নিউক্লিয়ার চুল্লির পদার্থবিদ্যা

নিউক্লিয়ার চুল্লির পদার্থবিদ্যা হল পদার্থবিদ্যার সেই শাখা যা নিয়ন্ত্রিত উপায়ে নিউক্লিয়ার ফিশন চেইন বিক্রিয়ার মাধ্যমে শক্তি উৎপাদন করার পদ্ধতিকে প্রায়োগিকভাবে অধ্যয়ন করে এবং তা নিয়ে কাজ করে।

বেশিরভাগ নিউক্লিয়ার চুল্লি তার ফিসাইল জ্বালানির ভেতর নিউক্লিয়ার ফিশন হওয়ার একটি নিয়ন্ত্রিত হার প্ররোচিত (ইনডিউস) করার জন্য একটি চেইন রিএকশন ব্যবহার করে, যার মাধ্যমে শক্তি এবং মুক্ত নিউট্রন উভয়ই উন্মুক্ত হয়। একটি চুল্লিতে নিউক্লিয়ার জ্বালানির একটি এসেম্বলি (একটি চুল্লির কোর ) থাকে, যা সাধারণত সাধারণ পানি, ভারী পানি, গ্রাফাইট, বা জিরকোনিয়াম হাইড্রাইডের মতো একটি নিউট্রন মডারেটর দ্বারা বেষ্টিত থাকে এবং কন্ট্রোল রড ও অন্যান্য সরঞ্জাম দ্বারা সজ্জিত থাকে যা বিক্রিয়ার হার নিয়ন্ত্রণ করে।

নিউক্লিয়ার ফিশনের পদার্থবিদ্যার বেশ কিছু বৈশিষ্ট্য রয়েছে যেগুলো নিউক্লিয়ার চুল্লির আচরণকে, এবং তার ফলাফল হিসাবে চুল্লির নকশাকে প্রভাবিত করে। এই প্রবন্ধে পারমাণবিক চুল্লির পদার্থবিদ্যা এবং তাদের আচরণের একটি সাধারণ সারসংক্ষেপ উপস্থাপন করা হয়েছে।

 ক্রিটিক্যালিটি 
একটি পারমাণবিক চুল্লিতে যেকোনো মুহূর্তে নিউট্রন সংখ্যা নির্ভর করে নিউট্রন উৎপাদনের হার (ফিশন বিক্রিয়ার কারণে) এবং নিউট্রন হারানোর অথবা হ্রাসের হার (ফিশন ছাড়া অন্যান্য শোষণ প্রক্রিয়া এবং সিস্টেম থেকে লিক হওয়ার কারণে) এর উপর। যখন একটি চুল্লির নিউট্রন জনসংখ্যা এক প্রজন্ম থেকে পরবর্তী প্রজন্মে স্থির থাকে (যতগুলি নিউট্রন হারিয়ে যায় ততগুলি নতুন নিউট্রন জন্ম হয়), তখন ফিশন চেইন বিক্রিয়াটিকে স্বয়ংসম্পূর্ণ (অর্থাৎ প্রজন্মের পর প্রজন্ম নিজেকে নিজেই চালিয়ে নিতে পারে) বলা চলে এবং নিউক্লিয়ার চুল্লির এই বিশেষ অবস্থাটিকে বলা হয় "ক্রিটিক্যাল" অবস্থা। যখন চুল্লির নিউট্রন উৎপাদনের হার নিউট্রন হ্রাসের হারের চেয়ে বেশি হয়, তখন এটিকে "সুপারক্রিটিকাল" বলে মনে করা হয়, যার বৈশিষ্ট্য হল শক্তি উৎপাদনের হার বৃদ্ধি। বিপরিত ক্ষেত্রে, যখন নিউট্রন হ্রাসের হার নিউট্রন উৎপাদনের থেকে বেশি হয়, তখন এটিকে "সাবক্রিটিকাল" বলে মনে করা হয় তা এবং হ্রাসমান ক্ষমতা প্রদর্শন করে।

"ছয়-গুণক সূত্র" অথবা সিক্স ফ্যাক্টর ফর্মুলা হল নিউট্রন জীবনচক্রের ভারসাম্য সমীকরণ। এই সমীকরণটিতে ছয়টি পৃথক গুণনীয়ক রয়েছে, যার গুণফল যেকোনো প্রজন্মের নিউট্রনের সংখ্যার সাথে পূর্ববর্তী প্রজন্মের নিউট্রনের সংখ্যার অনুপাতের সমান; এই প্যারামিটারটিকে ইফেক্টিভ মাল্টিপ্লিকেশন ফ্যাক্টর keff বলা হয়। keff = Є Lf ρ Lth f η, যেখানে Є = "ফাস্ট-ফিশন ফ্যাক্টর", Lf = "ফাস্ট নন-লিকেজ ফ্যাক্টর", ρ = " রেসনেন্স এস্কেপ প্রবাবিলিটি ", Lth = "থার্মাল নন-লিকেজ ফ্যাক্টর", f = "ফুয়েল ইউটিলাইজেশন ফ্যাক্টর", এবং η = "রিপ্রডাকশন ফ্যাক্টর"। আগেই উল্লেখ করা হয়েছে, k = (এক প্রজন্মে উৎপাদিত নিউট্রন)/(পূর্ববর্তী প্রজন্মে উৎপাদিত নিউট্রন)। অর্থাৎ, যখন চুল্লিটি ক্রিটিক্যাল হয়, k = 1; যখন চুল্লিটি সাবক্রিটিক্যাল হয়, k < 1; এবং যখন চুল্লিটি সুপারক্রিটিক্যাল হয়, k > 1।

রিয়্যাক্টিভিটি হল উপরোক্ত ক্রিটিক্যালিটি থেকে বিচ্যুতির একটি পরিমাপ। δk = (k − 1)/k. যখন চুল্লিটি ক্রিটিকাল হয়, তখন δk = 0। যখন চুল্লিটি সাবক্রিটিক্যাল হয়, δk < 0। যখন চুল্লিটি সুপারক্রিটিক্যাল হয়, δk > 0। রিয়্যাক্টিভিটিকে ছোট হাতের গ্রীক অক্ষর rho ( ρ ) দ্বারাও প্রকাশ করা হয়। এই প্যারামিটারটিকে সাধারণত দশমিক অথবা শতাংশ অথবা Δk/k এর pcm (পার সেন্ট মিল, অর্থাৎ এক শতাংসের এক হাজার ভাগের এক ভাগ) তে প্রকাশ করা হয়। যখন রিয়্যাক্টিভিটি ρ কে প্রকাশ করার জন্য ডিলেইড নিউট্রন ফ্র্যাকশন β কে একক হিসাবে ধরা হয়, তখন সেই একককে ডলার বলা হয়।

যদি আমরা একটি রিয়্যাক্টর কোরে মুক্ত নিউট্রনের সংখ্যাকে 'N' ধরি এবং  যদি বুঝায় প্রতিটি নিউট্রনের গড় জীবনকাল (হয় নিউট্রনটি কোর থেকে লিক হয়ে যাওয়ার আগে অথবা নিউক্লিয়াস দ্বারা শোষিত হওয়ার আগে), তাহলে চুল্লিটি নিম্নোক্ত ডিফারেনশিয়াল সমীকরণ টি অনুসরণ করবে।



