अणुकेंद्रीय परिचालन

अणुकेंद्रीय परिचालन

पेट्रोल, डीझेल तेल अथवा कोळसा यांसारखी इंधने जाळून निर्माण होणाऱ्या उष्णतेच्या साहाय्याने वाहनांना गती देता येते हे सर्वांच्या परिचयाचे आहे. अणुभंजन (अणुकेंद्र फुटणे) विक्रियेमध्येही उष्णता निर्माण होत असल्यामुळे याही उष्णतेचा वाहनांना गती देण्यास उपयोग करणे म्हणजे परिचालन तत्त्वत: शक्य आहे. उदा., अणुकेंद्रीय शक्तीवर मोटारी, आगगाड्या, आगबोटी आणि विमाने चालवणे. पण हे प्रत्यक्षात घडणाच्या मार्गात फार मोठ्या अडचणी आहेत आणि म्हणून सर्वच वाहने अणुकेंद्रीय शक्तीवर चाललेली नजीकच्या भविष्यात तरी दिसणार नाहीत.

सर्वसाधारणपणे वाहनांचे दोन प्रकार पाडता येतील. (१) कमी ⇨ अश्वशक्ती लागणारी मोटार, फटफटी अथवा आगगाडी यांसारखी वाहने व (२) जास्त अश्वशक्ती लागणारी मोठ्या आगबोटीसारखी वाहने. यांपैकी जास्त अश्वशक्ती लागणाऱ्या मोठ्या वाहनांच्या बाबतीत अणुशक्तीची उपयोग फायदेशीर ठरण्याची शक्यता आहे. कारण सर्वसाधारणपणे अणुकेंद्रीय विक्रियकांचा (अणुकेंद्रीय विक्रिया ज्या उपकरणात घडवून आणतात ते उपकरण) भांडवली खर्च हा त्याच अश्वशक्तीच्या कोळसा अगर तेलावर चालणाऱ्या एंजिनाच्या भांडवली खर्चापेक्षा नेहमीच जास्त असतो. याशिवाय कमी अश्वशक्तीच्या अणुकेंद्रीय विक्रियकांचा इंधनखर्चही जास्त असतो. जसजसे अणुकेंद्रीय विक्रियकांचे आकारमान किंवा शक्ती वाढते तसतसा त्यांचा दर अश्वशक्तीसाठी होणारा इंधनखर्च कमी होतो. म्हणून एका किमान मर्यादेपेक्षा अधिक शक्तीशाली अणुकेंद्रीय विक्रियक परिचालनासाठी वापरावयाचे ठरविले तरच ते किफायतशीर ठरेल. २५,००० अश्वशक्ती हा आकडा अशा मर्यादेचा द्योतक समजावयाला हरकत नाही. ही मर्यादा अर्थात अणुकेंद्रीय विक्रियकाच्या विशिष्ट रचनेवर व त्याचप्रमाणे इतर अनेक गोष्टींवर अवलंबून असते. मोटारीची अश्वशक्ती ही साधारणपणे पाच ते पन्नास अश्वशक्ती एवढीच असते. रेल्वे एंजिनाची काही शेकड्यात असते. म्हणून कमी शक्ती लागणाऱ्या वाहनांच्या दृष्टीने डीझेल अथवा पेट्रोल हीच महत्त्वाची इंधने होत. या वाहनांकरिता अणुकेंद्रीय परिचालनाचा फारसा उपयोग नाही.

जलप्रवास

अणुकेंद्रीय परिचालन व्यवहार्य आणि किफायतशीर ठरण्याच्या दृष्टीने विचार करावयाचा ठरविले तरच वर दिलेली मर्यादा सर्वसाधारणपणे लक्षात घ्यावयास पाहिजे. पण काही वेळा किफायतशीरपणापेक्षा दुसऱ्याच विशेष बाबींचा विचार करावा लागतो. रशिया, अमेरिका यांसारख्या राष्ट्रांनी आरमारी जहाजांसाठी व पाणबुड्यांसाठी अणुकेंद्रीय परिचालनाचा स्वीकार केलेला दिसतो, तो लष्करी दृष्टीने. एकदा अणुकेंद्रीय परिचालकातील इंधन बदलले की कित्येक महिने इंधन न बदलता अणुकेंद्रीय विक्रियक शक्तिपुरवठा करू शकतो व त्यामुळे अशा प्रकारच्या जहाजांचा पल्ला पुष्कळच वाढतो.

