अणुस्फोटाचा सैद्धांतिक पाया
लेखकः नरेंद्र गोळे २०२००७१२
निसर्गात आढळून येणारे सर्वात जड मूलद्रव्य आहे युरेनियम. आवर्तसारणीत हे सर्वात शेवटी असते. याचा अण्वांक ९२ असतो आणि सामान्यतः वस्तुमानांक असतो २३८. निसर्गतः आढळून येणार्‍या युरेनियममध्ये हजारात सात या प्रमाणात युरेनियम-२३५ हा समस्थानिकही असतो. दुसर्‍या महायुद्धाच्या काळात सामरिक उपयोगाकरता जेव्हा अणुऊर्जेचा शोध घेण्याचे प्रयत्न निकराने सुरू झाले, तेव्हा या मूलद्रव्याच्या, या समस्थानिकाचे अनेक अज्ञात गुणधर्म समोर आले. अणुऊर्जेचा शोध लागला आणि त्या ऊर्जेतील युरेनियमचे महत्त्व अधोरेखित झाले. युरेनियमच्या छोट्याशा वस्तुमानात जगाचा विध्वंस करता येऊ शकेल इतकी ऊर्जा सामावली असल्याची कुणकुण लागली. मग त्या ऊर्जेच्या विमोचनाची आणि तिचेवर नियंत्रण मिळवण्याची शर्यत सुरू झाली. शर्यतीत अमेरिका जिंकली. जर्मनी हारली. दोस्त राष्ट्रांनी जपानवर पहिली दोन अणुस्फोटके टाकून, त्या ऊर्जेवरील आपले नियंत्रण प्रदर्शित केले. हिरोशिमा आणि नागासाकीवरील स्फोटांच्या महात्म्यामुळे दुसरे महायुद्ध संपुष्टात आले.
युरेनियममधील या ऊर्जेच्या विमोचनास कारण ठरली एक साखळी प्रक्रिया आणि अशी साखळी प्रक्रिया अविरत सुरू राहावी याकरता आवश्यक असलेले युरेनियम-२३५ चे किमान वस्तुमान. या किमान वस्तुमानास म्हणतात क्रांतिक वस्तुमान [१]. विकिपेडियाच्या या दुव्यावर, युरेनियम-२३५ करता हे वस्तुमान ५२ किलोग्रॅम असल्याचे म्हटले आहे. मात्र युरेनियमची घनता [२] १९.१ ग्रॅम/घन सेंमी इतकी असल्याने, प्रत्यक्षात २.७२३ लिटर इतकेच त्याचे आकारमान भरत असते. म्हणजेच पर्यायाने, एवढ्याशा युरेनियम-२३५ या पदार्थाने अणुस्फोट घडवून आणला जाऊ शकतो, असे तेव्हा लक्षात आलेले होते. युरेनियम-२३५ करता क्रांतिक वस्तुमान किती असू शकते, याचा अदमास एन्रिको फर्मी ह्यांना लागला होता. अमेरिकेतील एका फुटबॉल मैदानात नैसर्गिक युरेनियमची प्रत्यक्ष थप्पी रचून क्रांतिक वस्तुमान नेमके किती आहे याचा १९४४-४५ मध्ये, ते शोधच घेत होते. तो एका वेगळ्याच लेखाचा विषय आहे. दुसर्‍या महायुद्धाच्या काळात जर्मनी आणि अमेरिका हे दोन्हीही पक्ष क्रांतिक वस्तुमान नेमके किती आहे याचाच निकराने शोध घेत होते. आजही सर्वच देशांत याबाबत गोपनीयता पाळली जात असल्याने क्रांतिक वस्तुमान नेमके किती आहे, याबाबत निरनिराळ्या देशांची आपापली अघोषित अनुमाने आहेत. ही अनुमाने कधीही उघड होणार नाहीत. मात्र, ही सारी भानगड काय आहे, त्याचाच हा सोप्या शब्दांत सांगितलेला कथाभाग आहे.
स्फोट म्हणजे काय?