যেখানে  হলো একটি সমানুপাতিক ধ্রুবক, এবং  হল কোরে নিউট্রন সংখ্যার পরিবর্তনের হার। সমানুপাতিক ধ্রুবক  এর চিহ্নের উপর ভিত্তি করে এই ধরণের ডিফারেনশিয়াল সমীকরণ সূচকীয় বৃদ্ধি (এক্সপোনেনশিয়াল গ্রোথ) বা সূচকীয় হ্রাস (এক্সপোনেনশিয়াল ডিকে) বর্ণনা করে। এখানে  একটি গড় নিউট্রন জীবনকাল অতিবাহিত হওয়ার পরে নিউট্রনের প্রত্যাশিত সংখ্যা মাত্র:



এখানে,  হল একটি নির্দিষ্ট নিউট্রন জ্বালানী নিউক্লিয়াসে আঘাত করার সম্ভাবনা।  হলো একটি নিউট্রন একটি জ্বালানি নিউক্লিয়াসে আঘাত করার পর ফিশন ঘটার সম্ভবনা (কারণ ফিশন ছাড়াও অন্যান্য ঘটনা ঘটতে পারে, যেমন শোষন, বিক্ষেপণ, ইত্যাদি)।  হলো জ্বালানি ছাড়া অন্য কিছু দ্বারা নিউট্রনটি শোষিত হওয়ার সম্ভাবনা, এবং  হল সেই সম্ভাব্যতা যে নিউট্রনটি সম্পূর্ণরূপে কোর থেকে লিক করে "হারিয়ে যাবে", অর্থাৎ অবস্থানগতভাবে কোর এর বাহিরে চলে যাবে।  হল একটি ফিশন ঘটনার মাধ্যমে গড়ে উৎপাদিত নিউট্রনের সংখ্যা—এটি 235 U এবং 239 Pu উভয়ের জন্য 2 থেকে 3 এর মধ্যে হয়ে থাকে (যেমন, 235 U-তে থার্মাল নিউট্রনের জন্য,  = 2.4355 ± 0.0023  )।

যদি  ধনাত্মক হয়, তাহলে কোরটি সুপারক্রিটিকাল হবে এবং নিউট্রন উৎপাদনের হার সূচকীয়ভাবে বৃদ্ধি পাবে যতক্ষণ না অন্য কোন প্রভাব এই বৃদ্ধি হওয়া বন্ধ করে দেয়। যদি  ঋণাত্মক হয়, তাহলে কোরটি "সাবক্রিটিকাল" হবে এবং কোরে মুক্ত নিউট্রনের সংখ্যা সূচকীয়ভাবে হ্রাস পাবে যতক্ষণ না এটি শূন্যতে নেমে (অথবা স্বতঃস্ফূর্ত ফিশনের ফলে ব্যাকগ্রাউন্ড লেভেলে) একটি ভারসাম্যে পৌঁছায়। যদি  ঠিক শূন্য হয়, তাহলে চুল্লিটি ক্রিটিক্যাল  হবে এবং এর শক্তি উৎপাদনের হার সময়ের সাথে অপরিবর্তিত থাকবে ( )।

পারমাণবিক চুল্লিগুলি এমনভাবে ডিজাইন করা হয় যেন  এবং  সামান্য হয়।।ছোট, কম্প্যাক্ট কাঠামো কোরের সারফেস এরিয়ার ক্ষেত্রফল কমিয়ে সরাসরি লিকেজ হওয়ার সম্ভাবনা কমায় এবং কিছু বিশিষ্ট পদার্থ (যেমন গ্রাফাইট ) কিছু নিউট্রনকে প্রতিফলিত করে কোরে ফিরিয়ে দিতে পারে, যা  কে আরও কমিয়ে দেয়।

ফিশনের সম্ভাবনা, , জ্বালানির নিউক্লিয়ার পদার্থবিদ্যাগত বৈশিষ্ট্যের উপর নির্ভর করে এবং প্রায়শই একটি ক্রস-সেকশন হিসাবে প্রকাশ করা হয়। চুল্লিগুলিকে সাধারণত নিয়ন্ত্রন করা হয়  কে এডজাস্ট করার মাধ্যমে। ক্যাডমিয়াম বা বোরনের মতো শক্তিশালী নিউট্রন-শোষক উপাদান দিয়ে তৈরি কন্ট্রোল রডগুলি কোরে ঢোকানোর উপায় থাকে: কোন নিউট্রন কন্ট্রোল রডকে আঘাত করলে তা চেইন রিয়েকশন থেকে হারিয়ে যায়, যা হ্রাস করে .  চুল্লির কোরের সাম্প্রতিক ইতিহাস দ্বারাও নিয়ন্ত্রিত হয় ( নীচে দেখুন )।

 স্টার্টার সোর্স 

একটি অ্যাসেম্বলি সুপারক্রিটিকাল হওয়া সত্ত্বেও, সিস্টেমে কোন মুক্ত নিউট্রন না থাকলে নিউক্লিয়ার বিক্রিয়া ঘটবে না। একটি নিউক্লিয়ার চেইন বিক্রিয়ার শুরু করার জন্য কমপক্ষে একটি নিউট্রনের প্রয়োজন হয়। উপরন্তু, যদি স্বতঃস্ফূর্ত ফিশন বিক্রিয়ার হার যথেষ্ট কম হয় তবে চুল্লিটি সুপারক্রিটিক্যাল হলেও, প্রাথমিকভাবে কোন একটি নিউট্রন দ্বারা ভাগ্যবশত একটি চেইন বিক্রিয়া শুরু হতে অনেক সময় লাগতে পারে ( 235U ভিত্তিক চুল্লিতে বেশ কিছু মিনিটও লাগতে পারে)। এজন্য বেশিরভাগ পারমাণবিক চুল্লিতে একটি "স্টার্টার" নিউট্রন উৎস বা নিউট্রন সোর্স থাকে যা নিশ্চিত করে যেন চুল্লির কোরে সর্বদা কয়েকটি মুক্ত নিউট্রন থাকে, যাতে কোরটিকে ক্রিটিক্যাল অবস্থায় আনার সাথে সাথে একটি চেইন বিক্রিয়া শুরু হয়। একটি সাধারণ ধরণের স্টার্টার নিউট্রন উৎস হল 241Am ( americium-241 ) এর মতো একটি আলফা কণা নির্গমনকারী আইসোটোপ এবং 9Be ( berylium-9 ) এর মতো একটি হালকা আইসোটোপ।

একদম নতুন চুল্লির কোর এর ক্ষেত্রে উপরে বর্ণিত প্রাইমারি নিউট্রন সোর্স ব্যবহার করতে হবে। চলমান অপারেটিং (অর্থাৎ বর্তমানে শক্তি উৎপাদন করছে) চুল্লির জন্য, সেকেন্ডারি নিউট্রন সোর্স ব্যবহার করা হয় যা সাধারণত বেরিলিয়ামের সাথে অ্যান্টিমনির সংমিশ্রণ। অ্যান্টিমনি চুল্লিতে সক্রিয় হয় এবং উচ্চ-শক্তির গামা ফোটন তৈরি করে, যা বেরিলিয়াম থেকে ফোটোনিউট্রন তৈরি করে।

