकाकडे पोचविण्याचाही आणखी एक प्रकार आहे.

(आ) उभा काटछेद : १) काँक्रीटची संरक्षण भिंत, २) विक्रियकाचा गाभा, ३) उष्ण शीतक, ४) थंड शीतक, ५) जड पाण्याची टाकी.(६) संशोधन, उष्णता किंवा विद्युत् शक्तीचे उत्पादन, भंजनक्षम द्रव्याचे प्रजनन, वाहनांना गती देणे असे विक्रियक संयोजनाचे अनेक उद्देश असू शकतात. एकाच विक्रियकाचे एक किंवा अनेक उद्देशही साध्य होऊ शकतात. या सर्व प्रकारांमुळे निव्वळ शक्ती उत्पादक-विक्रियकांचेदेखील शेकडो प्रकार झाले आहेत. पुढे काही विशिष्ट विक्रियकांचे वर्णन दिले आहे.

शक्त्युत्पादक विक्रियक : (अ) मंद न्यूट्रॉन प्रकारच्या विक्रियकाचा आरखडा आ.१ मध्ये दिलाच आहे. त्यावरून त्याच्या रचनेचा बोध होईल. यात इंधन म्हणून नैसर्गिक युरेनियम, मंदायक म्हणून ग्रॅफाइट व शीतक म्हणून कार्बन डाय-ऑक्साइड वापरतात. पोलादी पत्र्याच्या दाबपात्रात, गाभ्यात असलेल्या शुद्ध ग्रॅफाइटामधून इंधनाचे गज ठराविक अंतराने आरपार गेलेले असतात.वायुरूपी शीतक विक्रियकातील इंधनाभोवती खेळविण्याची व्यवस्था केलेली असते. इंग्लंडातील हिंकली पॉइंट येथील विक्रियकाची शक्ती २५० मेवॉ. असून गोलाकार दाबपात्राचा व्यास २० मी. व पत्र्याची जाडी ७·५ सेंमी. आहे. शीतकाने वाहून नेलेल्या उष्णतेने उष्णता-विनिमयकात पाण्‍याची वाफ होते व वाफचक्कीने जनित्रे चालतात. बाहेर पडलेल्या वाफेचे पाणी होऊन ते पुन्हा उष्णता-विनिमयकात जाते. अशा प्रकारच्या विक्रियकातील वापरेलेले इंधन विक्रियक चालू असतानाच बदलता येते. इंग्लंडमध्ये १९६८–६९ पर्यंत बांधण्यात आलेल्या सर्वांत मोठ्या विक्रियकाची शक्ती ६०० मेवॉ. होती. अशा प्रकारच्या विक्रियकापासून प्लुटोनियम (२३९) हेही उत्पन्न होते.

(आ) भारतात राणा प्रतापसागर (राजस्थान) येथे प्रत्येकी २०० मेवॉ. शक्तीचे दोन विक्रियक बांधण्याचे काम सुरू आहे. आ.४ मध्ये तेथील विक्रियकांच्या गाभ्याचा आराखडा दाखविला आहे.

येथे इंधन म्हणून नैसर्गिक युरेनियम ऑक्साईड मंदायक व शीतक म्हणून जड पाणी वापरलेले आहे. युरेनियम ऑक्साईड झर्कलॉय या मिश्रधातूच्या आवरणाखाली बंदिस्त करून त्याच्या नळ्या मोठ्या व्यासाच्या झिर्कलॉय नळ्यांमध्ये ठेवलेल्या असतात. या नळ्या मंदायक जड पाण्याच्या टाकीतून आरपार जातात. शीतकाने वाहून नेलेल्या उष्णतेने साध्या पाण्‍याची वाफ होते व त्यावर विद्युत् जनित्रे चालविण्यात येतात. या विक्रियकापासून युरेनियमाच्या दर टनागणिक २,५०० ते ३,००० मेवॉ.-दिवस एवढी ऊर्जा निर्माण करता येईल.

(इ) किंचित संपन्न युरेनियम–१·४ते २ टक्के युरेनियम (२३५)–इंधन म्हणून वापरणाऱ्या विक्रियकांचा भांडवली खर्च वरील विक्रियकापेक्षा बराच कमी असतो. यांचे संपीडित (दाबून संकोचित केलेले) जल विक्रियक (प्रेशराइज्य वॉटर रिअँक्टर–पी डब्ल्यू आर) व बाष्पजनक विक्रियक (बॉयलिंग वॉटर रिॲक्टर–बी डब्ल्यू आर) असे दोन प्रकार आहेत.


आ. ५. द्विचक्र बाष्पजनक विक्रियकाचा आराखडा. (१) विक्रियक, (२) विद्युत जनित्र उष्णता-विनिमयक, (४) बाष्प शीतक, (५) पंप.

संपीडित जल विक्रियक : मंदायक व शीतक शुद्ध पाणी. संपन्न युरेनियमाच्या ऑक्साइडाभोवती झिर्कलॉय किंवा निष्कलंक पोलादाचे आवरण असते. दाबपात्रामध्ये १५० किग्रॅ./चौ. सेंमी. या सुमाराचा दाब असतो. शीतक पाण्याचा उकळ-बिंदू त्यामुळे ३००से. ते ४०० पर्यंत जातो. या उच्च तपमानामुळे विद्युत शक्तीत रूपांतर होण्याची कार्यक्षमता वाढते. या प्रकारातील निराळी पद्धती म्हमजे जड पाणी मंदायक व शीतक म्हमून वापरणारा व अणुशक्तीचे प्रात्यक्षिक म्हणून वापरण्याच्या उद्देशाने बांधलेला कॅनडामधील विक्रियक (न्यूक्लियर पॉवर डेमॉन्स्ट्रेशन रिअँक्टर-एन पी डी आर) होय.

बाष्पजनक विक्रियक : मंदायक व शीतक-शुद्ध पाणी. इंधन किंचित संपन्न युरेनियम. संपीडित जल विक्रियकातील दाबापेक्षा यामध्ये दाब कमी असतो व पाण्याची वाफ गाभ्यातच तयार होते. त्यामुळे वाफचक्की व जनित्रे चालतात. या प्रकाराला ‘एकचक्र’ बाष्पजनक विक्रियक म्हणतात. काही विक्रियकांमध्ये गाभ्यात तयार होणाऱ्या वाफेखेरीज शीतकातील उष्णतेने उष्णता-विनिमयकांतही वाफ तयार होते. या वाफेचाही जनित्र चालविण्यासाठी उपयोग होतो (पहा : आ. ५). या प्रकारास ‘द्विचक्र’ बाष्पजनक विक्रियक म्हणतात. तारापूर (महाराष्ट्र) येथे उभारण्यात आलेले १९० मेवॉ. शक्तीचे दोन विक्रियक अशा प्रकारचे आहेत.

