ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર

ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર : થોડાક ઈંધણને ભોગે વિપુલ પ્રમાણમાં ઊર્જા પેદા કરતી પ્રયુક્તિ (device). ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરને પરમાણુ રિએક્ટર અથવા થપ્પી (pile) પણ કહે છે. ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરમાં ન્યૂક્લિયસના વિખંડન(fission)ને કારણે પેદા થતી ઊર્જા ઉષ્મા સ્વરૂપે હોય છે. યુરેનિયમ (U) અથવા પ્લૂટોનિયમ (Pu) જેવી ભારે ન્યૂક્લિયસનું બે ટુકડામાં વિભાજન થઈ, ન્યૂટ્રૉન અને ઊર્જાઉત્સર્જનની ઘટનાને ન્યૂક્લિયર વિખંડન કહે છે. આ રીતે પેદા થતી ઉષ્મા વડે પાણીનું વરાળમાં રૂપાંતર કરી તેના વડે જનિત્ર (generator) ચલાવી વિદ્યુત પેદા કરી શકાય છે.

ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરમાં એક બાજુએ ઉષ્મા પેદા થાય છે અને બીજી બાજુએ તેના વડે વિદ્યુત-ઊર્જા મેળવવામાં આવે છે. વિદ્યુત-મથક, જંગી જહાજ અને સબમરીન વગેરે ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર વડે પેદા થતી ઊર્જાને આધારે કાર્ય કરે છે. ઉષ્મા વડે ઊંચા દબાણવાળી વરાળ તૈયાર કરવામાં આવે છે, જેના વડે ટર્બાઇન ચાલે છે. ન્યૂક્લિયર ઊર્જામાંથી વિદ્યુત-ઊર્જા સિવાય અન્ય પ્રકારની ઊર્જા મેળવવા માટે આર્થિક રીતે પરવડે તેવો કોઈ વિકલ્પ હજુ સુધી હાથ લાગ્યો નથી.

વિનાશકારી પરમાણુ-બાબ વડે નિરંકુશિત વિખંડન-ઊર્જા મળે છે, પણ ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર વડે અંકુશિત કરી શકાય તેવી વિખંડન-ઊર્જા મળે છે. આવી અંકુશિત ઊર્જા વડે વિદ્યુત પેદા કરી શકાય છે તેમ જ તેનો કલ્યાણકારી હેતુઓ માટે ઉપયોગ કરી શકાય છે. રિએક્ટર વડે કેટલાક પદાર્થોને રેડિયોઍક્ટિવ બનાવી શકાય છે. આ રીતે તૈયાર કરેલા રેડિયોઍક્ટિવ પદાર્થોને રેડિયો સમસ્થાનિકો (radio isotopes) કહે છે, જેમનો વ્યાપક રીતે ઉપયોગ કૃષિ, ઉદ્યોગ અને તબીબી ક્ષેત્રે થાય છે.

ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર જુદાં જુદાં કદ અને આકારનાં હોય છે. તે છતાં, દરેક રિએક્ટર માટે પાયાનો સિદ્ધાંત તો એક જ છે. તેના મુખ્ય ભાગો પણ એકસરખા હોય છે. દરેક રિએક્ટરમાં નીચેના મુખ્ય ભાગો હોય છે : (1) અંતર્ભાગ (core), (2) વિમંદકો (moderators), (3) નિયંત્રક સળિયા (control rods), (4) શીતક (coolant) અને (5) દબાણ-પાત્ર (pressure vessel).