ইউরেনিয়াম-২৩৫ প্রাকৃতিকভাবেই সামান্য হারে স্বতঃস্ফূর্ত ফিশন হতে থাকে, তাই সম্পূর্ণরূপে বন্ধ থাকা চুল্লিতেও কিছু নিউট্রন উৎপন্ন হয়। যখন কন্ট্রোল রডগুলি উত্তোলন করা (কোর থেকে বের করে আনা) হয় এবং কোরটি ক্রিটিক্যালিটির কাছে পৌঁছায় তখন k বৃদ্ধি পায় কারণ নিউট্রনের শোষণ হার ক্রমশ হ্রাস পাচ্ছে। এভাবে k এর মান বৃদ্ধি পেতে পেতে একসময় ফিশন চেইন বিক্রিয়াটে স্বয়ংসম্পূর্ণ হয়ে ওঠে। মনে রাখবেন যে চুল্লিতে একটি নিউট্রন উৎস সরবরাহ করা হলেও, চেইন বিক্রিয়া শুরু করার জন্য এটি অপরিহার্য নয়। বরঞ্চ এর মূল উদ্দেশ্য হল একটি শাটডাউন নিউট্রন পপুলেশন দেওয়া যা যন্ত্র দ্বারা সনাক্ত করা যায় এবং এভাবে ক্রিটিক্যালিটি k কে আরও পর্যবেক্ষণযোগ্য করে তোলে। উৎস লোড করা হোক বা না হোক, কন্ট্রোল রডের একই অবস্থানে চুল্লিটি ক্রিটিক্যাল হবে।

একবার চেইন বিক্রিয়া শুরু হয়ে গেলে অপারেটিং রিঅ্যাক্টর কোর থেকে প্রাথমিক স্টার্টার উৎসটি কোর থেকে সরিয়ে ফেলা যেতে পারে যেন উচ্চ নিউট্রন ফ্লাক্সের দ্বারা ক্ষতি ম্যাটেরিয়াল ডিগ্রেডেশন কম হয়; ক্রিটিক্যালিটি নিয়ন্ত্রণের জন্য একটি ব্যাকগ্রাউন্ড রেফারেন্স লেভেল প্রদান করার জন্য সেকেন্ডারি সোর্সগুলো সাধারণত কোরের ভেতরেই অবস্থিত থাকে।

 সাবক্রিটিকাল মাল্টিপ্লিকেশন 
এমনকি একটি সাবক্রিটিক্যাল অ্যাসেম্বলিতেও, যেমন একটি বন্ধ (শাট-ডাউন) রিঅ্যাক্টরেও, কোরে উপস্থিত যেকোনো নিউট্রনই (উদাহরণস্বরূপ, জ্বালানির স্বতঃস্ফূর্ত ফিশণ, ফিশন প্রডাক্টের তেজস্ক্রিয় ক্ষয়, অথবা নিউট্রন সোর্স থেকে উৎপন্ন নিউট্রন) একটি সূচকীয়ভাবে হ্রাসমান চেইন বিক্রিয়ার সূচনা করবে। যদিও চেইন বিক্রিয়াটি স্বয়ংসম্পূর্ণ হবে না, এটি একটি গুণক হিসেবে কাজ করে যা কোরে নিউট্রনের ভারসাম্য সংখ্যা বৃদ্ধি করে। এই সাবক্রিটিকাল মাল্টিপ্লিকেশন প্রভাব দুটি উপায়ে ব্যবহার করা যেতে পারে: একটি কোর ক্রিটিক্যালিটির কতটা কাছাকাছি তা অনুসন্ধানের জন্য এবং ক্রিটিক্যাল ভরের সাথে সম্পর্কিত ঝুঁকি ছাড়াই ফিশন শক্তি উৎপন্ন করার একটি উপায় হিসাবে।

যদি  একটি সাবক্রিটিকাল কোরের নিউট্রন মাল্টিপ্লিকেশন ফ্যাক্টর হয় এবং  কোন বহিরাগত সোর্স থেকে প্রতি প্রজন্মে চুল্লিতে আসা নিউট্রনের সংখ্যা হয়, তাহলে নিউট্রন সোর্স চালু করার মুহূর্তে, কোরে নিউট্রনের সংখ্যা হবে . ১ প্রজন্মের পর, এই  সংখ্যক নিউট্রন শোষন, লিকেজ, অথবা ফিশন ঘটানোর মাধ্যমে হারিয়ে যাবে এবং এদের দ্বারা ঘটিত ফিশন থেকে চুল্লির ভেতর জন্ম নিবে  সংখ্যক নিউট্রন। উপরন্তু, নিউট্রন সোর্স থেকে আরও  সংখ্যক নিউট্রন চুল্লিতে প্রবেশ করবে (কারণ সোর্সটি প্রতি প্রজন্মে  সংখ্যক নিউট্রন প্রদান করে)। তাহলে চুল্লিতে সর্বমোট নিউট্রন সংখ্যা হবে । একইভাবে দুই প্রজন্মের পর, চুল্লিতে উৎপাদিত নিউট্রনের সংখ্যা হবে  ইত্যাদি। এই প্রক্রিয়া চলতে থাকবে এবং দীর্ঘ সময় পর, চুল্লিতে নিউট্রনের সংখ্যা হবে,



দীর্ঘ সময় পর এই ধারাটি কনভার্জ করবে কারণ সাবক্রিটিকাল কোরের জন্য,  . তাহলে চুল্লিতে নিউট্রনের সংখ্যা হবে,



 ভগ্নাংশটিকে বলা হয় সাবক্রিটিকাল মাল্টিপ্লিকেশন ফ্যাক্টর (α)।

পরিমাপ কৌশল হিসেবে, ম্যানহাটন প্রকল্পের সময় প্রাথমিক পরীক্ষাগুলিতে 235 U এবং 239 Pu এর ন্যূনতম ক্রিটিক্যাল ভর (জ্বালানির ভর সর্বনিম্ন যত হলে কোরটি ক্রিটিক্যাল হতে পারে) নির্ধারণের জন্য সাবক্রিটিক্যাল মাল্টিপ্লিকেশন ফ্যাক্টর ব্যবহার করা হয়েছিল। এটি আজও স্টার্টআপের সময় পারমাণবিক চুল্লির নিয়ন্ত্রণগুলি ক্যালিব্রেট করার জন্য ব্যবহৃত হয়, কারণ অনেক প্রভাব (পরবর্তী বিভাগে আলোচনা করা হয়েছে) একটি চুল্লিতে ক্রিটিক্যালিটি অর্জনের জন্য প্রয়োজনীয় নিয়ন্ত্রণ সেটিংস পরিবর্তন করতে পারে। বিদ্যুৎ উৎপাদনের কৌশল হিসেবে, যেসব ক্ষেত্রে নিরাপত্তা বা অন্যান্য কারণে একটি ক্রিটিক্যাল এরেঞ্জমেন্ট অবাঞ্চিত হয়, সেসব ক্ষেত্রে সাবক্রিটিক্যাল মাল্টিপ্লিকেশনের মাধ্যমে পারমাণবিক শক্তি উৎপাদন করা সম্ভব হয়। একটি নিউট্রন সোর্স এবং একটি সাবক্রিটিক্যাল অ্যাসেম্বলি একত্রিতভাবে নিউক্লিয়ার ফিশন থেকে তাপের একটি স্টেবল উৎস হিসেবে কাজ করতে পারে।

