Moderation Effect

शिकागो पाईल हा पहिला मानवनिर्मित रिअॅक्टर म्हणजे एक ग्राफाइटच्या विटांचा मोठा ढिगारा होता. त्यात मध्ये मध्ये युरेनियमचे गोळे पेरून ठेवले होते. त्या ढिगाच्या मध्यभागी एक पोकळी ठेवून त्यात कॅड्मियमने मढवलेल्या सळ्या टांगून ठेवल्या होत्या आणि त्यांना वर किंवा खाली करण्याची व्यवस्था केलेली होती. या तीनही पदार्थांची संख्या तसेच त्यांचे आकार सहजपणे हवे तसे बदलता येण्याच्या दृष्टीने ही रचना अतीशय सोयिस्कर होती. त्यातला युरेनियम हा ऊर्जेचा स्त्रोत होता. त्याचा न्यूट्रॉनशी संयोग झाल्यास त्यामधून प्रचंड ऊर्जा प्रगट होते आणि त्याबरोबरच बाहेर निघालेले दोन तीन न्यूट्रॉन या ऊर्जेवर स्वार होऊन तुफान वेगाने उड्डाण करतात. त्या क्षणी त्यांचा वेग प्रकाशकिरणांच्या वेगाशी तुलना करता येण्याइतका जास्त असतो. इतके वेगवान न्यूट्रॉन युरेनियमच्या दुस-या एकाद्या अणूवर आदळले तर नक्कीच त्या अणूचे दोन तुकडे करतील असे वाटेल. त्या अॅटॉमिक रिअॅक्शनतून बाहेर पडलेले सहा सात न्यूट्रॉन पुन्हा वेगवेगळ्या अणूंचे भंजन करत जातील आणि अनेक नव्या न्यूट्रॉन्सना जन्म देतील, ते असेच काम करत जातील आणि अशा प्रकारे साठ्यामधील सर्व युरेनियमचा मोठा स्फोट होईल. अणूबाँबच्या स्फोटात साधारणपणे असे घडते, पण वीजनिर्मितीसाठी आपल्याला थोडी थोडी ऊर्जा सतत देत राहणारा स्त्रोत हवा असतो. यासाठी त्या स्फोटांवर काटेकोर नियंत्रण ठेवता येणे अत्यंत महत्वाचे आहे.

वेगाने धडकणारे काही 'फास्ट न्यूट्रॉन्स' युरेनियमच्या अणूचे भंजन किंवा विघटन (फिशन) घडवून आणतात, पण बरेचसे न्यूट्रॉन्स त्या अणूला आपटून किंवा चाटून वेगानेच दूर चालले जातात. क्रिकेटमधल्या पेस बॉलरचा चेंडू जसा बॅट्समनच्या बॅट किंवा पॅडला लागून वेगाने सीमापार जातो तसे काहीसे या 'फास्ट न्यूट्रॉन्स' च्या बाबतीत घडते. याला 'स्कॅटर' असे म्हणतात. याचे प्रमाण फिशनच्या मानाने जास्त असते. युरेनियम आणि प्ल्युटोनियम वगळता इतर कोणत्याही पदार्थाच्या अणूला न्यूट्रॉन धडकला तर एक तर तो स्कॅटर होतो म्हणजे वेगळ्या दिशेला चालला जातो किंवा तो अणू त्या न्यूट्रॉनला 'कॅप्चर' करतो म्हणजे तो न्यूट्रॉन त्या अणूमध्ये विरून जातो. ग्राफाइटमधील कार्बन या मूलधातूचे अणू मुख्यतः न्यूट्रॉन्सना स्कॅटर करतात, पण ते करतांना त्या न्यूट्रॉनमधली थोडी ऊर्जा त्यांना मिळते. त्यामुळे न्यूट्रॉनचा वेग कमी होतो. अशा अनेक अणूंशी टक्कर झाल्यानंतर हा वेग अगदी कमी होतो (तरीसुध्दा तो एकाद्या रॉकेट किंवा सुपरसॉनिक विमानाच्या वेगाइतका असतो). या संथगती न्यूट्रॉन्सना 'थर्मल न्यूट्रॉन्स' असे नाव दिले आहे. तसेच त्यांची गती मंद करण्याच्या क्रियेला 'मॉडरेशन' असे म्हणतात. असा संथ गतीचा थर्मल न्यूट्रॉन जेंव्हा युरेनियमच्या अणूला भेटतो तेंव्हा मात्र तो त्याच्या पोटात शिरतो आणि त्याची दोन शकले करतो. अशा प्रकारे ग्राफाइटने केलेल्या मॉडरेशनमुळे युरेनियमच्या अणूंच्या भंजनाची क्रिया पुढे चालत राहण्याला मदत मिळते. कॅड्मियमचे अणू मात्र आलेल्या सगळ्या न्यूट्रॉन्सना गिळून टाकतात (कॅप्चर करतात). त्यामुळे भंजनाची क्रिया मंदावते किंवा पूर्णपणे थांबते. अशा पदार्थांना 'पॉयझन' म्हणतात