प्रचंड ऊर्जा, कमीत कमी जागेत, कमीत कमी काळात मुक्त झाली तर, आजूबाजूचे वातावरण तत्काळ तापून, तिथली हवा हलकी होऊन वर जाते. आजूबाजूची हवा तिथे खेचली जाते. तीही तापून वर जात राहते. अशा घटनेलाच स्फोट म्हणतात. स्फोटाच्या जागी मग पोकळी निर्माण होऊन आसपासची हवा तिथे अत्यंत वेगाने खेचली जाते. यामुळे वादळे निर्माण होऊन, त्या वादळांच्या कचाट्यात येणार्‍या वस्तू, स्फोटाच्या जागी प्रथम खेचल्या जाऊन उंच आकाशात भिरकावून दिल्या जातात. त्यांचे तापमान कमी होता होता त्या आकाशभर पसरत जातात आणि थंड झाल्यावर जड होऊन दूरवर जाऊन जमिनीवर पडतात. कुठल्याही स्फोटाचे वर्णन असेच करता येईल. या प्रक्रियेत आसपासच्या परिसरातील चराचराचा जो प्रचंड विध्वंस घडून येतो तेच स्फोटाचे फलित असते. मात्र इतर स्फोट आणि अणुस्फोट यांच्यातील फरक असा की, त्याच वजनाच्या अणुस्फोटकात, साध्या रासायनिक स्फोटकाहून किमान एक अब्जपट, म्हणजे एकवर नऊ शून्ये इतकी पट, ऊर्जा जास्त असते. अणुस्फोटकाची ऊर्जासघनता हाच मुद्दा कळीचा आहे. म्हणूनच हिरोशिमाच्या अणुस्फोटात लाखभर माणसे क्षणार्धात स्फोटग्रस्त झाली. त्यांपैकी अर्धी जागीच मृत्यू पावली. याचे कारण हा ऊर्जा-घनतांतील फरकच आहे.
युरेनियमचे स्फोटक सामर्थ्य
निसर्गतः आढळून येणारे युरेनियम हे मूलद्रव्य ढोबळपणे दोन घटकांचे बनलेले असते. वजनाने, दर हजारात ७ भाग, या प्रमाणात आढळणारे युरेनियम-२३५ हे मूलद्रव्य आणि दर हजारात ९९३ भाग, या प्रमाणात आढळणारे युरेनियम-२३८ हे मूलद्रव्य. ही दोन्हीही मूलद्रव्ये परस्परांची समस्थानिके आहेत. म्हणजे त्यांचे अण्वांक (९२) एकच आहेत आणि ते आवर्त सारणीत एकाच जागी वसलेले असतात. त्यामुळेच तर त्यांना परस्परांची समस्थानिके म्हणतात. मात्र त्यांचे अणुभार किंवा वस्तुमानांक मात्र निरनिराळे असतात (अनुक्रमे २३५ आणि २३८). म्हणून ते निरनिराळ्या मूलद्रव्यांच्या स्वरूपात परस्परांहून वेगळे आढळतात.
विरक्तक म्हणजे न्यूट्रॉन. अण्वंतर्गत धनक (प्रोटॉन), विजक (इलेक्ट्रॉन) व विरक्तक (न्यूट्रॉन), या कणांपैकी विद्युतभार नसलेला कण. युरेनियम-२३५ हे मूलद्रव्य कितीही ऊर्जा धारण करणार्‍या विरक्तकांनी धडकवले असता त्याचे विदलन होते असे आढळून आलेले आहे. विदलन म्हणजे फिजन. सर्वात अवजड अणूंवर विरक्तक धडकवल्यास घडून येणारी आण्विक प्रक्रिया. विरक्तकाच्या ऊर्जेच्या चढत्या क्रमावर अवलंबून अनुक्रमे, परस्पर स्वभावांतरण (ट्रान्सम्युटेशन), अनावरण आणि उचल (स्ट्रिपिंग अँड पिक-अप), विदलन (फिजन), विखंडन (स्पॅलेशन), विदारण (फ्रॅगमेंटेशन) आणि