अणूऊर्जेपासून विजेची निर्मिती - भाग ३

कोणत्याही पदार्थाच्या अणूला न्यूट्रॉनने धडक दिली तर त्याचे तीन निरनिराळे परिणाम होण्याची शक्यता असते. तो अणू युरेनियमचा असल्यास त्याचे 'फिशन' (भंजन किंवा विखंडन) होऊ शकेल, नसल्यास कदाचित तो अणू त्या न्यूट्रॉनला 'कॅप्चर' करेल म्हणजे त्याला स्वतःमध्ये सामावून घेईल आणि त्यामुळे त्या न्यूट्रॉनचे 'अॅब्सॉर्प्शन' होईल किंवा यातील काहीही न होता तो न्यूट्रॉन 'स्कॅटर' होईल म्हणजे तो त्या अणूला धडकून निराळ्या दिशेने चालता होईल. अणू ऊर्जेचा वापर करण्यासाठी तयार केलेल्या रिअॅक्टरमध्ये फिशन, अॅब्सॉर्प्शन आणि स्कॅटर या तीन्ही शक्यतांचा कल्पकतेने उपयोग करून घेतला जातो. या क्रियांची काही ठळक वैशिष्ट्ये आणि त्यांचे दुष्परिणाम (साइड इफेक्ट्स) समजून घ्यायला हवेत.

फिशनः यामधून निघालेल्या ऊर्जेचा उपयोग करून घेण्यासाठीच हा सारा खटाटोप असतो आणि त्यामधून निघालेल्या सुट्या न्यूट्रॉन्समुळे 'फिशन रिअॅक्शन'ची साखळी अखंड चालत राहून आपल्याला ही ऊर्जा सातत्याने मिळत राहते. पण या क्रियेतून निर्माण झालेले 'फिशन फ्रॅग्मेंट्स' (युरेनियमच्या अणूचे दोन तुकडे) हे रेडिओअॅक्टिव्ह ब्रह्मराक्षस मात्र फारच त्रासदायक असतात, तसेच त्यांना दीर्घायुष्याचे वरदान मिळालेले असल्यामुळे त्यांच्यापासून स्वतःचा बचाव करून घेण्यासाठी अनेक प्रकारचे प्रयत्न करावे लागतात, त्यात खूप खर्च येतो आणि तरीसुध्दा त्यांची भीती टांगत्या तलवारीप्रमाणे कायम राहते.

अॅब्सॉर्प्शनः या क्रियेत न्यूट्रॉनचे वेगळे अस्तित्व संपुष्टात येते, पण ज्या अणूमध्ये तो मिसळून जातो त्या अणूवर त्याचा परिणाम होतो. काही बाबतीत ते अणू त्यांच्याच मूलद्रव्याचे (कार्बन, हैड्रोजन यासारख्यांचे) वेगळे रूप (आयसोटोप) बनतात आणि त्यांचे रासायनिक गुणधर्म बदलत नाहीत, तर काही बाबतीत त्या अणूंचे एका वेगळ्या मूलद्रव्यामध्ये परिवर्तन होते आणि त्यामुळे त्यांचे सगळेच गुणधर्म बदलतात. अणूंचे हे नवे रूप किंवा वेगळ्या मूलद्रव्यांचे नवे अणू बहुतेक वेळी रेडिओअॅक्टिव्ह असतात. त्यामुळे फिशन फ्रॅग्मेंट्सच्या जोडीने त्यांचासुध्दा उपसर्ग होतो. शिवाय काही बाबतीत ते नवे अणू न्यूट्रॉन्सचे शत्रू असतात (त्यांना अॅब्सॉर्ब करतात) आणि रिअॅक्टरमधील 'चेन रिअॅक्शन'ला अडथळा बनतात, तर काही बाबतीत याच्या उलट होते. हवेला खाली दाबून आकाशात उंचावर उडणा-या विमानावर वातावरणामधील बदलाचा (हवेचा दाब कमी अधिक होण्याचा) परिणाम होतो आणि त्यामुळे विमान चालकाला त्यानुसार त्याचे नियंत्रण करावे लागते, तसेच रिअॅक्टरला कंट्रोल करतांना या जास्तीच्या अडचणींवर मात करून रिअॅक्टर चालवत ठेवण्याची आवश्यकता असते. मात्र युरेनियम २३८ आणि थोरियम २३२ यांचे रूपांतर अनुक्रमे प्ल्युटोनियम आणि युरेनियममध्ये होते आणि त्यांचे फिशन होणे शक्य असल्यामुळे त्यांच्य़ापासून आपल्याला लगेच जास्तीची अणूऊर्जा मिळू लागते किंवा भविष्यात मिळवता येते. यामुळे हा बदल मात्र फायदेशीर असतो.