प्रायोगिक विक्रियक : शक्त्युत्पादनातील विविध प्रश्नांचा अभ्यास करणे, विविध प्रयोगांसाठी तीव्र न्यूट्रॉन स्त्रोत (प्रवाह) पुरविणे, भंजनक्षम द्रव्यांचे उत्पादन करणे, संशोधन इ. विविध उद्देशांनी बांधलेल्या विक्रियकाचे उदाहरण म्हणजे तुर्भे येथील भाभा अणुसंशोधन केंद्रामधील सायरस विक्रियक होय. सायरस विक्रियकाचा आराखडा आ. ६ मध्ये दिला आहे. या विक्रियकात नैसर्गिक युरेनियम हे इंधन व जड पाणी मंदायक द्रव्य म्हणून वापरले आहे. २६७ सेंमी. व्यास व ३१४ सेंमी उंच असलेल्या ॲल्युमिनियमाच्या टाकीतून आरपार जाणाऱ्या १९९ नळ्यांपैकी १८६ नळ्यांमध्ये युरेनियमाचे गज बसविलेले आहेत. यांच्याभोवती ॲल्युमिनियमाच्या पातळ पत्र्याचे आवरण आहे. इंधनात तयार होणारी उष्णता वाहून नेण्यासाठी शुद्ध पाणी खेळविलेले आहे. मंदायक (जड पाणी) आणि शीतक (साधे पाणी) यांचा संबंध येत नाही. विक्रियकाचे नियंत्रण   आ. ६ सायरस विक्रियकाचा आराखडा. (१) जडपाण्याची साठ्याची टाकी, (२) पंप, (३) शीतकारक समुद्राचे पाणी, (४) जड पाणी उष्णता-विविमयक, (५) पाण्याने थंड केलेले पोलादी संरक्षक ावरण, (६) येथून भडिमारानंतर किरणोत्सर्गी समस्थानिक असमारे गोल पात्र संरक्षित आवरण-पात्रात पडते, (७) न्यूट्रॉनांचा भडिमार करम्यासाठी द्रव्य सोडम्याचे द्वार, (८) जड पाण्याची अँल्युमिनियम टाकी, (९) वरचे अँल्युमिनियम ऊष्मीय संरक्षक आवरण, (१०) अँल्युमिनियम संरक्षण आवरण, (११) काँक्रीट संरक्षक आवरण, (१२) वरचे अंतर्गत पोलादी ऊष्मीय संरक्षक आवरण, (१३) वरची प्रमुख पट्टीका, (१४) बंद करमारा दंडगोल, (१५) दंडगोल हाताळण्याचे द्वार, (१६) फिरणारी तक्तापोशी, (१७) युरेनियम दंडगोल असलेल्या अँल्युमिनियमाच्या नळ्यांना थंड करून खाली जाणारे पाणी, (१८) हवेने थंड होणारे ‘J’ दंडगोल, (१९) चार जैव संरक्षक आवरणे, (२०) विडाचे संरक्षक आवरण, (२१) बाह्य ऊष्मीय संरक्षक आवरण, (२२) उपकरमांसाठी भोके, (२३) अन्वेषणाच्या प्रयोगांसाठी लागणारी न्यूट्रॉन शलाका, (२४) उष्णता-विनिमयक, (२५) खालचे अँल्युमिनियम ऊष्मीय संरक्षक आवरण, (२६) ग्रॅफाईट न्यूट्रॉन परावर्तक, (२७) खालचे पोलादी ऊष्मीय संरक्षक आवरण, (२८) नियंत्रक झडप. करण्यासाठी मंदायक जड पाण्याची पातळी कमीजास्त केली जाते. शिवाय विक्रियक त्वरित बंद पाडण्यासाठी बोरॉनयुक्त ६ नियंत्रक गज ठेवले आहेत. टाकीत इंधन गज बसविल्यानंतर त्या जागेत भरलेल्या जड पाण्याचाच परावर्तक म्हणूनही उपयोग होतो. या टाकीभोवती दोन अत्यंत शुद्ध ग्रॅफाइटाचे २२·५ सेंमी. व ६१ सेंमी. जाडीचे दंडगोल आहेत. त्यांचा परावर्तक म्हणून उपयोग होतो. विक्रियकातून निर्माण होणाऱ्या किरणोत्सर्गापासून संरक्षण करण्यासाठी औष्णिक कवच व जाड काँक्रीटच्या भिंती यांची योजना आहे, शिवाय संपूर्ण विक्रियक एका मोठ्या बंदिस्त दाबपात्रात ठेवलेला आहे.

या विक्रियकामधून आरपार जाणाऱ्या काही १० सेंमी. व्यासाच्या आणि काही १५ सेंमी. व्यासाच्या नळ्या बसविल्या आहेत. या नळ्यांमध्ये किरणोत्सर्गी समस्थानिक तयार करण्यासाठी वेगवेगळी मूलद्रव्ये ठेवता येतात. निरनिराळ्या विक्रियकांच्या इंधन गजांच्या प्रतिकृती या नळ्यांत ठेवून त्यांची परीक्षा करता येते. या विक्रियकाभोवती असलेल्या काँक्रीटच्या संरक्षक कवचात ॲल्युमिनियम धातूच्या नळ्या आहेत. विक्रियकाभोवती मांडलेल्या उपकरणांना या नळ्यांतून न्यूट्रॉनांचा पुरवठा करता येतो. शिवाय एका बाजूला काँक्रीटच्या भिंतीऐवजी शुद्ध ग्रॅफाइटाच्या विटा रचण्यात आल्या आहेत. या ग्रॅफाइटामुळे विक्रियकामधून बाहेर पडणाऱ्या न्यूट्रॉनांचा वेग मंद होतो व त्यामुळे विक्रियकाबाहेर मंद न्यूट्रॉनांचा पुरवठा होतो. या सुरक्षित ग्रॅफाइटाच्या विटांच्या भिंतीला ‘औष्णिक स्तंभ’ अशी संज्ञा आहे. ग्रॅफाइट हा पदार्थ काँक्रीटपेक्षा किरणोत्सर्ग शोषून घेण्याच्या कामी कमी परिणामकारक असल्यामुळे या ग्रॅफाइटाच्या बाहेच्या बाजूला जाड शिशाचे दरवाजे आहेत.

या विक्रियकामध्ये वापरलेल्या इंधनापासून प्लुटोनियम हे द्रव्य काढता येते. सायरस विक्रियकामध्ये निर्माण होणारी उष्णता ४० मेवॉ. असते. मोठ्या प्रमाणावर निर्माण होणारी उष्णता वाहून नेणे सोपे व्हावे म्हणून शीतकाचे तपमान शक्य तितके कमी राखतात व म्हणून उष्णतेचे विद्युत शक्तीत रूपांतर करणे कार्यक्षम ठरत नाही.

झर्लिना शून्य-शक्ती विक्रियक : तुर्भे येथील दुसरा प्रायोगिक विक्रियक ‘झर्लिना’ १९६१ साली सुरू झाला. याच्या साहाय्याने जड पाण्याचा मंदायक म्हणून उपयोग करून बांधण्यात येणाऱ्या विक्रियकांचा अभ्यास करता येतो (पहा : आ. ७).

या विक्रियकातील भंजनशक्ती इतर विक्रियकांच्या मानाने अत्यल्प, जवळजवळ उपेक्षणीय असते, म्हणून त्यास शून्य-शक्ती विक्रियक म्हणतात. अशा विक्रियकाचा उद्देश इतर विक्रियकांच्या गाभ्याच्या प्रतिकृतींचा सांगोपांग अभ्यास करणे हा असतो. मुख्यत: गुणनपद, न्यूट्रॉनाचे संभाव्य व सरासरी आयुर्मान आणि नियंत्रक गजाची कार्यक्षमता यांचे मापन करण्यात येते. झर्लिनामध्ये नैसर्गिक युरेनियम, संपन्न युरेनियम, प्लुटोनियम किंवा युरेनियम (२३३) मिश्रित थोरियम यांचा इंधन म्हणून व जड पाण्याचा मंदायक म्हणून उपयोग करून निरनिराळ्या विक्रियकांच्या गाभ्यांच्या प्रतिकृती तयार करण्याचा कार्यक्रम आखण्यात आलेला आहे. हा विक्रियक म्हणजे शुद्ध ॲल्युमिनियमाची एक टाकी आहे. या टाकीमध्ये वेगवेगळ्या इंधनाचे गज इष्ट प्रकारे लावण्याची व्यवस्था केलेली आहे. विक्रियकाभोवती ग्रॅफाइटाचा परावर्तक असतो. या परावर्तकाचा विक्रियकाच्या गाभ्यावर होणारा परिणाम ज्यावेळी टाळावयाचा असेल, त्यावेळी परावर्तक आणि विक्रियकाचा गाभा यांमध्ये कॅडमियम या तीव्र न्यूट्रॉनग्रासक्षम धातूचा पत्रा सरकवण्याची व्यवस्था असते. विक्रियकाचे नियंत्रण करण्यासाठी बोरॉनयुक्त गज आहेत. त्याशिवाय विक्रियकामधील जड पाण्याची पातळी कमीजास्त करूनही नियंत्रण करता येते. या विक्रियकात वापरल्या जाणऱ्या इंधनामधील भंजनक्षम द्रव्याचे प्रमाण, इंधन गंजाचे व्यास आणि त्यांचे एकमेकांतील अंतर यांसारख्या महत्त्वाच्या गोष्टींमधील बदलांमुळे विक्रियकाच्या न्यूट्रॉन


आ.७ झर्लिना शुन्य-शक्ती विक्रियकाचा आराखडा. (१) सरकते संरक्षक कवच, (२) काँक्रीतचे संरक्षक कवच, (३) अँल्युमिनियमाची टाकी, (४) ग्रॅफाइट परावर्तक, (५) शामक जड पाणी, (६) इंधन गजांचा आणि नियंत्रक गजांचा आधार, (७) कॅडमियमयुक्त सरकता पडदा, (८) नियंत्रक गज, (९) इंधन गज, (१०) जड पाण्याची टाकी, (११) पंप, (१२) तापक, (१३) उष्णता विनिमयक.