અંતર્ભાગ : ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરનું તે હાર્દ છે. અંતર્ભાગમાં વિખંડનશીલ દ્રવ્યનું વિખંડન થાય છે. રિએક્ટરમાં વપરાતું ઈંધણ ખાસ કરીને યુરેનિયમના સમસ્થાનિકોનું મિશ્રણ હોય છે, જેમાં યુરેનિયમ 235 અને U-238નું મિશ્રણ હોય છે; તેમાં U-238નું પ્રમાણ વિશેષ હોય છે. U-238નું રૂપાંતર, વિખંડનશીલ પ્લૂટોનિયમ(Pu-239)માં થાય છે. સૌપ્રથમ યુરેનિયમ-પરમાણુ ઝડપી ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ કરે છે. ન્યૂક્લિયસમાં ન્યૂટ્રૉન દાખલ થતાંની સાથે તેની ઊર્જાનું વિતરણ થાય છે, પરિણામે ન્યૂક્લિયસ વિકૃત બને છે, પછી તેના બે ટુકડા થાય છે. આ સાથે ઊર્જા અને ઝડપી ન્યૂટ્રૉન મુક્ત થાય છે. આ રીતે મળતા ઝડપી ન્યૂટ્રૉનનો યુરેનિયમના બીજા પરમાણુનું વિખંડન કરવા ઉપયોગ થાય છે. તે રીતે વિખંડનની પરંપરા આગળ ધપે છે, જેને ન્યૂક્લિયર શૃંખલાપ્રક્રિયા (chain reaction) કહે છે. આવી પ્રક્રિયા દરમિયાન એક સેકન્ડથી પણ ઓછા સમયમાં અબજો પરમાણુઓનું વિખંડન થતું હોય છે. પ્રક્રિયા ચાલુ રાખવા માટે, ઝડપી ન્યૂટ્રૉન છટકી ન જાય તે માટે અંતર્ભાગની આસપાસ મજબૂત પરાવર્તક દીવાલ બનાવવામાં આવે છે.

વિમંદક : વિખંડનથી મુક્ત થતા ઝડપી ન્યૂટ્રૉન પરમાણુ સાથે અથડાતાં, તેની પ્રચંડ ગતિને કારણે પરમાણુને ભેદી વિખંડનની ક્રિયા થાય તે પહેલાં સડસડાટ બહાર નીકળી જાય છે. સફળ વિખંડન માટે ન્યૂટ્રૉન ન્યૂક્લિયસમાં વધુ સમય માટે રહેવો જોઈએ. તે માટે ઝડપી ન્યૂટ્રૉનને ધીમો પાડવો જરૂરી છે. આથી ઝડપી ન્યૂટ્રૉનને એવા માધ્યમમાં થઈને પસાર કરવો જોઈએ, જે તેની ઊર્જાનું શોષણ કરે. આમ યોગ્ય માધ્યમમાંથી પસાર થતો આવો ન્યૂટ્રૉન ધીમો પડે છે ને તે વિખંડનની ક્રિયાને સફળ બનાવે છે. ઝડપી ન્યૂટ્રૉનની ઊર્જાનું શોષણ કરી તેને ધીમો પાડનાર પદાર્થ કે માધ્યમને વિમંદક (moderator) કહે છે. આ રીતે વિખંડનની સંભવિતતા વધતાં, ન્યૂક્લિયર શૃંખલાપ્રક્રિયાને ઉત્તેજન મળે છે. ગ્રૅફાઇટ, હલકું પાણી (H₂O), ભારે પાણી (D₂O)  એ સારા વિમંદક તરીકે કાર્ય કરે છે. વિમંદક ફક્ત ન્યૂટ્રૉનની ઊર્જાનું જ શોષણ કરે છે, ન્યૂટ્રૉનનું નહીં.