मोटार गाडीमध्ये अॅक्सेलेरेटर आणि ब्रेक्स दिलेले असतात आणि या दोघांचा उपयोग करून चालक गाडीवर नियंत्रण ठेवतो. त्याच प्रमाणे मॉडरेटर आणि पॉयझन यांच्या सहाय्याने रिअॅक्टरवर नियंत्रण ठेवले जाते. शिकागो पाइलमध्ये ग्राफाइट या मॉडरेटरच्या हजारो विटा ठेवल्या होत्या. रिअॅक्टर सुरू करायच्या आधी त्यांची संख्या कमी जास्त करणे शक्य होते, पण त्यात अॅटॉमिक रिअॅक्शन चालू झाल्यानंतर ती चालली असतांना त्यात बदल करणे शक्य नसते. कॅड्मियम रॉड्सना कमी अधिक प्रमाणात खाली वर करणे त्या मानाने खूपच सोपे असते. या कारणांमुळे पाइल (रिअॅक्टर)ची रचना करतांना त्यात गरजेपेक्षा जास्त युरेनियम आणि ग्राफाइट ठेवले गेले, ते करण्यापूर्वी कॅड्मियमचे रॉड पूर्णपणे आत ठेवले होते. न्यूट्रॉन्सची लहान प्रमाणावर निर्मिती करणारा एक 'सोर्स' पाइलच्या आतमध्ये सरकवताच त्यामधून न्यूट्रॉन्स बाहेर पडू लागले. चूल पेटवण्यासाठी आधी त्यात कागद घालून तो काडेपेटीने पेटवतात तशा प्रकारे या सोर्सचा उपयोग सुरुवात करण्यासाठी केला. रिअॅक्टरमधले कॅड्मियम रॉड अनेक न्यूट्रॉन्सना गिळंकृत करत असल्यामुळे सुरुवातीला फिशन चेन रिअॅक्शन टिकत नव्हती. हे रॉड हळूहळू वर नेत गेल्यानंतर त्यांचा प्रभाव कमी होत गेला आणि असा क्षण आला की ही भंजनांची साखळी पुढे आपल्या आप चालत राहिली. याला 'क्रिटिकॅलिटी' असे म्हणतात. त्यानंतर कॅड्मियम रॉड आणखी वर उचलले असते तर रिअॅक्टर 'सुपरक्रिटिकल' झाला असता म्हणजे भंजनांची संख्या वेगाने वाढत गेली असती आणि त्यातून बाहेर पडणा-या ऊष्णतेची तीव्रता वाढत गेली असती. कॅड्मियम रॉड खाली सोडले असते तर रिअॅक्टर 'सबक्रिटिकल' झाला असता म्हणजे भंजनांची संख्या वेगाने कमी होत जाऊन ती थांबली असती. या पहिल्या यशस्वी प्रयोगाला आता साठ वर्षे होत आली असली तरी आजसुध्दा जगातला प्रत्येक रिअॅक्टर अशाच प्रकारे सुरू केला जातो. आता हे कंट्रोल रॉड्स हाताने ओढत नाहीत, त्यासाठी यांत्रिक व्यवस्था असते एवढाच बदल त्यात झाला आहे.

