अणूऊर्जेचा प्रताप

फुकुशिमा अणुविद्युत केंद्रासंबंधी तीन लेख आणि 'परमाणू ऊर्जेचा शोध' या माझ्या मागील लेखांमध्ये मी माझ्या ओळखीच्या शब्दांचा उपयोग केला होता. 'मोलेक्यूल' आणि 'अॅटम' या इंग्रजी शब्दांना 'अणू' आणि 'परमाणू' हे मराठी प्रतिशब्द मी दिले होते. ते चुकीचे किंवा कालबाह्य असल्याचे या लेखांवर झालेल्या चर्चेमधून समजले. 'मोलेक्यूल' आणि 'अॅटम' या इंग्रजी शब्दांना 'रेणू' आणि 'अणू' हे मराठी प्रतिशब्द आता प्रमाणभाषेत दिले जातात असे समजल्यामुळे यापुढील लेखांमध्ये मी या शब्दांचा उपयोग करणार आहे. एकोणीसाव्या शतकाच्या अखेरीस मेरी क्यूरी आणि इतर शास्त्रज्ञांनी रेडिओअॅक्टिव्हिटीचा शोध लावल्यानंतर विज्ञानाच्या पुस्तकात नवा अध्याय सुरू झाला होता. इतर अनेक पदार्थ सुध्दा रेडिओअॅक्टिव्ह असल्याचे प्रयोगातून सिध्द होत होते. त्या काळात आढळलेले हे सारे पदार्थ नैसर्गिकच होते. प्रत्येक मूलद्रव्यांमधून बाहेर पडणारे किरण वेगळ्या प्रकारचे असतात. त्या किरणांवरून त्या पदार्थाचे अस्तित्व ओळखण्याचे शास्त्र विकसित होत गेले. उत्खननात सापडलेल्या मानवनिर्मित वस्तूंच्या अवशेषांवरून त्यांचा कालखंड ठरवण्याचे साधन (कार्बन डेटिंग) या शास्त्रामुळे इतिहासकारांना मिळाले आणि खडकांमधून निघणा-या किरणांच्या अभ्यासावरून जिऑलॉजिस्ट्सना त्यांच्याबद्दल अधिक माहिती मिळू लागली. अशा प्रकारे रेडिओअॅक्टिव्हिटीचा उपयोग संशोधनासाठी होत असला तरी 'ऊर्जेचे साधन' या दृष्टीने त्याचा उपयोग होऊ शकत नव्हता. सूर्यकिरणांपासून आपल्याला प्रकाश आणि ऊष्णता या दोन प्रकारची ऊर्जा मिळते. चंद्राच्या चांदण्यामधून फक्त उजेड मिळतो, जाणवण्याइतपत ऊष्णता मिळत नाही. काळोख्या रात्री आकाशातले तारे आपल्याला दिसतात, पण त्यांच्या प्रकाशामध्ये आपल्याला स्वतःचा हातसुध्दा दिसत नाही, इतका तो उजेड क्षीण असतो. बहुतेक नैसर्गिक रेडिओअॅक्टिव्ह पदार्थांमधून बाहेर पडणारे किरण अदृष्य आणि अत्यंत क्षीण असतात. त्यांच्यामध्ये असलेल्या ऊर्जेचा रोजच्या जीवनात काही उपयोग असत नाही किंवा त्यामुळे विशेष अपायही होत नाही. रेडिओअॅक्टिव्ह पदार्थांमधून निघणारे किरण थेट अणूमधून निघाले असणार हे सिध्द झाले. अणूची अंतर्गत रचना कशी असावी याबद्दल केलेले तर्क सर्वमान्य झाले. त्याच्या केंद्रभागी 'प्रोटॉन' नावाचे घनविद्युतभारी कण असावेत आणि 'इलेक्ट्रॉन' नावाचे ऋणविद्युतभारी कण त्यांच्या सभोवती घिरट्या घालत असावेत हे मॉडेल सर्वमान्य झाले. प्रत्येक अणूत जेवढे प्रोटॉन्स तेवढेच इलेक्ट्रॉन्स असतात. पण त्यांचे इलेक्ट्रिकल गुणधर्म आणि वजन यात सुसंगती दिसत नसल्यामुळे