નિયંત્રક સળિયા : ન્યૂક્લિયર શૃંખલાપ્રક્રિયાના કોઈ પણ તબક્કે ઉત્સર્જિત થતા ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા અને શોષણ પામતા ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યાના ગુણોત્તરને ગુણક-અંક (multiplication factor) કહે છે. સફળ ન્યૂક્લિયર શૃંખલાપ્રક્રિયા માટે ગુણક-અંકનું મૂલ્ય લગભગ એક જેટલું હોવું જોઈએ. આ અંકનું મૂલ્ય એકથી ઘણું વધારે થઈ જાય તો મોટી સંખ્યામાં ન્યૂટ્રૉન મુક્ત થતાં પ્રક્રિયા અત્યંત ઝડપી બને છે અને અલ્પ સમયમાં ધડાકો થાય છે. આ અંકનું મૂલ્ય એકથી ઘણું નાનું હોય ત્યારે ઓછા ન્યૂટ્રૉન ઉત્સર્જિત થતાં, પ્રક્રિયા ધીમી પડે છે અને થોડાક જ સમયમાં આખીય શૃંખલાપ્રક્રિયા અટકી જાય છે. શૃંખલાપ્રક્રિયાના નિયમન માટે ગુણક-અંકનું મૂલ્ય લગભગ એક જેટલું રાખવા બોરૉન કે કૅડમિયમના સ્વયંસંચાલિત નિયંત્રક સળિયાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. નિયંત્રક સળિયા ફક્ત ન્યૂટ્રૉનનું જ શોષણ કરે છે. વિખંડન કરતા ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા ઘટાડવા માટે નિયંત્રક સળિયાને વધુ અંદર દાખલ કરવામાં આવે છે અને વધારવા માટે સળિયા બહાર કાઢવામાં આવે છે. આ રીતે શૃંખલાપ્રક્રિયાની ઝડપ અને ઊર્જાના દરનું આવા સળિયા વડે નિયંત્રણ કરી શકાય છે.

શીતક : વિખંડનથી પેદા થતી પ્રચંડ ઉષ્માથી રિએક્ટરની દીવાલો અને દ્રવ્ય ઓગળી વાયુરૂપ બની જાય છે. આથી, આ પ્રચંડ ઉષ્માનું શોષણ અનિવાર્ય છે. તે માટે રિએક્ટરની અંદર ધાતુની નળીઓ રાખી તેના એક છેડેથી ઠંડું પાણી અથવા પ્રવાહી સોડિયમ ઝડપથી પસાર કરવામાં આવે છે, જે ગરમ થઈને નળીના બીજે છેડે વરાળ સ્વરૂપે મળે છે. આ વરાળ વડે ટર્બાઇન અને જનિત્ર ચલાવી વિદ્યુત પેદા કરવામાં આવે છે. ઉષ્માને શોષી લેતા પદાર્થોને શીતક કહે છે. કેટલીક વખત શીતકોને આધારે રિએક્ટરનું વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે; જેમ કે વાયુ-શીત (gas-cooled) રિએક્ટરમાં કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ અથવા હિલિયમ વાયુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ વાયુ ઉષ્માને જનિત્ર સુધી પહોંચાડે છે. જનિત્ર વરાળ તૈયાર કરે છે, જે ટર્બાઇન ચલાવે છે. પરિણામે વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. ઊકળતા પાણીવાળાં રિએક્ટર(boiling water reactor)માં આ પ્રમાણે થતું હોય છે.

કેટલાંક પ્રજનક રિએક્ટર(breeder reactor)માં શીતક તરીકે પ્રવાહી સોડિયમનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રવાહી-ધાતુ-શીત (liquid-metal-cooled) ઝડપી પ્રજનક રિએક્ટરમાં ઉષ્માને અંતર્ભાગમાંથી ઉષ્માવિનિમયકારક (heat exchanger) સુધી સોડિયમ લઈ જાય છે. આવી વિનિમયકારક પ્રણાલી ઉષ્મા વડે વરાળ તૈયાર કરે છે, જેનાથી ટર્બાઇન ચાલે છે.

દાબાનુકૂલિત પાત્ર (pressurised vessel) : રિએક્ટરનો આ મહત્ત્વનો ભાગ છે. તેની અંદર શીતકના વહન માટે ચૅનલ રાખવામાં આવે છે. આ પાત્રની દીવાલો એટલી બધી મજબૂત હોય છે કે તે શૃંખલાપ્રક્રિયાથી પેદા થતા ઉચ્ચ દબાણ સામે ટક્કર ઝીલી શકે. કેટલાક રિએક્ટરમાં તો પોલાદનાં જાડાં ચોસલાંની હરોળ ઊભી કરવામાં આવે છે, જેથી અંતર્ભાગમાંથી વિકિરણના પ્રવાહને ઘટાડી શકાય. આવા વિકિરણમાં ગામા-કિરણો અને ન્યૂટ્રૉનનો સમાવેશ થતો હોય છે. એ જો રિએક્ટરની બહાર જાય તો, જીવસૃષ્ટિને ભારે હાનિ પહોંચાડે.