शिकागो पाइल रचली आणि लगेच ती यशस्वी झाली असे मात्र झाले नव्हते. कोणत्याही वैज्ञानिक प्रयोगात अशी शक्यता जवळ जवळ नसतेच. त्या काळात तर युरेनियम, कार्बन, कॅड्मियम वगैरेंचे गुणधर्मसुध्दा हळूहळू समजत होते. त्यामुळे ठाऊक असलेल्या आणि प्रयोगामधून मिळालेल्या माहितीचा उपयोग करून घेत टप्प्याटप्प्याने हा प्रयोग आकार घेत होता. गरजेनुसार सुधारणा करता याव्या या दृष्टीनेच त्याची रचना पाइलच्या स्वरूपात केली होती. एक नाही, दोन नाही, तीस वेळा वेगवेगळ्या आकारांच्या ढिगा-यांवर अयशस्वी प्रयोग करून झाल्यानंतर केलेला हा एकतीसावा प्रयोग होता. तो य़शस्वी झाला आणि ऊर्जेच्या निर्मितीच्या क्षेत्रात एक नवे दालन उघडले.

'फ्यूएल' (इंधन), 'मॉडरेटर' आणि 'पॉयझन' यांची निरनिराळ्या प्रकारे वेगवेगळ्या प्रमाणात रचना करून अनेक प्रकारचे रिअॅक्टर्स बनवण्याचे प्रयोग सुरू झाले. अत्यंत गुप्तता बाळगली गेली असली तरी हे विज्ञान आणि तंत्रज्ञान जगभरातील अनेक देशांनी विकसित आणि आत्मसात केले. त्यात अमेरिकेने पुढाकार घेतला असला तरी सोव्हिएट युनियन, ब्रिटन, फ्रान्स, जर्मनी, कॅनडा यासारखी राष्ट्रेसुध्दा या दिशेने प्रगतीपथावर होतीच. ग्राफाइटप्रमाणे पाणी आणि जड पाणी यांचा उपयोग मॉडरेशनसाठी करता येतो. त्यासाठी आवश्यक अशा आकाराचे पात्र रिअॅक्टर व्हेसल बवनण्याचे तंत्रज्ञान विकसित झाले. तसेच नियंत्रण करण्यासाठी स्वयंचालित यंत्रांच्या सहाय्याने चालणारे कंट्रोल रॉड्स तयार केले गेले. अणूंच्या भंजनातून निघालेल्या ऊष्णतेपासून वीज तयार करायची झाल्यास तिला रिअॅक्टरमधून बाहेर नेण्याची व्यवस्था करायला हवी. त्यासाठी 'कूलंट' ची आवश्यकता असते. पाणी, कार्बन डाय ऑक्साइड वायू, वितळलेला सोडियम धातू अशा अनेक विकल्पांचा त्यासाठी विचार केला जाऊ लागला आणि त्यांवर प्रयोग केले गेले. अशा असंख्य गोष्टींपासून त्या विषयीच्या तंत्रज्ञानाचीच एक वेगळी शाखा तयार झाली असे म्हणता येईल.

१९४२ च्या अखेरीस शिकागो पाइल १ हा पहिला रिअॅक्टरचा यशस्वी प्रयोग करून दाखवला गेल्यानंतर सुमारे नऊ वर्षांनी म्हणजे १९५१ च्या अखेरीस अमेरिकेमधीलच इडाहो या गावी स्थापन केलेल्या प्रायोगिक रिअॅक्टरमध्ये त्यामधून निघालेल्या ऊष्णतेपासून पहिल्यांदा विजेची निर्मिती झाली. ती होती फक्त १०० किलोवॉट! त्यावर त्या प्रयोगशाळेमधले काही दिवे पेटवले गेले होते. त्यानंतर लवकरच म्हणजे १९५४ साली सोव्हिएट युनियन (रशीया) मधील ओब्निस्क या गावी अणूशक्तीपासून ५ मेगावॉट इतकी वीज निर्माण करून ती ग्रिडला म्हणजेच विजेच्या जाळ्याला दिली गेली आणि घरोघरी तिचा वापर होऊ लागला.

. . . . . . . . . . . . (क्रमशः)