अणुशक्तिकेंद्रात युरेनियमच्या अणूंचे विभंजन (Nuclear Fission) करून मोठी ऊर्जा तयार होते व या ऊर्जेच्या साहाय्याने वाफेवर चालणारे टर्बाइन चालवून वीज मिळविली जाते. विभंजनात अनेक प्रक्रिया घडतात, एक नमुना म्हणून खालील प्रक्रिया मांडता येईल.
92U235 + 0n1 = 56Be141 + 36Kr92 + 3 0n1 + Energy 202.5 MeV
या प्रकारचे विभंजन एका क्रियापात्रात (Reactor) घडविले जाते. विभंजन-प्रक्रियेची ऊष्णता वापरून पाण्यापासून बॉयलरमध्ये उच्च दाबाची वाफ तयार केली जाते व तिच्या आधारे वीज निर्माण करण्याचे संयंत्र चालविले जाते.
विभंजनासाठी (Nuclear fuel) योग्य पदार्थांचा विचार करताना असे दिसून येते की, निसर्गात मिळणारे युरेनियम (Natural Uranium) योग्य प्रक्रियांनंतर अणुशक्तिकेंद्रात वापरण्याजोगे होऊ शकते. या युरेनियममध्ये मुख्यत्वेकरून U238 हा युरेनियमचा एक समस्थानिक (Isotope) असतो. हा विभंजनास योग्य नसतो. विभंजनास योग्य असा समस्थानिक म्हणजे U235 हा होय. त्याचे नैसर्गिक युरेनियममधले प्रमाण बरेच कमी असते (०.८ – ०.९%). तरीसुद्धा जड पाणी (Heavy water –D2O) हा निबंधक (Moderater) म्हणून वापरला, तर ते अणुशक्तिकेंद्रात इंधन म्हणून ते यशस्वी रीत्या वापरता येते. भारतात अनेक अणुशक्तिकेंद्रात ही पद्धत वापरली जात आहे. जड पाणी निबंधक वापरल्यास नैसर्गिक युरेनियममधील U238 मध्ये नुसते न्युट्रॉन-शोषण होते व U235 चे विभंजन होऊन ऊर्जा तयार होते. याउलट जर उच्च दर्जाचे युरेनियम (Enriched Uranium – सुमारे २ – ३ % U235 असलेले) वापरता आले तर साधे पाणीसुद्धा निबंधक म्हणून वापरता येते. ही पद्धत भारतात भावी काळात योजलेल्या काही प्रकल्पात वापरली जाऊ शकते.
अणुशक्तिकेंद्र व विशेषतः त्यातील क्रियापात्र यांच्या रचनेसाठी योग्य मिश्रधातु वा अन्य पदार्थ शोधणे हे मोठेच आव्हान असते, कारण याठिकाणी असलेल्या पदार्थांना अतिशय कठीण अशा परिस्थितीत टिकून राहावे लागते. ही आव्हाने क्रियापात्रामध्ये (Reactor) ज्या पेट्यांमध्ये (Tubes) इंधन ठेवले जाते, त्यांच्याबाबत तर अतिशय कठीण होतात.
या दृष्टीने विचार करताना पदार्थांचे काही मूलभूत अणुकेंद्रीय गुणधर्म (Nuclear Properties) विचारात घ्यावे लागतात. त्यातील पहिला महत्त्वाचा गुणधर्म म्हणजे अणुकेंद्रीय बंधक ऊर्जा (Nuclear Binding Energy) हा होय. मौलांमध्ये ही ऊर्जा आण्विक क्रमांकाप्रमाणे (Atomic Number) बदलत जाते. ही ऊर्जा म्हणजे एका अणुकेंद्रातून एक कण (Neutron or Proton) वेगळा करण्यासाठी लागणारी ऊर्जा होय. याबाबतचे आलेख अणुविज्ञानात उपलब्ध आहेत. आण्विक क्रमांक १० चे वरील जवळजवळ सर्व मौलांची अणुकेंद्रीय बंधक ऊर्जा ८००० – ९००० keV (विभक्त होणार्‍या प्रत्येक कणासाठी) इतकी असते. दुसरे महत्त्वाचे गुणधर्म म्हणजे पदार्थाची न्युट्रॉन-विकिरण शक्ती (Neutron Scattering Cross-section) व