विखुरण (स्कॅटरिंग) अशा सहा निरनिराळ्या प्रकारच्या प्रक्रिया घडून येत असतात. त्यातील विदलन प्रक्रिया. अशा विदलनात एकाहून अधिक विरक्तक निर्माण होत असतात. निर्माण झालेले विरक्तक जर पुन्हा युरेनियम-२३५ अणुलाच धडकले तर, पुन्हा विदलन घडून येऊ शकते. अशा प्रकारे दर विदलनात एकाहून अधिक विरक्तक निर्माण होत राहून, आसपासचे युरेनियम-२३५ चे सर्व अणू संपेपर्यंत साखळी प्रक्रिया सुरू राहू शकते. यापैकी दर विदलन प्रक्रियेत सुमारे २० कोटी विजकव्होल्ट किंवा ८.८८x१०-१८ एकक विजेइतकी ऊर्जाही बाहेर पडत असते. एक ग्रॅम मोल पदार्थात सुमारे ६.०२३x१०२३ (ऍव्होगाड्रोज नंबर) अणू असतात. हे लक्षात घेता निरंतर चालणार्‍या साखळी प्रक्रियेत अतिप्रचंड ऊर्जा मुक्त होऊ शकते. म्हणजे केवळ २३५ ग्रॅम वजनाच्या युरेनियम-२३५ चे विदलन झाल्यास, ८.८८x१०-१८ x ६.०२३x१०२३ = ५३.४८ लक्ष एकक विजेइतकी किंवा ५,३४८ मेगॅवॉट वीज तासभर मिळू शकेल इतकी ऊर्जा मुक्त होईल. पारंपारिक स्फोटकांनी मुक्त केलेली ऊर्जा ज्या एककांत मोजतात त्यास टन-ट.एन.टी. म्हणतात. म्हणजे टेट्रानायट्रोटोल्यूईन या रासायनिक विस्फोटकाच्या एक टन वजनाच्या द्रव्याचा स्फोट घडवून आणला असता मुक्त होणारी ऊर्जा. ही सुमारे १ अब्ज कॅलरी इतकी किंवा सुमारे ४.२ अब्ज ज्यूल्स इतकी असते. त्यामुळे, किलोटन टी.एन.टी. परिमाणात ही ऊर्जा ०.३५४ किलो टन टी.एन.टी. इतकी होईल. तुलना करायची झाल्यास असे सांगता येईल की, हिरोशिमा येथे ६ ऑगस्ट १९४५ रोजी टाकण्यात आलेल्या अणुस्फोटकातील ऊर्जा १५ किलो टन टी.एन.टी. इतकी म्हणजेच २३५ ग्रॅम युरेनियम-२३५ मधील विदलन ऊर्जेच्या सुमारे ४२ पट इतकी होती. ही एवढी प्रचंड ऊर्जा सघनता, हेच युरेनियम-२३५ चे अमोघ सामर्थ्य आहे. अख्ख्या मुंबई शहरास तासभर पुरून उरेल एवढी ही वीज आहे. २३५ ग्रॅम युरेनियम-२३५ चे आकारमान केवळ १२.३ घन सें.मी. इतके म्हणजे पसाभरही होत नाही.
अणुस्फोट व त्याचे पर्यवसान
थोडक्यात अणुस्फोट ही, युरेनियम-२३५ या किंवा तत्सम अत्यंत ऊर्जासघन द्रव्यात वस्तुमानाच्या स्वरूपात साठवलेली प्रचंड ऊर्जा, निरंतर चालणार्‍या विदलनाच्या साखळी प्रक्रियेद्वारे, सूक्ष्मातिसूक्ष्म काळात, बिंदूमात्र अवकाशात, एकाचवेळी मुक्त करण्याची प्रक्रिया आहे. यामुळे जिथे स्फोट होतो त्या ठिकाणापासून अनेक किलोमीटरपर्यंत संपूर्ण विध्वंस घडून येतो. आनुषंगिक नुकसान सर्व जगभरच जाणवते. एवढेच नव्हे तर या विध्वंसाचे मानवी शरीरावरील काही परिणाम पुढील अनेक पिढ्यांपर्यंत टिकून राहणारे असतात.
युरेनियम-२३५ ची संहती कशी साधली जाते?
