પરમાણુ વિભાજન: અણુના હૃદયને તોડીને વીજળી બનાવતું અદભુત ભૌતિકવિજ્ઞાન

આધુનિક ઊર્જા જગતમાં સૌથી શક્તિશાળી પ્રક્રિયાઓમાંની એક એટલે પરમાણુ વિભાજન (nuclear fission). રસાયણશાસ્ત્ર કે પરંપરાગત બળતણની સરખામણીમાં આ પ્રક્રિયા એટલી પ્રચંડ છે કે યુરેનિયમ-૨૩૫ (Uranium-235) ના માત્ર એક અણુના વિભાજનથી મુક્ત થતી ઊર્જા, હવામાં કાર્બનના એક અણુને બાળીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ બનાવવા કરતાં આશરે ૧૦ કરોડ ગણી વધારે હોય છે. જ્યારે કોઈ ભારે અસ્થિર અણુનું નાભિક (nucleus) બે અથવા તેથી વધુ નાના ટુકડાઓમાં વહેંચાઈ જાય છે, ત્યારે દ્રવ્યમાનનો એક નાનકડો અંશ પ્રચંડ ઊર્જામાં રૂપાંતરિત થાય છે. માનવજાતે આ અદભુત પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને અંધકારમય રાત્રિઓને રોશન કરી છે, જોકે તેની સાથે સંકળાયેલા જોખમો અને પડકારો પણ એટલા જ ગંભીર રહ્યા છે.

આ વૈજ્ઞાનિક ક્રાંતિની શરૂઆત ૧૯૩૮ના ડિસેમ્બરમાં થઈ હતી. જર્મન રસાયણશાસ્ત્રીઓ ઓટો હાન (Otto Hahn) અને ફ્રિટ્ઝ સ્ટ્રાસમેન (Fritz Strassmann) એ ૧૯ ડિસેમ્બર ૧૯૩૮ના રોજ પ્રાયોગિક પુરાવા મેળવ્યા કે યુરેનિયમ પર ન્યુટ્રોનનો મારો કરવાથી તે તૂટીને હળવા તત્વોમાં ફેરવાઈ ગયું હતું. આ ઘટનાની સૈદ્ધાંતિક સમજૂતી જાન્યુઆરી ૧૯૩૯માં ભૌતિકશાસ્ત્રી લિઝ મીટનર (Lise Meitner) અને તેમના ભત્રીજા ઓટો રોબર્ટ ફ્રિશ (Otto Robert Frisch) દ્વારા આપવામાં આવી. જીવવિજ્ઞાનમાં કોષના વિભાજનને જે રીતે 'ફિશન' કહેવામાં આવે છે, તેના પરથી ફ્રિશે આ પરમાણુ પ્રક્રિયાનું નામ 'ફિશન' રાખ્યું. ફેબ્રુઆરી ૧૯૩૯માં હાને અનુમાન લગાવ્યું કે આ પ્રક્રિયામાં વધારાના ન્યુટ્રોન મુક્ત થાય છે, જેણે ભવિષ્યની સ્વયં-સંચાલિત શૃંખલા પ્રક્રિયા (nuclear chain reaction) ના દ્વાર ખોલી નાખ્યા.

વિભાજનની ભૌતિક ક્રિયાવિધિ: પ્રવાહીનું ટીપું અને ઊર્જાનો સ્ત્રોત

પરમાણુ કેન્દ્રનું વિભાજન કેવી રીતે થાય છે તે સમજવા માટે નીલ્સ બોહર અને જ્હોન વ્હીલરે લિક્વિડ ડ્રોપ મોડેલ (liquid drop model) રજૂ કર્યું હતું. કલ્પના કરો કે પાણીનું એક અસ્થિર ટીપું સપાટીના તણાવ સામે લડી રહ્યું છે. પરમાણુના નાભિકમાં પ્રોટોન વચ્ચેનો ધન વીજભાર એકબીજાને દૂર ધકેલે છે (Coulomb force), જ્યારે પ્રબળ ન્યુક્લિયર બળ (strong force) તેમને સાથે પકડી રાખે છે. જ્યારે કોઈ ધીમો ન્યુટ્રોન યુરેનિયમ-૨૩૫ ના નાભિકમાં પ્રવેશે છે, ત્યારે તે એક સંયુક્ત નાભિક (compound nucleus) બનાવે છે. આ વધારાની ઊર્જા ટીપાંમાં ધ્રુજારી પેદા કરે છે, જેના કારણે તે ખેંચાઈને ડમ્બેલ્સ જેવો આકાર ધારણ કરે છે.