একটি বাহ্যিক নিউট্রন সোর্সের (ফিশন প্রক্রিয়া থেকে বাহ্যিক, কিন্তু অবস্থানের ভিত্তিতে কোর থেকে বাহ্যিক নয়) প্রভাবকে গণনায় নিয়ে একটি পরিবর্তিত ডিফারেনশিয়াল সমীকরণ লেখা যেতে পারে:



কোথায়  হল বাহ্যিক নিউট্রন সোর্স থেকে একক সময়ে কোরে নিউট্রন প্রবেশ করার হার। এই সমীকরণটি যদি ভারসাম্যে থাকে, তাহলে কোর এর অবস্থায় পরিবর্তন হয় না এবং dN/dt শূন্য হয়, তাই নিউট্রনের ভারসাম্য সংখ্যা নিম্নলিখিত ভাবে বলা চলে:



যদি চুল্লির কোরটি সাবক্রিটিকাল হয়, তাহলে  ঋণাত্মক হবে, তাই ডান পাশে অবস্থিত ঋণাত্বক চিহ্নের মাধ্যমে ধনাত্মক সংখ্যক নিউট্রন N এর সাথে একটি ভারসাম্য থাকবে। যদি কোরটি ক্রিটিক্যালিটির কাছাকাছি থাকে, তাহলে  খুবই ছোট হবে এবং এইভাবে নিউট্রনের চূড়ান্ত সংখ্যা ইচ্ছামত বড় ধরা যেতে পারে।

 নিউট্রন মডারেটর 
 হলো একটি নিউট্রন একটি ফিসাইল জ্বালানী নিউক্লিয়াসে আঘাত করার পর ফিশন ঘটার সম্ভবনা, যা নির্ধারণ করে চুল্লিতে নিউক্লিয়ার চেইন বিক্রিয়া ঘটবে কিনা। চেইন বিক্রিয়া ঘটানোর সম্ভবনা বৃদ্ধি করতে হলে  এর মান বৃদ্ধি করতে হবে। প্রাকৃতিক বা নিম্ন সমৃদ্ধকরণ ইউরেনিয়াম-জ্বালানিযুক্ত চুল্লিগুলিতে  এর মান বৃদ্ধি করা হয় একটি নিউট্রন মডারেটর দ্বারা। ফিশন ঘটনা থেকে নতুন উৎপাদিত দ্রুত (ফাস্ট) নিউট্রনের সাথে মিথস্ক্রিয়া (ইন্টার‍্যাক্ট) করে মডারেটর এই নিউট্রনগুলোর গতিশক্তিকে কয়েক MeV থেকে এক eV এর কম শক্তিতে হ্রাস করে। এই ধীরগতির নিউট্রনগুলোকে বলে থার্মাল নিউট্রন, যাদের দ্বারা ফিশন প্ররোচিত হওয়ার সম্ভাবনা বেশি। এর প্রাথমিক কারণ হল 235 U-এর ধীর নিউট্রনের জন্য একটি বৃহত্তর ফিশন ক্রস-সেকশন রয়েছে। তবে আরেকটি কারণ হলো ফিশন থেকে সদ্য উৎপাদিত ফাস্ট নিউট্রনের তুলনায় 238 U-এর থার্মাল নিউট্রন শোষন করার সম্ভাবনা অনেক কম, তাই মডারেটর দ্বারা ফাস্ট নিউট্রনকে থার্মাল নিউট্রনে রূপান্তর করলে তুলনামূলকভাবে অল্প সংখ্যক নিউট্রন 238 U দ্বারা শোষিত হয় এবং বেশি সংখ্যক নিউট্রন 235 U কে আঘাত করতে পারে।

তাই নিউট্রন মডারেটর হল এমন পদার্থ যা নিউট্রনের গতি কমিয়ে দেয়। হালকা পরমাণুর নিউক্লিয়াসের সাথে সংঘর্ষের মাধ্যমে নিউট্রনগুলি সবচেয়ে কার্যকরভাবে ধীর হয়ে যায়। এর কারণ হলো গতিবেগ সংরক্ষণ (মোমেন্টাম কন্সার্ভেশন) এর নীতি অনুযায়ী, দুইটি কণা একে অপরকে আঘাত করলে হালকা কণাটি বেশি গতি এবং ভারি কণাটি কম গতি প্রাপ্ত হয়। তাই হালকা কণাটি তুলনামূলকভাবে বেশি গতিশক্তি (কারণ গতিবেগের ক্ষেত্রে ভরের সূচক ১ এবং গতির সূচক ১, কিন্তু গতিশক্তির ক্ষেত্রে ভরের সূচক ১ হলেও গতির সূচক হয় ২) প্রাপ্ত হয় ভারি কণাটির চেয়ে। তাই নিউট্রন একটি ভারি নিউক্লিয়াসকে আঘাত করলে নিউট্রনের গতিশক্তি হ্রাস হয় সামান্য। কিন্তু হালকা নিউক্লিয়াস, যেমন হাইড্রোজেন যা হলো সবচেয়ে হালকা নিউক্লিয়াস, এর সাথে সংঘর্ষের মাধ্যমে নিউট্রনের গতিশক্তি দ্রুত হ্রাস পায়। তাই মডারেটর হিসাবে কার্যকর হওয়ার জন্য, মডারেটর উপকরণগুলিতে এমন মৌল থাকতে হবে যার নিউক্লিয়াস হবে হালকা এবং যা নিউট্রনগুলিকে শোষণ করার পরিবর্তে বিক্ষেপণ (স্ক্যাটার) করবে। উপরোক্ত হাইড্রোজেন ছাড়াও বেরিলিয়াম এবং কার্বন পরমাণুগুলি নিউট্রনগুলিকে মডারেট অথবা ধীর করার জন্য উপযুক্ত।

হাইড্রোজেন মডারেটরগুলির মধ্যে রয়েছে পানি (H2O), ভারী পানি ( D2O), এবং জিরকোনিয়াম হাইড্রাইড (ZrH 2 )। এগুলি সবই একইভাবে কাজ করে কারণ এদের মধ্যে হাইড্রোজেন রয়েছে এবং একটি হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াসের ভর প্রায় একটি মুক্ত নিউট্রনের সমান। তাই নিউট্রন-H2O বা নিউট্রন-ZrH2 সংঘর্ষ হলে তা এই অণুগুলির ঘূর্ণন মোডগুলিকে উত্তেজিত করে (তাদেরকে চতুর্দিকে ঘুরিয়ে দেয়)। ডিউটেরিয়াম নিউক্লিয়াস তুলনামূলকভাবে ভারি হওয়ায় (যা ভারী পানিতে পাওয়া যায়) হালকা হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াসের তুলনায় গতিশক্তি কম শোষণ করে, তবে এর নিউট্রন শোষণ করার সম্ভাবনা অনেক কম। পানি বা ভারী পানির সুবিধা হল যে এগুলো হলো স্বচ্ছ তরল, যার ফলে, একটি চুল্লির কোরকে মডারেটিং এবং শিল্ডিং করার পাশাপাশি এগুলো অপারেটিং অবস্থাতেও কোরটিকে সরাসরি দেখার অনুমতি দেয় এবং তাপ স্থানান্তরের জন্য একটি কার্যকরী তরল হিসেবেও কাজ করতে পারে।