अणुशक्तीवर चालणारी पाणबुडी

पाणबुड्यांसाठी अणुकेंद्रीय परिचालनाचा उपयोग केल्यामुळे पाणबुड्यांची संहारशक्ती फार वाढली आहे. पेट्रोल अथवा डीझेल तेलावर चालणाऱ्या पाणबुड्यांना या तेलांच्या ज्वलनासाठी लागणाऱ्या ऑक्सिजनाच्या टाक्या बरोबर बाळगाव्या लागतात. तसेच त्यांना मधूनमधून समुद्रपृष्ठावर हवा घेण्यासाठी यावेच लागते; त्यामुळे विनाशिका, हेलिकॉप्टर अथवा विमाने यांच्या टेहळणीस तोंड द्यावे लागते. पृष्ठभागावर वावरणाऱ्या जहाजांना स्वत:चे संरक्षण करणे जास्त सुलभ जाते. उलट पृष्ठभागावर आलेली पाणबुडी स्वत:च जास्त असुरक्षित असते. पुन्हा पाणबुडीत तेलाचा साठा मर्यादित असल्यामुळे पूर्वी त्यांना किनाऱ्यापासून किंवा तेलपुरवठा करणाऱ्या जहाजांपासून फार दूर जाणे शक्य नसे. पण हल्ली अणुकेंद्रीय विक्रियकांचा परिचालक म्हणून उपयोग सुरू झाल्यापासून या पाणबुड्यांच्या संचारक्षेत्रात अपरिमित वाढ झाली आहे. ‘नॉटिलस’ नावाच्या पाणबुडीने तर बर्फाखालील थंड पाण्याच्या थरातून खुद्द उत्तर ध्रुवाचीही सफर पार पाडली आहे. हवाई बेटांपासून इंग्लंडपर्यंतचा प्रवास १९ दिवसांत पार पडला. ‘स्केट’ या पाणबुडीनेही अशा तऱ्हेचा प्रवास केला व त्या प्रवासात नऊ वेळा उत्तर धुव्राजवळच्या सरोवरांमध्ये ती जलपृष्ठावर आली. १९६८ मध्येच ‘सी वूल्फ’ या पाणबुडीने पाण्याखालून साठ दिवसांचा प्रवास केला.

अणुकेंद्रीय परिचालक

अणुकेंद्रीय परिचालकाचा साधा प्रकार म्हणजे संपन्न युरेनियम वापरणारा विक्रियक होय. विक्रियकाची उष्णता उच्च दाबाखाली असणाऱ्या द्रवरूप सोडियम किंवा पाणी यांसारख्या शीतकांच्या द्वारे बाष्पजनकाला मिळते. बाष्पजनकामधून निघणाऱ्या वाफेवर एंजिन किंवा वाफचक्की (टरबाइन) चालते. अणुकेंद्रीय विक्रिया बाह्य वातावरण किंवा ऑक्सिजन यांवर अवलंबून नसल्यामुळे पाण्यावर किंवा पाण्याच्या आत प्रवास करणाऱ्यास नौकेसाठी अणुकेंद्रीय परिचालक अत्यंत कार्यक्षम असतो. लहान चेंडूच्या आकारमानाच्या युरेनियमापासून मिळणारी शक्ती नवीन इंधनाची पुन:स्थापना न करता ‘नॉटिलस’ सारख्या पाणबुडीला हजारो किलोमिटर प्रवासाला पुरेशी पडते.