गुणनपदात होणारे फरक आणि त्या अनुषंगाने येणारे बदल अभ्यासले जातात. या विक्रियकामध्ये काही वॉट एवढीच शक्ती निर्माण होत असल्यामुळे शीतकाची योजना केलेली नाही, तरीही जड पाण्याच्या तपमानात फेरफार होणे शक्य असते. या फेरफारामुळे न्यूट्रॉन गुणनपदात जे फरक होतात, ते टाळण्यासाठी किंवा त्यांचा अभ्यास करण्यासाठी जड पाणी थंड करून अथवा गरम करून ते इच्छित तपमानाला आणण्याची योजना यात आहे. अशा प्रकारच्या विक्रियकामध्ये कमी शक्ती निर्माण होत असली, तरी ती नियंत्रित करण्यासाठी करावयाची रचना इतर कोणत्याही विक्रियकाएवढीच कसोशीने करावी लागते. संरक्षक कवच म्हणून बांधलेली भिंत मात्र कमी जाडीची चालू शकते. ह्या विक्रियकाप्रमाणेच इतर मंदायकांचा उपयोग करून बांधल्या जाणाऱ्या विक्रियकांचा अभ्यास करण्यासाठी देशोदेशी असे अनेक विक्रियक तयार करण्यात आले आहेत.

संशोधन विक्रियक : संशोधनाकरिता बांधलेल्या विक्रियकांचा मुख्य उद्देश इष्ट असा विपुल न्यूट्रॉनांचा स्त्रोत पुरवणे हा असतो. शक्ती विक्रियकामध्ये जास्तीत जास्त उष्णता उत्पन्न होत असते तर या विक्रियकामध्ये कमीत कमी उष्णता उत्पन्न होईल अशी व्यवस्था असते आणि विशेष अशी शीतकाची योजना नसते.

अशातऱ्हेचा सुपरिचित विक्रियक म्हणजे ‘टाकी विक्रियक’ होय. एका काँक्रीटच्या टाकीत १०० ते २०० घ.मी. अतिशुद्ध पाण्यामध्ये पोलादी जाळीत बसवलेली इंधनरचना, टाकीवरील पुलाच्या आधाराने पाण्याच्या खाली ५ ते ७ मी. खोल लोंबकळत ठेवलेली असते. यात सुरवातीस नैसर्गिक युरेनियम वापरीत असत. आता संपन्न युरेनियम गज वापरतात. त्यांच्याभोवती ॲल्युमिनियमाचे आवरण असते. इंधन सु. ३ किग्रॅ. असते. टाकीतील पाण्याच्या मंदायक, शीतक व संरक्षक आवरण अशा तिन्ही तऱ्हांनी उपयोग होतो. १०० किवॉ. शक्तीपर्यंत विसरणाने (एकमेकांत मिसळल्याने) पुरेसे शीतलीकरण होते. यापुढे मात्र पाणी पंपाने खाली खेचावे लागते.

आ.८ अप्सरा विक्रियकाचा आराखडा. (अ) पार्श्वदर्शन, (आ) अधोदर्शन. १) गाडी, २) सरक पडदीवरील खोधण, ३) संरक्षक भिंत, ४) विक्रियकाची टाकी, ५) संरक्षक कोपरा ६) प्रमुख शीतक नलिका, ७) शिशाचा दरवाजा, ८) औष्णिक स्तंभ, ९) विक्रियकाचा गाभा, १०) न्यूट्रॉन स्त्रोत विचरे व द्वारे (प्रयोगांकरिता).

उत्पन्न होणारा किरणोत्सर्गी नायट्रोजन (१६) पृष्ठभागी येऊन हवा दूषित करत नाही. मध्यम न्यूट्रॉन स्त्रोत १०१२ ते १०१३ न्यूट्रॉन/सेंमी. सेकंद या मानाचे असतात. हा स्त्रोत १०१३ ते १०१४ पर्यंत वाढविल्यास विशेष शीतलीकरण करावे लागते. अशा प्रकारच्या विक्रियकाचे उदाहरण म्हणजे तुर्भे येथील भाभा अणुसंशोधन केंद्रातील ‘अप्सरा’ विक्रियक होय. त्याचा आराखडा आ. ८ मध्ये दाखवला आहे.

सुरुवातीस संशोधन विक्रियक सुमिश्रित ‘बाष्पतापकपात्र’ प्रकारचा होता. यात संपन्न युरेनियम लवणाचा शुद्ध पाण्यातील विद्राव एका निष्कलंक पात्रामध्ये असून त्याभोवती परावर्तक व आवरण असते. जरूर तर गाभ्यामध्ये शीतक वलयाची योजना करावी लागते. पृथक्करणामुळे उत्पन्न झालेल्या हायड्रोजन व ऑक्सिजन यांचा पुन:संयोग व्हावा म्हणून पात्रामध्ये वायूंचे विसरण करावे लागते. विक्रियक चालू असताना पाणी उकळत नसते. वाफेचे बुडबुडे विद्रावात तयार झाल्यास विक्रियक बंद पडतो. तपमान ८० से.च्या खाली ठेवलेले असते. जड पाणी वापरणाऱ्या संशोधन विक्रियकांकरिता गाभ्यातील इंधनाचे वस्तुमान कमी असले तरी पुरते. त्यातून निघणारे न्यूट्रॉन स्त्रोत  १०१३ या मानाचे असतात (शक्ती सु. १,००० किवॉ.).

प्रजनक विक्रियक : किंचित संपन्न युरेनियमाचा किंवा नैसर्गिक युरेनियमाचा वापर करणारे विक्रियकच मोठ्या प्रमाणावर बांधावयाचे म्हटले, तर जगात उपलब्ध असणाऱ्या युरेनियमाचे साठे संपावयास फार वेळ लागणार नाही. ही गोष्ट टाळण्यासाठी नुसत्या युरेनियम (२३५) वर अवलंबून न राहता फार मोठ्या प्रमाणावर आढळणाऱ्या युरेनियम (२३८) अथवा थोरियम (२३२) सारख्या अणूंचे अनुक्रमे प्लुटोनियम (२३९) युरेनियम (२३३) या भंजनक्षम अणूंत रूपांतर करावयाला हवे. म्हणून शक्तीच्या जोडीलाच नवीन भंजनक्षम अणूंत रूपांतर करू शकणाऱ्या इंधनजनक विक्रियकांना भावी विक्रियक म्हणता येईल. द्रुत न्यूट्रॉनांवर आधारित इंधनजनक विक्रियकात प्लुटोनियम (१५ ते २० टक्के) व युरेनियम (८० ते ८५ टक्के) यांचे मिश्रण धातू अथवा ऑक्साइड अथवा कार्बाइड यांच्या रूपात वापरले जाईल. शीतक म्हणून द्रवरूप सोडियम किंवा हीलीयम वायू किंवा वाफ वापरली जाईल.

विक्रियकाच्या गाभ्याभोवती जनक द्रव्याचे म्हणजे युरेनियम (२३८) चे अथवा थोरियमाचे आवरण असते. त्यामुळे विक्रियकातून निसटून जाणारे न्यूट्रॉन मुख्यत्वे जनक द्रव्यात शोषले जातात व नवीन भंजनक्षम अणू तयार होतात. या प्रकारच्या विक्रियकाचा इंधनोत्पादक गुणक १ हून बऱ्याच प्रमाणात अधिक असतो. युरेनियम व प्लुटोनियम यांचे मिश्रण इंधन म्हणून वापरणे शक्य झाल्यास हा गुणक १·४ ते १·६ किंवा कदाचित त्याहूनही अधिक असू शकेल. अशा विक्रियकांद्वारा अधिक इंधनोत्पादन होणे शक्य आहे. ५ ते १० वर्षांच्या कालात अशा विक्रियकांद्वारा आणखी एक तेवढाच विक्रियक चालवता येईल, एवढे इंधन उपलब्ध होईल. या कालाला ‘द्विगुणन-काल’ अशी संज्ञा आहे.

