अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी

अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी या शाखेचे क्षेत्र विस्तृत आहे. त्यामध्ये अणुकेंद्रीय विक्रिया—विशेषतः भंजन (अणुकेंद्र फुटणे) व संघटन (दोन अणुकेंद्रांचा संयोग होणे) विक्रिया, भंजनक्षम व संघटनक्षम द्रव्ये, त्यांतून उत्पन्न होणारी उपद्रव्ये, ही उपयोगात आणण्यासाठी लागणारी सर्व यंत्रसामग्री, त्यांची घडण व रचना, निर्मिती, परीक्षा, योजना, प्रकल्प या सर्वांच्या अभ्यासाचा समावेश होतो. यासाठी भौतिकी, रसायनशास्त्र, जीवशास्त्र यांचे त्याचप्रमाणे इलेक्ट्रॉनिकी, भूविज्ञान, वातावरणविज्ञान, स्थापत्य अभियांत्रिकी, वास्तुशिल्प वगैरे अनुप्रयुक्त शाखोपशाखांतील अन्वेषणाचे (संशोधनाचे) साहाय्य होते.

ओटो हान व फ्रिट्‌झ स्ट्रासमान यांनी १९३९ साली युरेनियमावर [[न्यूट्रॉन|न्यूट्रॉनांचा]] भडिमार करून भंजन—विक्रियेचा शोध लावला. त्यात बेरियम (Z = ५६) व लँथॅनम ( Z = ५७) ही मूलद्रव्ये आढळली (Z हा अणुक्रमांक आहे, → अणुक्रमांक). या विक्रियेचे विवरण लिझे माइटनर व फ्रिश यांनी त्याच वर्षी केले. त्याचप्रमाणे या विक्रियेत युरेनियम अणुकेंद्राचे दोन जवळजवळ सारख्या वस्तुमानाच्या किरणोत्सर्गी (अणुकेंद्र फुटून त्यातून कण अथवा किरण बाहेर पडणे) खंडांमध्ये द्विभंजन होत असले पाहिजे, असे त्यांनी प्रतिपादन केले आणि याच गोष्टीस हान व स्ट्रासमान यांनी त्याच पद्धतीने मिळविलेल्या स्ट्राँशियम (Z = ३८) व इट्रियम (Z = ३९) यांनी पुष्टी मिळाली. नंतर क्रिप्टॉन (Z = ३६) व झेनॉन (Z = ५४) ही मूलद्रव्येही मिळाली. या द्विभंजन-विक्रियेचा विशेष म्हणजे युरेनियम (२३५) मध्ये (येथे २३५ हा अणुभार आहे) एका मंदगती न्यूट्रॉनाचा ग्रास भंजनास पुरेसा आहे परंतु त्यामुळे उत्पन्न होणारी २०० Mev (Mev–दशलक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट, १ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६०२०३ × १०-१२ अर्ग) ऊर्जा ही सर्वसाधारण विघटन-विक्रियेमध्ये उत्पन्न होणाऱ्‍या ऊर्जेपेक्षा कितीतरी मोठी आहे. याचे पर्यवसान फेर्मी यांनी शिकागो विद्यापीठात डिसेंबर १९४२ मध्ये भंजन—विक्रियांची साखळी यशस्वी करून प्रायोगिक विक्रियक (अणुभट्टी) निर्माण करण्यात झाले. तीनच वर्षांत या विक्रियेचा उपयोग अणुस्फोट करण्यात झाला. त्याच्या पहिल्या संहारक प्रयोगाला (६ ऑगस्ट १९४५) हिरोशिमा शहर बळी पडले.

अणुबाँबच्या निर्मितीपूर्वी युरेनियम (२३५)या समस्थानिकाचे (एकच मूलद्रव्याचे भिन्न अणुभार असलेल्या अणूचे) नैसर्गिक युरेनियमापासून पृथक्करण करणे किंवा प्लुटोनियम (२३९)या दुसऱ्‍या भंजनक्षम द्रव्याची निर्मिती होणे आवश्यक होते. याकरिताच विक्रियकांची अभियांत्रिकी परिणत झाली. पुढे त्याचा उपयोग अणुकेंद्रीय शक्ती निर्माण करण्यात झाला.