গ্রাফাইট আকারে কার্বনও ব্যাপকভাবে মডারেটর হিসেবে ব্যবহৃত হয়ে এসেছে। এটি বিশ্বের প্রথম মানবসৃষ্ট ক্রিটিক্যাল এসেম্বলি শিকাগো পাইল-১- এ ব্যবহৃত হয়েছিল এবং চেরনোবিল প্ল্যান্টের মতো সোভিয়েত আরবিএমকে নিউক্লিয়ার বিদ্যুৎ কেন্দ্র সহ প্রারম্ভিক নিউক্লিয়ার চুল্লি নকশাগুলিতে এটি সাধারণভাবে ব্যবহৃত হয়েছিল।

 মডারেটর এবং চুল্লি নকশা 
নিউট্রন মডারেশনের ধরণ এবং পরিমাণ চুল্লির নিয়ন্ত্রণযোগ্যতাকে এবং তার ফলে চুল্লির নিরাপত্তাকে প্রভাবিত করে। যেহেতু মডারেটরগুলি নিউট্রনকে ধীর এবং শোষণ উভয়ই করে, তাই চুল্লির কোরের একটি নির্দিষ্ট জ্যামিতিতে তার জন্য উপযুক্ত (অপটিমাম) পরিমাণে মডারেটর অন্তর্ভুক্ত করা উচিত। কম মডারেশন বিবর্তন সমীকরণে  টার্মটিকে কমিয়ে কার্যকারিতা হ্রাস করে, এবং অতিরিক্ত মডারেশন  টার্মটিকে বৃদ্ধি করে কার্যকারিতা হ্রাস করে।

তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে বেশিরভাগ মডারেটরের কার্যকারিতা কমে যায়। তাই "আন্ডার-মডারেটেড" (চুল্লির নকশার জন্য অপটিমাম পরিমাণের চেয়ে কম মডারেটর বিশিষ্ট) চুল্লিগুলি চুল্লির কোরের তাপমাত্রার পরিবর্তনের বিরুদ্ধে স্থিতিশীল থাকে: যদি কোর অতিরিক্ত গরম হয়, তাহলে মডারেটরের কার্যকারিতা হ্রাস পায়, থার্মাল নিউট্রন উৎপাদনের হার কমে যায়, এবং তার ফলে বিক্রিয়া ধীর হয়ে যায় (কোরের রিয়্যাক্টিভিটিতে একটি "ঋণাত্মক তাপমাত্রা সহগ" থাকে, অর্থাৎ তাপমাত্রা বাড়লে রিয়্যাক্টিভিটি কমে)। এক্ষেত্রে পানি একটি চরম উদাহরণ: উচ্চ তাপে এটি ফুটতে পারে, তাই পানি চুল্লির কোরের ভৌত কাঠামো ধ্বংস না করেও বুদবুদ সৃষ্টির মাধ্যমে কোরে কার্যকর শূন্যস্থান তৈরি করে। এতে করে মডারেশন খুব কমে যায়, ফিশন বিক্রিয়া বন্ধ হয়ে যায়, এবং জ্বালানি গলে যাওয়ার সম্ভাবনা হ্রাস পায়। তাপমাত্রার পরিবর্তনের বিরুদ্ধে ওভার-মডারেটেড (নকশার জন্য উপযুক্ত পরিমানের চেয়ে বেশি মডারেটর বিশিষ্ট) চুল্লিগুলি অস্থিতিশীল হয় (কোরের রিয়্যাক্টিভিটিতে একটি "ধনাত্মক তাপমাত্রা সহগ" থাকে, অর্থাৎ তাপমাত্রা বাড়লে রিয়্যাক্টিভিটি বাড়ে), এবং তাই এগুলো আন্ডার-মডারেটেড কোরের তুলনায় সহজাতভাবে কম নিরাপদ।

কিছু চুল্লি বিভিন্ন মডারেটর উপকরণের সংমিশ্রণ ব্যবহার করে। উদাহরণ হিসাবে, TRIGA ধরণের গবেষণামূলক নিউক্লিয়ার চুল্লিগুলিতে 235U জ্বালানির সাথে মিশ্রিত থাকে ZrH2 মডারেটর, কিন্তু একই সাথে কোরটি পানি দিয়ে ভর্তি থাকে যা নিজেও একটি মডারেটর। উপরন্তু, কোরের পরিধির চারপাশে C (গ্রাফাইট) ব্লক ব্যবহার করা হয় যা মডারেটর এবং প্রতিফলক হিসাবে কাজ করে।

 বিলম্বিত (ডিলেইড) নিউট্রন এবং নিয়ন্ত্রণযোগ্যতা 

ফিশন বিক্রিয়া এবং পরবর্তিতে নিউট্রন নির্গমণ খুব দ্রুত ঘটে; এটি পারমাণবিক অস্ত্রের জন্য গুরুত্বপূর্ণ, যেখানে উদ্দেশ্য হল নিউক্লিয়ার পিটটি শারীরিকভাবে বিস্ফোরিত হওয়ার আগে যতটা সম্ভব শক্তি নির্গত করা। ফিশন দ্বারা নির্গত বেশিরভাগ নিউট্রন প্রম্পট নিউট্রন হয়: এগুলি ফিশন ঘটার সাথে সাথে তাৎক্ষণিকভাবে নির্গত হয়। একবার নির্গত হলে, গড় নিউট্রন জীবনকাল (  ) একটি সাধারণ কোরে মিলিসেকেন্ডের ঘরে থাকে। তাই, যদি সূচকীয় গুণনীয়ক  ০.০১ এর মতো ছোট হয়, তাহলে এক সেকেন্ডে চুল্লির শক্তি (১ + ০.০১) ১০০০ বা দশ হাজারেরও বেশি গুণ পরিবর্তিত হবে। পারমাণবিক অস্ত্রগুলি এমনভাবে তৈরি করা হয় যাতে ক্ষমতা (শক্তি নির্গমনের হার) বৃদ্ধির হার সর্বাধিক হয়, যার আয়ুষ্কাল এক মিলিসেকেন্ডেরও কম এবং সূচকীয় গুণনীয়কগুলি 2 এর কাছাকাছি থাকে। কিন্তু নিউক্লিয়ার চুল্লিতে ক্ষমতা এত দ্রুত পরিবর্তন হলে বিক্রিয়ার হার নিয়ন্ত্রণ করা কার্যত অসম্ভব হয়ে পড়বে।