स्कॅटरः क्रिकेटच्या पिचवर आपटल्यानंतर तो चेंडू कमी किंवा जास्त प्रमाणात उसळी घेतो, वळतो किंवा मंदावतो. त्याच प्रमाणे अणूला धडकल्यानंतर तो न्यूट्रॉन कसा परावर्तित होईल यात बरीच विविधता असते. पण या बाबतीत काही सर्वसाधारण नियम दिसतात. एका लहानशा गोटीने दुस-या गोटीवर मारले तर ती दुसरी गोटी वेगाने पुढे जाते आणि पहिल्या गोटीचा वेग कमी होतो किंवा ती तिथेच थबकते, पण तीच लहानशी गोटी लोखंडाच्या मोठ्या गोळ्यावर आपटली तर त्या गोळ्यावर फारसा परिणाम होत नाही आणि ती गोटी वेगाने परत येते. याच प्रमाणे साधारणपणे न्यूट्रॉनच्याच आकाराच्या हैड्रोजनच्या अणूला तो धडकला तर त्याचा वेग पटकन कमी होतो, पण तो न्यूट्रॉन त्याच्या दोनशेपट मोठ्या शिसाच्या अणूवर आपटला तर मात्र वेगाने परावर्तित होतो. या टक्करीमधून त्याचा वेग मंदावत नाही. कार्बनचा अणू हैड्रोजनपेक्षा मोठा असला तरी तसा लहानच असल्यामुळे त्याचाही मॉडरेशनच्या कामासाठी उपयोग होतो.

रिअॅक्टरसाठी फ्यूएल, मॉडरेटर, अॅब्सॉर्बर आणि कूलंट ठरवतांना वरील गुणधर्मांचा विचार केला जातो. युरेनियम या इंधनामध्ये त्याच्या दोन आयसोटोप्सचे मिश्रण असते. आज निसर्गात उपलब्ध असलेल्य़ा युरेनियममध्ये 'यू २३५' हा भंजनक्षम (फिसाइल) उपयुक्त पदार्थ फक्त ०.७ टक्के एवढा असतो, तर 'यू २३८' हा निष्क्रिय पदार्थ ९९.३ टक्के इतक्या जास्त प्रमाणात असतो. म्हणजे १४० अणूंपैकी फक्त एकच अणू भंजन पावू शकतो आणि त्यातून आपल्याला अणूऊर्जा मिळते. आजकाल बहुतेक रिअॅक्टरमध्ये 'एन्रिच्ड युरेनियम' वापरतात. त्यात 'यू २३५' चे प्रमाण २-४ टक्क्यापर्यंत वाढवल्याने ते इंधन अधिक प्रभावी असते. रिअॅक्टर चालत असतांना त्यातल्या काही यू २३८ अणूंचे प्ल्युटोनियममध्ये परिवर्तन होते आणि त्यांचे भंजन होऊ लागते. पण यू २३५ चे प्रमाण जितके कमी होते तितके प्ल्युटोनियमचे प्रमाण वाढत नाही. त्यामुळे एकंदरीने पाहता हे इंधन क्षीण होत जाते आणि त्याला रिअॅक्टरच्या बाहेर काढून नव्या इंधनाचा भरणा करावा लागतो.

यू २३५ चे प्रमाण ७०-७५ टक्क्यांच्याहून जास्त ठेवले तर तो रिअॅक्टर कोणत्याही मॉडरेटरच्या सहाय्याशिवाय सुध्दा चालू शकतो. अशा रिअॅक्टरला 'फास्ट रिअॅक्टर' म्हणतात. फास्ट न्यूट्रॉन्सची फिशन घडवून आणण्याची क्षमता कमी असल्यामुळे अत्यंत समृध्द इंधनातून त्यांची संख्या खूप जास्त ठेवली जाते. त्यामधील बहुसंख्य न्यूट्रॉन्स 'एस्केप' होतात, म्हणजे रिअॅक्टर व्हेसलच्या बाहेर जातात. इंधनाच्या सर्व बाजूंनी यू २३८ किंवा नैसर्गिक युरेनियमचे मोठे आणि दाट कोंडाळे (ब्लँकेट) करून ठेवले तर रिअॅक्टरमधून बाहेरच्या दिशेने जाणारे काही न्यूट्रॉन्स त्यांत कॅप्चर केले जातात आणि त्यातून प्ल्युटोनियमची निर्मिती होते. अणूइंधनाची ही नवनिर्मिती खर्च झालेल्या इंधनापेक्षा जास्त असल्यास त्या रिअॅक्टरला 'ब्रीडर' असे म्हणतात. सुरुवातीच्या काळात ही कल्पना फारच आकर्षक वाटली होती आणि जवळजवळ सर्व प्रगत देशांनी असे प्रायोजिक रिअॅक्टर बनवले होते. पण यासाठी येणारा खर्च आणि त्यामधून प्रत्यक्ष मिळणारे उत्पन्न यांची सांगड नीट जुळत नसल्यामुळे व्यावसायिक तत्वावर असे प्रकल्प उभे राहिले नाहीत. यातल्या तांत्रिक अडचणी दूर करणे आणि खर्च कमी करणे यासाठी सगळीकडे संशोधन चालले आहे. कदाचित आणखी दहा वीस वर्षांनंतर हे चित्र पालटलेले दिसेल.