अणुशक्तीवर चालणाऱ्या पाणबुडीचे वैशिष्ट्य व महत्त्व अन्न, पाणी व हवा यांकरिता जलपृष्ठावर येण्याची आवश्यकता नसणारी अणुशक्तीवर चालणारी पाणबुडी खऱ्या अर्थाने ‘जलांत:संचारिणी’ झाली आहे. या पाणबुड्यांना विमानाच्या रडाराचा व हवामानाचा उपद्रव होत नसल्यामुळे त्यांचा विनाश करणे फार कठीण होईल. तुलनेने अशी पाणबुडी अभेद्य व सुरक्षित असल्यामुळे क्षेपणास्त्रांसाठी तळ म्हणून तिची निवड होणे साहजिक आहे. पोलॅरिस अस्त्रे बसविलेल्या पाणबुड्या समुद्रात खोल बुडून आपले काम करतात. अशा पाणबुड्या म्हणजे पाण्याखालून फिरणारे लष्करी तळच होय. भावी प्रगतीव्यापारी व प्रवासी पाणबुड्यांच्या योजना कार्यान्वित आहेत. जपानी मित्सुबिशी कंपनीने ३० हजार टनी तेलवाहू पाणबुडीची योजना जाहीर केली आहे, त्याचप्रमाणे २३ मी. लांबीच्या प्रवासी पाणबुडीची योजना दुसऱ्या एका कंपनीने कार्यान्वित केली आहे. १९५८ च्या फेब्रुवारीमध्ये अमेरिकेच्या ‘मॅरिटाइम कमिशन’ ने अणुशक्तीवर चालणाऱ्या तेलवाहू पाणबुड्या तयार करण्याचे ठरविले. अशा पाणबुड्या पाण्याखाली ३०–६० मी. असल्या तरी पुरेसे आहे. लष्करी पाणबुड्यांकरिता उच्च दाब सहन करणाऱ्या धातू वापराव्या लागतील, त्यामुळे त्यांना १४०० मी. खोलीपर्यंत खाली बुडता येईल. समुद्राच्या पाण्यापासूनच जीवनावश्यक ऑक्सिजन मिळवावा लागेल, एवढेच काय पण पिण्याच्या पाण्याप्रमाणे अन्नही तयार करण्यात प्रगती होईल. थोडक्यात, प्रदीर्घ कालापर्यंत तरी अशी पाणबुडी म्हणजे स्वंयपूर्ण व स्वावलंबी युद्धनौकेचा आदर्शच ठरेल. आतापर्यंत ‘सॅव्हाना’ नावाचे एक व्यापारी जहाज आणि ‘लेनिन’ नावाचे बर्फ फोडून समुद्रमार्ग मोकळे करणारे जहाज सोडल्यास बहुसंख्य अणुकेंद्रीय परिचालक नौदलाच्या विनाशिका, पाणबुड्या व विमानवाहू जहाजांसाठीच वापरण्यात आले आहेत. पण येत्या काही वर्षांत ४०,००० टन वजनापेक्षा मोठी मुलकी जहाजे चालविण्यासाठी अणुशक्तीचा वाढता वापर होऊ लागेल. अर्थात अशा प्रकारे परिचालकांची संख्या वाढू लागली की, त्यामुळे काही समस्या निर्माण होतील. उदा., दोन जहाजांच्या टकरी होणे ही गोष्ट काही अशक्य नाही. तेव्हा अशा टकरीमध्ये जर एखाद्या अणुकेंद्रीय विक्रियकाला धक्का पोचून त्यात साठलेले किरणोत्सर्गी (अणुकेंद्र फुटून त्यातून कण किंवा किरण बाहेर टाकणारे) पदार्थ सर्वत्र फैलावले तर मोठीच आपत्ती ओढवेल. म्हणून सुरुवातीला काही वर्षे तरी अनेक अशा देशा जहाजांना आपल्या मोठ्या वस्तीच्या बंदरात प्रवेश द्यावयाला प्रतिबंध करतील. दुसरी प्रमुख अडचण म्हणजे अशा प्रकाराचे विक्रियक फक्त फार मोठ्या अश्वशक्ती लागणाऱ्या जहांजावरच बसविणे किफायतशीर ठरेल. पण या जहाजांचा आकार एवढा मोठा असेल की सुएझ कालव्यासारख्या उथळ वाहतूक मार्गाचा त्यांना उपयोग करता येणार नाही. म्हणजे सुरुवातीला अशा परिचालकांचा उपयोग काही विशिष्ट मार्गांवरच होऊ शकेल. म्हणून अशा प्रकाराच्या व्यावहारिक अडचणींवर मात करून अणुकेंद्रीय परिचालक सागरी वाहतुकीसाठी रूढ होण्यास आणखी काही काल जावा लागेल.

अंतराळ प्रवास

अणुकेंद्रीय परिचालनाला विशेष वाव असणारे क्षेत्र म्हणजे अंतराळ प्रवास. हल्ली अंतराळ प्रवासासाठी रासायनिक इंधनावर चालणारे अग्निबाण (रॉकेट) वापरले जातात. रासायनिक इंधनाची निवड करताना त्याचा विशिष्ट आवेग (प्रेरणा × काल) लक्षात घ्यावा लागतो. विशिष्ट आवेग दर सेकंदाला बाहेर पडणाऱ्या प्रत्येक किलोग्रॅम वजनाच्या इंधनामागे उत्पन्न होणारी प्रेरणा किग्रॅ. मध्ये असल्यामुळे तो सेकंदामध्ये मोजतात (वजन पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील धरावयाचे). हायड्रोजन व फ्ल्युओरीन वायूंचे मिश्रण हे सर्वांत प्रभावी रासायनिक इंधन होय. ह्या इंधनाचा विशिष्ट आवेग अदमासे १९१ सेकंद आहे. याउलट अणुकेंद्रीय विक्रियकातून निर्माण होणाऱ्या उष्णतेचा उपयोग हायड्रोजन वायू तापविण्यासाठी केला व असा २५००० के. तपमानाला (०० से. = २७३० के.) तापवलेला वायू अग्निबाणाच्या टोकाला असलेल्या तोटीतून सोडला तर २६० सेकंद एवढा विशिष्ट आवेग निर्मिता येईल. त्यामुळे मोठे अधिक प्रभावी अग्निबाण सोडणे शक्य होईल. अणुशक्तीचा उपयोग करणाऱ्या सामान्य अग्निबाणांमध्ये विक्रियकामध्ये उत्पन्न झालेली उष्णता कार्यकारी द्रायू (वायू आणि द्रव यांना मिळून वापरण्यात येणारी संज्ञा) तापविण्याकरिता व उष्ण वायूंचे तोटीच्या द्वारे निष्कासन (बाहेर फेकण्याची क्रिया) करण्याकरता उपयोगात येते. कार्यकारी द्रायू म्हणून किमान रेणुभार असलेला हायड्रोजन (किंवा त्याचे संयुग) उपयुक्त ठरतो. कार्यकारी द्रायू जळत नाही व तापून बाहेर पडतो. रासायनिक अग्निबाणाच्या तुलनेने मिळणारा विशिष्ट आवेग सुमारे तिप्पट असूनसुद्धा प्रवेग (वेग बदलण्याचे प्रमाण) तोच रहातो.