সৌভাগ্যবশত, নিউট্রনের কার্যত (ইফেক্টিভ) জীবনকাল কোরের একটি একক নিউট্রনের গড় জীবনকালের চেয়ে অনেক বেশি। 235U ফিশন দ্বারা উৎপাদিত প্রায় ০.৬৫% নিউট্রন এবং 239Pu ফিশন দ্বারা উৎপাদিত প্রায় ০.২০% নিউট্রন তাৎক্ষণিকভাবে উৎপন্ন হয় না (অর্থাৎ প্রম্পট নিউট্রন হিসাবে জন্ম হয় না) , বরং আরও এক ধাপ ডিকে হওয়ার পরে উত্তেজিত নিউক্লিয়াস থেকে নির্গত হয়। এই ধাপে, কিছু ফিশন প্রডাক্টের আরও তেজস্ক্রিয় ডিকে (প্রায় সর্বদাই ঋণাত্মক বিটা ডিকে ) ঘটে, যার পরে উত্তেজিত ডটার প্রডাক্ট থেকে তাৎক্ষণিকভাবে নিউট্রন নির্গমন ঘটে, যেক্ষেত্রে বিটা ডিকের (এবং নিউট্রন নির্গমনের) গড় আয়ুষ্কাল প্রায় 15 সেকেন্ড। এই তথাকথিত বিলম্বিত বা ডিলেইড নিউট্রনগুলি কোরে নিউট্রনের কার্যকর গড় জীবনকাল প্রায় 0.1 সেকেন্ডে বৃদ্ধি করে। এতে করে একটি কোর এর এর মান ০.০১ হলে এক সেকেন্ডে মাত্র (১ + ০.০১) ১০ গুণ বা প্রায় ১.১ গুণ বৃদ্ধি পাবে: মাত্র ১০% বৃদ্ধি। এটি একটি নিয়ন্ত্রণযোগ্য পরিবর্তনের হার।

তাই বেশিরভাগ পারমাণবিক চুল্লি একটি প্রম্পট সাবক্রিটিকাল, ডিলেইড ক্রিটিক্যাল অবস্থায় পরিচালিত হয়: যেখানে শুধুমাত্র প্রম্পট নিউট্রনের সংখ্যা চেইন বিক্রিয়াকে স্বয়ংসম্পূর্ণভাবে চালানোর জন্য যথেষ্ট নয়, তবে ডিলেইড নিউট্রনগুলি সেই সামান্য ঘাটতিটুকুকে পূর্ণ করে বিক্রিয়াটিকে চালিয়ে নেওয়া সম্ভব করে তোলে। চুল্লিগুলিকে কীভাবে নিয়ন্ত্রিত করা হবে তার উপর এর প্রভাব রয়েছে: যখন অল্প পরিমাণে কন্ট্রোল রড চুল্লির কোরে ঢু্কানো বা বের করা হয়, তখন প্রম্পট সাবক্রিটিক্যাল মাল্টিপ্লিকেশনের কারণে প্রথমে ক্ষমতা খুব দ্রুত পরিবর্তিত হয় এবং তারপরে ডিলেইড ক্রিটিক্যাল বিক্রিয়ার সূচকীয় বৃদ্ধি বা ক্ষয় বক্ররেখা অনুসরণ করে ধীরে ধীরে পরিবর্তিত হয়। অধিকন্তু, পর্যাপ্ত দৈর্ঘ্যের কন্ট্রোল রড টেনে যেকোনো কাঙ্ক্ষিত হারে চুল্লির শক্তি বৃদ্ধি করা যেতে পারে। তবে, নিউট্রন পয়জন বা সক্রিয় নিউট্রন-শোষক যোগ না করলে, ফিশন হারের হ্রাস  সীমিত গতিতে হয়, কারণ প্রম্পট ফিশন নিউট্রন উৎপাদন বন্ধ করার জন্য চুল্লিটিকে গভীরভাবে সাবক্রিটিক্যাল পর্যায়ে নেওয়া হলেও, ইতিমধ্যেই তৈরি হওয়া ফিশন পণ্যগুলির সাধারণ বিটা ডিকের পরে ডিলেইড নিউট্রন তৈরি হয় এবং ডিলেইড নিউট্রনের এই ডিকে-উৎপাদন পদ্ধতিকে পরিবর্তন করা যায় না।

চুল্লির ক্ষমতা পরিবর্তনের হার চুল্লির সময়কাল (রিয়্যাক্টর পিরিয়ড)  দ্বারা নির্ধারিত হয়, যা রিয়াক্টিভিটি   এর সাথে ইনআওয়ার সমীকরণের মাধ্যমে সম্পর্কিত।

 নিউক্লিয়ার চুল্লির গতিবিদ্যা 
নিউক্লিয়ার চুল্লির গতিবিদ্যা নিউট্রন এবং নিউক্লিয়াই (ফিসাইল, ফিশন প্রডাক্ট) এর ভারসাম্য সমীকরণ দ্বারা বর্ণিত হয়।

 নিউট্রন পয়জন (চুল্লির বিষ) 

যেকোনো নিউক্লাইড যা নিউট্রনকে জোরালোভাবে শোষণ করে তাকে নিউট্রন পয়জন অথবা নিউক্লিয়ার চুল্লির বিষ বলা হয়, কারণ এটি একটি চলমান ফিশন চেইন বিক্রিয়াকে বন্ধ করে দিতে থাকে। বিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের জন্য কিছু নিউট্রন পয়জন ইচ্ছাকৃতভাবে ফিশন চুল্লির কোরে প্রবেশ করানো হয়; বোরন বা ক্যাডমিয়াম কন্ট্রোল রড হল এর সর্বোত্তম উদাহরণ। অনেক নিউট্রন পয়জন ফিশন প্রক্রিয়া থেকেই উৎপাদিত হয়। অপরদিকে নিউট্রন-শোষণকারী ফিশন প্রডাক্ট জমতে থাকলে তা জ্বালানি ইকোনমিক্স (ফুইয়েল ইকোনমিক্স) এবং নিউক্লিয়ার চুল্লির নিয়ন্ত্রণযোগ্যতা উভয়কেই প্রভাবিত করে।

 দীর্ঘস্থায়ী পয়জন এবং জ্বালানি পুনঃপ্রক্রিয়াকরণ 
বাস্তবে, জ্বালানির ভেতর পয়জন জমা হওয়াটাই একটি চুল্লিতে জ্বালানির জীবনকাল নির্ধারণ করে: সমস্ত সম্ভাব্য ফিশন ঘটনা সংঘটিত হওয়ার অনেক আগেই দীর্ঘস্থায়ী নিউট্রন শোষণকারী ফিশন প্রডাক্ট জমা হওয়ার ফলে চেইন বিক্রিয়ার প্রক্রিয়াটি স্তিমিত হয়ে যায়। এই কারণেই নিউক্লিয়ার জ্বালানি পুনঃপ্রক্রিয়াকরণ একটি কার্যকর কর্মকান্ড: নতুন জ্বালানি তৈরি করার জন্য যতটুকু ফিসাইল উপাদান প্রাথমিকভাবে প্রয়োজন হয় তার প্রায় 96% ব্যয়িত (স্পেন্ট) নিউক্লিয়ার জ্বালানির ভেতরেই অবস্থিত থাকে। তাই ফিশন প্রডাক্টের রাসায়নিক পৃথকীকরণের মাধ্যমে নিউক্লিয়ার জ্বালানি পুনরুদ্ধার করে যাতে এটি আবার ব্যবহার করা যায়।

