अणुशक्तीचा शोध - भाग ४ अणूपासून ऊर्जा - नवा स्त्रोत (सुधारित)

"नदीच्या खळाळणा-या पाण्याला कशामुळे जोर मिळतो? त्या वाहण्याच्या क्रियेसाठी लागणारी ऊर्जा तिला कुठून मिळते? वारे कशामुळे वाहतात?"  "सूर्याचे ऊन आणि पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण" हे या प्रश्नांचे शास्त्रीय उत्तर विज्ञानाच्या अभ्यासामधून मिळत गेले. अग्नीमधून प्रकट होणारी ऊर्जा त्यात जळणा-या पदार्थातच दडलेली असते आणि विशिष्ट रासायनिक क्रियेमध्ये ती प्रकट होते हे देखील समजले. वीज हे गूढ राहिले नाही. इतकेच नव्हे तर रासायनिक (इलेक्ट्रोकेमिकल) क्रिया आणि विद्युतचुंबकीय (इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक) प्रभाव अशा दोन पद्धतींनी कृत्रिम रीतीने वीज तयार करता येऊ लागली. तरीसुद्धा सूर्य आणि आकाशातल्या ता-यांमधून बाहेर पडत असलेल्या ऊर्जेचा स्त्रोत कोणता हे अजून गूढ होते.

सूर्यामधून सतत बाहेर पडत असलेली सगळी ऊर्जा टॉर्चचा एकादा झोत टाकावा त्याप्रमाणे थेट पृथ्वीकडे येत नसते. सूर्यमालिकेच्या विस्ताराचाच विचार केला तरी त्याच्या तुलनेत आपली 'विपुलाच पृथ्वी' धुळीच्या एकाद्या कणाएवढी लहान आहे. मोठ्या खोलीमध्ये पसरलेल्या प्रकाशाचा केवढा क्षुल्लक भाग धुळीच्या एका कणावर पडत असेल? सूर्यामधून निघालेल्या एकंदर प्रकाश आणि ऊष्णतेच्या प्रमाणात त्याचा तितपत भाग संपूर्ण पृथ्वीवर पडत असतो. त्यातलासुद्धा अत्यंत यत्किंचित भाग आपल्या वाट्याला येत असतो आणि तेवढेसे ऊनसुद्धा आपल्याला सहन करण्याच्या पलीकडचे वाटते. यावरून सूर्यामधून किती प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा बाहेर पडत असेल याची कल्पना करता आल्यास करावी. इतकी प्रचंड ऊर्जा सूर्यामधून कशामुळे निघत असावी याचा अंदाज मात्र शास्त्रज्ञांनाही येत नव्हता. हा सर्वशक्तीमान देवाचा चमत्कार आहे असेच बहुतेक सगळ्या लोकाना पूर्वी वाटत असले तर त्यात नवल नाही. 

एकोणीसाव्या शतकाच्या अखेरीला मादाम मेरी क्यूरीने रेडिओअॅक्टिव्हिटीचा शोध लावला आणि पदार्थविज्ञानात एका नव्या अध्यायाची सुरुवात झाली. रेडियम या मूलद्रव्याचा दुस-या कशाशीही रासायनिक संयोग न होता आणि त्याच्या कोणत्याही गुणधर्मांमध्ये कसलाही बदल न होता विशिष्ट प्रकारचे प्रकाशकिरण त्या धातूमधून सतत बाहेर पडत असतात असे मादाम क्यूरीने दाखवून दिले. यामुळे हे कसे घडत असेल हे एक नवे गूढ जगापुढे आले. रेडियम या धातूपासून निघत असलेल्या या अदृष्य किरणांना रेडिओअॅक्टिव्हिटी असे नाव दिले गेले. अत्यंत सूक्ष्म प्रमाणातल्या अदृष्य अशा प्रकाशकिरणांचे अस्तित्व दाखवणारी, त्यांच्या तीव्रतेचे मापन करणारी उपकरणे तयार झाल्यानंतर त्यातही तीन प्रकार आढळले. त्यांना अल्फा रे, बीटा रे आणि गॅमा रे अशी नावे आहेत. रेडियमशिवाय तशा प्रकारे किरणोत्सार करणारे इतरही अनेक पदार्थ निसर्गामध्ये असतात. सर्वात हलक्या अशा हैड्रोजनपासून ते सर्वात जड युरेनियमपर्यंत ज्ञात असलेल्या बहुतेक सर्व मूलद्रव्यांना रेडिओअॅक्टिव्ह भावंडे असतात. या भावंडांना आयसोटोप म्हणतात. त्यांचे इतर सगळे गुणधर्म एकसारखे असतात, त्यामुळे ते एकमेकांमध्ये बेमालूमपणे मिसळलेले असतात. त्यातल्या रेडिओअॅक्टिव्ह आयसोटोपमधून अदृष्य असे किरण निघत असतात एवढाच त्यांच्यात फरक असतो.