विक्रियकात व विक्रियकाच्या आवरणातही विविध भंजन-विक्रिया घडून आल्यामुळे उष्णता निर्माण होते. ती उष्णता वाहून नेण्यासाठी सोडियमाचा वापर केला जातो. या अंतर्मंडलातील सोडियमामधील उष्णता एका उष्णता संक्रामकाच्या द्वारा बहिर्मंडलातील सोडियमाला दिली जाते व या मंडलातील सोडियमामधील उष्णता पाण्याची वाफ करते व ती वाफ जनित्रे चालविण्यासाठी वापरली जाते. अशा प्रकारे दोन स्वतंत्र मंडले वापरण्याचा उद्देश असा आहे की, कधी चुकून सोडियम व पाणी यांचा संयोग झालाच, तर त्यापासून घडून येणाऱ्या स्फोटक रासायनिक विक्रियेमुळे विक्रियकाच्या गाभ्याला धोका पोचू नये. अशा प्रकारचे विक्रियक बांधण्याचे तंत्र अजून पूर्णावस्थेला गेलेले नाही. पण पुढील काही वर्षांत प्रत्येकी १,००० मेवाँ. शक्तीचे विक्रियक बऱ्याच देशांत बांधले जातील.

इंधने : इंधनाची पुनःप्राप्ती : विक्रियकामध्ये वापरल्या जाणाऱ्या भंजनक्षम व जनक द्रव्यांच्या मिश्रणाला इंधन असे म्हणतात. ऊष्मीय न्यूट्रॉनांमुळे युरेनियम (२३३), युरेनियम (२३५) व प्लुटोनियम (२३९) यांचे भंजन होऊ शकते. यांचा उपयोग मुख्यत: प्रायोगिक योजनांमध्ये झाला आहे. प्लुटोनियम (२३९) चे मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करता येते. त्याचा प्रमुख उपयोग आणवीय अस्त्रे तयार करण्यासाठी झाला आहे. व्यावहारिक उपयोगासाठी मुख्यत: युरेनियम (२३५) हेच द्रव्य शिल्लक उरते. युरेनियम (२३५) ची उपलब्धता फारच कमी असल्यामुळे भंजनक्षम द्रव्यांचे भंजन होत असतानाच शक्य तेवढ्या जनक द्रव्यांचे भंजनक्षम द्रव्यांमध्ये रूपांतर करणे आवश्यक आहे. म्हणूनच भंजनशील द्रव्यांबरोबरच जनक द्रव्यांच्या शुद्ध स्वरूपातील प्राप्तीचाही विचार करावयास हवा.

विक्रियकांमधील सर्वच्या सर्व इंधन वापरले जाणे शक्य नसते. अमिश्रित विक्रियकांमधील इंधनाचे गज, नलिका वगैरेंमध्ये नेहमीच इंधन शिल्लक रहाते. त्यापासून ते पुन्हा प्राप्त करून घेतल्यास इंधनाची बचत होते.


इंधनाचे घटक व रचना : भंजनक्षम द्रव्य व जनक द्रव्य यांची निवड व अन्योन्य प्रमाण हे अनेक गोष्टींवर अवलंबून असते. भंजनकारी न्यूट्रॉनांचा सरासरी वेग, मंदायकाचा दर्जा, विक्रियकांच्या बांधणीत वापरलेल्‍या द्रव्यांची न्यूट्रॉनग्रास करण्याची क्षमता यांचा विचार करावा लागतो. त्यांच्या योजनेमध्ये अणुकेंद्रीय गुणधर्म, उष्णता संक्रमण, शीतक प्रवाह, किरणोत्सर्गामुळे होणारा नाश, गंजणे, भंजन सामावण्याची क्षमता इत्‍यादींचा विचार करावा लागतो. भंजनशील द्रव्‍य व जनक द्रव्य यांचे प्रमाण खालील कोष्टक क्र. 2 मध्ये दिले आहे :

कोष्टक क्र. 2. भंजनशील द्रव्य व जनक द्रव्य यांचे प्रमाण 
न्यूट्रॉनांचा वेग मंदायक भंजनशील द्रव्य जनक द्रव्य भंजनशील द्रव्याचे प्रमाण (सुमारे)
शीघ्र —– Pu239 U238 १० ते १५ टक्के
मंद ग्रॅफाइट बेरिलियम

जड पाणी

} Pu239 U238 १नैसर्गिक किंवा किंचित संपन्न
मंद साधे पाणी U 235 U238 २ ते ५ टक्के
मंद कोणताही मंदायक U 233 Th232 २ ते ५ टक्के

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

आ.९ इंधन घटक. (अ) पत्र्याच्या पद्धतीचा, (आ) दंडाच्या पद्धतीचा, (इ) राणा प्रताप सागर विक्रियकाच्या इंधनाची रचना. अघोदर्शन. १ : शीतक स्त्रोतपथ, २ : झिर्कोनियमाची तार. पार्श्वदर्शन. १ : झिर्कोनियमाची तार, २ : युरेनियम डाय-ऑक्साइडाची वडी, ३ : झिर्कोनियमाची आवरण.

इंधनाच्‍या पुन:प्राप्तीचा खर्च कमी करण्याच्या दृष्टीने व नवीन इंधन घटक तयार करण्यासाठी विक्रियकामध्ये इंधन शक्य तितका अधिक वेळ राहू देणे इष्ट असते. भंजनोद्भव ऊर्जा जेवढ्या अधिक तपमानात निर्माण करण्यात यश मिळेल, तेवढ्या प्रमाणात तिचे विद्युत् स्वरूपात रूपांतर करण्याची कार्यक्षमता वाढते. म्हणून उच्च तपमानाला टिकेल असे इंधन हवे. जास्तीत जास्त ऊर्जा निर्माण करताना, निर्माण होणारी उष्णता वाहून नेणे सुलभ व्हावे म्हणून इंधनाची उष्णता संवाहकता अधिक असणे आवश्यक असते. शिवाय चुकून इंधनाचा शीतकामध्ये किंवा मंदायकामध्ये प्रवेश झाला तरी रासायनिक विक्रिया घडण्याची शक्यता रहाता कामा नये.

शुद्ध युरेनियम रासायनिक दृष्ट्या अतिशय क्रियाशील आहे. त्याच्या वितळबिंदूच्या खाली घनावस्थेची तीन रूपे आहेत आणि किरणोत्सर्गामुळे त्याचा ऱ्हास होतो, म्हणून इंधन या दृष्टीने तो उपयुक्त नाही. त्याचप्रमाणे न्यूट्रॉनांच्या भडिमारामुळे, तसेच खंड द्रव्यामुळे व उष्णतेमुळे इंधनाच्या आकारमानात मोठा फरक होतो व आकारात विकृती उत्पन्न होते. म्हणून युरेनियम वा थोरियम यांचा वापर करणाऱ्या इंधनामध्ये हे धातू मिश्रधातूच्या रूपात किंवा ऑक्साइड वा कार्बाइड या स्वरूपातच वापरावे लागतात.

इंधन घटकांचे तीन प्रकार आहेत : (१) युरेनियम किंवा युरेनियममिश्रित धातू, (२) मृदीय सच्छिद्र इंधने, (३) धातूच्या जाळीत बसविलेली युरेनियम संयुगयुक्त ‘सेरमेटे’ (धातवीय ऑक्साइड, कार्बाइड अथवा नायट्राइड यांसारख्या संयुगात धातूचे मिश्रण करून तयार केलेले पदार्थ). या द्रव्यांपासून जास्तीत जास्त उष्णता वाहून नेता यावी, म्हणून त्यांच्या लहान व्यासाच्या वड्या, पोकळ नळ्या, सपाट किंवा वक्र पातळ पत्रे, कांबी किंवा गोलक केलेले असतात. त्यात निर्माण होणाऱ्या खंड द्रव्यांचा दुसरीकडे संचार होऊ नये म्हणून त्याच्यभोवती शीतकाशी किंवा इंधनाशी रासायनिक दृष्ट्या अक्रिय असणाऱ्या एखाद्या धातूच्या पातळ पत्र्याचे आवरण घातलेले असते. यामुळे गंजण्यापासूनही त्याचे रक्षण होते. आ. ९ मध्ये काही इंधन घटक दाखविले आहेत.