આ ખેંચાણને લીધે નાભિક 'સેડલ શેપ' (saddle shape) પ્રાપ્ત કરે છે અને તેના બંને છેડાઓ વચ્ચેનું વિદ્યુત અપાકર્ષણ બળ પ્રબળ બની જાય છે. વિભાજન થવા માટે નાભિકે એક ઊર્જા અવરોધ પાર કરવો પડે છે, જેને ફિશન બેરિયર (fission barrier) અથવા સક્રિયકરણ ઊર્જા (activation energy) કહે છે. લગભગ ૨૪૦ અણુભાર ધરાવતા તત્વો માટે આ બેરિયર આશરે ૬ MeV (મેગા ઈલેક્ટ્રોન વોલ્ટ) જેટલો હોય છે. યુરેનિયમ-૨૩૫ માં ન્યુટ્રોન શોષાતાં મુક્ત થતી બાઈન્ડિંગ એનર્જી આ અવરોધને સરળતાથી ઓળંગી જાય છે, અને નાભિક ક્ષણવારમાં બે હળવા કેન્દ્રોમાં તૂટી પડે છે.

વિભાજન દરમિયાન મુક્ત થતી ઊર્જાની વહેંચણી આશ્ચર્યજનક છે. યુન્સ અને લવલેન્ડના સંશોધન અનુસાર, ફિશનમાં પેદા થતી કુલ ઊર્જાનો લગભગ ૮૫ ટકા હિસ્સો વિભાજિત ટુકડાઓની ગતિજ ઊર્જા (kinetic energy) તરીકે છૂટો પડે છે. આ ગતિ આસપાસના પદાર્થને ગરમ કરે છે. આ ઉપરાંત લગભગ ૬ ટકા ઊર્જા શરૂઆતના ન્યુટ્રોન અને ગામા કિરણોમાંથી, ૬ ટકા બીટા ક્ષયમાંથી અને બાકીના ૩ ટકા ન્યુટ્રિનો દ્વારા વહી જાય છે.

બાઈનરી અને ટર્નરી ફિશન: અણુના ટુકડાઓનું ગણિત

સામાન્ય રીતે પરમાણુ વિભાજન બે અસમપ્રમાણ ટુકડાઓમાં પરિણમે છે, જેને બાઈનરી ફિશન (binary fission) કહે છે. યુરેનિયમ-૨૩૫ નું સૌથી જાણીતું ઉદાહરણ નીચે મુજબ છે: ²³⁵U + n ⟶ ²³⁶U* ⟶ ⁹⁵Sr + ¹³⁹Xe + 2 n + 180 MeV

અહીં યુરેનિયમ તૂટીને સ્ટ્રોન્શિયમ-૯૫ અને ઝેનોન-૧૩૯ બનાવે છે અને સાથે બે ન્યુટ્રોન તથા ૧૮૦ MeV ઊર્જા મુક્ત કરે છે. આ વિભાજનમાં પેદા થતા ટુકડાઓનું દ્રવ્યમાન મોટે ભાગે ૯૫±૧૫ અને ૧૩૫±૧૫ ડાલ્ટનની આસપાસ કેન્દ્રિત હોય છે, જેનો ગુણોત્તર આશરે ૩:૨ હોય છે. ક્યારેક, દર ૧૦૦૦ વિભાજનમાંથી ૨ થી ૪ કિસ્સામાં, નાભિક ત્રણ ટુકડાઓમાં વહેંચાય છે જેને ટર્નરી ફિશન (ternary fission) કહે છે. આ ત્રીજો કણ સામાન્ય રીતે આલ્ફા કણ (હીલિયમ-૪) હોય છે, જે લાંબી રેન્જ ધરાવે છે અને આશરે ૧૬ MeV ઊર્જા ધરાવે છે.

વિભાજન બે રીતે થઈ શકે છે: પ્રેરિત (induced) અને સ્વયંસ્ફુરિત (spontaneous). ૧૯૪૦ માં જ્યોર્જી ફ્લિઓરોવ, કોન્સ્ટેન્ટિન પેટ્રઝાક અને ઇગોર કુર્ચાતોવે શોધ્યું કે ભારે આઇસોટોપ્સ બહારથી કોઈ ન્યુટ્રોન અથડાયા વગર પણ આપમેળે તૂટી શકે છે. જોકે, વ્યવહારિક પાવર પ્લાન્ટ્સમાં આપણે સ્વયંસ્ફુરિત નહીં પણ નિયંત્રિત પ્રેરિત વિભાજનનો ઉપયોગ કરીએ છીએ.

