ન્યૂક્લિયર વિખંડન (nuclear fission)

ન્યૂક્લિયર વિખંડન (nuclear fission) : ભારે ન્યૂક્લિયસ ઉપર થતા ન્યૂટ્રૉનના મારાથી તેના લગભગ બે સરખા ભાગમાં થતા વિભાજનની ઘટના. ભારે ન્યૂક્લિયસના વિખંડન સાથે સામાન્ય રીતે ઝડપી ન્યૂટ્રૉન, બીટા-કણ, ગામા-કિરણો અને ઊર્જાનું ઉત્સર્જન થતું હોય છે. પ્લૂટોનિયમ, યુરેનિયમ અને થોરિયમ વિખંડનશીલ દ્રવ્યો છે.

ન્યૂક્લિયર વિખંડનના અભ્યાસ માટે ન્યૂક્લિયસમાં પ્રવર્તતાં બળો જાળવવાં જરૂરી છે. ન્યૂક્લિયર બળોની અવધિ (range) અને પ્રબળતાની વિશેષ જાણકારી માટે ન્યૂક્લિયસના જુદા જુદા નમૂના (models) સ્વીકારાયા છે; જેમ કે, કવચ (shell), પ્રવાહી બુંદ (liquid drop), સમષ્ટીય (collective) અને પ્રકાશીય (optical) નમૂના. ન્યૂક્લિયર વિખંડનની પ્રક્રિયા સમજાવવા માટે ન્યૂક્લિયસનો પ્રવાહી બુંદ નમૂનો વધુ અનુકૂળ છે. તે માટે ન્યૂક્લિયસને અદબનીય અને ઊંચી ઘનતાવાળા વિદ્યુત-ભારિત પ્રવાહીના પૃષ્ઠબળવાળા બુંદ તરીકે સ્વીકારવામાં આવે છે.

ન્યૂક્લિયસના વિખંડિત ટુકડા ધન વિદ્યુતભારિત પ્રોટૉન ધરાવતા હોય છે. તેમની વચ્ચે પ્રવર્તતા અપાકર્ષણબળને પરિણામે આ ઊર્જા પેદા થાય છે. 0.45 કિગ્રા. યુરેનિયમના વિખંડનથી પેદા થતી ઊર્જા 1,000 મેટ્રિક ટન કોલસાના દહનથી મળતી ઊર્જા બરાબર હોય છે. વિખંડનની પ્રક્રિયા દરમિયાન છૂટા પડતા ઝડપી ન્યૂટ્રૉન વડે બીજી ન્યૂક્લિયસનું વિખંડન શક્ય બનાવી શકાય છે. વિખંડનની આવી પરંપરાથી ન્યૂક્લિયર શૃંખલા-પ્રક્રિયા (chain reaction) મળે છે. ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર અને પરમાણુ-બૉંબનો સિદ્ધાંત આ ન્યૂક્લિયર શૃંખલા-પ્રક્રિયા છે.

ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન – પ્રોટૉન વચ્ચે પ્રવર્તતું વિદ્યુત-અપાકર્ષણબળ ગુરુ-અંતરી હોય છે. આ બળ ન્યૂક્લિયસમાં ભંગાણ સર્જે છે. ન્યૂક્લિયસની અંદર પ્રવર્તતું ન્યૂક્લિયર બળ આકર્ષણ પ્રકારનું અને લઘુ-અંતરી છે. તે પૃષ્ઠબળનો આદર્શ પૂરો પાડે છે. ન્યૂક્લિયસમાં ગુરુ-અંતરી વિદ્યુત-અપાકર્ષણ અને લઘુ-અંતરી ન્યૂક્લિયર આકર્ષણબળ વચ્ચેનું સમતોલન એક નાજુક કોયડો છે. તેના ઉપર ન્યૂક્લિયર વિભવ(nuclear potential)ની માત્રા અવલંબે છે. આ બળો વિભવનું નિર્માણ કરે છે. આવો વિભવ વિખંડનની પ્રક્રિયા માટે અંતરાય(દીવાલ)ની જેમ વર્તે છે. વિદ્યુત અને ન્યૂક્લિયર બળો વિરુદ્ધ પ્રકારનાં છે, પણ તે એકબીજાને સાવ નાબૂદ કરતાં નથી.

ભારે ન્યૂક્લિયસ ઉપર ન્યૂટ્રૉનનો મારો કરવાથી ન્યૂક્લિયસ વડે તેનું શોષણ થાય છે. આવો શક્તિશાળી ન્યૂટ્રૉન ન્યૂક્લિયસમાં દાખલ થતાંની સાથે તેની ઊર્જા ન્યૂક્લિયસની અંદરના ન્યૂટ્રૉન તથા પ્રોટૉન વચ્ચે વહેંચાય છે. પરિણામે ન્યૂક્લિયસમાં વિરૂપણ (deformation) પેદા થાય છે. ન્યૂક્લિયસ લંબગોળ ઈંડા જેવી બને છે. ત્યારબાદ તે ડમ્બેલ આકારની બને છે અને અંતે ટુકડામાં વિખંડિત થાય છે. આ રીતે ન્યૂક્લિયસના વિખંડનને કારણે તેના ટુકડા, મુક્ત ઝડપી ન્યૂટ્રૉન, બીટા(ઇલેક્ટ્રૉન)-કણ, ગામા-વિકિરણ તથા ઊર્જા મળે છે.