इंधन घटकाच्या दोन्ही टोकांना अक्रिय द्रव्याच्या पेट्या असून त्यांमध्ये घटक योग्य जागेत बसविलेले असतात. त्याभोवती शीतकाचा प्रवाह जाण्यासाठी जागा ठेवलेली असते. (पहा : आ. ९ इ ).

इंधन घन स्वरूपातच असले पाहिजे असे नाही, ते द्रवरुपात असल्यास इंधनातील खंड द्रव्यांचे विशेष प्रमाण वाढण्याच्या आत ती काढून टाकणे शक्य असते व आगंतुक खंड द्रव्यांमध्ये न्यूट्रॉनग्रासाने होणारा न्यूट्रॉनांचा अपव्यय टळतो.

इंधनाच्या आकारमानात फरक होण्याचा प्रश्नही सुटतो. याचे उदाहरण म्हणजे द्रवरूप-लवण-प्रजनक-विक्रियक होय. या विक्रियकात लिथियम, बेरिलियम आणि युरेनियम यांच्या फ्ल्युओराइडाच्या मिश्रणाचा इंधन म्हणून उपयोग केला जातो. या मिश्रणाचा वितळबिंदू सु. ३२० से. असून उकळबिंदू सु. १,००० से. आहे. हे इंधन द्रव्य ग्रॅफाइटाच्या गाभ्यातून जात असता ग्रॅफाइटाच्या मंदायक गुणधर्मामुळे न्यूट्रॉन मंद होतात व भंजन-विक्रियेमध्ये वाढ होऊन इंधनाचे तपमान वाढते. याचाच उष्णता संक्रामक म्हणूनही उपयोग होतो. हे मिश्रण उष्णता-विनिमयकात पोचल्यावर त्यातील उष्णता दुसऱ्या द्रवरूप लवण प्रवाहात जाते. या उष्णतेच्या साहाय्याने दुसऱ्या एका उष्णता-विनिमयकात पाण्याची वाफ होते व तिचा जनित्र चालविण्यासाठी उपयोग होतो. द्रवरूप इंधनाचा काही भाग अखंड चालू असणाऱ्या इंधन शोधन (इंधनातील अनावश्यक द्रव्ये काढून टाकण्याच्या) यंत्रणेकडे जातो.

त्यामध्ये इंधनातील खंड द्रव्ये काढून टाकली जातात व त्यामुळे विक्रियकाचा इंधनोत्पत्तीगुणक वाढतो. इंधनातील किरणोत्सर्गी खंड द्रव्यांचा अपघाती प्रसार होणार नाही याची काळजी घ्यावी लागते. असा एक विक्रियक अमेरिकेतील ओक रीज नॅशनल लॅबोरेटरीत बांधण्यात आला आहे. त्याचे कार्य समाधानकारक ठरल्यास स्वस्त दरात वीज पुरविणे शक्य होईल.

इंधन प्राप्ती: प्राथमिक किंवा प्रधान इंधन युरेनियम (२३८) होय. नैसर्गिक युरेनियमामध्ये ०·७१ टक्के युरेनियम (२३५) हा समस्थानिक असतो आणि विशिष्ट परिस्थितीमध्ये भंजन-साखळी नैसर्गिक युरेनियमामध्ये चालू ठेवणे शक्य असले तरी युरेनियम (२३५) ने संपन्न असे इंधन वापरणे इष्ट असते. विशेषत: लहान आकारमानाच्या विक्रियकामध्ये जवळजवळ शुद्ध युरेनियम (२३५) वापरणे फायदेशीर ठरते. युरेनियम (२३८) व थोरियम (२३२) या जनक द्रव्यांपासून प्लुटोनियम (२३९) व युरेनियम (२३३) ही भंजनशील द्रव्ये मिळतात. त्यांना ‘निष्पन्न इंधन’ म्हणतात. युरेनियम (२३५) ची नैसर्गिक उपलब्धता फारच कमी असल्यामुळे जनक द्रव्ये शुद्ध स्वरूपात मिळविणे इष्ट असते.

युरेनियम हे विरळाच आढळणारे मूलद्रव्य आहे, अशी सर्वसामान्य कल्पना आहे. पण पृथ्वीच्या कवचातील त्याचे प्रमाण विरळ नसून पारा, रुपे किंवा आयोडीन या सामान्य मूलद्रव्यांच्या प्रमाणापेक्षा अधिक भरते. त्याच्या धातुकाचे उपयुक्त व मोठे साठे मात्र थोड्याच देशांत मुख्यत: काँगोत व कॅनडात आढळलेले आहेत. ‘पिचब्लेंड’ हे युरेनियमाचे मुख्य धातुक होय [→युरेनियम].


युरेनियमाच्या बहुतेक सर्व धातुकांत इतर अनेक धातूंची खनिजे असतात व ती काढून युरेनियम मिळविणे हे एक जटिल काम असते. धातुकाची पूड करून अम्लाच्या किंवा लवणांच्या विद्रावाच्या द्वारा तिचे अपक्षालन (पाझरवून वेगळे करणे) केले जाते व अपक्षालनाने मिळणाऱ्या विद्रावावर अवक्षेपण (साका बनविणे), विद्रावक निष्कर्षण (विद्रावकात विरघळवून काढून घेणे), ⇨ आयन-विनिमय इ. विक्रिया करून तिचे युरॅनिक ऑक्साइड (U3O8) सारखे एखादे संयुग मिळविले जाते व त्याच्यावर निरनिराळे संस्कार करून ती धातू किंवा तिची इष्ट ती संयुगे मिळवली जातात. युरेनियम नायट्रेट भाजून शुद्ध युरॅनस व युरॅनिक ऑक्साइड प्राप्त होते. असे द्रव्य तयार करताना न्यूट्रॉनग्रासक्षम आगंतुक द्रव्ये काढून टाकण्याकडे विशेष लक्ष द्यावे लागते. अशा द्रव्यांचे म्हणजेच बोरॉन, कॅडमियम, इंडियम, गॅडोलिनियम वगैरेंचे प्रमाण १०-६ इतक्या अंशापेक्षा कमी असावे लागते.

संपन्नयुरेनियम:  युरेनियम(२३८) व युरेनियम (२३५) यांच्या आणवीय वस्तुमानांमध्ये जो थोडासा फरक आहे, त्या आधाराने त्यांचे पृथक्करण करण्याच्या चार तरी कृती आहेत त्या अशा : (१) वायवीय विसरण, (२) ऊष्मीय विसरण, (३) विद्युत् कर्षुकीय पृथक्करण, (४)अपमध्य (केंद्रापासून दूर जाणाऱ्या प्रेरणेने) पृथक्करण.

(१) वायवीय विसरण: सच्छिद्रपटलामधून हलक्या वायूचे रेणू भारी वायूच्या रेणूंपेक्षा अधिक संख्येनेआरपार जातात, या तत्त्वावर युरेनियम समस्थानिकांचे पृथक्करण करण्याचेकारखाने इंग्लंड, अमेरिका, रशिया आणि फ्रान्स या देशांत आहेत. युरेनियमहेक्झॅफ्ल्युओराइड (UF6) सामान्य तपमानात घन स्वरूपात असले, तरी त्याचा बाष्पदाब ८० मिमी. (पाऱ्याचा) इतका असतो. ५६से. ला ७६० मिमी. इतका होतो. UF6बाष्पाचा उपयोग वायवीय विसरण पद्धतीमध्ये करता येतो. UF6 चा सापेक्ष वस्तुमान फरक ०·८६ टक्केच आहे. युरेनियम (२३५) व युरेनियम (२३८) यांच्या ऊष्मीय वेगांतील फरक ०·४३टक्के आहे, तरीसुद्धा या लहान फरकामुळे सच्छिद्र पटलांमधून होणाऱ्याविसरणाने युरेनियम समस्थानिकांचे अंशत: पृथक्करण होते. या पद्धतीचा आराखडाआ. १० मध्ये दिला आहे. प्रत्येक पेटीमध्ये होणारे पृथक्करण अल्पच असते, परंतु अशा शेकडो किंवा हजारो पेट्या एकमेकांस जोडून साखळी पद्धतीनेहोणाऱ्या पृथक्करण पद्धतीने युरेनियम (२३५) या समस्थानिकांने युरेनियम अत्यंत संपन्न करता येते.