प्रोटॉन्सच्या सोबत कोणताही विद्युतभार नसलेले 'न्यूट्रॉन्स' नावाचे कण असावेत अशी कल्पना पुढे आली. प्रोटॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्स यांचा अभ्यास होत गेला. वजन सोडून मूलद्रव्यांचे बाकीचे बहुतेक गुणधर्म या कणांच्यामुळे ठरतात आणि रासायनिक क्रियांमध्ये यांचा सक्रिय सहभाग असतो हे समजले, पण न्यूट्रॉन्स हे कण गूढ राहिले. काही काम न करणारे हे कण प्रोटॉन्सना चिकटून आळशी ठोंब्यासारखे स्वस्थ बसलेले असतात अशी सुरुवातीच्या काळातली समजूत होती. इलेक्ट्रॉन्स आणि प्रोटॉन्सची दुनिया थोडी सुरस आणि चमत्कारिक वाटते. ऋण आणि घन विद्युत भारांमध्ये परस्परांबद्दल आकर्षण (attraction) असते आणि एकाच प्रकारचा भार (charge) असलेले पदार्थ एकमेकांना दूर ढकलत असतात (repulsion) असे सर्वसाधारणपणे दिसते. पण ऋणविद्युतभारी इलेक्ट्रॉन घनविद्युतभारी प्रोटॉन्सपर्यंत जाऊन त्यांना भेटत नाहीत, ते त्यांच्या सभोवती घिरट्या घालत राहतात. एका अणूमध्ये खूप इलेक्टॉन्स असले तर ते आपसांमधील रिपल्शनमुळे एकत्र असणार नाहीत हे कदाचित सहजपणे समजण्यासारखे आहे. ते निरनिराळ्या कक्षांमध्ये गटागटांमध्ये राहून फिरत राहतात. घनविद्युतभारी प्रोटॉन्स एकमेकांपासून दूर का जात नाहीत याचे आश्चर्य वाटेल. कोणताही विद्युतभार नसलेले न्यूट्रॉन्स त्यांना एका जागी धरून ठेवत असतात. न्यूट्रॉन्स आणि प्रोटॉन्स (यांना संयुक्तपणे न्यूक्लिऑन्स म्हणतात) यांना एकत्र बांधून ठेवणारी एक बाइंडिंग एनर्जी असते. ती त्या अणूच्या वस्तुमानाच्या स्वरूपात त्यात दडलेली असते. दोन किंवा अधिक फक्त प्रोटॉन्स एकमेकांसोबत राहू शकत नाहीत, पण त्यांच्यासमवेत न्यूट्रॉन्स असतील तर मात्र त्या सर्वांची मिळून पुरेशी बाइंडिंग एनर्जी होते आणि ते सर्वजण मिळून अणूच्या केंद्रभागी (nucleus) एकत्र राहतात. न्यूट्रॉनला अणूच्या केंद्रामधून बाहेर काढून त्याचे वेगळे अस्तित्व उपकरणांच्या द्वारे ओळखता आल्यानंतर या क्षेत्रातला आणखी एक नवा अध्याय सुरू झाला. त्यात न्यूट्रॉन्सच्या गुणधर्मांचा अभ्यास सुरू झाला. तसेच न्यूट्रॉन्सच्या निर्मितीचे तंत्र विकसित होताच न्यूट्रॉनमुळे इतर मूलद्रव्यांवर काय परिणाम होतात याचे संशोधन सुरू झाले. न्यूट्रॉनकडे कशाच्याही आरपार जाण्याची अद्भुत शक्ती असते. सर्व प्रकारच्या रेडिएशनला शिसे हा जड धातू अडथळा आणतो पण न्यूट्रॉन मात्र शिशाच्या जाड भिंतीमधून सुध्दा अतीशय वेगाने सरळ लीलया आरपार जातो. या उलट पाणी, मेण यासारख्या हलक्या पदार्थामधून जातांना त्याची गती मंद होते आणि दिशा बदलत राहून तो थोडा घुटमळत राहतो. सुटा