જૈવિક ઢાલ (biological shielding) : દાબાનુકૂલિત પાત્રની આસપાસ કૉંક્રીટની જાડી જૈવિક ઢાલ બનાવવામાં આવે છે. આવી ઢાલને લીધે સજીવોને માટે હાનિકારક એવું વિકિરણ અટકી જાય છે. વિકિરણની માત્રા વધી ન જાય તે માટે મૉનિટરિંગ (monitoring) ચાલુ રાખવામાં આવે છે.

રિએક્ટરની સલામતી : માનવીય કે યાંત્રિક ભૂલને લીધે અકસ્માત ન થાય તે જોવાનું રહે છે. તે માટે સલામતી સળિયાની જોગવાઈ કરવામાં આવે છે. તે રિએક્ટરને એકાએક બંધ કરી શકે છે. ઉપરાંત, આપાત પરિસ્થિતિને પહોંચી વળવા માટે સેમેરિયમ ઑક્સાઇડના ગોળા રિએક્ટરની અંદર રાખવામાં આવે છે, જે કટોકટી દરમિયાન અંતર્ભાગમાં પડે છે, ને ઉત્સર્જિત થતા તમામ ન્યૂટ્રૉનનું સત્વરે શોષણ કરી લે છે. પરિણામે ન્યૂક્લિયર શૃંખલાપ્રક્રિયા બંધ થઈ જાય છે.

ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરમાં પ્રચંડ ઉષ્મા પેદા થાય છે. આથી સમગ્ર તંત્રને ઠંડું પાડવા માટે પુષ્કળ પાણીની જરૂર પડે છે. ઉપયોગ બાદ આવા ગરમ પાણીને તળાવ, નદી કે દરિયામાં છોડવાથી ઉષ્મીય પ્રદૂષણ (thermal pollution) પેદા થાય છે, જે નીચા તાપમાને જીવવા માટે ટેવાયેલાં જળચરોનો નાશ કરે છે. આ મુશ્કેલી દૂર કરવા માટે શીત-ટાવરમાં હવા પસાર કરીને પાણીને ઠંડું પાડવામાં આવે છે.

વપરાશ બાદ વિખંડિત ટુકડા જે કચરા(debris) રૂપે વધે છે, તેના નિકાલનો પ્રશ્ન ભારે મૂંઝવણભર્યો થાય છે; કારણ કે આ કચરો વર્ષો સુધી રેડિયો-ઍક્ટિવ રહે છે અને તેમાંથી આવતું હાનિકારક અશ્ય વિકિરણ આસપાસના પર્યાવરણને દૂષિત કરે છે. રેડિયો-ઍક્ટિવ કચરાના કાયમી નિકાલ માટે હજુ કોઈ પૂરો સંતોષપ્રદ ઉપાય હાથ લાગ્યો નથી. શરૂઆતમાં આવા કચરાને મજબૂત ઢાલવાળી મોટી ટાંકીમાં રાખી જમીનમાં ઊંડે ઉતારી દેવામાં આવતો. આ પ્રથા પણ કારગત નીવડી નથી. કચરાના કાયમી નિકાલ માટેના પ્રયત્નો હજુ ચાલુ છે.

ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર ઘનલંબચોરસ, નળાકાર અથવા ગોળ હોય છે. આ બધાંમાં ગોળાકાર રિએક્ટર સૌથી વધુ અનુકૂળ છે; કારણ કે તે લઘુતમ ક્ષેત્રફળ ધરાવે છે. ગમે તે રિએક્ટર હોય પણ તેમાં ન્યૂટ્રૉન અને ગામા-કિરણો પેદા થતાં જ હોય છે. જો તે રિએક્ટરની બહાર જાય તો આવું પ્રબળ વિકિરણ, આસપાસના લોકો ઉપર ભારે જોખમો ઊભાં કરે છે.

