परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया

एक संभावित परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया:
1) एक यूरेनियम-235 परमाणु एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है और दो परमाणु विखंडन उत्पाद में विखंडन करता है, जिससे तीन नए न्यूट्रॉन और बड़ी मात्रा में बाध्यकारी ऊर्जा निकलती है।
2) उन न्यूट्रॉनों में से एक यूरेनियम-238 के परमाणु द्वारा अवशोषित हो जाता है, और प्रतिक्रिया जारी नहीं रखता है। एक अन्य न्यूट्रॉन अवशोषित हुए बिना सिस्टम छोड़ देता है। हालाँकि, एक न्यूट्रॉन यूरेनियम-235 के एक परमाणु से टकराता है, जो फिर विखंडित होता है और दो न्यूट्रॉन और अधिक बाध्यकारी ऊर्जा छोड़ता है।
3) वे दोनों न्यूट्रॉन यूरेनियम-235 परमाणुओं से टकराते हैं, जिनमें से प्रत्येक विखंडन करता है और कुछ न्यूट्रॉन छोड़ता है, जो फिर प्रतिक्रिया जारी रख सकते हैं।

परमाणु भौतिकी में, एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया तब होती है जब एक एकल परमाणु प्रतिक्रिया औसतन एक या अधिक बाद की परमाणु प्रतिक्रियाओं का कारण बनती है, जिससे इन प्रतिक्रियाओं की सकारात्मक प्रतिक्रिया | स्व-प्रसार श्रृंखला या सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप की संभावना पैदा होती है। विशिष्ट परमाणु प्रतिक्रिया भारी आइसोटोप का परमाणु विखंडन हो सकती है (उदाहरण के लिए, यूरेनियम -235, ²³⁵यू). एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया की तुलना में प्रति प्रतिक्रिया कई मिलियन गुना अधिक ऊर्जा जारी करती है।

इतिहास

रासायनिक श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को पहली बार 1913 में जर्मन रसायनज्ञ मैक्स बोडेनस्टीन द्वारा प्रस्तावित किया गया था, और परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के प्रस्तावित होने से पहले उन्हें काफी अच्छी तरह से समझा गया था।^[1] यह समझा गया कि रासायनिक श्रृंखला प्रतिक्रियाएं, प्रतिक्रियाओं में तेजी से बढ़ती दरों के लिए जिम्मेदार थीं, जैसे कि रासायनिक विस्फोटों में उत्पन्न होती हैं।

परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया की अवधारणा कथित तौर पर पहली बार 12 सितंबर, 1933 को हंगरी के वैज्ञानिक लियो स्ज़िलार्ड द्वारा परिकल्पित की गई थी।^[2] स्ज़िलार्ड उस सुबह लंदन के एक पेपर में एक प्रयोग पढ़ रहे थे जिसमें एक त्वरक से प्रोटॉन का उपयोग लिथियम -7 को अल्फा कणों में विभाजित करने के लिए किया गया था, और तथ्य यह था कि आपूर्ति किए गए प्रोटॉन की तुलना में प्रतिक्रिया द्वारा बहुत अधिक मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न हुई थी। अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने लेख में टिप्पणी की कि इस प्रक्रिया में अक्षमताएं बिजली उत्पादन के लिए इसके उपयोग को रोकती हैं। हालाँकि, न्यूट्रॉन की खोज जेम्स चैडविक ने 1932 में, कुछ ही समय पहले, एक परमाणु प्रतिक्रिया के उत्पाद के रूप में की थी। स्ज़िलार्ड, जिन्हें एक इंजीनियर और भौतिक विज्ञानी के रूप में प्रशिक्षित किया गया था, ने दो परमाणु प्रयोगात्मक परिणामों को अपने दिमाग में एक साथ रखा और महसूस किया कि यदि एक परमाणु प्रतिक्रिया से न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं, जो फिर इसी तरह की परमाणु प्रतिक्रियाओं का कारण बनता है, तो प्रक्रिया एक स्व-स्थायी परमाणु श्रृंखला हो सकती है -प्रतिक्रिया, प्रोटॉन या त्वरक की आवश्यकता के बिना स्वचालित रूप से नए आइसोटोप और शक्ति का उत्पादन करती है। हालाँकि, स्ज़ीलार्ड ने अपनी श्रृंखला प्रतिक्रिया के तंत्र के रूप में विखंडन का प्रस्ताव नहीं किया, क्योंकि विखंडन प्रतिक्रिया की अभी तक खोज नहीं हुई थी, या यहां तक कि संदिग्ध भी नहीं था। इसके बजाय, स्ज़ीलार्ड ने हल्के ज्ञात आइसोटोप के मिश्रण का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा जो प्रचुर मात्रा में न्यूट्रॉन का उत्पादन करता था। उन्होंने अगले वर्ष एक साधारण परमाणु रिएक्टर के अपने विचार के लिए एक पेटेंट दायर किया।^[3] 1936 में, स्ज़ीलार्ड ने फीरोज़ा और ईण्डीयुम का उपयोग करके एक श्रृंखला प्रतिक्रिया बनाने का प्रयास किया, लेकिन असफल रहे। परमाणु विखंडन की खोज दिसंबर 1938 में ओटो हैन और फ़्रिट्ज़ स्ट्रैसमैन ने की थी^[4] और जनवरी 1939 में लिसे मीटनर और उनके भतीजे ओटो रॉबर्ट फ्रिस्क द्वारा परमाणु विखंडन की खोज की गई।^[5] फरवरी 1939 में परमाणु विखंडन पर अपने दूसरे प्रकाशन में, हैन और स्ट्रैसमैन ने पहली बार यूरेन्सपालटुंग (यूरेनियम विखंडन) शब्द का इस्तेमाल किया, और विखंडन प्रक्रिया के दौरान अतिरिक्त न्यूट्रॉन के अस्तित्व और मुक्ति की भविष्यवाणी की, जिससे परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना खुल गई। .^[6] कुछ महीने बाद, फ्रेडरिक जूलियट-क्यूरी, हंस वॉन हल्बन|एच। हल्बन और ल्यू कोवार्स्की|एल द्वारा। पेरिस में कोवार्स्की^[7] यूरेनियम में न्यूट्रॉन गुणन की खोज की और पता लगाया, जिससे साबित हुआ कि इस तंत्र द्वारा परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया वास्तव में संभव थी।