मात्र हे सारे तेव्हाच घडू शकेल जेव्हा युरेनियम-२३५ चे क्रांतिक वस्तुमान एकत्र येईल. युरेनियम-२३५ हे द्रव्य अत्यंत ऊर्जा सघन आहे. वर्तमान निसर्गात ते अत्यंत विखुरलेल्या अवस्थेत असल्याने त्याचा किरणोत्साराविना दुसरा कोणताच त्रास आपल्याला होत नाही. अर्थातच हे द्रव्य जर एकत्र आले तर त्याचा विस्फोट होणे आणि ते द्रव्य पुन्हा विखरून विरल होणे, ही प्रक्रिया नैसर्गिक आहे. म्हणूनच हे मूलद्रव्य हजारात सात इतक्या विरल प्रमाणात, नैसर्गिक युरेनियममध्ये विखुरले गेलेले आहे. या नैसर्गिक विरलीकरण प्रक्रियेच्या विरुद्ध प्रक्रिया साधून, युरेनियम-२३५ ची संहती (काँसेंट्रेशन) साधता आली तर स्फोट घडवता येईल. मात्र ती साधायची कशी?
विदलनकारी पदार्थाचे वस्तुमान आणि समृद्धी (संहती, सघनता पातळी) हेच त्या नमुन्याच्या वस्तुमानाची क्रांतिकता ठरवतात. जर वस्तुमान एका अतिपातळ तक्त्याच्या स्वरूपात असेल तर, बव्हंशी मुक्त विरक्तक, विदलनकारी पदार्थाच्या अणूच्या संपर्कात येण्याऐवजी अवकाशात विखरून जातील. एखाद्या निश्चित पृष्ठभागात बंदिस्त केलेल्या आकारमानांमधे चेंडूसारख्या गोल आकारातच जास्तीत जास्त आकारमान सामावत असल्यामुळे, तोच आकार अणुस्फोटकास योग्य ठरतो. युरेनियम-२३५ चे क्रांतिक वस्तुमान, एका चेंडूसारख्या गोलात एकत्र गोळा केल्यास, त्याचा स्वयंस्फूर्तीने स्फोट होऊ शकतो. या वस्तुमानास युरेनियम-२३५ चे क्रांतिक वस्तुमान म्हणतात. रासायनिक संहती साधणे ही प्रक्रिया, अगदी क्षारापासून आम्ल तयार करणे, उसापासून साखर तयार करणे इत्यादी प्रक्रियांसारखीच असते. नंतर क्रांतिक वस्तुमान भौतिक संपर्कात एका जागी येण्याने कमी क्षमतेचा स्फोट घडून येऊन सारी जुळणी उधळून जाऊ शकते. म्हणून क्रांतिक वस्तुमानाच्या दोन, सुमारे सारख्या तुकड्यांत युरेनियम-२३५ गोळा केला जातो आणि बंदुकीच्या गोळ्या परस्परांवर उडवाव्यात अशा त्वरेने ही दोन वस्तुमाने परस्परांस धडकावीत अशी सोय केली जाते. या यांत्रिक सोयीलाच बत्तीची व्यवस्था म्हणतात. चाप दाबल्यावर मग बत्ती दिली जाते, दोन अर्धी क्रांतिक वस्तुमाने परस्परांस धडकतात. एक पूर्ण, क्रांतिक वस्तुमान सूक्ष्मांश सेकंदाकरता तयार होऊन साखळी प्रक्रिया सुरू केली जाते, सूक्ष्मांश सेकंदात ती परिणत होते आणि सर्व क्रांतिक वस्तुमानातील सर्व ऊर्जा एकदम उधळून, सूक्ष्मांश सेकंदात पूर्णही होते. मग वरील “स्फोट म्हणजे काय?” या परिच्छेदात वर्णिल्यानुसार घटना घडून येतात आणि स्फोटाचे इतिकर्तव्य असलेला विध्वंस प्रत्यक्षात घडवून आणतात.
अणुऊर्जा संयंत्रात मात्र क्रांतिक वस्तुमान खूपच नियंत्रित पद्धतीने एकत्र केले जाते, हाताळले जाते आणि विमोचित ऊर्जा काढून घेतल्यानंतरच प्रक्रियेस पुढे जाऊ दिले जाते, त्यामुळे सर्व ऊर्जा एकसमयावच्छेदेकरून मुक्त होऊच शकत नाही आणि त्यामुळे स्फोट होत नाही.
संदर्भः
[१] विकिपेडियावरील
क्रांतिक वस्तुमानाची माहिती https://en.wikipedia.org/wiki/Critical_mass. या
दुव्यावर युरेनियम-२३५ करता हे वस्तुमान ५२ किलोग्रॅम असल्याचे म्हटले आहे.
कोणत्याही टिप्पण्‍या नाहीत:
टिप्पणी पोस्ट करा