(२) उष्मीय विसरण : दोन वायूंचे किंवा द्रवांचेआ. १० वायवीय विसरण पद्धतीने होणारे पृथक्करण. (१) सच्छिद्र पटल, (२) संपन्न युरेनियम, (३) निकृष्ट युरेनियम, (४) संपन्न युरेनियम, (५) वायूचा प्रवेश. मिश्रण एका पात्रात घालून त्याच्या भिंतींमधील तपमानांतील फरक कायम ठेवला तर तप्त भिंतीजवळ असणारी रेणूंची घनता थंड भिंतीजवळील घनतेपेक्षा अधिक असते. साधारणपणे हलके अणू तप्त बाजूकडे गोळा होतात. विसरणाने होणारा पृथक्करणाचा अंश लहान असला, तरी साखळी पद्धतीने तो वाढवता येतो.

(३) विद्युत् कर्षुकीय पद्धती : या पद्धतीमध्ये कर्षुकीय क्षेत्रात वर्तुळाकार फिरणाऱ्या आयनाच्या मार्गाची त्रिज्या वस्तुमानाच्या प्रमाणात असते. मात्र वेग व विद्युत् भार तोच असावा लागतो. अशा तऱ्हेने समस्थानिक अलग करणाऱ्या यंत्रांना ‘क्लुट्रॉन’ म्हणतात. या पद्धतीने १०० टक्के पृथक्करण करणे शक्य होते.

(४) अपमध्य पृथक्करण : अपमध्य प्रेरणेमुळे जड अणू बाहेरच्या बाजूस सरकतात व हलके अणू अक्षाच्या दिशेने सरकतात. या तत्त्वावर UF6 चे बाष्प अपमध्य यंत्रात फिरवल्यास युरेनियम (२३५) व युरेनियम (२३८) यांचे पृथक्करण होऊ शकते. येथे कठीण गोष्ट म्हणजे या यंत्रामध्ये सुरुवातीचे मिश्रण पुरविणे व संपन्न व निकृष्ट भाग यंत्र चालू असताना बाहेर काढणे, ही होय. हे साध्य झाल्यास या दोन समस्थानिकांचे पृथक्करण कमी खर्चात करता येईल.

थोरियम: मोनॅझाइट वाळूमध्ये थोरियमाचे प्रमाण ८ ते १० टक्के असते. या वाळूचे मोठमोठे साठे भारतात तमिळनाडू व केरळ या राज्यांच्या किनारपट्टीवर, तसेच राजस्थान व बिहार येथील खडकांत आढळतात. आफ्रिका व ब्राझीलमध्येही असे साठे आढळतात. भारतातच ४ लक्ष टन थोरियम उपलब्ध होईल असा अंदाज आहे. प्रजनक विक्रियकामध्ये थोरियमाचे युरेनियम (२३३) मध्ये रूपांतर करणे व्यावहारिक दृष्ट्या शक्य होईल त्यावेळी या साठ्यांना महत्त्व प्राप्त होईल. मोनॅझाइटापासून थोरियम प्राप्त करण्यासाठी अनेक रासायनिक विक्रिया कराव्या लागतात. मोनॅझाइट सल्फ्यूरिक अम्लामध्ये विरघळते व बहुतेक सर्व आगतुंक द्रव्ये ऑक्झॅलिक व फॉस्फोरिक अम्ल वापरून वेगळी करता येतात [→थोरियम].

निष्पन्न इंधनाची प्राप्ती: प्लुटोनियम : युरेनियम (२३८) वर न्यूट्रॉनांचा भडिमार करून प्लुटोनियम प्राप्त होते. युरेनियम व खंड द्रव्यांच्या मोठ्या राशींतून अल्प असे प्लुटोनियम वेगळे करणे फार अवघड आहे. रासायनिक दृष्टीनेही हा प्रश्न बिकट आहे. कारण इष्ट धातूचा अंश जितका थोडा तितक्या प्रमाणात रासायनिक पृथक्करणांची कार्यक्षमता कमी होत जाते. शिवाय येथे सर्व विक्रिया किरणोत्सर्गाच्या उपद्रवामुळे, दूर राहून नियंत्रित करावयाच्या असतात. कारण केवळ काही मायक्रोग्रॅम प्लुटोनियमाचा शरीरात प्रवेश झाल्यासही तो प्राणघातक ठरतो. प्रथमत: न्यूट्रॉनांचा भडिमार झालेला युरेनियमाचा गोळा ‘थंड’ होऊ द्यावा लागतो, म्हणजे कमी अर्धायुष्य (किरणोत्सर्गी पदार्थाची मूळची क्रियाशीलता विघटनामुळे निम्मी होण्यास लागणारा काळ) असणाऱ्या किरणोत्सर्गी द्रव्यांची क्रियाशीलता कमी होऊन त्यांचा उपद्रव बराचसा कमी होतो. नंतर त्याचा नायट्रिक अम्लामध्ये विद्राव करतात. विक्रियेमध्ये झेनॉन व क्रिप्टॉन ही किरणोत्सर्गी द्रव्ये मुक्त होतात. ही द्रव्ये व इतर किरणोत्सर्गी बाष्प (आयोडीन वगैरे) काम करणाऱ्यांना उपद्रवकारक होणार नाही, याची काळजी घ्यावी लागते. यानंतर युरेनियम, प्लुटोनियम व खंड द्रव्यांच्या विद्रावाचे रासायनिक पृथक्करण करतात. याची एक पद्धत अशी की, प्लुटोनियम व इतर द्रव्ये यांच्या बाबतीतील ऑक्सिडीकरण-क्षपण विक्रियांमध्ये असणाऱ्या फरकाचा फायदा घेणे [→ऑक्सिडीकरण].

याप्रमाणे प्लुटोनियमाचे प्रथम वरच्या पातळीचे ऑक्सिडीकरण खालच्या पातळीवर आणून फ्ल्युओरिनाशी संयोग करून ते अवक्षेपित करतात. युरेनियम विद्रावातच रहाते. रासायनिक ‘वाहक’ पद्धतीने या क्रियेची कार्यक्षमता वाढवता येते.

लँथॅनम ट्रायफ्ल्युओराइड आणि सिरियम ट्रायफ्ल्युओराइड ही संयुगे पुष्कळशा भंजन खंड द्रव्यांसाठी व प्लुटोनियमासाठी रासायनिक वाहक म्हणून उपयोगी पडतात. प्लुटोनियमाचे नंतरचे पृथक्करण नेहमीच्या रासायनिक पद्धतीने होते. शिल्लक राहिलेल्या युरेनियमाचे हेक्झॅफ्ल्युओराइडामध्ये रूपांतर करून युरेनियमाच्या कारखान्यात पाठवता येते.

शुद्ध प्लुटोनियमाचे उत्पादन करणे फार खर्चाचे व तांत्रिक कौशल्याचे काम आहे. त्याचे  उत्पादन करण्यासाठी तुर्भे येथे एक कारखाना उभारला आहे. रशिया, अमेरिका वगैरे प्रगत देशांत यासाठी कारखाने उभारले आहेत.

युरेनियम (२३३) : या बाबतीत थोरियम व प्रोटॅक्टिनियम (२३३) यापासून युरेनियम (२३३) चे पृथक्करण करावयाचे असते. प्रथम थोरियमाचा गोळा सहा महिने थंड करतात. या अवधीत बहुतेक सर्व प्रोटॅक्टिनियम (२३३) चे युरेनियम (२३३) मध्ये रूपांतर होते. नंतर थोरियम व युरेनियम नायट्रेटाच्या जलविद्रावामध्ये ईथर घालून युरेनियमाचा ईथर-विद्राव वेगळा करता येतो. अखेरीस युरेनियम (२३३) धातू नैसर्गित युरेनियमाप्रमाणेच तयार करतात. १९७० मध्ये भाभा अणुसंशोधन केंद्रामधील भारतीय शास्त्रज्ञांनी थोरियमामधील युरेनियम (२३३) अलग करण्याची एक पद्धत शोधून काढली आहे.