मेरी क्यूरीच्या या शोधानंतर अनेक शास्त्रज्ञ रेडिओअॅक्टिव्हिटीचे गूढ उकलण्याच्या कामाला लागले. वस्तूच्या गतिमानतेमधली ऊर्जा (कायनेटिक एनर्जी) किंवा ध्वनिमधील ऊर्जा त्या पदार्थाच्या हलण्यामधून किंवा कंपनामधून (फिजिकल मूव्हमेंट्समधून) निर्माण होतात तर ज्वलनातून मिळणारी ऊर्जा रासायनिक (केमिकल) क्रियेमधून निर्माण होत असते. रेडिओअॅक्टिव्हिटी मात्र ऊर्जेच्या या इतर प्रकारांप्रमाणे निर्माण होत नव्हती. ती कुठून येत असावी यावर तर्क आणि विचार सुरू झाले. जगामधल्या सगळ्या पदार्थांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास चाललेला होताच. मागील भागात दिल्याप्रमाणे अणू आणि रेणू यांचे अस्तित्व आणि त्यांच्या व्याख्या सर्वमान्य झाल्या होत्या. त्या व्याख्या पाहता अणू हाच सर्वात सूक्ष्म आणि अविभाज्य असा घटक असतो. पण शास्त्रज्ञांचे विचारचक्र मात्र तिथे न थांबता त्या अणूच्या अंतरंगात काय दडले असावे याचा शोध घेत राहिले.

अणूंची अंतर्गत रचना कशी असू शकेल याबद्दल अनेक प्रकारचे तर्क करण्यात येत होते. त्यावर विचारविनिमय आणि वादविवाद करू झाल्यानंतर सगळ्या मूलद्रव्यांच्या अणूंमध्ये प्रोटॉन्स, न्यूट्रॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्स हे तीन अतीसूक्ष्म मूलभूत कण वास करत असावेत हा सिध्दांत सर्वमान्य झाला, या तीन कणांचे काही प्रमुख गुणधर्म ठरवले गेले आणि अणूंच्या अंतरंगातल्या या अतीसूक्ष्म कणांची रचना कशा प्रकारे केली गेलेली असेल यावर अंदाज बांधले जाऊ लागले. या अतीसूक्ष्म कणांना कसल्याही प्रकारच्या दुर्बिणीमधून पहाणे कोणालाही शक्यच नसल्यामुळे यातली कोणतीही गोष्ट प्रत्यक्ष प्रमाणाने दाखवता येणेसुद्धा शक्य नव्हतेच. पण त्यांची रचना अशी असेल तर त्या पदार्थांमध्ये असे गुणधर्म येतील असे तर्क करून आणि ते गुणधर्म तपासून पाहून त्या सिध्दांतांची शक्याशक्यता तपासण्यात आली. त्यातले प्रोटॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्स हे कण एकमेकांना खेटून बसणे थिऑरेटिकली शक्यच नाही. त्यामुळे प्रत्येक अणूच्या केंद्रभागी प्रोटॉन्स व न्यूट्रॉन्स यांच्या समूहातून निर्माण झालेला एक न्यूक्लियस असतो आणि त्यांच्यापासून काही अंतरावरून इलेक्ट्रॉन्स गटागटाने सदोदित त्याच्या भोवती घिरट्या घालत असतात असे अणूचे मॉडेल सर्वमान्य झाले. त्यातसुद्धा घनविद्युतभार (पॉझिटिव्ह चार्ज) असलेले प्रोटॉन्स एकमेकांना दूर ढकलत असतात आणि न्यूट्रॉन्स त्यांना एकत्र आणत असतात. यासाठी ठराविक प्रमाणात ऊर्जेची गरज असते. त्याला बाइंडिंग एनर्जी म्हणतात. काही अणूंची रचना थोडी अस्थिर (अनस्टेबल) असते कारण त्यांच्याकडे आवश्यकतेपेक्षा जास्त ऊर्जा असते. तिला बाहेर टाकून देऊन तो अणू स्थैर्याकडे वाटचाल करण्याचा प्रयत्न करत असतो. अणूमधली ही जादा ऊर्जा रेडिओअॅक्टिव्हिटी या क्रियेमधून बाहेर पडत असते असे निदान करण्यात आले. सू्र्य आणि तारकांमध्ये असेच काही तरी पण फार मोठ्या प्रमाणात घडत असावे असा अंदाज त्यावरून करण्यात आला. पण ही अस्थिरता का यावी हा प्रश्न होताच.