વિખંડનક્ષમ સામગ્રી: U-૨૩૫ અને U-૨૩૮ વચ્ચેનો ભેદ

દરેક યુરેનિયમ અણુ સરળતાથી તૂટતો નથી. કુદરતી યુરેનિયમમાં મોટાભાગે યુરેનિયમ-૨૩૮ હોય છે, જે માત્ર હાઈ-એનર્જી એટલે કે ઝડપી ન્યુટ્રોન (fast neutrons) દ્વારા જ વિભાજિત થઈ શકે છે. તેની સામે યુરેનિયમ-૨૩૫ એ 'ફિસાઈલ' (fissile) પદાર્થ છે, જે ધીમા અથવા થર્મલ ન્યુટ્રોન (thermal neutrons) વડે પણ સરળતાથી વિભાજિત થાય છે. ન્યુટ્રોન શોષણની સંભાવનાને ક્રોસ સેક્શન (fission cross section) કહે છે, અને ધીમા ન્યુટ્રોન માટે યુરેનિયમ-૨૩૫ નો ક્રોસ સેક્શન યુરેનિયમ-૨૩૮ કરતાં દસ લાખ ગણો વધારે હોય છે.

પરમાણુ પાવર પ્લાન્ટ્સ વિભાજન પછી પેદા થતા અતિ ઝડપી ન્યુટ્રોનની ગતિ ધીમી પાડવા માટે મોડરેટર (moderator) નો ઉપયોગ કરે છે, જેથી તે અન્ય U-૨૩૫ નાભિક સાથે અથડાઈને શૃંખલા જાળવી રાખે. વિશ્વમાં માત્ર ત્રણ આઇસોટોપ્સ – U-૨૩૩, U-૨૩૫, અને Pu-૨૩૯ – ટકાઉ શૃંખલા પ્રક્રિયા ચલાવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.

પ્રયોગશાળાથી પાવર ગ્રીડ સુધીની ઐતિહાસિક સફર

વિજ્ઞાનીઓએ વિભાજનની ઊર્જા પારખ્યા બાદ ૨ ડિસેમ્બર ૧૯૪૨ના રોજ શિકાગો યુનિવર્સિટી ખાતે એન્રિકો ફર્મીની આગેવાની હેઠળ વિશ્વનો સૌપ્રથમ માનવ-નિર્મિત રિએક્ટર 'શિકાગો પાઈલ-૧' (Chicago Pile-1) સફળતાપૂર્વક ચાલુ કર્યો. જોકે તે સમયે સંશોધનનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય મેનહટન પ્રોજેક્ટ હેઠળ પરમાણુ બોમ્બ બનાવવાનો હતો. યુદ્ધ પછી, શાંતિપૂર્ણ ઊર્જા ઉત્પાદન તરફ ધ્યાન કેન્દ્રિત થયું.

૨૦ ડિસેમ્બર ૧૯૫૧ના રોજ અમેરિકાના આઈડાહો ખાતે EBR-I પ્રાયોગિક સ્ટેશને પરમાણુ ઊર્જાથી સૌપ્રથમ વખત આશરે ૧૦૦ કિલોવોટ વીજળી પેદા કરી. ત્યારપછી ૨૭ જૂન ૧૯૫૪ના રોજ સોવિયેત યુનિયનનો ઓબ્નિન્સ્ક (Obninsk) પાવર પ્લાન્ટ ગ્રીડ સાથે જોડાનારો વિશ્વનો પ્રથમ ન્યુક્લિયર પાવર પ્લાન્ટ બન્યો, જેણે આશરે ૫ મેગાવોટ વીજળી આપી. જ્યારે ૨૭ ઓગસ્ટ ૧૯૫૬ના રોજ ઈંગ્લેન્ડના વિન્ડસ્કેલ ખાતે કાલ્ડર હોલ (Calder Hall) વિશ્વનું સૌપ્રથમ વ્યાપારી ન્યુક્લિયર પાવર સ્ટેશન બન્યું, જે વીજળીની સાથે બ્રિટનના શસ્ત્ર કાર્યક્રમ માટે પ્લુટોનિયમ-૨૩૯ પણ બનાવતું હતું.