इंधनाची पुन:प्राप्ती : न्यूट्रॉन-उद्दीप्त इंधनापासून आगंतुक द्रव्ये व भंजनक्षम खंड द्रव्ये वेगळी करून शुध्द इंधन पुन्हा इष्ट घटकरूपाने तयार केले की, इंधनाची पुनःप्राप्ती होते. यासाठी व्यावहारिक दृष्ट्या रासायनिक पद्धतीच वापरात आहे. या रासायनिक पद्धतीचे दोन भाग होतात. (१) अशुद्ध इंधनाचा विद्राव करणे, (२) योग्य विद्रावक वापरून इंधन द्रव्याचा विद्राव वेगळा काढणे.


प्रथम इंधन घटक काही काल एकत्र साठवलेले असतात. त्यानंतर पेट्या, बाजूच्या पट्ट‍या वगैरे आवरणातील अक्रिय द्रव्य त्यापासून वेगळे केले जाते. नंतर हे अशुद्ध इंधन योग्य अशा अम्लामध्ये विरघळवितात. नंतर विद्रावक निष्कर्षण क्रिया वापरतात.

युरेनियम किंवा प्लुटोनियम यांसारखी द्रव्ये सहज मिसळतील असा एखादा कार्बनयुक्त विद्रावक या पूरक विद्रावामध्ये घालतात. कार्बनयुक्त विद्रावक पूरक विद्रावात मिसळत नाही व तो हलकाही असतो आणि त्यामुळे इंधनयुक्त विद्राव सहज वेगळा काढून घेता येतो. शिल्लक राहिलेल्या जलविद्रावामध्ये किरणोत्सर्गी वर्ज्य भाग राहतो.

कार्बनयुक्त विद्रावकातील इंधन द्रव्यांचा संबंध अम्ल विद्रावाशी आणून इंधन द्रव्य जलयुक्त विद्रावात जाते व कार्बनयुक्त विद्राव वर्ज्य द्रव्य म्हणून रहातो. इंधन संपन्न विद्राव अधिकाधिक संपन्न करून अखेरीस युरेनियम किंवा प्लुटोनियम नायट्रेटाच्या स्वरूपात बाहेर पडतो.

वर वर्णन केलेल्या पद्धती अखंड स्वरूपात किंवा टप्प्याटप्प्याने वापरता येतात, अर्थात अंखडित पद्धती दृष्ट्या फायदेशीर असतात. परंतु इंधनाची संपन्नता, घटना व रचना वेगवेगळ्या असल्यामुळे टप्प्याटप्प्याने इंधनप्राप्ती करून घेणे सोयीचे असते.

अणुकेंद्रीय विक्रियकातील संक्षारण समस्या: संक्षारण म्हणजे हळूहळू झिजणे. शक्त्युत्पादक विक्रियक निरनिराळ्या प्रकारचे असतात. काही विक्रियकांत संपीडित पाणी, उकळते पाणी वापरात असते तर इतर काही वायूने किंवा द्रव धातूने थंड करण्यात येतात.

या विक्रियकांतील धातू व इतर सामग्री, पाण्याशी, वायूंशी किंवा इतर धातूंशी उच्च तपमान असताना संपर्कात येत असतात. त्यामुळे त्यातील निरनिराळ्या भागांचा संक्षारणाने ऱ्हास होत असतो. प्रारणामुळे बऱ्याच सामग्रीच्या ऱ्हासासंबंधी ठराविक कालानंतर तपासणीही करता येत नाही. म्हणून निरनिराळे भाग तयार करतानाच वापरलेल्या धातू व मिश्रधातू यांची अत्यंत काळजीपूर्वक निवड करावी लागते म्हणजे विक्रियकाकडून त्याच्या आयुर्मर्यादेत समाधानकारक काम मिळत राहणे शक्य असते.

वापरलेल्या इंधनातून काही उपयोगी घटक द्रव्ये परत मिळविण्याच्या प्रक्रियेतही संक्षारणाच्या समस्या असतात. यामध्ये प्रारणाच्या अस्तित्वामुळे सर्व क्रिया दूर अंतरावरून नियंत्रित कराव्या लागतात. काही क्रियाशील अपशिष्ट (वाया गेलेल्या) द्रव्यांचा निचरा होत असलेल्या ठिकाणी बसविलेल्या सामग्रीमध्ये संक्षारण होत असल्याचे अनुभवास आले आहे.

विक्रियकाशी संबंधित असलेले उष्णता-विनिमयक, शीतक यांसारखे कित्येक भाग असतात त्यांच्यात विशेषेकरून समुद्राचे पाणी वापरात आणल्यास संक्षारण प्रवृत्ती दिसून येते. समुद्रकाठी उभारलेल्या अशा विक्रियकांत समुद्राच्या खाऱ्या पाण्याचा उपयोग मोठ्या प्रमाणात करतात. हे खारे पाणी साधारण बऱ्याच मिश्रधातूंचे उच्च तपमानात संक्षारण करीत असते. म्हणून संक्षारण विरोधक धातू व मिश्रधातू वापरण्याची जरूरी असते.

अर्थिक प्रश्न:शक्त्युत्पादक संरचना : वाढत्या उद्योगीकरणामुळे व जनतेच्या वाढत्या गरजांमुळे विद्युत् शक्तीची मागणी सगळीकडेच वाढत आहे. कोळसा व खनिज तेले यांवर चालणारी विद्युत् शक्तीकेंद्रे अधिक बांधावयाची म्हटली तरी सध्याचे कोळशाचे व तेलाचे साठे काही दशकांतच संपतील. म्हणून अणुकेंद्रीय शक्तीचा वापर पर्यायी योजना म्हणून करणे अपरिहार्य आहे. मोठ्या लोकसंख्येच्या भारतासारख्या प्रगतिपथावर असलेल्या देशांत तर अणुकेंद्रीय शक्ती वापरण्याची निकड जास्त आहे. शिवाय येथे उपलब्ध असलेले कोळसा व खनिज तेले यांचे साठेही तुलनेने लहान आहेत.

अणुकेंद्रीय शक्त्युत्पादक विक्रियकाचा भांडवली खर्च इतर रूढ शक्त्युत्पादन केंद्रापेक्षा फार असतो. याची कारणे म्हणजे इंधनोत्पादनाचा खर्च संरचनेचे गुंतांगुंतीचे स्वरूप. जाड काँक्रीटच्या संरक्षक भिंतीचे आवरण असलेल्या विक्रियकाचा व्यास १६–२० मी. असू शकतो. याशिवाय १५००–३००० टन अत्यंत शुद्ध ग्रॅफाइट किंवा शेकडो टन जड पाणी इ. द्रव्ये आवश्यक असतात. विक्रियकाचे आकारमान लहान केले तर संपन्न इंधनाची किंमत वाढते. याव्यतिरिक्त नियंत्रक व्यवस्थेचा खर्च, उच्च क्रियाशीलतेची किरणोत्सर्गी द्रव्ये साठवण्याची व्यवस्थाही करावी लागते. एवंच, या सर्व गोष्टींमुळे खर्चाचे प्रमाण खूपच वाढते. मात्र अणुकेंद्रीय विक्रियक चालू ठेवण्याचा खर्च कमी असतो. जेथे कोळसा किंवा खनिज तेले महाग व दूरवर असतील तेथे विक्रियकाच्या साहाय्याने वीज उत्पन्न करणे फायदेशीर ठरते. इंग्लंडमध्ये अणुकेंद्रीय ऊर्जेपासून सर्वांत जास्त वीज निर्माण करण्यात येते. जर्मनीमध्ये अणुकेंद्रीय ऊर्जा मिळविण्याचा अधिकाधिक प्रयत्न चालू आहे. रशिया व अमेरिका या देशांतही अणुकेंद्रीय शक्त्युत्पादक केंद्रांना उत्तेजन मिळत आहे. १९७१ मध्ये जगात सुमारे १०२ अणुकेंद्रीय शक्त्युत्पादक केंद्रे (एकूण २३,३९४ मेवॉ. शक्त्युत्पादन) प्रत्यक्ष कार्य करीत होती, १३१ केंद्रांचे (८९,०६५ मेवॉ.) बांधकाम चालू होते आणि ५८ केंद्रांकरिता (५०,६८२ मेवॉ.) आदेश देण्यात आलेले होते.

