नाभिकीय विखंडन क्या है?
विखंडन यानी टूटना। एक बड़ा, अस्थिर नाभिक लगभग बराबर आकार के दो छोटे नाभिकों (संतति नाभिक) में टूटता है।
आम ईंधन हैं यूरेनियम-235 और प्लूटोनियम-239। विखंडन अपने-आप बहुत कम होता है (स्वतः विखंडन)। आमतौर पर नाभिक को पहले एक न्यूट्रॉन सोखना पड़ता है। धीमा (तापीय) न्यूट्रॉन सबसे अच्छा काम करता है।
टूटने पर निकलते हैं:
- दो छोटे नाभिक, जैसे बेरियम और क्रिप्टॉन,
- 2 या 3 न्यूट्रॉन,
- गामा किरणें,
- बहुत सारी ऊर्जा, ज़्यादातर टुकड़ों की गतिज ऊर्जा के रूप में।
उदाहरण: n + U-235 → Ba-141 + Kr-92 + 3n + ऊर्जा। द्रव्यमान संख्याएँ बराबर: 1 + 235 = 141 + 92 + 3।
शृंखला अभिक्रिया
हर विखंडन 2 या 3 न्यूट्रॉन देता है। अगर ये और नाभिक तोड़ें, और वे और, तो विखंडनों की संख्या बहुत तेज़ी से बढ़ती है: 1, 3, 9, 27… इसे शृंखला अभिक्रिया कहते हैं।
- अनियंत्रित: अभिक्रिया तेज़ और तेज़ बढ़ती है और एक साथ भारी ऊर्जा निकलती है। यह परमाणु बम में होता है।
- नियंत्रित: औसतन हर विखंडन का ठीक एक न्यूट्रॉन अगला विखंडन करता है। ऊर्जा स्थिर दर से निकलती है। यह रिएक्टर में होता है।
नाभिकीय रिएक्टर के अंदर
- ईंधन छड़ों में यूरेनियम होता है। विखंडन से ये गरम होती हैं।
- मंदक (moderator) (अक्सर पानी या ग्रेफ़ाइट) तेज़ न्यूट्रॉनों को धीमा करता है ताकि U-235 उन्हें आसानी से सोखे।
- नियंत्रण छड़ें (अक्सर बोरॉन) न्यूट्रॉन सोखती हैं। नीचे करने से अभिक्रिया धीमी, ऊपर करने से तेज़। आपात स्थिति में ये पूरी अंदर गिर जाती हैं।
- शीतलक (coolant) गर्मी ले जाकर पानी उबालता है। भाप टरबाइन और जनित्र घुमाती है, बाकी बिजलीघरों जैसा।
- मोटी कंक्रीट की परिरक्षा (shielding) विकिरण को बाहर नहीं आने देती।
फ़ायदे: चलते समय कार्बन डाइऑक्साइड नहीं, थोड़े ईंधन से बहुत ऊर्जा। दिक्कतें: रेडियोधर्मी कचरा जो हज़ारों साल ख़तरनाक रहता है, दुर्घटना का ख़तरा, बनाने और बंद करने में भारी ख़र्च।
नाभिकीय संलयन क्या है?