न्यूट्रॉन फार काळ आपले अस्तित्व टिकवून धरत नाही. तो दुस-या एकाद्या अणूच्या केंद्रात शिरून तिथे असलेल्या न्यूट्रॉन्सच्या मेळाव्यात सामील होतो. तसे झाले नाहीच तर त्याचे विघटन होऊन एक प्रोटॉन आणि एक इलेक्ट्रॉन यांची जोडी जन्माला येते. दुस-या अणूमध्ये सामील झालेल्या या नव्या न्यूट्रॉनमुळे त्या अणूत गरजेपेक्षा अधिक ऊर्जा (बाइंडिंग एनर्जीमुळे) असल्याकारणाने तो अणू अस्थिर होऊन रेडिओअॅक्टिव्ह होतो आणि आपल्याकडील जास्तीच्या ऊर्जेला बाहेर टाकू लागतो. या प्रकारे अनेक मानवनिर्मित नवी मूलद्रव्ये किंवा त्यांचे आयसोटोप्स तयार होऊ लागले. आदिमानवाच्या काळात तो निस्रर्गातील वस्तूंचे तुकडे किंवा चेंदामेंदाच करू शकत होता, त्यात त्यांच्या अणूरेणूंवर काही परिणाम होत नसे. अग्नीला वश केल्यानंतर तो इंधनाच्या रेणूंचे परिवर्तन करू लागला आणि रसायनशास्त्रातील प्रगतीमुळे तो नवी संयुगे (कंपाउंड्स) तयार करायला शिकला होता, त्यात नवे मानवनिर्मित रेणू जन्माला आले. आता न्यूट्रॉन्सचा उपयोग करून त्याने निसर्गात अस्तित्वात नसलेले नवे अणू तयार केले. यातल्या काही अणूंचा वैद्यकशास्त्रात आणि तंत्रज्ञानाच्या क्षेत्रात चांगला उपयोग होत असला तरी किरणोत्सारामुळे तापदायक ठरलेल्या अणूंचे प्रमाण फार मोठे आहे. न्यूट्रॉनच्या झोताचा मारा युरेनियम या धातूवर केला गेला तेंव्हा एक धक्कादायक सत्य जगासमोर आले. अचानक तो पदार्थ तापला आणि त्याच वेळी न्यूट्रॉन्सच्या संख्येत मोठी वाढ झालेली दिसली. युरेनियम धातूच्या यू२३५ या आयसोटोपच्या अणूच्या केंद्रामध्ये ९२ प्रोटॉन्स आणि १४३ न्यूट्रॉन्स असतात. त्यात आणखी एकाची भर पडली की ती संख्या १४४ होते आणि तयार झालेला यू २३६ हा नवा अणू इतका अस्थिर होतो की लगेच त्याचे भंजन होऊन दोन तुकडे पडतात. युरेनियमच्या केंद्रामधील काही प्रोटॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स मिळून एक नवा अणू आणि आणखी काही प्रोटॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स मिळून दुसरा नवा अणू तयार होतो. अशा प्रकारे एका मोठ्या अणूमधून दोन लहान अणू निघतात. तरीही दोन तीन न्यूट्रॉन्सना कशातच जागा मिळत नाही. ते सुटेच राहतात. या दोन नव्या अणूंमधील बाइंडिंग एनर्जीची बेरीज एकट्या यू २३५ मधील बाइंडिंग एनर्जीपेक्षा कमी असल्यामुळे ही जास्तीची ऊर्जा त्या नव्या अणूंना आणि सुट्या न्यूट्रॉन्सना मिळते. ही बाइंडिंग एनर्जी वस्तुमानाच्या रूपात असल्यामुळे दोन नवे अणू आणि दोन किंवा तीन न्यूट्रॉन्स यांच्या वस्तुमानाची बेरीज यू२३५ अणू आणि एक सुटा न्यूट्रॉन यांच्या बेरजेहून कमी असते आणि या