4 मई, 1939 को, जूलियट-क्यूरी, हल्बन और कोवार्स्की ने तीन पेटेंट दायर किए। पहले दो में परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया से बिजली उत्पादन का वर्णन किया गया है, अंतिम को परफेक्शननेमेंट ऑक्स चार्ज विस्फोटक कहा जाता है, जो परमाणु बम के लिए पहला पेटेंट था और इसे वैज्ञानिक अनुसंधान राष्ट्रीय केंद्र द्वारा पेटेंट नंबर 445686 के रूप में दायर किया गया है।^[8] समानांतर में, न्यूयॉर्क में स्ज़ीलार्ड और एनरिको फर्मी ने भी यही विश्लेषण किया।^[9] इस खोज ने स्ज़िलार्ड से आइंस्टीन-स्ज़िलार्ड पत्र को प्रेरित किया और अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा हस्ताक्षरित राष्ट्रपति फ्रैंकलिन डी. रूजवेल्ट को इस संभावना की चेतावनी दी गई कि नाज़ी जर्मनी परमाणु बम बनाने का प्रयास कर सकता है।^[10] 2 दिसंबर, 1942 को, फर्मी (और स्ज़िलार्ड सहित) के नेतृत्व में एक टीम ने ब्लीचर्स के नीचे एक रैकेट (खेल) कोर्ट में शिकागो पाइल-1 (सीपी-1) प्रयोगात्मक रिएक्टर के साथ पहली कृत्रिम आत्मनिर्भर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का उत्पादन किया। शिकागो विश्वविद्यालय में स्टैग फील्ड। शिकागो विश्वविद्यालय में फर्मी के प्रयोग आर्थर एच. कॉम्पटन की मैनहट्टन परियोजना की धातुकर्म प्रयोगशाला का हिस्सा थे; बाद में प्रयोगशाला का नाम बदलकर आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी कर दिया गया, और इसे परमाणु ऊर्जा के लिए विखंडन के दोहन में अनुसंधान करने का काम सौंपा गया।^[11] 1956 में, अर्कांसस विश्वविद्यालय के पॉल कुरोदा ने कहा कि एक प्राकृतिक विखंडन रिएक्टर कभी अस्तित्व में रहा होगा। चूँकि परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के लिए केवल प्राकृतिक सामग्रियों (जैसे पानी और यूरेनियम) की आवश्यकता हो सकती है, यदि यूरेनियम में पर्याप्त मात्रा हो ²³⁵यू), यह संभव था कि ये श्रृंखला प्रतिक्रियाएं सुदूर अतीत में घटित होती थीं जब यूरेनियम-235 की सांद्रता आज की तुलना में अधिक थी, और जहां पृथ्वी की पपड़ी के भीतर सामग्रियों का सही संयोजन था। ²³⁵
U आइसोटोप के अलग-अलग आधे जीवन के कारण भूवैज्ञानिक अतीत में पृथ्वी पर यूरेनियम का एक बड़ा हिस्सा बना ²³⁵
U और ²³⁸
U, पहले वाले का क्षय बाद वाले की तुलना में लगभग तीव्रता के क्रम में होता है। सितंबर 1972 में गैबॉन के ठीक है में अतीत में प्राकृतिक आत्मनिर्भर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के साक्ष्य की खोज के साथ कुरोदा की भविष्यवाणी को सत्यापित किया गया था।^[12] पृथ्वी पर प्राकृतिक यूरेनियम में वर्तमान आइसोटोप अनुपात में परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए न्यूट्रॉन जहर की अनुपस्थिति में भारी पानी या उच्च शुद्धता वाले कार्बन (जैसे ग्रेफाइट) जैसे न्यूट्रॉन मॉडरेटर की उपस्थिति की आवश्यकता होगी, जिसके उत्पन्न होने की संभावना और भी अधिक है। लगभग दो अरब वर्ष पहले ओक्लो की स्थितियों की तुलना में प्राकृतिक भूवैज्ञानिक प्रक्रियाएँ।

विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया

विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रियाएं न्यूट्रॉन और विखंडनीय आइसोटोप (जैसे) के बीच बातचीत के कारण होती हैं ²³⁵यू). श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए परमाणु विखंडन से गुजरने वाले विखंडनीय आइसोटोप से न्यूट्रॉन की रिहाई और इसके बाद विखंडनीय आइसोटोप में इनमें से कुछ न्यूट्रॉन के अवशोषण की आवश्यकता होती है। जब एक परमाणु परमाणु विखंडन से गुजरता है, तो कुछ न्यूट्रॉन (सटीक संख्या अनियंत्रित और असहनीय कारकों पर निर्भर करती है; अपेक्षित संख्या कई कारकों पर निर्भर करती है, आमतौर पर 2.5 और 3.0 के बीच) प्रतिक्रिया से बाहर निकल जाते हैं। फिर ये मुक्त न्यूट्रॉन आसपास के माध्यम से संपर्क करेंगे, और यदि अधिक विखंडनीय ईंधन मौजूद है, तो कुछ अवशोषित हो सकते हैं और अधिक विखंडन का कारण बन सकते हैं। इस प्रकार, चक्र एक प्रतिक्रिया देने के लिए दोहराता है जो आत्मनिर्भर है।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र परमाणु प्रतिक्रियाओं की दर को सटीक रूप से नियंत्रित करके संचालित होते हैं। दूसरी ओर, परमाणु हथियार विशेष रूप से ऐसी प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए इंजीनियर किए जाते हैं जो इतनी तेज़ और तीव्र होती है कि इसे शुरू होने के बाद नियंत्रित नहीं किया जा सकता है। जब ठीक से डिज़ाइन किया गया, तो यह अनियंत्रित प्रतिक्रिया एक विस्फोटक ऊर्जा रिलीज को जन्म देगी।