વિમંદક અને ઈંધણના મિશ્રણને આધારે રિએક્ટરનું વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે. સમાંગ (homogeneous) રિએક્ટરમાં વિમંદક અને ઈંધણ પ્રવાહી સ્વરૂપમાં લેવામાં આવે છે; પણ ઘણાંખરાં રિએક્ટર વિષમાંગ (heterogeneous) પ્રકારનાં હોય છે; જેમાં ઈંધણનું સ્વરૂપ પ્લેટ, સળિયા કે નળાકાર પ્રકારનું હોય છે. તેમને વિમંદકની વચ્ચે લેટિસની જેમ નિયમિત રીતે ગોઠવવામાં આવે છે.

વિખંડન કરવા માટે વપરાતા ન્યૂટ્રૉનની ઊર્જાને આધારે પણ રિએક્ટરનું વર્ગીકરણ થાય છે અને તે રીતે ઉષ્મીય, મધ્યમ અને ઝડપી  એમ ત્રણ પ્રકારનાં રિએક્ટર હોય છે. ઉષ્મીય રિએક્ટરમાં વિભંજન માટે 0.025eV (ઇલેક્ટ્રૉન-વૉલ્ટ), મધ્યમ પ્રકારના રિએક્ટરમાં 1થી 10KeV (કિલો ઇલેક્ટ્રૉન – વૉલ્ટ) અને ઝડપી રિએક્ટરમાં 10KeVથી વધુ ઊર્જાવાળા ન્યૂટ્રૉનનો ઉપયોગ થાય છે.

રિએક્ટરનું તે બનાવવાના પ્રયોજન અનુસાર પણ વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે. તે મુજબ (1) સંશોધન, (2) વિદ્યુત-ઉત્પાદન, (3) પાવર  એ ત્રણ માટેનાં ત્રણ પ્રકારનાં રિએક્ટર હોય છે.

ભારતનાં મહત્ત્વનાં પાવર–રિઍક્ટરો

મથક	સ્થાન	રિએક્ટરનો પ્રકાર	પાવર MWHI	ક્રાંતિક વર્ષ	સહકાર	ભારતનો ફાળો
TAPS1	તારાપુર (મહારાષ્ટ્ર)	BWR (Boiling	2 x 210	1969	યુ.એસ.	સંવર્ધન-કાર્ય (operatia)
(તારાપુર પરમાણુ મથક-1)		water Reactor)	2 x 500	(સૂચિત)		અને જાળવણી (maintenance)
RAPS-1	કોટા (રાજસ્થાન)	PHWR	2 x 200	1972	કૅનેડા	રચના, કાર્ય, જાળવણી
(રાજસ્થાન		(Pressurised		1976
પરમાણુ મથક-1)		Heavy Water Reactor)
	રાણા પ્રતાપ સાગર	PHWR	2 x 220	1972	પરમાણુ ઊર્જા	સંપૂર્ણ રીતે ભારતીય
	(રાજસ્થાન)	(Pressurised		1980	પંચ વિભાગ
		Heavy Water Reactor)	2 x 220	(સૂચિત)
MAPS-1	કલપક્કમ	PHWR	2 x 235	1977	પરમાણુ ઊર્જા	સંપૂર્ણ રીતે ભારતીય
(મદ્રાસ ઍટૉમિક પરમાણુ મથક-1)	(તમિળનાડુ)			1979	પંચ વિભાગ
NAPS-1	નરોરા (ઉત્તરપ્રદેશ)	PHWR	2 x 235	1981	પરમાણુ ઊર્જા	સંપૂર્ણ રીતે ભારતીય
પરમાણુ મથક-1)				1982	પંચ વિભાગ
	કાકરાપાર	PHWR	2 x 235	1994	પરમાણુ ઊર્જા	સંપૂર્ણ રીતે ભારતીય
	(ગુજરાત)				પંચ વિભાગ
	કૈગા (કર્ણાટક)	PHWR	2 x 235	1994	પરમાણુ ઊર્જા પંચ વિભાગ	સંપૂર્ણ રીતે ભારતીય
	કુન્ડાકલમ (તમિળનાડુ)		2 x 1000		કામકાજ ચાલુ છે.