अणुशक्तीच्या शांततामय उपयोगाकरिता नियंत्रित भंजन-विक्रियांची साखळी साध्य होणे आवश्यक होते. यासाठी अणुशक्तीचे विक्रियक बनविण्यात आले. यांचा संशोधक, शक्तिनिर्मिती, भंजनक्षम द्रव्योत्पादन व इतर किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची निर्मिती असा बहुविध उपयोग होतो. संघटन-विक्रियेचा असा उपयोग करून घेणे हेही या अभियांत्रिकीच्या क्षेत्रात येते. औष्णिक अणुकेंद्रीय संघटन-विक्रिया नियंत्रित करता आल्यास व्यावहारिक दृष्ट्या प्रचंड शक्ती उपलब्ध होईल. या शक्तीचा उपयोग मानवी जीवन समृद्ध करण्याकरिता होऊ शकेल. हवेतील नायट्रोजनापासून खते तयार करणे, समुद्रातील खाऱ्‍या पाण्याचे पिण्यायोग्य पाण्यात रूपांतर करणे, किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची निर्मिती, स्वस्त व मोठ्या प्रमाणावर विद्युत् पुरवठा हे सर्व अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकीतील प्रगतीमुळे शक्य झाले आहे.

प्रस्तुत लेखात अणुकेंद्रीय विक्रियक, त्यांचे प्रकार व घटक, भंजन साखळी साध्य करण्याची तत्त्वे (न्यूट्रॉन चक्र, न्यूट्रॉन पुननिर्मिती गुणक इ.), शक्ती उत्पादनाचे नियंत्रण, भंजन शक्तीचे उष्णतेत रूपांतर, किरणोत्सर्गापासून संरक्षण, किरणोत्सर्गी द्रव्यांची विल्हेवाट, विक्रियकांचे वर्गीकरण, इंधने, आर्थिक प्रश्न इ. विषय आलेले आहेत.

अणुकेंद्रीय विक्रियक: युरेनियमाचे द्विभंजन, त्याचे वैशिष्ट्य, प्राप्त होणारी ऊर्जा इत्यादींचा उल्लेख वर आलेला आहेच. अणुकेंद्रीय भंजन-विक्रियांची साखळी निर्माण करणे व त्यांचे नियंत्रण करणे हे ज्यात साधलेले आहे, ती यंत्रणा म्हणजे विक्रियक होय. भंजन-विक्रियेच्या अभ्यासानंतर सुरुवातीसच काही विशिष्ट गोष्टी सिद्ध झाल्या. विशेषतः युरेनियम (२३५)  चे मंद न्यूट्रॉनाच्या ग्रासाने द्विभंजन होते आणि प्रत्येक द्विभंजनात सरासरी २·४४ द्रुतगती न्यूट्रॉन उत्पन्न होतात, असे आढळले. यात काही विलंबित न्यूट्रॉनांचाही अंश असतो (०·६४%). प्रत्येक भंजनात जरी उत्पन्न झालेल्या न्यूट्रॉनांची संख्या *ν  *असली तरी त्यांपैकी n न्यूट्रॉनच नवीन भंजनासाठी उपयोगी पडतात. ज्या द्रव्यांचा n हा अंक एकापेक्षा अधिक असतो, त्याच द्रव्यांमध्ये भंजन-विक्रियांची साखळी निर्माण करता येते. भंजन न होता युरेनियमामध्ये न्यूट्रॉनाचा ग्रास किंवा त्याचा विक्रियकातील इतर द्रव्यांमध्ये ग्रास, किंवा ग्रास न होता त्याचे निसटून जाणे या तीन प्रकारांनी न्यूट्रॉन नाहीसे होतात चौथा प्रकार म्हणजे न्यूट्रॉनग्रासाने भंजन होणे व ग्रास झालेल्या न्यूट्रॉनांपेक्षा अधिक न्यूट्रॉन निर्माण होणे, हा होय. पहिल्या तीन प्रकारांनी नष्ट झालेल्या न्यूट्रॉनांपेक्षा चौथ्या प्रकाराने उत्पन्न झालेले न्यूट्रॉन अधिक असतील, तरच भंजन-विक्रियेची साखळी चालू राहील. याकरिताच विक्रियकाला एक किमान विशिष्ट आकारमानाची व वस्तुमानाची आवश्यकता असते [→ अणुऊर्जा].

विक्रियकांचे प्रकार: भंजन करू शकणाऱ्‍या न्यूट्रॉनाच्या गतीप्रमाणे विक्रियकांचे पुढील दोन प्रकार होतात : (१) मंद विक्रियक, म्हणजे भंजनाकरिता मंदगती न्यूट्रॉनांचा उपयोग करणारे विक्रियक. (२) द्रुत विक्रियक, म्हणजे द्रुतगती न्यूट्रॉन वापरणारे विक्रियक. योग्य मंदायक (न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करणारे द्रव्य) वापरून न्यूट्रॉनाचा वेग २,२०० मी./से. (न्यूट्रॉन–ऊर्जा १/४० ev) इतका कमी करता येतो. या न्यूट्रॉनांना ऊष्मीय वा मंद न्यूट्रॉन म्हणतात व अशा विक्रियकांना ऊष्मीय विक्रियक असे नाव आहे. इंधन, मंदायक व शीतक यांच्या वेगवेगळ्या संयोगाने झालेले प्रकार कोष्टक क्र. १ मध्ये दिले आहेत.