परमाणु विखंडन ईंधन

परमाणु हथियारों में विस्फोटक श्रृंखला प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण आकार और ज्यामिति (महत्वपूर्ण द्रव्यमान) से अधिक उच्च गुणवत्ता, अत्यधिक समृद्ध ईंधन का उपयोग किया जाता है। ऊर्जा प्रयोजनों के लिए ईंधन, जैसे कि परमाणु विखंडन रिएक्टर, बहुत अलग होता है, जिसमें आमतौर पर कम समृद्ध ऑक्साइड सामग्री होती है (उदाहरण के लिए यूओ₂). परमाणु रिएक्टरों के अंदर विखंडन प्रतिक्रियाओं के लिए दो प्राथमिक आइसोटोप का उपयोग किया जाता है। पहला और सबसे आम है यूरेनियम-235। यह यूरेनियम का विखंडनीय आइसोटोप है और यह प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले सभी यूरेनियम का लगभग 0.7% बनाता है।^[13] की छोटी मात्रा के कारण ²³⁵U जो मौजूद है, दुनिया भर में चट्टान संरचनाओं में पाए जाने के बावजूद इसे एक गैर-नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत माना जाता है।^[14] यूरेनियम-235 को ऊर्जा उत्पादन के लिए इसके मूल रूप में ईंधन के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता है। यौगिक यूओ का उत्पादन करने के लिए इसे शोधन नामक प्रक्रिया से गुजरना होगा₂ या यूरेनियम डाइऑक्साइड. फिर यूरेनियम डाइऑक्साइड को दबाया जाता है और सिरेमिक छर्रों में बनाया जाता है, जिसे बाद में ईंधन छड़ों में रखा जा सकता है। यह तब है जब मिश्रित यूरेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग परमाणु ऊर्जा उत्पादन के लिए किया जा सकता है। परमाणु विखंडन में प्रयुक्त दूसरा सबसे आम आइसोटोप प्लूटोनियम-239 है। यह धीमी न्यूट्रॉन अंतःक्रिया के साथ विखंडनीय बनने की इसकी क्षमता के कारण है। यह आइसोटोप परमाणु रिएक्टरों के अंदर उजागर होने से बनता है ²³⁸U विखंडन के दौरान निकलने वाले न्यूट्रॉन को।^[15] न्यूट्रॉन पर कब्जा के परिणामस्वरूप, यूरेनियम-233 -239 का उत्पादन होता है, जो प्लूटोनियम -239 बनने के लिए दो बीटा क्षय से गुजरता है। प्लूटोनियम एक बार पृथ्वी की पपड़ी में एक मौलिक तत्व के रूप में पाया गया था, लेकिन केवल थोड़ी मात्रा में ही बचा है, इसलिए यह मुख्य रूप से सिंथेटिक है। परमाणु रिएक्टरों के लिए एक और प्रस्तावित ईंधन, जो हालांकि 2021 तक कोई व्यावसायिक भूमिका नहीं निभाता है, यूरेनियम -233 है, जो न्यूट्रॉन कैप्चर और प्राकृतिक थोरियम-232 से बाद के बीटा क्षय द्वारा उत्पन्न होता है, जो लगभग 100% आइसोटोप थोरियम -232 से बना है। इसे थोरियम ईंधन चक्र कहा जाता है।

संवर्धन प्रक्रिया

विखंडनीय आइसोटोप यूरेनियम-235 अपनी प्राकृतिक सांद्रता में अधिकांश परमाणु रिएक्टरों के लिए अनुपयुक्त है। ऊर्जा उत्पादन में ईंधन के रूप में उपयोग के लिए तैयार होने के लिए इसे समृद्ध करना होगा। संवर्धन प्रक्रिया प्लूटोनियम पर लागू नहीं होती है। रिएक्टर-ग्रेड प्लूटोनियम यूरेनियम के दो अलग-अलग आइसोटोप के बीच न्यूट्रॉन इंटरैक्शन के उपोत्पाद के रूप में बनाया गया है। यूरेनियम को समृद्ध करने का पहला कदम यूरेनियम ऑक्साइड (यूरेनियम मिलिंग प्रक्रिया के माध्यम से निर्मित) को गैसीय रूप में परिवर्तित करने से शुरू होता है। इस गैस को यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड के नाम से जाना जाता है, जो हाइड्रोजन फ्लोराइड, फ्लोरीन गैस और यूरेनियम ऑक्साइड के संयोजन से बनती है। इस प्रक्रिया में यूरेनियम डाइऑक्साइड भी मौजूद होता है और इसे उन रिएक्टरों में उपयोग करने के लिए भेजा जाता है जिन्हें समृद्ध ईंधन की आवश्यकता नहीं होती है। बचे हुए यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड यौगिक को मजबूत धातु सिलेंडरों में डाला जाता है जहां यह जम जाता है। अगला कदम यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड को बचे हुए यू-235 से अलग करना है। यह आम तौर पर सेंट्रीफ्यूज के साथ किया जाता है जो इतनी तेजी से घूमता है कि यूरेनियम आइसोटोप में 1% द्रव्यमान अंतर खुद को अलग कर सके। फिर हेक्साफ्लोराइड यौगिक को समृद्ध करने के लिए एक लेजर का उपयोग किया जाता है। अंतिम चरण में अब समृद्ध यौगिक को वापस यूरेनियम ऑक्साइड में परिवर्तित करना शामिल है, जिससे अंतिम उत्पाद निकलता है: समृद्ध यूरेनियम ऑक्साइड। यूओ का यह रूप₂ अब ऊर्जा उत्पादन के लिए बिजली संयंत्रों के अंदर विखंडन रिएक्टरों में इसका उपयोग किया जा सकता है।