મુક્ત થતી લગભગ બધી જ ઊર્જા ઉષ્મા સ્વરૂપે અને બાકીની વિકિરણ સ્વરૂપે હોય છે.

ન્યૂક્લિયર ઊર્જાને ઇલેક્ટ્રૉન-વોલ્ટ એકમ વડે માપવામાં આવે છે. એક વોલ્ટ વિદ્યુતદબાણવાળા વિદ્યુત-ક્ષેત્રમાંથી ઇલેક્ટ્રૉન પસાર થાય ત્યારે તેની ઊર્જામાં થતા ફેરફારને એક ઇલેક્ટ્રૉન-વોલ્ટ (eV) કહે છે.

(1 KeV = 103 eV : 1 MeV = 10⁶ eV)

કોલસાના એક કાર્બન-પરમાણુ અથવા ખનિજતેલના એક પરમાણુનું દહન કરતાં 3eV ઊર્જા મળે છે, જ્યારે યુરેનિયમની એક ન્યૂક્લિયસના વિખંડનથી 200 × 10⁶ eV ઊર્જા મળે છે.

ન્યૂક્લિયસનું વિખંડન થવા માટે તેની સાથે અથડાતા કણનું પ્રગ્રહણ (capture) થવું જોઈએ. પ્રોટૉન ધન વિદ્યુતભારિત કણ હોઈ ધન ન્યૂક્લિયસ નજીક જતાં તે અપાકર્ષાય છે. આથી પ્રોટૉન ન્યૂક્લિયસમાં સરળતાથી દાખલ થઈ શકતો નથી. ઇલેક્ટ્ર્રૉન હલકો કણ હોઈ વિખંડન માટે તે પણ અસરકારક બનતો નથી. ન્યૂટ્રૉન વિદ્યુત-તટસ્થ કણ છે. માટે તે ન્યૂક્લિયસમાં ઘૂસી, વિખંડનની પ્રક્રિયા સરળ બનાવે છે.

રિએક્ટરમાં લક્ષ્ય-દ્રવ્ય (target) તરીકે યુરેનિયમનો ઉપયોગ થાય છે. યુરેનિયમ-ન્યૂક્લિયસનું વિખંડન સરળ છે; કારણ કે એ ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉનની સંખ્યા વધુ હોવાથી તેનાથી પેદા થતા વિશેષ અપાકર્ષણબળને લીધે તે અસ્થાયી બને છે. અસ્થાયી ન્યૂક્લિયસનું વિખંડન સરળતાથી થાય છે.

યુરેનિયમના વિખંડન સાથે ઝડપી ન્યૂટ્રૉન મુક્ત થાય છે. આવા ન્યૂટ્રૉન વડે યુરેનિયમના બીજા પરમાણુનું વિખંડન કરી શકાય છે. તે રીતે ન્યૂક્લિયર શૃંખલા-પ્રક્રિયા રચાય છે. યુરેનિયમમાં પ્રોટૉન કરતાં ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા વધુ હોવાથી સફળ શૃંખલા-પ્રક્રિયા મળે છે.

યુરેનિયમ-238 (U-238) યુરેનિયમ-235નો સમસ્થાનિક છે. કુદરતમાં તે વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવે છે. આથી તે રિએક્ટર માટે સુલભ ઈંધણ છે. U-238 ન્યૂક્લિયસ ન્યૂટ્રૉનનું શોષણ કરે છે; પણ તેનું વિખંડન થતું નથી. U-235 ઓછા પ્રમાણમાં મળે છે; પણ આવી ન્યૂક્લિયસ ન્યૂટ્રૉનનું શોષણ કરે ત્યારે વિખંડન થાય છે. એટલે કુદરતમાં મળી આવતું U-235 એવું દ્રવ્ય છે, જેના વડે શૃંખલા-પ્રક્રિયા સરળતાથી શરૂ થાય છે. આથી રિએક્ટરમાં U-235નો ઉપયોગ થાય છે.

વિખંડનથી મુક્ત થતાં ઝડપી ન્યૂટ્રૉન આશરે 19 × 10³ કિમી./સેકન્ડ જેટલો વેગ ધરાવે છે. આવા ઝડપી ન્યૂટ્રૉન ન્યૂક્લિયસનું વિખંડન કર્યા સિવાય સડસડાટ બહાર નીકળી જાય છે. આથી તેમને ધીમા પાડવા જરૂરી બને છે. તે માટે વિમંદક (moderator) માધ્યમનો ઉપયોગ કરવો પડે છે. ઝડપી ન્યૂટ્રૉન વિમંદકમાંથી પસાર થાય ત્યારે તેની ઊર્જાનું શોષણ થતાં તે મંદ પડે છે. એટલે આવો ન્યૂટ્રૉન ન્યૂક્લિયસમાં વધુ સમય માટે રહેવાથી વિખંડન સરળ બને છે. રિએક્ટરમાં સાદું પાણી, ભારે પાણી, ગ્રૅફાઇટ અથવા બેરિલિયમ જેવા માધ્યમનો વિમંદક તરીકે ઉપયોગ થાય છે. આ રીતે સફળ ન્યૂક્લિયર શૃંખલા-પ્રક્રિયા વડે વિખંડન-ઊર્જા પેદા કરીને વિદ્યુતનું ઉત્પાદન કરવામાં આવે છે.

આશા પ્ર. પટેલ