संलयन यानी जुड़ना। दो हल्के नाभिक जुड़कर एक भारी नाभिक बनाते हैं। जैसे हाइड्रोजन के दो रूप (ड्यूटेरियम और ट्रिटियम) जुड़कर हीलियम और एक न्यूट्रॉन बनाते हैं।
नए नाभिक का द्रव्यमान दोनों शुरुआती नाभिकों के कुल द्रव्यमान से थोड़ा कम होता है। यह कम हुआ द्रव्यमान ऊर्जा बन जाता है (E = mc²)। प्रति किलोग्राम ईंधन, संलयन विखंडन से भी ज़्यादा ऊर्जा देता है।
यह कठिन क्यों है: दोनों नाभिक धनावेशित हैं, इसलिए एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। ये तभी जुड़ते हैं जब बहुत तेज़ी से टकराएँ, जिसके लिए करोड़ों डिग्री ताप और बहुत ऊँचा दाब चाहिए। सूर्य के केंद्र में यह अपने-आप है; धरती पर टोकामैक जैसी मशीनें गरम गैस (प्लाज़्मा) को चुंबकीय क्षेत्र में रोकती हैं, पर अभी लंबे समय तक डाली गई ऊर्जा से ज़्यादा ऊर्जा नहीं निकाल पाते।
विखंडन बनाम संलयन
- प्रक्रिया: विखंडन भारी नाभिक तोड़ता है; संलयन हल्के नाभिक जोड़ता है।
- ईंधन: विखंडन में यूरेनियम या प्लूटोनियम; संलयन में हाइड्रोजन (समुद्री पानी से ड्यूटेरियम, ट्रिटियम)।
- कहाँ: विखंडन आज के बिजलीघरों में; संलयन सूर्य, तारों और प्रयोगों में।
- शर्तें: विखंडन को धीमा न्यूट्रॉन चाहिए; संलयन को भारी ताप और दाब।
- कचरा: विखंडन से लंबे समय तक रहने वाला रेडियोधर्मी कचरा; संलयन से बहुत कम।
- दोनों थोड़े द्रव्यमान को बहुत ऊर्जा में बदलते हैं।
करके देखो: डोमिनो शृंखला अभिक्रिया
डोमिनो (या मोड़े हुए कागज़ के कार्ड) ऐसे खड़े करो कि हर एक गिरकर दो और गिराए, पेड़ की शाखाओं जैसा। पहला धक्का दो और हर पंक्ति में गिरने वाले गिनो: 1, 2, 4, 8… यह बढ़ती शृंखला अभिक्रिया है। अब कुछ डोमिनो हटा दो (तुम्हारी 'नियंत्रण छड़ें') ताकि हर गिरने वाला सिर्फ़ एक गिराए। शृंखला स्थिर हो जाती है। फिर 3D में नियंत्रण छड़ का स्लाइडर चलाकर मिलाओ।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- n + U-235 → 2 छोटे नाभिक + 2–3 n + ऊर्जा
- दोनों ओर द्रव्यमान संख्या और परमाणु संख्या बराबर
- हाइड्रोजन + हाइड्रोजन → हीलियम (+ न्यूट्रॉन) + ऊर्जा
- E = mc² (कम हुआ द्रव्यमान ऊर्जा बनता है)
- स्थिर शृंखला: हर विखंडन से 1 न्यूट्रॉन आगे
हल किए गए उदाहरण
1. विखंडन n + U-235 → Ba-141 + Kr-92 + x n में x निकालो।
द्रव्यमान संख्या: 1 + 235 = 236। दाईं ओर: 141 + 92 = 233, तो x = 3 न्यूट्रॉन।
2. अगर रिएक्टर की सारी नियंत्रण छड़ें बाहर निकाल दें तो क्या होगा?
कम न्यूट्रॉन सोखे जाएँगे, तो हर विखंडन एक से ज़्यादा नए विखंडन करेगा। अभिक्रिया बढ़ेगी, केंद्र ज़्यादा गरम होकर ख़राब हो सकता है। इसीलिए आपात स्थिति में छड़ें अपने-आप गिर जाती हैं।
3. कमरे के ताप पर संलयन क्यों नहीं होता?
नाभिक धनावेशित हैं और प्रतिकर्षित करते हैं। कमरे के ताप पर वे इतने धीमे हैं कि जुड़ने जितना पास नहीं आ पाते। सिर्फ़ करोड़ों डिग्री पर वे काफ़ी तेज़ होते हैं।
4. संलयन ²H + ³H → ⁴He + ¹n में द्रव्यमान संख्या बराबर है, जाँचो।
बाएँ: 2 + 3 = 5। दाएँ: 4 + 1 = 5। बराबर है।
आम गलतियाँ
- शब्द उलझाना: विखंडन तोड़ता है, संलयन जोड़ता है।
- यह सोचना कि कोई भी न्यूट्रॉन आसानी से विखंडन कर देगा। U-235 धीमे न्यूट्रॉन सबसे अच्छे सोखता है, इसीलिए मंदक लगाते हैं।
- यह कहना कि नियंत्रण छड़ें न्यूट्रॉन धीमा करती हैं। मंदक धीमा करता है; छड़ें सोखती हैं।
- यह मानना कि संलयन बिजलीघर अभी बिजली दे रहे हैं। संलयन अभी प्रयोग के चरण में है।