विखंडन प्रतिक्रिया उत्पाद

जब एक विखंडनीय परमाणु परमाणु विखंडन से गुजरता है, तो यह दो या दो से अधिक विखंडन टुकड़ों में टूट जाता है। इसके अलावा, कई मुक्त न्यूट्रॉन, गामा किरणें और न्युट्रीनो उत्सर्जित होते हैं, और बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। विखंडन टुकड़े और उत्सर्जित न्यूट्रॉन के बाकी द्रव्यमान का योग मूल परमाणु और आपतित न्यूट्रॉन के बाकी द्रव्यमान के योग से कम है (बेशक विखंडन टुकड़े आराम पर नहीं हैं)। द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता समीकरण के अनुसार ऊर्जा की रिहाई में द्रव्यमान अंतर का हिसाब लगाया जाता है|E=Δmc²:

'जारी ऊर्जा का द्रव्यमान' =

{\frac {E}{c^{2}}}=m_{\text{original}}-m_{\text{final}}

प्रकाश की गति के अत्यधिक बड़े मूल्य, c के कारण, द्रव्यमान में एक छोटी सी कमी सक्रिय ऊर्जा की जबरदस्त रिहाई (उदाहरण के लिए, विखंडन टुकड़ों की गतिज ऊर्जा) से जुड़ी होती है। यह ऊर्जा (विकिरण और गर्मी के रूप में) लापता द्रव्यमान को 'वहन' करती है, जब यह प्रतिक्रिया प्रणाली को छोड़ देती है (कुल द्रव्यमान, कुल ऊर्जा की तरह, हमेशा द्रव्यमान का संरक्षण होता है)। जबकि सामान्य रासायनिक प्रतिक्रियाएं कुछ यह इलेक्ट्रॉनिक था के क्रम पर ऊर्जा जारी करती हैं (उदाहरण के लिए हाइड्रोजन के लिए इलेक्ट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा 13.6 ईवी है), परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं आम तौर पर सैकड़ों लाखों ईवी के क्रम पर ऊर्जा जारी करती हैं।

जारी की गई ऊर्जा के औसत मूल्यों और निकाले गए न्यूट्रॉन की संख्या के साथ दो विशिष्ट विखंडन प्रतिक्रियाएं नीचे दिखाई गई हैं:

{\begin{aligned}{\ce {^{235}U + neutron ->}}&\ {\text{fission fragments}}+2.4{\text{ neutrons}}+192.9{\text{ MeV}}\\{\ce {^{239}Pu + neutron ->}}&\ {\text{fission fragments}}+2.9{\text{ neutrons}}+198.5{\text{ MeV}}\end{aligned}}

^[16]

ध्यान दें कि ये समीकरण धीमी गति से चलने वाले (थर्मल) न्यूट्रॉन के कारण होने वाले विखंडन के लिए हैं। जारी औसत ऊर्जा और उत्सर्जित न्यूट्रॉन की संख्या आपतित न्यूट्रॉन गति का एक कार्य है।^[16]साथ ही, ध्यान दें कि ये समीकरण न्यूट्रिनो से ऊर्जा को बाहर करते हैं क्योंकि ये उपपरमाण्विक कण बेहद गैर-प्रतिक्रियाशील होते हैं और इसलिए, शायद ही कभी सिस्टम में अपनी ऊर्जा जमा करते हैं।

परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं का समयमान

प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन जीवनकाल

त्वरित न्यूट्रॉन जीवनकाल, एल, न्यूट्रॉन के उत्सर्जन और सिस्टम में उनके अवशोषण या सिस्टम से उनके भागने के बीच का औसत समय है।^[17]जो न्यूट्रॉन सीधे विखंडन से उत्पन्न होते हैं उन्हें शीघ्र न्यूट्रॉन कहा जाता है, और जो विखंडन टुकड़ों के रेडियोधर्मी क्षय के परिणामस्वरूप होते हैं उन्हें विलंबित न्यूट्रॉन कहा जाता है। जीवनकाल शब्द का प्रयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि न्यूट्रॉन के उत्सर्जन को अक्सर उसका जन्म माना जाता है, और उसके बाद के अवशोषण को उसकी मृत्यु माना जाता है। थर्मल (धीमे-न्यूट्रॉन) विखंडन रिएक्टरों के लिए, सामान्य त्वरित न्यूट्रॉन जीवनकाल 10 के क्रम पर होता है⁻⁴सेकंड, और तेज़ विखंडन रिएक्टरों के लिए, त्वरित न्यूट्रॉन जीवनकाल 10 के क्रम पर है⁻⁷सेकंड.^[16]इन बेहद छोटे जीवनकालों का मतलब है कि 1 सेकंड में, 10,000 से 10,000,000 न्यूट्रॉन जीवनकाल गुजर सकते हैं। औसत (जिसे एडजॉइंट अनवेटेड के रूप में भी जाना जाता है) प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन जीवनकाल रिएक्टर कोर में उनके महत्व की परवाह किए बिना सभी प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन को ध्यान में रखता है; प्रभावी शीघ्र न्यूट्रॉन जीवनकाल (स्थान, ऊर्जा और कोण पर भारित सहायक के रूप में संदर्भित) औसत महत्व वाले न्यूट्रॉन को संदर्भित करता है।^[18]