अशा अग्निबाणाची आकृती पुढे दिली आहे. अशा तऱ्हेचे अग्निबाण आंतरग्रहीय प्रवासाकरिता फायदेशीर ठरतील.

येथे द्रायूस उष्णता देणे व दाब उत्पन्न करणाऱ्या पात्राच्या भिंती बंद ठेवणे हे प्रश्न आहेतच; परंतु मुख्य प्रश्न म्हणजे विक्रियकापासून निघणाऱ्या किरणोत्सर्गी द्रव्यापासून आणि किरणांपासून संरक्षण करणे आणि एंजिनाचा वेग हळूहळू कमी करणे हे होत. तरीसुद्धा आंतरग्रहीय प्रवासाची शक्यता या अग्निबाणांच्या यशस्वितेवरच अवलंबून आहे. अणुकेंद्रीय संघटन (दोन अणुकेंद्रांचा संयोग होण्याच्या) विक्रियांमुळे उत्पन्न होणाऱ्या उष्णतेचा वापर तपमान वाढविण्याकरिता अत्यंत उपयुक्त ठरेल. परंतु यासंबंधीचा विचार संघटन-विक्रियेचे नियंत्रण करणे साध्य झाल्यावरच करता येईल. याच्या पुढची पायरी म्हणजे अणुकेंद्रीय विक्रियकांच्या द्वारा वीज निर्माण करणे व या विजेच्या साहाय्याने लिथियम, सोडियम, पोटॅशियम अथवा सिझियम यांसारख्या धांतूच्या आयनांना (विद्युत् भारित अणूंना) वेगयुक्त करणे. अशा अतिवेगवान आयनांना अग्निबाणाच्या तोटीतून बाहेर सोडून १,१३५ ते ६,८१५ सेकंद एवढा विशिष्ट आवेग [→ रॉकेट] निर्माण करता येईल. अर्थात अणुकेंद्रीय विक्रियकाचे वजन जास्त असल्यामुळे या आवेगांमुळे निर्माण होणारा प्रवेग मर्यादित रहातो. पण प्रवेग मर्यादित राहिला तरी दीर्घकाल टिकणाऱ्या प्रवेगामुळे अंतिम वेग फार प्रचंड होतो. त्यामुळे दूरवरच्या प्लुटोसारख्या ग्रहाच्या सफरीला रासायनिक इंधनयुक्त अग्निबाणाला तीस ते चाळीस वर्षे लागतील, तर त्याच सफरीकरिता अणुकेंद्रीय परिचालनावर चालणारे आयन एंजिन असलेल्या अग्निबाणाला तीन ते चार वर्षे पुरतील. जवळच्या सफरीला मात्र जास्त प्रवेग असणाऱ्या अग्निबाणाचा फायदा नाही. पण जसजसे अंतर वाढेल त्या प्रमाणात अणुकेंद्रीय परिचालनावर चालणारे आयन एंजिन असलेला अग्निबाण अधिक योग्य ठरेल.(चित्रपत्र २०)

पहा: अणुकेंद्रीय अभियांत्रिकी; अणुऊर्जा; रॉकेट.

संदर्भ : 1. Liverhant, S. E. Introduction to Nuclear Reactor Physics, New York 1960.2. Seipert, H. S. Ed, Space flight Technology, New York, 1959.परांजपे, श्री. रा.

 

 

 

 

 

 

स्त्रोत: मराठी विश्वकोश