নিউক্লিয়ার পুনঃপ্রক্রিয়াকরণ একটি অর্থনৈতিকভাবে কার্যকর কর্মকান্ড কারণ প্রাকৃতিক ইউরেনিয়াম আকরিক থেকে নিউক্লিয়ার জ্বালানি তৈরির জন্য প্রয়োজনীয় ফিসাইল ম্যাটেরিয়াল নিষ্কাশন করতে একটি আইসোটোপ পৃথকীকরণ পদ্ধতি ব্যবহার করতে হয় যা বেশ কঠিন এবং ব্যয়বহুল। বরঞ্চ তার তুলনায় ব্যয়িত জ্বালানি থেকে রাসায়নিক পৃথকীকরণ পদ্ধতিতে ফিসাইল ম্যাটেরিয়াল নিষ্কাশন অনেক সহজ, তাই তাত্ত্বিকভাবে এই পদ্ধতি কম প্রচেষ্টায় বেশি ব্যবহার্য শক্তি উৎপাদন করে। কিন্তু বাস্তবে, অত্যন্ত তেজস্ক্রিয় ফিশন প্রডাক্ট হ্যান্ডেল করার অসুবিধা এবং অন্যান্য রাজনৈতিক উদ্বেগ উভয়ই জ্বালানি পুনঃপ্রক্রিয়াকরণকে একটি বিতর্কিত বিষয় করে তোলে। এরকম একটি উদ্বেগের বিষয় হল যে ব্যবহৃত ইউরেনিয়াম জ্বালানিতে উল্লেখযোগ্য পরিমাণে 239Pu থাকে, যা পারমাণবিক অস্ত্রের একটি প্রধান উপাদান ( ব্রিডার রিঅ্যাক্টর দেখুন)।

 স্বল্পস্থায়ী পয়জন এবং চুল্লির নিয়ন্ত্রণযোগ্যতা 

ফিশন প্রডাক্টগুলিতে তৈরি হওয়া স্বল্পস্থায়ী পয়জন চুল্লি কীভাবে কাজ করতে পারে তার উপর জোরালো প্রভাব ফেলে। অস্থিতিশীল প্রাইমারি ফিশন প্রডাক্টের নিউক্লিয়াসগুলো ডিকে চেইন এর মাধ্যমে ক্ষয় হয়ে স্থিতিশীল আইসোটোপে পরিণত হওয়ার পথে বিভিন্ন ধাপে বিভিন্ন উপাদানে (সেকেন্ডারি ফিশন প্রডাক্ট) রূপান্তরিত হয়। এই ধরণের উপাদানের মধ্যে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণটি হল জেনন, কারণ এর একটি বিশেষ আইসোটোপ 135Xe, একটি সেকেন্ডারি ফিশন প্রডাক্ট যার অর্ধ-জীবন প্রায় 9 ঘন্টা, হলো একটি অত্যন্ত শক্তিশালী নিউট্রন শোষক। একটি চলমান চুল্লিতে 135Xe এর প্রতিটি নিউক্লিয়াস তৈরি হওয়ার সাথে সাথেই নিউট্রন ক্যাপচারের মাধ্যমে 136Xe (যা পরবর্তীতে বিটা ক্ষয় হতে পারে) হয়ে যায়, তাই কোরে কোনও 135Xe জমা হয়ে ওঠে না। তবে, যখন একটি চুল্লি বন্ধ করা হয়, তখন কোরে মুক্ত নিউট্রনের সংখ্যা কমে যায়, তাই সমস্ত 135Xe নিউক্লিয়াস নিউট্রন ক্যাপচার করে তাৎক্ষণিকভাবে 136Xe এ রূপান্তরিত হতে পারে না। তাই প্রথমে ৯ ঘন্টা ধরে কোরে 135Xe এর পরিমাণ বাড়তে থাকে, তারপর এই পরিমাণ কমতে শুরু করে। এর ফলে, একটি চুল্লি বন্ধ হওয়ার প্রায় ৬-৮ ঘন্টা পর থেকে 135Xe ডিকে হওয়ার আগ পর্যন্ত চেইন বিক্রিয়া নিরাপদভাবে পুনরায় চালু করা বাস্তবে অসম্ভব হয়ে পড়ে। এই সাময়িক অবস্থাকে আয়োডিন পিট বা জেনন-বিষক্রিয়া বলা হয়, যা বেশ কয়েক দিন স্থায়ী হতে পারে এবং পুনরায় চুল্লি চালু করতে বাধা দিতে পারে। নিউক্লিয়ার বিদ্যুৎকেন্দ্রগুলিকে চব্বিশ ঘন্টা সমান ক্ষমতায় পরিচালনা করার এটি একটি কারণ।

একটি রিঅ্যাক্টর কোরে 135 Xe জমা হয়ে গেলে রিঅ্যাক্টরটি বন্ধ করার কয়েক ঘন্টা পরে এটি পরিচালনা করা অত্যন্ত বিপজ্জনক হয়ে ওঠে। যেহেতু 135 Xe নিউট্রনগুলিকে জোরালোভাবে শোষণ করে, তাই উচ্চ-Xe অবস্থায় একটি চুল্লি শুরু করার জন্য নিয়ন্ত্রণ রডগুলিকে কোর থেকে স্বাভাবিকের চেয়ে অনেক দূরে টেনে আনতে হয়। যদি চুল্লিটি এভাবে ক্রিটিক্যালিটি অর্জন করে, তাহলে কোরে নিউট্রন ফ্লাক্স বেড়ে যায় এবং 135 Xe দ্রুত শেষ হয়ে যায়। মনে রাখতে হবে যে 135 Xe একটি পয়জন যা স্বাভাবিক অবস্থায় চুল্লি থেকে কিছু নিউট্রন শোষন করে চুল্লির তাপ ও ক্ষমতা নিয়ন্ত্রণে রাখতে সাহায্য করে- এটি কোর থেকে খুব দ্রুত শেষ হয়ে গেলে তা একটি বিশাল দৈর্ঘ্যের কন্ট্রোল রড হঠাৎ করে অপসারণের মতো একই প্রভাব ফেলে এবং বিক্রিয়াটি খুব দ্রুত বৃদ্ধি পেতে পারে বা এমনকি প্রম্পট ক্রিটিক্যাল হয়ে উঠতে পারে।

135 Xe চেরনোবিল দুর্ঘটনায় একটি বড় ভূমিকা পালন করেছিল: নির্ধারিত মেইনটেন্যান্স এর কারণে চুল্লি বন্ধ থাকার প্রায় আট ঘন্টা পরে, কর্মীরা একটি নিয়ন্ত্রণ সার্কিট পরীক্ষা করার জন্য চুল্লিটিকে শূন্য ক্ষমতায় ক্রিটিক্যাল অবস্থায় আনার চেষ্টা করেছিল। যেহেতু আগের দিনের বিদ্যুৎ উৎপাদনের সময় কোরটিতে 135 Xe জমে ছিল, তাই ক্রিটিক্যালিটি অর্জনের জন্য অনেক বেশি নিয়ন্ত্রণ রড অপসারণ করাতে হয়েছিল। ফলস্বরূপ, ক্রিটিক্যালিটি অর্জিত হওয়ার পর 135Xe খুব দ্রুত নিঃশেষ হয়ে যায় এবং নিউট্রন শোষনকারী পয়জনের অভাবে চেইন বিক্রিয়া খুব দ্রুত এবং অনিয়ন্ত্রিতভাবে বৃদ্ধি পায়, যার ফলে কোরে বাষ্প বিস্ফোরণ ঘটে এবং স্থাপনার ভয়াবহ ধ্বংস ঘটে।