औसत पीढ़ी समय

माध्य पीढ़ी समय, Λ, न्यूट्रॉन उत्सर्जन से कैप्चर तक का औसत समय है जिसके परिणामस्वरूप विखंडन होता है।^[16]औसत पीढ़ी का समय त्वरित न्यूट्रॉन जीवनकाल से भिन्न होता है क्योंकि औसत पीढ़ी के समय में केवल न्यूट्रॉन अवशोषण शामिल होता है जो विखंडन प्रतिक्रियाओं को जन्म देता है (अन्य अवशोषण प्रतिक्रियाओं को नहीं)। दोनों समय निम्नलिखित सूत्र द्वारा संबंधित हैं:

\Lambda ={\frac {l}{k}}

इस सूत्र में, k प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन कारक है, जिसका वर्णन नीचे किया गया है।

प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन कारक

छह कारक सूत्र प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन कारक, k, एक विखंडन से न्यूट्रॉन की औसत संख्या है जो दूसरे विखंडन का कारण बनता है। शेष न्यूट्रॉन या तो गैर-विखंडन प्रतिक्रियाओं में अवशोषित हो जाते हैं या अवशोषित हुए बिना सिस्टम छोड़ देते हैं। K का मान यह निर्धारित करता है कि परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया कैसे आगे बढ़ती है:

k <1 (उप-आलोचनात्मकता): सिस्टम एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को कायम नहीं रख सकता है, और श्रृंखला प्रतिक्रिया की कोई भी शुरुआत समय के साथ समाप्त हो जाती है। सिस्टम में प्रेरित प्रत्येक विखंडन के लिए, औसतन कुल 1/(1 − k) विखंडन होता है। प्रस्तावित सबक्रिटिकल रिएक्टर इस तथ्य का उपयोग करते हैं कि न्यूट्रॉन स्रोत हटा दिए जाने पर बाहरी न्यूट्रॉन स्रोत द्वारा जारी परमाणु प्रतिक्रिया को बंद किया जा सकता है। यह कुछ हद तक अंतर्निहित सुरक्षा प्रदान करता है।
k = 1 (महत्वपूर्ण द्रव्यमान): प्रत्येक विखंडन के कारण औसतन एक और विखंडन होता है, जिससे एक विखंडन (और शक्ति) स्तर स्थिर होता है। परमाणु ऊर्जा संयंत्र k = 1 के साथ संचालित होते हैं जब तक कि बिजली का स्तर बढ़ाया या घटाया नहीं जा रहा हो।
k > 1 (अति आलोचनात्मकता): सामग्री में प्रत्येक विखंडन के लिए, यह संभावना है कि अगली औसत पीढ़ी के समय (Λ) के बाद k विखंडन होगा। परिणाम यह होता है कि समीकरण के अनुसार, विखंडन प्रतिक्रियाओं की संख्या तेजी से बढ़ जाती है $e^{(k-1)t/\Lambda }$ , जहां t बीता हुआ समय है। परमाणु हथियार इस राज्य के तहत संचालित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। सुपरक्रिटिकलिटी के दो उपविभाग हैं: त्वरित और विलंबित।

परमाणु रिएक्टरों की गतिकी और गतिकी का वर्णन करते समय, और रिएक्टर संचालन के अभ्यास में भी, प्रतिक्रियाशीलता की अवधारणा का उपयोग किया जाता है, जो महत्वपूर्ण स्थिति से रिएक्टर के विक्षेपण को दर्शाता है: ρ = (k − 1)/k। InHour (एक घंटे के व्युत्क्रम से, कभी-कभी संक्षिप्त रूप से ih या inhr) एक परमाणु रिएक्टर की प्रतिक्रियाशीलता की एक इकाई है।

एक परमाणु रिएक्टर में, k वास्तव में 1 से थोड़ा कम से 1 से थोड़ा अधिक तक दोलन करेगा, मुख्य रूप से थर्मल प्रभावों के कारण (जैसे-जैसे अधिक बिजली उत्पन्न होती है, ईंधन की छड़ें गर्म होती हैं और इस प्रकार फैलती हैं, जिससे उनका कैप्चर अनुपात कम हो जाता है, और इस प्रकार k कम हो जाता है) ). इससे k का औसत मान बिल्कुल 1 रह जाता है। विलंबित न्यूट्रॉन इन दोलनों के समय में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

छह-कारक सूत्र

प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन कारक $k$ परमाणु प्रणाली का वर्णन करने वाले छह संभाव्यता कारकों के उत्पाद का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। थर्मल-न्यूट्रॉन रिएक्टर में न्यूट्रॉन के जीवन के संबंध में परंपरागत रूप से कालानुक्रमिक रूप से व्यवस्थित इन कारकों में तेजी से गैर-रिसाव की संभावना शामिल है $P_{\mathrm {FNL} }$ , तेज़ विखंडन कारक $\varepsilon$ , अनुनाद भागने की संभावना $p$ , थर्मल गैर-रिसाव की संभावना $P_{\mathrm {TNL} }$ , थर्मल उपयोग कारक $f$ , और न्यूट्रॉन प्रजनन कारक $\eta$ (न्यूट्रॉन दक्षता कारक भी कहा जाता है)। छह-कारक सूत्र पारंपरिक रूप से इस प्रकार लिखा जाता है: <ब्लॉककोट> $k=P_{\mathrm {FNL} }\varepsilon pP_{\mathrm {TNL} }f\eta$ कारकों का वर्णन इस प्रकार किया गया है