हैड्रोजनचे अणू न्यूट्रॉन्सची गती कमी करण्यायाठी सर्वाधिक कार्यक्षम असतात, पण वायुरूप अवस्थेत ते अतीशय विरळ असल्यामुळे पुरेसे परिणामकारक नसतात. पाण्याच्या ( एच टू ओ च्या) प्रत्येक रेणूमध्ये हैड्रोजनचे दोन अणू असतात. खोलीभर हैड्रोजन वायूमध्ये जेवढे अणू असतील तेवढे बादलीभर पाण्यात असतात. या कारणाने मॉडरेटर म्हणून पाण्याचा उपयोग सर्वात जास्त रिअॅक्टर्समध्ये केला जातो. न्यूट्रॉन्सची गती कमी करत असतांना मध्येच त्यातल्या काही न्यूट्रॉन्सना पाणी खाऊन टाकते (अॅब्सॉर्ब करते). याची भरपाई करण्यासाठी समृध्द युरेनियमच वापरावे लागते. हैड्रोजनमध्ये अगदी सूक्ष्म प्रमाणात त्याचा 'ड्युटोरियम' नावाचा त्याचा जुळा भाऊ (आयसोटोप) असतो, तो कार्यक्षमतेच्या बाबतीत किंचित डावा असला तरी त्याचे न्यूट्रॉनभक्षणाचे प्रमाण अत्यल्प आहे. या कारणाने या ड्युटेरियमने युक्त असे 'जड पाणी' (हेवी वॉटर) हे सर्वोत्कृष्ट मॉडरेटर आहे. हा मॉडरेटर असला तर नैसर्गिक युरेनियमचासुध्दा इंधन म्हणून उपयोग करता येतो. साध्या पाण्यामधून हे जड पाणी वेगळे करायला खूप खर्च येत असल्यामुळे हा मॉडरेटर महाग मात्र पडतो.

साधे किंवा जड पाणी जेंव्हा मॉडरेटर म्हणून रिअॅक्टरमध्ये घातले जाते, तेंव्हा त्याच पाण्याचा कूलंट म्हणून उपयोग करणे सोयीचे असते. एका बाजूच्या नळांमधून पंपाने थंड पाणी रिअॅक्टरमध्ये सोडतात आणि ऊष्ण पाणी ( किंवा वाफ) दुस-या बाजूच्या नळामधून बाहेर पडते, तिच्यापासून वीजनिर्मिती केली जाते. त्यामुळे अशा प्रकारच्या रिअॅक्टर्समधले पाणी 'मॉडरेटर' आणि 'कूलंट' असे दुहेरी काम करते. पण जेंव्हा मॉडरेशनसाठी ग्राफाईटचा (कार्बन) वापर होतो तेंव्हा मात्र तो घनरूप असल्यामुळे एका जागी स्थिर राहतो. 'कूलंट'च्या कामासाठी दुसरा एकादा प्रवाही पदार्थच वापरणे आवश्यक असते. काही रिअॅक्टर्समध्ये कार्बन डायॉक्साईड वायूचा उपयोग या कामासाठी करतात तर काही ठिकाणी यासाठी रिअॅक्टरमधून पाण्याचा प्रवाह सोडतात. उच्च तपमानाच्या अवस्थेत पाणी आणि ग्राफाईट यांचा संयोग होऊ शकत असल्यामुळे ते कोठेही एकमेकांना स्पर्श करणार नाहीत याची काळजी घ्यावी लागते. यातला पाण्याचा प्रवाह बंद अशा वेगळ्या नलिकांमधून वाहतो. फास्ट रिअॅक्टरमध्ये मॉडरेटरच नसतो. त्यातील ऊष्णतेचे वहन करण्यासाठी वितळलेल्या सोडियम धातूसारखा अजब कूलंट वापरावा लागतो.

न्यूट्रॉन्सना कॅप्चर करणारे 'अॅब्सॉर्बर' कंट्रोल रॉड्स या कामात खर्ची पडत नाहीत. त्यांना एकदा बनवून रिअॅक्टरमध्ये बसवले की ते आय़ुष्यभर पुरतात. या कामासाठी अनेक पदार्थ उपलब्ध आहेत. त्यांना स्टेनलेस स्टीलच्या कुप्यांमध्ये ठेऊन किंवा स्टेनलेस स्टीलमध्येच मिसळून त्याच्या दांड्यांच्या सहाय्याने वरखाली करण्याची खास यंत्रणा केली जाते. त्याशिवाय काही खास कारणांसाठी काही वेळा मॉडरेटरमध्ये विरघळणारे एकादे पॉयझन मिसळले जाते आणि त्या पाण्याचे शुध्दीकरण करतांना ते हळूहळू बाहेर काढले जाते.

फ्यूएल, मॉडरेटर आणि कूलंट यांच्यामधील विविधतेमुळे त्यांचा अनेक प्रकारे उपयोग करण्याचे असंख्य प्रयोग करण्यात आले. त्यातून जे तांत्रिक दृष्ट्या यशस्वी आणि व्यावसायिक दृष्टीने फायदेशीर ठरले असे मोजके प्रकार पुढे आले. त्यांची एक एक करून अधिक माहिती पुढील भागांमध्ये करून घेऊ.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . (क्रमशः)