न्युट्रॉन-शोषण शक्ती (Neutron Absorption Cross-section) हे होत. अणुशक्ती निर्माण करताना बहुतेक अणुकेंद्रीय प्रक्रियांमध्ये न्युट्रॉन या कणांचा महत्त्वाचा भाग असतो, म्हणून त्यांचे विकिरण वा शोषण यांचे प्रमाण समजून घेणे आवश्यक असते. हे प्रमाण मोजण्यासाठी अणुकेंद्रीय काटछेद (Cross-section) असे परिमाण वापरले जाते. अनेक मौलांच्या बाबतीत मोजले गेलेले विकिरण काटछेद (Neutron Scattering Cross-section) व शोषण काटछेद (Neutron Absorption Cross-section) हे एकत्रित विचारात घेतले तर त्या मौलांच्या अणुशक्तिकेंद्रांतील उपयुक्ततेवर सहजच प्रकाश पडतो. या क्षेत्रात शोषण या संज्ञेत (होऊ शकणार्‍या) अणुकेंद्रीय प्रक्रियांचा समावेशही धरला जातो. शोषण काटछेद हा न्युट्रॉन व मौलाचे अणुकेंद्र यांच्यात प्रक्रिया होण्याची शक्यता दाखवितो. प्रक्रिया विरुद्ध विकिरण या दोन्हींची तुलनात्मक शक्यता वरील एकत्रित विचाराने समजते. या दृष्टीने तपासणी केल्यास असे दिसून येते की, ड्युटेरियम (Deuterium), कार्बन यासारख्या काही मौलांची न्युट्रॉन-शोषण शक्ती बरीच कमी आहे व न्युट्रॉन-विकिरण शक्ती पुरेशी आहे. असे पदार्थ आण्विक क्रियापात्रात (Atomic Reactor) निबंधक (Moderator) म्हणून चांगले उपयोगी पडतात. निबंधक (Moderator) हा आण्विक क्रियापात्राच्या रचनेतील महत्त्वाचा घटक आहे. निबंधकामुळे क्रियापात्रातील ऊर्जा उत्पादनाची प्रक्रिया ताब्यात ठेवता येते, प्रक्रियेसाठी उपलब्ध असलेल्या न्युट्रॉन-कणांची संख्या व त्याहीपेक्षा, विकिरणाच्या आधारे त्यांचा शोषण वेग कमी-अधिक करून बंधक-पदार्थ हे नियमन-कार्य करू शकतो. हा एकत्रित गुणधर्म निबंधन-अनुपात (Moderating Ratio) म्हणून ओळखला जातो. या निबंधन-अनुपाताची व्याख्या खालीलप्रमाणे केली जाते.
निबंधन-अनुपात = स्थूल रूपी (Macroscopic) शोषण शक्ती/स्थूल रूपी शोषण काटछेद.
अनेक पदार्थांची या आधारे तपासणी केल्यास असे ध्यानात येते की, काही मौले – व त्यांची संयुगे – उत्तम निबंधन करू शकतात. या पदार्थांची विकिरण-शक्ती उत्तम असते व त्यांचा आण्विक क्रमांक कमी असतो, त्यामुळे शोषण-शक्ती व शोषण काटछेद कमी असतात. त्यांचा निबंधन-अनुपात चांगला असतो. काही महत्त्वाची उदाहरणे सांगण्यासारखी आहेत.
हे पदार्थ अनेक अणुशक्तिकेंद्रात निबंधक म्हणून वापरले जात आहेत.
झिर्कोनियम या आण्विक क्रियापात्रात वापरल्या जाणार्‍या महत्त्वाच्या धातूचीही न्युट्रॉन-विकिरण शक्ती चांगली आहे व अणुकेंद्रीय बंधक ऊर्जाही चांगली लक्षणीय आहे. ज्या लहान पेट्यांमध्ये वा लहान नळ्यांमध्ये आण्विक इंधन क्रियापात्रात विभंजनासाठी ठेवले जाते त्यांच्यासाठी झिर्कोनियमचे काही मिश्रधातू – झिर्कालॉय (Zircalloy) वापरले जातात. काही यंत्रणात इंधन हे गोल दांड्यांच्या आकाराचे बनवतात. अशा वेळी इंधनाच्या दांड्या या झिर्कालॉयच्या नळ्यांमध्ये बसवतात.