$P_{\mathrm {FNL} }$ $P_{\mathrm {FNL} }$ इस संभावना का वर्णन करता है कि न्यूट्रॉन तापमान परस्पर क्रिया किए बिना सिस्टम से बाहर नहीं निकलेगा।
- इस कारक की सीमाएँ 0 और 1 हैं, 1 के मान के साथ एक ऐसी प्रणाली का वर्णन किया गया है जिसके लिए तेज़ न्यूट्रॉन कभी भी बातचीत किए बिना बाहर नहीं निकलेंगे, यानी एक अनंत प्रणाली।
- के रूप में भी लिखा है $L_{f}$
$\varepsilon$ $\varepsilon$ कुल विखंडन और केवल थर्मल न्यूट्रॉन के कारण होने वाले विखंडन का अनुपात है
- तेज़ न्यूट्रॉन के कारण यूरेनियम, विशेष रूप से यूरेनियम-238 में विखंडन होने की बहुत कम संभावना होती है।
- तेज़ विखंडन कारक प्रभावी न्यूट्रॉन गुणन कारक में तेज़ विखंडन के योगदान का वर्णन करता है
- इस कारक की सीमाएं 1 और अनंत हैं, 1 के मान के साथ एक ऐसी प्रणाली का वर्णन होता है जिसके लिए केवल थर्मल न्यूट्रॉन विखंडन का कारण बन रहे हैं। 2 का मान एक ऐसी प्रणाली को दर्शाता है जिसमें थर्मल और तेज़ न्यूट्रॉन समान मात्रा में विखंडन पैदा कर रहे हैं।
$p$ $p$ तापीयकरण शुरू करने वाले न्यूट्रॉनों की संख्या और तापीय ऊर्जा तक पहुंचने वाले न्यूट्रॉनों की संख्या का अनुपात है।
- कई आइसोटोप में उनके कैप्चर न्यूट्रॉन क्रॉस सेक्शन | क्रॉस-सेक्शन वक्र में प्रतिध्वनि होती है जो तेज और थर्मल के बीच ऊर्जा में होती है।
- यदि एक न्यूट्रॉन तापीयकरण शुरू कर देता है (अर्थात धीमा होने लगता है), तो संभावना है कि यह तापीय ऊर्जा तक पहुंचने से पहले एक गैर-गुणा करने वाली सामग्री द्वारा अवशोषित कर लिया जाएगा।
- इस कारक की सीमाएँ 0 और 1 हैं, 1 के मान के साथ एक प्रणाली का वर्णन किया गया है जिसके लिए सभी तेज़ न्यूट्रॉन जो लीक नहीं होते हैं और तेज़ विखंडन का कारण नहीं बनते हैं, अंततः थर्मल ऊर्जा तक पहुँचते हैं।
$P_{\mathrm {TNL} }$ $P_{\mathrm {TNL} }$ इस संभावना का वर्णन करता है कि एक थर्मल न्यूट्रॉन बिना इंटरैक्ट किए सिस्टम से बाहर नहीं निकलेगा।
- इस कारक की सीमाएं 0 और 1 हैं, 1 के मान के साथ एक ऐसी प्रणाली का वर्णन किया गया है जिसके लिए थर्मल न्यूट्रॉन कभी भी बातचीत किए बिना बाहर नहीं निकलेंगे, यानी एक अनंत प्रणाली।
- के रूप में भी लिखा है $L_{th}$
$f$ $f$ विखंडनीय सामग्री नाभिक द्वारा अवशोषित थर्मल न्यूट्रॉन की संख्या बनाम सिस्टम में सभी सामग्रियों में अवशोषित न्यूट्रॉन की संख्या का अनुपात है।
- यह कारक सिस्टम में थर्मल न्यूट्रॉन उपयोग की दक्षता का वर्णन करता है, इसलिए इसका नाम थर्मल उपयोग कारक है।
- इस कारक की सीमाएँ 0 और 1 हैं, 1 के मान के साथ एक प्रणाली का वर्णन होता है जिसके लिए संपूर्ण प्रणाली विखंडनीय नाभिक से बनी होती है (अर्थात थर्मल न्यूट्रॉन केवल विखंडनीय सामग्री के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं)। इसी प्रकार, 0.5 का मान एक ऐसी प्रणाली का वर्णन करता है जिसके लिए विखंडनीय और गैर-विखंडनीय नाभिक के साथ प्रतिक्रियाएं समान होती हैं।
- एक पारंपरिक परमाणु रिएक्टर के लिए, यह कारक एकमात्र ऐसा कारक है जिसे ऑपरेटर द्वारा सीधे नियंत्रित किया जा सकता है। नियंत्रण छड़ों में हेरफेर के साथ, आप गैर-विखंडनीय नाभिक में अवशोषित होने वाले न्यूट्रॉन की मात्रा को बढ़ा सकते हैं, साथ ही विखंडनीय नाभिक में अवशोषित न्यूट्रॉन की मात्रा को कम कर सकते हैं।
$\eta$ $\eta$ इस संभावना का वर्णन करता है कि अवशोषित न्यूट्रॉन विखंडन प्रतिक्रिया का कारण बनेगा।
- यह कारक विखंडनीय सामग्री के व्यवहार का वर्णन करता है, विशेष रूप से यदि न्यूट्रॉन अवशोषित होता है, तो विखंडन होने की कितनी संभावना है, और विखंडन से कितने न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं।

एक अनंत माध्यम में, गुणन कारक को चार कारक सूत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो ऊपर वर्णित के समान है $P_{\mathrm {FNL} }$ और $P_{\mathrm {TNL} }$ दोनों 1 के बराबर हैं.