વૈશ્વિક ઊર્જા ચિત્ર અને સુરક્ષાનું મૂલ્યાંકન

વર્ષ ૧૯૬૦માં વૈશ્વિક સ્થાપિત અણુ ક્ષમતા ૧ ગીગાવોટ (GW) કરતાં ઓછી હતી, જે ૧૯૭૦ના દાયકાના અંત સુધીમાં ૧૦૦ GW અને ૧૯૯૦ સુધીમાં ૩૦૦ GW પર પહોંચી ગઈ. વર્ષ ૧૯૮૦ના દાયકામાં સરેરાશ દર ૧૭ દિવસે એક નવો રિએક્ટર શરૂ થતો હતો. વર્ષ ૨૦૨૩ માં, વિશ્વભરના ન્યુક્લિયર પાવર પ્લાન્ટ્સે ૨,૬૦૨ ટેરાવોટ અવર્સ (TWh) વીજળી પૂરી પાડી, જે વૈશ્વિક વીજ ઉત્પાદનના લગભગ ૯% હિસ્સો ધરાવે છે અને હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિસિટી પછી વિશ્વનો બીજો સૌથી મોટો લો-કાર્બન સ્ત્રોત છે.

નવેમ્બર ૨૦૨૫ સુધીના આંકડા મુજબ, વિશ્વભરમાં ૪૧૬ નાગરિક ફિશન રિએક્ટર્સ કાર્યરત છે, જેમની કુલ ક્ષમતા ૩૭૬ GW છે. આ ઉપરાંત ૬૩ રિએક્ટર્સ નિર્માણાધીન (૬૬ GW ક્ષમતા) છે અને ૮૭ નવા પ્લાન્ટ્સ આયોજનના તબક્કામાં (૮૪ GW ક્ષમતા) છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ સૌથી મોટો કાફલો ધરાવે છે, જે વાર્ષિક આશરે ૮૦૦ TWh વીજળી પેદા કરે છે અને તેનો સરેરાશ કેપેસિટી ફેક્ટર ૯૨% છે, જ્યારે વૈશ્વિક સરેરાશ ૮૯% છે.

પરમાણુ ઊર્જાનું સૌથી મોટું જમાપાસું તેનું પર્યાવરણીય યોગદાન છે. એક વૈજ્ઞાનિક અભ્યાસ મુજબ, અશ્મિભૂત ઇંધણના પ્લાન્ટ્સ દ્વારા થતા વાયુ પ્રદૂષણને અટકાવીને દરેક ન્યુક્લિયર પ્લાન્ટે આશરે ૮,૦૦,૦૦૦ જીવન-વર્ષો (life years) બચાવ્યા છે. કોલસો, ખનિજ તેલ, કુદરતી ગેસ અને જળવિદ્યુતની તુલનામાં પરમાણુ ઊર્જા પ્રતિ યુનિટ ઉત્પાદનમાં સૌથી ઓછા મૃત્યુદર ધરાવે છે.

પરંતુ આ ટેક્નોલોજી જોખમમુક્ત નથી. ૧૯૭૯નો થ્રી માઇલ આઇલેન્ડ અકસ્માત, ૧૯૮૬ની ચાર્નોબિલ દુર્ઘટના (જેમાં ૫૬ લોકોના સીધા મૃત્યુ થયા અને સફાઈ ખર્ચ આશરે $૬૮ અબજ થયો) અને ૧૧ માર્ચ ૨૦૧૧ની જાપાનની ફુકુશિમા દાઈચી હોનારતે પરમાણુ સલામતી સામે ગંભીર સવાલો ઊભા કર્યા હતા. ફુકુશિમા પછી જર્મનીએ ૨૦૨૨ સુધીમાં તમામ રિએક્ટર્સ બંધ કરવાનો નિર્ણય લીધો હતો, જ્યારે જાપાને ૨૦૧૫થી સુરક્ષા માપદંડો કડક બનાવીને ૪૦ રિએક્ટર્સને ફરી શરૂ કરવાની પ્રક્રિયા હાથ ધરી છે અને ૨૦૨૨માં વડાપ્રધાન ફુમિયો કિશિદાએ વધુ ૧૦ પ્લાન્ટ્સ ફરી ખોલવાની જાહેરાત કરી હતી.

આમ, ન્યુક્લિયર ફિશન એ માનવ બુદ્ધિની એક એવી સિદ્ધિ છે જેણે એક અદ્રશ્ય પરમાણુના હૃદયમાં રહેલી શક્તિને બહાર કાઢી આપી છે. જો સલામતીના કડક ધોરણો અને પર્યાવરણીય સજગતા સાથે તેનો ઉપયોગ ચાલુ રહે, તો આ ઊર્જા ભવિષ્યના કાર્બન-મુક્ત વિશ્વ માટે અનિવાર્ય સ્તંભ બની રહેશે.