एक परमाणु रिएक्टर नियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के माध्यम से बिजली उत्पन्न करता है जिसमें समृद्ध यूरेनियम या प्लूटोनियम जैसे विखंडनीय पदार्थ शामिल होते हैं।
- ईंधन छड़ें: समृद्ध यूरेनियम या प्लूटोनियम।
- नियंत्रण छड़ें: बोरान या कैडमियम।
- मंदक (मॉडरेटर): पानी, ग्रेफाइट, या भारी पानी।
- शीतलक: पानी, दबावयुक्त पानी, या तरल सोडियम।
- रिएक्टर पोत: मजबूत स्टील कंटेनर।
- भाप जनरेटर: पानी को भाप में परिवर्तित करता है।
- टरबाइन: जनरेटर चलाता है।
- कंडेनसर: भाप को ठंडा करके पानी बनाता है।
- संवाहन भवन(कन्टेनमेंट बिल्डिंग ): प्रबलित कंक्रीट या इस्पात संरचना।
{परमाणु रिएक्टर में, नियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाएं होती हैं, जहां भारी परमाणुओं, जैसे यूरेनियम -235 या प्लूटोनियम -239 के नाभिक, छोटे नाभिक में विभाजित होते हैं, इस प्रक्रिया में बड़ी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न होती है। यह ऊर्जा शीतलक, आमतौर पर पानी या गैस को गर्म करती है, जो फिर ऊष्मा को एक द्वितीयकद्/माध्यमिक प्रणाली में स्थानांतरित करती है, जहां इसका उपयोग भाप उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। भाप जनरेटर से जुड़े टर्बाइनों को चलाती है, जिससे बिजली पैदा होती है।}
भारत का न्यूक्लियर एनर्जी मिशन 2025 का लक्ष्य 2031 तक देश की परमाणु ऊर्जा क्षमता को 8180 मेगावाट (जनवरी 2025 तक) से बढ़ाकर 22,480 मेगावाट करना है। इसके तहत छोटे मॉड्यूलर रिएक्टरों (SMRs) और अंतर्राष्ट्रीय सहयोग का उपयोग किया जाएगा। यह मिशन भारत के 2070 तक नेट-जीरो लक्ष्य और ऊर्जा सुरक्षा को सुनिश्चित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
न्यूक्लियर एनर्जी मिशन 2025 के उद्देश्य:
- क्षमता विस्तार – 2031 तक परमाणु ऊर्जा क्षमता को तीन गुना (22,480 मेगावाट) करना।
- SMR तैनाती – 2035 तक 300 मेगावाट क्षमता वाले 50 से अधिक छोटे मॉड्यूलर रिएक्टर स्थापित करना।
- ऊर्जा मिश्रण – 2047 तक कुल विद्युत उत्पादन में 9% भागीदारी परमाणु ऊर्जा से प्राप्त करना।
- स्वदेशीकरण – 2030 तक थोरियम-आधारित AHWR-300 रिएक्टर का स्वदेशी विकास।
- औद्योगिक अनुप्रयोग – परमाणु ऊर्जा से संचालित 10 से अधिक मेगा डीसालीनेशन संयंत्रों की स्थापना।
- परिवहन क्रांति – रेलवे के 100% विद्युतीकरण में परमाणु ऊर्जा का उपयोग।
- ग्रामीण पहुँच – लद्दाख और अंडमान जैसे क्षेत्रों में 10 मेगावाट क्षमता के माइक्रो-रिएक्टरों की तैनाती।
1950 के दशक में, भारतीय परमाणु कार्यक्रम के जनक डॉ. होमी भाभा ने भारत के तीन-चरणीय परमाणु कार्यक्रम की संकल्पना की।
भारत के परमाणु ऊर्जा कार्यक्रम के पीछे उद्देश्य
- विश्वव्यापी यूरेनियम भंडार के एक छोटे हिस्से के विपरीत भारत के पास विश्वव्यापी थोरियम भंडार का सबसे बड़ा हिस्सा है। लेकिन, थोरियम एक विखंडनीय पदार्थ नहीं है। लेकिन, यह एक अन्य विखंडनीय पदार्थ, U-233 का उत्पादन कर सकता है। U-233 सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला परमाणु ईंधन है।
- यू-233 का उत्पादन और थोरियम ईंधन चक्र प्राप्त करना एक चरण वाली प्रक्रिया नहीं है, इसीलिए भारत को तीन चरणों वाले कार्यक्रम की आवश्यकता है। इसलिए, उद्देश्य थोरियम ईंधन चक्र को प्राप्त करना और ऊर्जा मांगों को पूरा करने में आत्मनिर्भर होना है।