સંશોધનના હેતુવાળાં રિએક્ટરમાં નીચેનાંનો સમાવેશ થાય છે : (1) ગ્રૅફાઇટ  વિમંદક સંશોધન રિએક્ટર, (2) પાણીવાળા બૉઇલર પ્રકારનું રિએક્ટર. ગામા-કિરણો અને ન્યૂટ્રૉનનો આ પ્રબળ સ્રોત હોઈ સંશોધન માટે ઉત્તમ છે. તેની રચના અને બાંધકામ સરળ હોય છે. તેને ઓછો પાવર મળતો હોઈ તેનો ઉપયોગ મર્યાદિત છે. (3) તરણ-કુંડ (swimming pool) રિએક્ટરમાં વિમંદક તરીકે હલકું પાણી હોય છે. કુંડની અંદરનું પાણી વિમંદક, શીતક અને ઢાલ તરીકે કાર્ય કરે છે. આ રીતે આ રિએક્ટર સરળ, સસ્તું, સલામત, લચીલું (flexible) અને સુગમ (accessible) હોય છે. ભારતમાં ટ્રૉમ્બે ખાતે આવેલું અપ્સરા રિએક્ટર આ પ્રકારનું છે. (4) હલકા પાણીનો ઉપયોગ કરતું વિમંદક ટાંકી (tank) પ્રકારનું રિએક્ટર. એ રીતે તો તે કુંડ પ્રકારનું રિએક્ટર હોય છે; પણ તેમાં તેનો અંતર્ભાગ પાણી ભરેલી ટાંકીમાં લટકાવેલો હોય છે. (5) ભારે પાણીનો ઉપયોગ કરતું વિમંદક ટાંકી પ્રકારનું રિએક્ટર સાદી ટાંકી જેવું જ હોય છે.

CIR (Canada India Reactor) અથવા (Cirus) ભારતનું બીજું સંશોધન રિએક્ટર છે. કોલંબો યોજના હેઠળ તેની રચના ટ્રૉમ્બે ખાતે કરવામાં આવી છે. તેમાં ઈંધણ તરીકે કુદરતી યુરેનિયમ, વિમંદક તરીકે ભારે પાણી અને શીતક તરીકે હલકા પાણીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.

ભારતનું ત્રીજું સંશોધક રિએક્ટર ઝર્લિના (Zero-energy Latticc Investigation Nuclear Assembly – ZERLINA) છે, જેમાં ઈંધણ તરીકે યુરેનિયમ અને વિમંદક તરીકે ભારે પાણીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.

પૂર્ણિમા ભારતનું પ્રથમ શૂન્ય-ઊર્જા ઝડપી રિએક્ટર છે.

છેલ્લે ધ્રુવ રિએક્ટર સંશોધન માટે કાર્યરત થયું છે.

હાલ વિશ્વમાં 224 ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર કાર્ય કરી રહ્યાં છે. વિશ્વમાં વપરાતી કુલ ઊર્જાની 12 % ઊર્જા ન્યૂક્લિયર રિએક્ટરથી મળે છે. વિશ્વમાં 2000 સુધીમાં ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર વડે 7,00,000 મેગાવૉટ ઊર્જા મળશે તેવો અંદાજ છે અને તે કુલ ઊર્જાનો 23 % ભાગ હશે. આ રીતે, ભારતે 2000 સુધીમાં 10,000 મેગાવૉટ ઊર્જા મેળવવાનું આયોજન કરેલ છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