फरकाचे रूपांतर ऊर्जेमध्ये होते. हीच ती अणूऊर्जा. या क्रियेमध्ये दोन तीन सुटे न्यूट्रॉन बाहेर पडत असल्यामुळे ते न्यूट्रॉन्स निरनिराळ्या यू २३५ अणूंचे भंजन करत जातात. यामुळे त्यांची संख्या वाढत जाऊन त्याची साखळी (chain reaction) तयार होऊ शकते आणि ती मारुतीच्या शेपटाप्रमाणे वाढत जाऊन भयंकर अक्राळविक्राळ रूप धारण करू शकते. वस्तुमानाचे रूपांतर प्रचंड ऊर्जेमध्ये होऊ शकेल हे न्यूट्रॉन्स आणि भंजन (Fission) यांची माहितीसुध्दा नसतांनाच्या काळात आईन्स्टाईनने केलेले भाकित अशा प्रकारे खरे ठरेल अशी शक्यता दिसू लागताच त्याच्या परिणामांचा विचार करता या विषयावरील सारे संशोधन अत्यंत गुप्त ठेवले जाऊ लागले. पण तेवढ्यात दुसरे महायुध्द भडकले. आपण जर शत्रूचा संहार केला नाही तर तो वरचढ ठरेल आणि त्यानंतर तो आपली गय करणार नाही अशा विचाराने मानवता, अहिंसा, शांती वगैरे सूज्ञपणाला बाजूला ठेवले गेले. भंजनाच्या तत्वाचा उपयोग करून युध्दपातळीवर काम करून एक संहारक अस्त्र तयार केले गेले आणि एका वाळवंटात त्याची चाचणी करून झाल्यावर ते अणूबाँब जपानवरील दोन शहरांवर टाकून त्या शहरांचा विध्वंस करण्यात आला. अशा प्रकारे अणूशक्ती पहिल्यांदा जगापुढे आली ती संहारक या रूपाने. कल्पनातीत एवढी प्रचंड ऊर्जा या वेळी एका स्फोटात क्षणभरात बाहेर पडली. मूलद्रव्यांचा अतीशय काटेकोर आणि सूक्ष्म अभ्यास करून त्यांच्या प्रत्येक आइसोटोपच्या अणूमधल्या बाइंडिंग एनर्जीचा अभ्यास करण्यात काही गोष्टी लक्षात आल्या. युरेनियमसारख्या जड अणूमध्ये खूप जास्त बाइंडिंग एनर्जी असते आणि त्या अणूचे दोन तुकडे झाले तर त्यातून तयार होणा-या दोन अणूंना मिळूनसुध्दा इतक्या बाइंडिंग एनर्जीची आवश्यकता नसते. त्यामुळे ती बाहेर पडते. लहान अणूंमध्ये याच्या नेमकी उलट परिस्थिती असते. हैड्रोजनच्या अणूमध्ये फक्त एकटा प्रोटॉन असल्यामुळे बाइंडिंग एनर्जीचा प्रश्नच नसतो. त्यात एक न्यूट्रॉन येऊन मिळाला तर ड्यूटेरियम हे हैड्रोजनचे आयसोटोप तयार होते आणि त्याच्या अणूमध्ये बाइंडिंग एनर्जी असते. त्यात आणखी एक न्यूट्रॉन आला तर त्याचे ट्रिशियम आयसोटोप बनते, हे अस्थिर असते. असे दोन अणू एकत्र आले तर त्यातून हीलियम वायूचा अणू तयार होतो, पण त्याची बाइंडिंग एनर्जी कमी असल्यामुळे या संमीलनातून प्रचंड ऊर्जा बाहेर पडते. याला थर्मोन्यूक्लियर रिअॅक्शन म्हणतात आणि या तत्वावरूनच सूर्यामध्ये ऊष्णता तयार होत असते. आपल्याला ठाऊक असलेल्या सूर्य या सर्वात मोठ्या ऊर्जास्त्रोतातली ऊर्जा सर्वात लहान आकाराच्या हैड्रोजन अणूंपासून तयार होत असते एवढा या अणूऊर्जेचा प्रताप आहे.