जिनिव्हा येथे १९५५ मध्ये झालेल्या परिषदेमध्ये दोन रशियन शास्त्रज्ञांनी सादर केलेल्या एका निबंधामध्ये १०० मेवॉ. शक्ती उत्पन्न करणाऱ्या अणुकेंद्रीय इंधन वापरणाऱ्या व कोळशावर चालणाऱ्या शक्त्युत्पादक केंद्रांची तुलना केली आहे. त्यामध्ये अणुकेंद्रीय संरचनेचा (इंधन वगळता) भांडवली खर्च कमीच दाखविलेला आहे. अखेरीस अणुकेंद्रीय विक्रियकाच्या साहाय्याने उत्पन्न झालेल्या विजेचा खर्च प्रती किलोवॉट–तासाला १–२ कोपेक (१ कोपेक = सु. ८ पैसे) इतका म्हणजे औष्णिक विद्युत् केंद्रातून उत्पन्न होणाऱ्या विजेच्या खर्चापेक्षा थोडासाच अधिक आहे. नंतरच्या काही वर्षांत झालेल्या तांत्रिक प्रगतीमुळे ही किंमत बरीच कमी झाली आहे.

इंधन शक्य तितके अधिक कालपर्यंत विक्रियकात वापरता येणे शक्य झाले, म्हणजेच विक्रियकातील इंधन पुन:पुरविण्याचा काल वाढवता आला, तर खर्चात मोठी बचत होईल. पण यात अडचणी उद्भवतात. त्या अशा : (१) इंधनात उत्पन्न होणारी विषारी द्रव्ये, (२) किरणोत्सर्गामुळे इंधनावर होणार परिणाम, (३) खंड द्रव्यांचा वायुरूपाने प्रसार व (४) उष्णता-चक्रामध्ये इंधनावर होणारा परिणाम. या अडचणींवर उपाय काढणे सतत चालूच आहे. याशिवाय प्रजनक विक्रियकामध्ये निष्पन्न इंधन तयार करणेही आता साध्य झाले आहे.

अणुकेंद्रीय शक्तीचे विजेमध्ये रूपांतर करणे नुसते साध्य झाले आहे, एवढेच नव्हे तर व्यावहारिक दृष्ट्या किफायतशीरही ठरले आहे. इंग्लंड, अमेरिका, रशिया, कॅनडा, फ्रान्स, जर्मनी या सर्व देशांत साधनसंपत्तीप्रमाणे लहान मोठे शक्त्युत्पादक विक्रियक बांधले आहेत. मुंबईजवळ तारापूर येथे ३८० मेवॉ. शक्तीचे विद्युत् केंद्र बांधण्यात आले आहे. १९० मेवॉ. शक्तीचे दोन विक्रियक येथे आहेत. त्यांपैकी पहिला एप्रिल १९६९ मध्ये कार्यान्वित झाला.

अमेरिकेत १९७१–७२ साली पुऱ्या होणाऱ्या अणुकेंद्रीय विद्युत् उत्पादक केंद्राचा भांडवली खर्च कोळशावर चालणाऱ्या केंद्राच्या खर्चापेक्षा काही टक्क्यांनीच जास्त असेल असा अंदाज व्यक्त करण्यात आला होता. लहान विक्रियक कोळशाच्या खाणीपासून दूर असणाऱ्या प्रदेशांतच फायदेशीर ठरतात. ५००–६०० मेवॉ.पेक्षा अधिक शक्तीचे विक्रियक कोठेही फायदेशीर ठरतील. पण थोडासा भांडवली खर्च वाढला तरी दैनंदिन खर्च कमी असल्यामुळे विजेचा खर्च कमी करता येईल असे दिसते.

इंधनाचा साठा व गरज: सध्याची प्रगती लक्षात घेता व विद्युत् शक्तीचा वापर लक्षात घेता प्रत्येक मेगॅवॉटमागे प्रतिवर्षी ०·०६ टन नैसर्गिक युरेनियम, ०·५ किग्रॅ. प्लुटोनियम (२३९) (शीघ्र प्रजनकविक्रियकाकरिता) ०·१६ किग्रॅ. युरेनियम (२३३) (थोरियम प्रजनकाकरिता) इ.स. २००० पर्यंत अमेरिकेमध्ये लागेल असा अंदाज आहे. संपन्न खनिजांतून युरेनियम आणि थोरियम काढण्याचा खर्च प्रत्येक ऑक्साइडाच्या किलोग्रॅमला सु. २० डॉलर येतो. परंतु असंपन्न साठ्यातून हे काढावयास १०० डॉलरपर्यंतही खर्च येऊ शकतो. इ.स. २००० पर्यंत पुरेल इतका इंधनाचा भरपूर साठा अमेरिकेमध्ये आहे. शक्त्युत्पादनाच्या दृष्टीने युरेनियम व थोरियम यांचा जागतिक साठा, कोळसा व तेल यांच्या साठ्याच्या २० ते ४० पट असावा. थोरियम युरेनियमच्या मानाने विपुल आहे.

विकसित होत असलेल्या देशांत अणुकेंद्रीय विद्युत् केंद्राची तुलना जलविद्युत् केंद्राशी करावी लागेल. जलविद्युत् केंद्राच्या विकासाने भारतात ३५,००० मेवॉ. शक्ती निर्माण करता येईल. जलविद्युत् केंद्रे बांधण्याची शक्यता असेल तेथे अणुकेंद्रीय विद्युत् केंद्रे बसविण्याची शक्यता कमी दिसते. तरीसुद्धा ही परिस्थितीही काही ठिकाणी बदलण्याचा संभव आहे. जलशक्तीवर चालणारी केंद्रे पाण्याच्या अनियमित पुरवठ्यामुळे काही महिने कमी विद्युत् शक्ती निर्माण करतात. पाऊस कमी पडल्यास शक्त्युत्पादनावर फारच ताण पडतो. म्हणून विद्युत् उत्पादनाची पर्यायी योजना आवश्यक ठरते, नाही तर विद्युत् पुरवठ्यात कपात करावी लागते. उपलब्ध जलविद्युत् केंद्रांना अणुकेंद्रीय विक्रियकांची जोड देऊन या अडचणींचे निराकरण करता येईल. अणुकेंद्रीय विद्युत् केंद्रे किमान शक्तीचा काही भाग निर्माण करतील व उरलेली शक्ती जलविद्युत् केंद्रे पुरवू शकतील. १९५५ साली भाभा यांनी पुढील वर्षांत हायड्रोजन स्फोटामध्ये घडून येणाऱ्या विक्रिया नियंत्रित करून त्यापासून विद्युत् शक्ती निर्माण करण्याची शक्यता प्रतिपादली होती. यासाठी जड हायड्रोजन विपुल प्रमाणात उपलब्ध व्हावयास पाहिजे. समुद्राच्या पाण्यात एवढा जड हायड्रोजन आहे की, त्याच्या साहाय्याने जगाला हजारो वर्षे विद्युत् पुरवठा करणे शक्य होईल. परंतु सध्या तरी (१९७४ सालापर्यंत) अशा विक्रिया नियंत्रित करणे साध्य झालेले नाही. हे साध्य झाले तर मात्र मानवाच्या शक्त्युत्पादनाच्या गरजेचा प्रश्न कायमचा सुटेल.

पहा : अणुऊर्जा अणुऊर्जेचे शांततामय उपयोग अणुबाँब अणु व आणवीय संरचना अणुकेंद्रीय परिचालन शक्ती-उत्पादन केंद्र.

संदर्भ : 1. Etherington, H. Nuclear Engineering Handbook, New York, 1958.

2. Gurinsky D. H. Drenes, G. J. Nuclear Fuels, Princeton, 1956.

3. Interscience Publishers, Reactor Handbook, Vols. 4. New York 1964.

4. Liverhant, S. E. Introduction to Nuclear Reactor Physics, New York 1960.

5. Murray, R. L. Nuclear Reactor Physics, 1957.

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

परांजपे, श्री. रा.