शीघ्र और विलंबित सुपरक्रिटिकलिटी

सभी न्यूट्रॉन विखंडन के प्रत्यक्ष उत्पाद के रूप में उत्सर्जित नहीं होते हैं; इसके बजाय कुछ विखंडन टुकड़ों के रेडियोधर्मी क्षय के कारण होते हैं। जो न्यूट्रॉन सीधे विखंडन से उत्पन्न होते हैं उन्हें प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन कहा जाता है, और जो विखंडन टुकड़ों के रेडियोधर्मी क्षय के परिणामस्वरूप होते हैं उन्हें विलंबित न्यूट्रॉन कहा जाता है। विलंबित न्यूट्रॉन के अंश को β कहा जाता है, और यह अंश आम तौर पर श्रृंखला प्रतिक्रिया में सभी न्यूट्रॉन के 1% से कम होता है।^[16]

विलंबित न्यूट्रॉन एक परमाणु रिएक्टर को केवल शीघ्र न्यूट्रॉन की तुलना में परिमाण के कई आदेशों पर अधिक धीमी गति से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देते हैं।^[17]विलंबित न्यूट्रॉन के बिना, परमाणु रिएक्टरों में प्रतिक्रिया दर में परिवर्तन उस गति से होगा जो मनुष्यों के नियंत्रण के लिए बहुत तेज़ है।

k = 1 और k = 1/(1−β) के बीच सुपरक्रिटिकलिटी के क्षेत्र को 'विलंबित सुपरक्रिटिकलिटी' (या विलंबित गंभीरता) के रूप में जाना जाता है। इसी क्षेत्र में सभी परमाणु ऊर्जा रिएक्टर संचालित होते हैं। k > 1/(1−β) के लिए सुपरक्रिटिकलिटी के क्षेत्र को 'प्रॉम्प्ट सुपरक्रिटिकलिटी' (या त्वरित गंभीरता ) के रूप में जाना जाता है, जो वह क्षेत्र है जिसमें परमाणु हथियार संचालित होते हैं।

क्रिटिकल से प्रॉम्प्ट क्रिटिकल तक जाने के लिए आवश्यक k में परिवर्तन को डॉलर (प्रतिक्रियाशीलता) के रूप में परिभाषित किया गया है।

न्यूट्रॉन गुणन का परमाणु हथियार अनुप्रयोग

परमाणु विखंडन हथियारों के लिए बड़े पैमाने पर विखंडनीय ईंधन की आवश्यकता होती है जो शीघ्र अतिमहत्वपूर्ण होता है।

विखंडनीय पदार्थ के दिए गए द्रव्यमान के लिए घनत्व बढ़ाकर k का मान बढ़ाया जा सकता है। चूंकि न्यूट्रॉन के नाभिक से टकराने के लिए तय की गई प्रति दूरी की संभावना सामग्री के घनत्व के समानुपाती होती है, इसलिए विखंडनीय सामग्री का घनत्व बढ़ने से k बढ़ सकता है। इस अवधारणा का उपयोग परमाणु हथियार डिजाइन#परमाणु हथियारों के लिए विस्फोट-प्रकार के हथियार में किया जाता है। इन उपकरणों में पारंपरिक विस्फोटक के साथ विखंडनीय पदार्थ का घनत्व बढ़ाने के बाद परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू होती है।

बंदूक-प्रकार के विखंडन हथियार में, ईंधन के दो उप-क्रिटिकल टुकड़ों को तेजी से एक साथ लाया जाता है। दो द्रव्यमानों के संयोजन के लिए k का मान सदैव उसके घटकों के मान से अधिक होता है। अंतर का परिमाण दूरी के साथ-साथ भौतिक अभिविन्यास पर भी निर्भर करता है।

विखंडनीय पदार्थ के चारों ओर न्यूट्रॉन परावर्तक का उपयोग करके k का मान भी बढ़ाया जा सकता है

एक बार जब ईंधन का द्रव्यमान तुरंत सुपरक्रिटिकल हो जाता है, तो शक्ति तेजी से बढ़ जाती है। हालाँकि, घातांकीय शक्ति वृद्धि लंबे समय तक जारी नहीं रह सकती क्योंकि k घट जाती है जब शेष विखंडन सामग्री की मात्रा कम हो जाती है (अर्थात यह विखंडन द्वारा भस्म हो जाती है)। इसके अलावा, विस्फोट के दौरान ज्यामिति और घनत्व में बदलाव की उम्मीद है क्योंकि शेष विखंडन सामग्री विस्फोट से अलग हो जाती है।

पूर्वावलोकन

If two pieces of subcritical material are not brought together fast enough, nuclear predetonation can occur, whereby a smaller explosion than expected will blow the bulk of the material apart. See Fizzle (nuclear test)

परमाणु हथियार के विस्फोट में विखंडनीय सामग्री को बहुत तेजी से उसकी इष्टतम सुपरक्रिटिकल स्थिति में लाना शामिल है। इस प्रक्रिया के भाग के दौरान, असेंबली सुपरक्रिटिकल है, लेकिन श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए अभी तक इष्टतम स्थिति में नहीं है। मुक्त न्यूट्रॉन, विशेष रूप से स्वतःस्फूर्त विखंडन से, डिवाइस को एक प्रारंभिक श्रृंखला प्रतिक्रिया से गुजरने का कारण बन सकता है जो एक बड़े विस्फोट के लिए तैयार होने से पहले विखंडनीय सामग्री को नष्ट कर देता है, जिसे प्रीडेटोनेशन के रूप में जाना जाता है।^[19]

पूर्व-विस्फोट की संभावना को कम रखने के लिए, गैर-इष्टतम संयोजन अवधि की अवधि को कम किया जाता है और विखंडनीय और अन्य सामग्रियों का उपयोग किया जाता है जिनकी सहज विखंडन दर कम होती है। वास्तव में, सामग्रियों का संयोजन ऐसा होना चाहिए कि सुपरक्रिटिकल असेंबली की अवधि के दौरान एक भी सहज विखंडन होने की संभावना न हो। विशेष रूप से, बंदूक विधि का उपयोग प्लूटोनियम के साथ नहीं किया जा सकता है (परमाणु हथियार डिजाइन देखें)।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र और श्रृंखला प्रतिक्रियाओं का नियंत्रण