आल्बर्ट आइन्स्टाइन याने शतकापूर्वी आपला सुप्रसिद्ध सापेक्षतासिध्दांत (रिलेटिव्हिटी थिअरी) जगापुढे मांडला. त्या सिध्दांताच्या धाग्याने विश्वाचा विचार केल्यानंतर वस्तुमान (मास) आणि ऊर्जा ह्या दोन्ही गोष्टी एकाच नाण्याच्या दोन बाजू असल्याचे सिध्द होते. तसे असल्यास वस्तूमानाचे (मॅटरचे) परिवर्तन ऊर्जेमध्ये होणे सुध्दा शक्य असावे आणि ते झाल्यास लहानशा वस्तुमानाच्या बदल्यात E=mCxC एवढ्या प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा मिळू शकेल असे भाकित त्याने केले. ही क्रिया नक्की कशा प्रकारे घडवता येईल हे त्या काळात तो सांगू शकत नव्हता कारण ते त्यालाही माहीत नव्हते. पण पुढील काळात झालेल्या संशोधनामधून ते रहस्य उलगडले गेले.

निरनिराळ्या प्रकारच्या किरणांचे निरनिराळ्या पदार्थांवर होणारे परिणाम यावर संशोधन करतांना शास्त्रज्ञांना असे आढळले की युरेनियम या धातूवर न्यूट्रॉन्सचा झोत सोडला तर त्यातून अचानक प्रचंड ऊष्णता निघते. अधिक संशोधनानंतर समजले की युरेनियम २३५ या मूलद्रव्याच्या अणूचा एका न्यूट्रॉनशी संयोग होताच त्यामधून युरेनियम २३६ हा नवा अणू तयार होतो, पण तो इतका अस्थिर असतो की जन्मतःच त्याची दोन शकले होतात आणि प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा बाहेर पडते, शिवाय दोनतीन न्यूट्रॉन्ससुद्धा सुटे होऊन बाहेर पडतात. याला प्रभंजन किंवा विखंडन (फिशन रिअॅक्शन) असे म्हणतात. अणूचे हे दोन भाग (फिशन फ्रॅगेमेंट्स) म्हणजे दोन नवे अणूच असतात. या नव्या अणूंचे आणि सुट्या झालेल्या न्यूट्रॉन्सचे एकत्रित वस्तुमान (मास)सुद्धा आधीचा अणू आणि एक न्यूट्रॉन यांच्यापेक्षा किंचित कमी भरते. या दोन्हींमधला जेवढा फरक असेल तेवढे मॅटर या क्रियेत नष्ट होऊन त्याचे ऊर्जेत परिवर्तन होते. याला अणऊर्जा असे म्हणतात.

विखंडनामध्ये सुट्या होऊन बाहेर पडलेल्या न्यूट्रॉन्सचा युरेनियमच्या इतर अणूंशी संयोग झाला की त्यांचे विखंडन होते आणि त्यातून पुन्हा ऊष्णता आणि नवे न्यूट्रॉन्स बाहेर पडतात. हे सगळे एका सेकंदाच्या हजारांश किंवा लक्षांश भाग इतक्या कमी वेळात होते. त्यामुळे ही साखळी पुढे चालत राहिली तर दोनाचे चार, चाराचे आठ किंवा तीनाचे नऊ, नऊचे सत्तावीस अशा प्रकारे न्यूट्रॉन्सची संख्या भराभर वाढत जाऊन त्या न्यूट्रॉन्सची संख्या अब्जावधी किंवा परार्धावधीमध्ये वाढत गेली तर त्यातून महाभयंकर इतकी ऊष्णता बाहेर पडते. पण पुरेशा प्रमाणात युरेनियमच उपलब्ध नसले तर ती साखळी खंडित होऊन विझून जाते. यामुळे प्रयोगशाळेत लहान प्रमाणात होत असलेल्या प्रयोगांमध्ये अशी दुर्घटना घडली नाही, फक्त थोडी ऊष्णता बाहेर पडली आणि प्रयोग संपला असे झाले. पण दुस-या महायुद्धाच्या अखेरीस हिरोशिमा आणि नागासाकी शहरांवर टाकलेल्या अॅटमबाँबमध्ये मात्र मुद्दाम ठरवून अशा प्रकारचा अनर्थ घडवण्यात आला. तोपर्यंत या संशोधनाबद्दलही जगाला काही माहिती नव्हती. अणुशक्तीचा पहिली जाहीरपणे ओळख झाली ती अणूबाँबमुळेच. 