 ইউরেনিয়াম সমৃদ্ধকরণ (এনরিচমেন্ট) 
প্রকৃতিতে অনেক ফিশনেবল (বিভাজনযোগ্য) আইসোটোপ বিদ্যমান থাকলেও, কার্যকর পরিমাণে পাওয়া একটি ব্যবহার্য ফিসাইল আইসোটোপ হল 235U। বেশিরভাগ ইউরেনিয়াম আকরিকের প্রায় ০.৭% হল ২৩৫ আইসোটোপ, এবং প্রায় ৯৯.৩% হল ননফিসাইল বা অ-বিভাজনযোগ্য ২৩৮ আইসোটোপ। পারমাণবিক জ্বালানি হিসেবে ব্যবহারের জন্য, ইউরেনিয়ামকে বিশুদ্ধ এবং এনরিচড (সমৃদ্ধ) করতে হবে যাতে এতে 235 U এর উচ্চ শতাংশ থাকে। যেহেতু 238 U দ্রুত নিউট্রন শোষণ করে, তাই 238 U এর পরিমাণ বৃদ্ধির সাথে সাথে একটি চেইন বিক্রিয়া বজায় রাখার জন্য প্রয়োজনীয় সর্বনিম্ন ক্রিটিক্যাল ভর বৃদ্ধি পায়, যা 94% 238 U (6% 235 U) এ্র ক্ষেত্রে অসীমতায় পৌঁছায়। 

৬% 235 U এর কম এনরিচড জ্বালানি ফাস্ট-ক্রিটিক্যাল (ফাস্ট নিউট্রনের দ্বারা ঘটিত ফিশনের মাধ্যমে ক্রিটিক্যালিটি অর্জন করা) হতে পারে না, যদিও নিউট্রন মডারেটর ব্যবহারের মাধ্যমে পারমাণবিক চুল্লিতে এগুলি ব্যবহারযোগ্য। ইউরেনিয়াম ব্যবহার করে একটি পারমাণবিক অস্ত্রের প্রাথমিক পর্যায়ে ~90% 235 U সমৃদ্ধ HEU (হাইলি এনরিচড ইউরেনিয়াম) ব্যবহার করা হয়, যদিও দ্বিতীয় পর্যায়ে প্রায়শই কম সমৃদ্ধকরণ ব্যবহার করা হয়। সাধারণ পানিকে মডারেটর হিসাবে ব্যবহার করা চুল্লিগুলির জন্য কিছুটা 235 U সমৃদ্ধকরণ প্রয়োজন। কিন্তু ভারী পানি বা গ্রাফাইট দ্বারা মডারেটেড পারমাণবিক চুল্লিগুলি প্রাকৃতিক ইউরেনিয়াম দিয়ে কাজ করতে পারে, যা সমৃদ্ধকরণের প্রয়োজনীয়তা সম্পূর্ণরূপে দূর করে এবং পারমাণবিক অস্ত্রের জন্য জ্বালানি কার্যকর হতে বাধা দেয়; কানাডিয়ান বিদ্যুৎ কেন্দ্রগুলিতে ব্যবহৃত CANDU চুল্লিগুলি এই ধরণের উদাহরণ।

ভবিষ্যতের চুল্লির জন্য অন্যান্য নকশাগুলোতে আমেরিসিয়াম থাকবে, তবে এই প্রক্রিয়াটি ইউরেনিয়াম সমৃদ্ধকরণের চেয়েও বেশি কঠিন কারণ 235U এবং 238U এর রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলি অভিন্ন, তাই ভরের সামান্য পার্থক্যের ভিত্তিতে আইসোটোপিক পৃথকীকরণের জন্য গ্যাসীয় ডিফিউশন, গ্যাস সেন্ট্রিফিউজ, লেজার বা ভর স্পেকট্রোমেট্রির মতো ভৌত প্রক্রিয়াগুলি ব্যবহার করা যায়। যেহেতু পারমাণবিক জ্বালানী এবং সাধারণ পারমাণবিক অস্ত্র উৎপাদনের ক্ষেত্রে সমৃদ্ধকরণই হলো প্রধান প্রযুক্তিগত বাধা, তাই সমৃদ্ধকরণ প্রযুক্তি রাজনৈতিকভাবে সংবেদনশীল।

 ওকলো: একটি প্রাকৃতিক পারমাণবিক চুল্লি 
আধুনিক ইউরেনিয়ামের মজুদ্গুলো সাধারণত মাত্র ~০.৭% 235U (এবং ~৯৯.৩% 238U) পর্যন্ত পরিমাণ থাকে, যা সাধারণ পানি দ্বারা মডারেটেড চেইন বিক্রিয়া বজায় রাখার জন্য যথেষ্ট নয়। কিন্তু 235 U-এর অর্ধ-জীবন (700 মিলিয়ন বছর) 238U (4.5 বিলিয়ন বছর) এর তুলনায় অনেক কম, তাই সুদূর অতীতে 235 U-এর শতাংশ অনেক বেশি ছিল। প্রায় দুই বিলিয়ন বছর আগে, পশ্চিম আফ্রিকার গ্যাবনের একটি পানি দ্বারা সুসিক্ত ইউরেনিয়াম আকরিক স্তরে (যা এখন ওকলো খনিতে অবস্থিত) একটি প্রাকৃতিক চেইন বিক্রিয়া ঘটেছিল যা ভূগর্ভস্থ ্পানি দ্বারা মডারেটেড হয়েছিল এবং সম্ভবত, বিক্রিয়ার তাপ থেকে ফুটতে থাকা পানির ঋণাত্মক ভয়েড সহগ দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়েছিল। অন্যান্য স্থানের তুলনায় ওকলো খনি থেকে প্রাপ্ত ইউরেনিয়াম প্রায় ৫০% অবসন্ন: এটি মাত্র ০.৩% থেকে ০.৭% 235U; এবং আকরিকটিতে দীর্ঘদিন ধরে ডিকে হওয়া ফিশন প্রডাক্টের স্থিতিশীল ডটার প্রডাক্টের চিহ্ন রয়েছে।

 আরো দেখুন 

 ক্রিটিক্যাল ভর
 নিউক্লিয়ার চুল্লির তালিকা
 নিউক্লিয়ার পদার্থবিদ্যা
 নিউক্লিয়ার ফিশন
 নিউক্লিয়ার ফিউশন
 ভয়েড সহগ

 তথ্যসূত্র 



 বহিঃসংযোগ 

 ফার্মি এজ তত্ত্ব
 ডঃ আবদেলহামিদ দোখানের লেখা নিউক্লিয়ার ডিফিউশন সম্পর্কিত নোটস 

বিষয়শ্রেণী:নিউক্লীয় পদার্থবিজ্ঞান
বিষয়শ্রেণী:পারমাণবিক বিদ্যুৎ চুল্লীর ধরন
বিষয়শ্রেণী:পারমাণবিক গবেষণা চুল্লি
বিষয়শ্রেণী:পারমাণবিক চুল্লী
বিষয়শ্রেণী:পারমাণবিক প্রযুক্তি