श्रृंखलाबद्ध प्रतिक्रियाएं स्वाभाविक रूप से प्रतिक्रिया दरों को जन्म देती हैं जो तेजी से बढ़ती (या सिकुड़ती) हैं, जबकि एक परमाणु ऊर्जा रिएक्टर को प्रतिक्रिया दर को उचित रूप से स्थिर रखने में सक्षम होने की आवश्यकता होती है। इस नियंत्रण को बनाए रखने के लिए, श्रृंखला प्रतिक्रिया गंभीरता में अतिरिक्त प्रभावों (जैसे, यांत्रिक नियंत्रण छड़ें या थर्मल विस्तार) द्वारा हस्तक्षेप की अनुमति देने के लिए पर्याप्त धीमी समय सीमा होनी चाहिए। नतीजतन, सभी परमाणु ऊर्जा रिएक्टर (यहां तक कि फास्ट-न्यूट्रॉन रिएक्टर भी) अपनी गंभीरता के लिए विलंबित न्यूट्रॉन पर निर्भर करते हैं। एक कार्यरत परमाणु ऊर्जा रिएक्टर थोड़ा सबक्रिटिकल और थोड़ा विलंबित-सुपरक्रिटिकल होने के बीच उतार-चढ़ाव करता रहता है, लेकिन उसे हमेशा प्रॉम्प्ट-क्रिटिकल से नीचे रहना चाहिए।

किसी परमाणु ऊर्जा संयंत्र के लिए परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया से गुजरना असंभव है जिसके परिणामस्वरूप परमाणु हथियार के बराबर शक्ति का विस्फोट होता है, लेकिन अनियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के कारण कम शक्ति वाले विस्फोट भी हो सकते हैं (जिन्हें बम में विफल माना जाएगा) रिएक्टर में काफी क्षति और मंदी का कारण बनता है। उदाहरण के लिए, चेरनोबिल आपदा में एक भगोड़ा श्रृंखला प्रतिक्रिया शामिल थी लेकिन परिणाम बम की तुलना में गर्मी की अपेक्षाकृत कम रिहाई से कम शक्ति वाला भाप विस्फोट था। हालाँकि, रिएक्टर परिसर गर्मी के साथ-साथ हवा के संपर्क में आने वाले ग्रेफाइट के सामान्य जलने से नष्ट हो गया था।^[17] इस तरह के भाप विस्फोट सबसे खराब परिस्थितियों में भी, परमाणु रिएक्टर में सामग्रियों की बहुत फैली हुई असेंबली के विशिष्ट होंगे।

इसके अलावा सुरक्षा के लिए अन्य कदम भी उठाए जा सकते हैं. उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका में लाइसेंस प्राप्त बिजली संयंत्रों को प्रतिक्रियाशीलता के नकारात्मक शून्य गुणांक की आवश्यकता होती है (इसका मतलब है कि यदि रिएक्टर कोर से शीतलक दुर्घटना का नुकसान होता है, तो परमाणु प्रतिक्रिया बंद हो जाएगी, न कि बढ़ेगी)। इससे उस प्रकार की दुर्घटना की संभावना समाप्त हो जाती है जो चेरनोबिल में हुई थी (जो सकारात्मक शून्य गुणांक के कारण थी)। हालाँकि, परमाणु रिएक्टर पूर्ण रूप से बंद होने के बाद भी छोटे रासायनिक विस्फोट करने में सक्षम हैं, जैसे कि फुकुशिमा दाइची परमाणु आपदा का मामला था। ऐसे मामलों में, यदि श्रृंखला प्रतिक्रिया बंद होने के एक दिन बाद भी शीतलक प्रवाह में कमी होती है, तो कोर से अवशिष्ट क्षय गर्मी उच्च तापमान का कारण बन सकती है (एससीआरएएम देखें)। इससे पानी और ईंधन के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया हो सकती है जो हाइड्रोजन गैस पैदा करती है, जो हवा के साथ मिलकर विस्फोट कर सकती है, जिसके गंभीर संदूषण परिणाम हो सकते हैं, क्योंकि इस प्रक्रिया से ईंधन रॉड सामग्री अभी भी वायुमंडल के संपर्क में आ सकती है। हालाँकि, ऐसे विस्फोट श्रृंखला प्रतिक्रिया के दौरान नहीं होते हैं, बल्कि विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया बंद होने के बाद रेडियोधर्मी बीटा क्षय से ऊर्जा के परिणामस्वरूप होते हैं।

यह भी देखें

प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला
गंभीर दुर्घटना
परमाणु आलोचनात्मकता सुरक्षा
परमाणु भौतिकी
परमाणु रिएक्टर भौतिकी

संदर्भ

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बाहरी संबंध

Nuclear Chain Reaction Animation
Annotated bibliography on nuclear chain reactions from the Alsos Digital Library
Stochastic Java simulation of nuclear chain reaction Archived 2011-06-11 at the Wayback Machine by Wolfgang Bauer

[1] "See this 1956 Nobel lecture for history of the chain reaction in chemistry".

[2] Jogalekar, Ashutosh. "Leo Szil rd, a traffic light and a slice of nuclear history". Scientific American. Retrieved 4 January 2016.

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[4] Lise Meitner: Otto Hahn - the discoverer of nuclear fission. In: Forscher und Wissenschaftler im heutigen Europa. Stalling Verlag, Oldenburg/Hamburg 1955.

[5] Lise Meitner & O. R. Frisch, "Disintegration of Uranium by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction," Nature 143, 3615 (1939-02-11): 239, Bibcode:1939Natur.143..239M, doi:10.1038/143239a0; O. R. Frisch, "Physical Evidence of Division of Heavy Nuclei under Neutron Bombardment," Nature 143, 3616 (1939-02-18): 276, doi:10.1038/143276a0. The paper is dated 16 January 1939. Meitner is identified as being at the Physical Institute, Academy of Sciences, Stockholm. Frisch is identified as being at the Institute of Theoretical Physics, University of Copenhagen.

[6] Hahn, O.; Strassmann, F. (February 1939). "Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung". Naturwissenschaften. 27 (6): 89–95. Bibcode:1939NW.....27...89H. doi:10.1007/BF01488988. S2CID 33512939.

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