युरेनियमच्या अणूचे भंजन होऊन त्याचे दोन तुकडे का पडतात यावर संशोधन केल्यानंतर त्याचे रहस्य उलगडत गेले आणि त्यातून मिळालेल्या माहितीचा अभ्यास करतांना असे दिसले की याच्या बरोबर उलट ड्यूटेरियम आणि ट्रिशियम या हैड्रोजनच्या दोन आयसोटोप्सच्या दोन अणूंचा संयोग घडवून आणला तर त्यामधून हीलियमचा एक नवा अणू आणि ऊष्णता बाहेर पडते. याला फ्यूजन रिअॅक्शन (संमीलन) असे म्हणतात. या क्रियेमध्ये विखंडनाहूनही जास्त आणि फारच भयानक प्रमाणात ऊष्णता प्रकट होते. अर्थातच ही क्रिया अशी सहजासहजी घडत नाही, ती घडवून आणण्यासाठी ते वायू महाप्रचंड दाबाखाली आणि अतीउच्च तपमानावर असावे लागतात. त्या दृष्टीने प्रयत्न करून तेही घडवून आणण्याचे तंत्र शास्त्रज्ञांनी शोधून काढले आणि हैड्रोजन बाँब तयार करून त्याचे चाचणीस्फोट घडवून आणले. सूर्यामध्ये प्रामुख्याने असलेले हैड्रोजन आणि हीलियमचे अस्तित्व आधीच माहीत झालेले होते. यामुळे अशा प्रकारच्या क्रिया सूर्याच्या अंतरंगात होत असतात याची खात्री पटली. या संशोधनानंतर सू्र्य आणि तारकांमधील ऊर्जेचे रहस्य काही प्रमाणात उलगडले, तसेच अणुशक्ती किंवा अणूऊर्जा ही एक वेगळ्या स्वरूपातली ऊर्जा मानवाच्या हातात आली.

रिअॅक्टरमध्ये युरेनियमचे नियंत्रित विखंडन (फिशन) करून त्यापासून ऊर्जा निर्माण करण्याचे तसेच तिच्यावर कडक नियंत्रण ठेवून रिअॅक्टरला सुरक्षित ठेवण्याचे तंत्र दुस-या महायुद्धाच्या काळात पहिला अणूबाँब तयार करण्याच्या आधीच आत्मसात केले गेले होते. त्यानंतर त्यावर नाना त-हेचे संशोधन झाले आणि अशी ऊर्जा मिळवून तिचे विजेमध्ये रूपांतर करणारी अणूविद्युतकेंद्रे (न्यूक्लियर पॉवर स्टेशन्स) अनेक देशांमध्ये उभारली गेली.

हैड्रोजनच्या सम्मीलनामधून (थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन) निघणारी ऊर्जा मात्र अजूनपर्यंत तरी माणसाच्या आवाक्यात आलेली नाही. या क्रियेसाठी आवश्यक असलेला प्रचंड दाब आणि तपमान सहन करू शकेल अशा प्रकारचे पात्र निर्माण करू शकणे हे सर्वात मोठे तांत्रिक आव्हान (चॅलेंज) आहे. हैड्रोजन बाँबमध्ये त्या पात्राच्या क्षणभरात ठिक-याच होणार असतात पण वीजनिर्मिती करण्यासाठी ते टिकाऊ आणि विश्वासपात्र असणे अत्यंत गरजेचे असते. अंतरराष्ट्रीय सहयोगामधून अशा प्रकारचा फ्यूजन रिअॅक्टर तयार करण्यावर संशोधन चालू आहे, एक प्रकल्पही हातात घेतलेला आहे. तो यशस्वीरीत्या पूर्ण व्हायला दहा वीस पंचवीस तीस किती वर्षे लागतील याची कल्पना नाही. पण त्यानंतर मात्र ऊर्जेचा एक अपरिमित असा स्त्रोत हातात येईल.