भारतात आतापर्यंत झालेल्या प्रगतीत मुख्यत्वेकरून नैसर्गिक युरेनियम हे आण्विक इंधन व जड पाणी हे निबंधक या आधारे बनविलेले दाबयुक्त-जड पाणी-प्रक्रिया पात्र (Pressurized Heavy Water Reactor) या प्रकारात मोडणारी अनेक अणुशक्ति केंद्रे उभारण्यात आलेली आहेत. या गटात आण्विक विभंजनासाठी नैसर्गिक युरेनियम वापरले जाते व जड पाणी हे निबंधक म्हणून, तसेच तयार झालेली ऊष्णता शोषून घेऊन ती मुख्य बॉयलरला पोहोचवण्याचे साधन म्हणून वापरले जाते. या ऊष्णता शोषकांमध्ये (Heat Exchanger) लागणारे मिश्रधातू हे विशिष्ट गुणांचे असावे लागतात व त्यांची निवड ही केंद्राच्या रचनेतील महत्त्वाचा भाग असतो.
काही महत्त्वाची उदाहरणे म्हणून ऊष्णता-शोषकातील खालील विभागांसाठी वापरात असलेले मिश्रधातू सांगता येतील. ३०४ या संज्ञेने प्रसिद्ध असलेले अगंज पोलाद (SS 304L) हे मुख्य नळ्यांचा समूह (Calandria), दोन्ही टोकांचे रक्षक (End-shields) यांसाठी वापरले जाते. तसेच दुसरे महत्त्वाचे अगंज पोलाद (SS 403 or 410) हे दोन्ही टोकांच्या इतर भागांसाठी व नळ्यांसाठी वापरतात. अनेकदा अणुशक्तिकेंद्रे समुद्रकाठी उभारली जातात व अशा ठिकाणी समुद्राचे पाणी ऊष्णता शोषकांमध्ये (Heat-exchangers) वापरावे लागते. अशा वेळी टायटॅनीयमचे मिश्रधातू वापरणे आवश्यक असते. इतर वेळी साध्या नदीच्या पाण्याचा वापर झाला तर कुप्रो-निकल, पितळ वापरूनही काम भागते.
या पार्श्वभूमीवर भारतातील अणुशक्तिकेंद्रातील एका महत्त्वाच्या गटाबद्दल काही आवश्यक माहिती ध्यानात घेणे योग्य होईल. हा गट म्हणजे दाबयुक्त जड पाणी क्रियापात्रावर (Pressurized Heavy Water Reactors – PHWR) आधारित अशी अणुशक्तिकेंद्रे होत. भारतातील अणुशक्तिकेंद्रांच्या वाढीतील पहिल्या टप्प्यात या प्रकारची १५ केंद्रे स्थापन करण्यात आली. या प्रकारची केंद्रे स्थापन करण्याच्या आधी १-२ केंद्रे, कमी दाबावर चालणारी – उकळत्या पाण्यावर आधारित (Boiling Water Reactors) अशी – कमी शक्तीची केंद्रे सुरुवातीच्या काळात स्थापन करण्यात आली.
उच्च दाबाच्या या केंद्रांमध्ये नैसर्गिक युरेनियम हे आण्विक इंधन म्हणून व जड पाणी हे निबंधक म्हणून वापरले जाते. यामध्ये ऊष्णता-शोषक संहती (Heat Exchanger System) साधारणतः ३०० अंश सें. तापमानास वातावरणाच्या सुमारे १०० पट वाफेच्या दाबाला ठेवल्या जातात.
या यंत्रणेत मुख्य नळ्या – दाबयुक्त नळ्या (Pressure Tubes) असतात. त्यामध्ये आण्विक इंधन हे झिर्कालॉय – ४ या मिश्रधातूच्या पेट्यांमध्ये ठेवले जाते व भोवतालून उच्च दाबाचा जड पाण्याचा प्रवाह वाहतो. या जड पाण्याच्या प्रवाहाची ऊष्णता वेगळ्या ऊष्णता-शोषकात (Heat Absorbers) घेऊन ती उच्च दाबाच्या बॉयलरमध्ये टर्बाइनसाठी वाफ बनविण्यास वापरली जाते. याच टर्बाइनमध्ये आण्विक शक्तीची वीज तयार होते.
संदर्भ :
- Ashby, M. F. and Smidman, Michael. ‘Materials for Nuclear Power Systems’ Nuclear : Granta Materials Inspiration, Jan. 2010.
- Jain, S. K. ‘Role of materials in the safe and reliable operation of Nuclear Power Plants’ Prof. Brahm Prakash Memorial Lecture. Indian Institute for Metals News, Vol. 12, No.5, Oct 2009.
समीक्षक : प्रवीण देशपांडे