चरण I – दाबित भारी जल रिएक्टर (PHWR) Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR):
- प्राकृतिक यूरेनियम-ईंधन वाले PHWR बिजली और प्लूटोनियम-239 का उत्पादन करते हैं।
- [U-238 → प्लूटोनियम-239 + ऊष्मा]
- यूरेनियम संवर्धन की आवश्यकता नहीं है; U-238 का सीधे उपयोग किया जाता है।
- भारी जल (D2O) मॉडरेटर और शीतलक के रूप में कार्य करता है।
- PHWR को संवर्धन की आवश्यकता के बिना उनके कुशल यूरेनियम उपयोग के लिए चुना गया था।
चरण II – फास्ट ब्रीडर रिएक्टर (एफबीआर):(Fast Breeder Reactor )(FBR):
- दूसरे चरण में, FBR पहले चरण के खर्च किए गए ईंधन और प्राकृतिक यूरेनियम से प्राप्त प्लूटोनियम-239 का उपयोग करते हैं।
- प्लूटोनियम-239 ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए विखंडन से गुजरता है, जबकि यूरेनियम-238 अतिरिक्त प्लूटोनियम-239 में परिवर्तित हो जाता है।
- इस प्रकार, स्टेज II एफबीआर को खपत से अधिक ईंधन “उत्पादन” करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक बार प्लूटोनियम-239 की सूची तैयार हो जाने पर थोरियम को रिएक्टर में एक blanket सामग्री के रूप में पेश किया जा सकता है और तीसरे चरण में उपयोग के लिए यूरेनियम-233 में परिवर्तित किया जा सकता है।
- एफबीआर में मॉडरेटर की आवश्यकता नहीं है।
चरण III – थोरियम-आधारित रिएक्टर:
- उन्नत भारी जल रिएक्टर (AHWR) को प्राथमिक ईंधन के रूप में थोरियम का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
- तीसरे चरण में थोरियम-232-यूरेनियम-233 ईंधन वाले रिएक्टरों की एक मुक्त श्रृंखला शामिल है।
- थोरियम U-233 में परिवर्तित हो जाता है जो रिएक्टर को शक्ति प्रदान करता है। नवीन थोरियम ख़त्म हो चुके थोरियम की जगह ले सकता है।
‘भारत के त्रि-चरणीय परमाणु ऊर्जा कार्यक्रम की वर्तमान स्थिति:
- फिलहाल भारत इस कार्यक्रम के दूसरे चरण में है.
- भारत के तीन-चरणीय परमाणु कार्यक्रम के महत्वपूर्ण दूसरे चरण को तमिलनाडु के कलपक्कम में देश के पहले स्वदेशी फास्ट ब्रीडर रिएक्टर (FBR) में ‘कोर लोडिंग’ की शुरुआत के साथ बढ़ावा मिला।
- इसके चालू होने के बाद, भारत रूस के बाद वाणिज्यिक परिचालन वाला एफबीआर रखने वाला दूसरा देश होगा।
- पीएचडब्ल्यूआर(PHWR) कार्यक्रम भी चल रहा है, और भारत-अमेरिका असैन्य परमाणु समझौता भारत को घरेलू रिएक्टरों के लिए यूरेनियम खरीदने की अनुमति देता है, जिससे परमाणु कार्यक्रम में तेजी आती है।
- डीएई( DAE)का लक्ष्य 2032 तक 22,400 मेगावाट का है, जिसमें ‘फ्लीट मोड’ में 10 नए पीएचडब्ल्यूआर की योजना बनाई गई है।
तीन-चरणीय कार्यक्रम को लागू करके, भारत का लक्ष्य एक मजबूत और सुरक्षित परमाणु ऊर्जा बुनियादी ढांचा विकसित करना है जो इसकी बढ़ती ऊर्जा मांगों, आर्थिक विकास और पर्यावरणीय लक्ष्यों का समर्थन करता है।
नाभिकीय संलयन वह प्रक्रिया है जिसमें दो हल्के परमाणु नाभिक मिलकर एक भारी नाभिक बनाते हैं, जिससे बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है।
नाभिकीय संलयन में ऊर्जा निकलना
सूर्य थर्मोनाभिकीय संलयन द्वारा ऊर्जा उत्पन्न करता है, मुख्य रूप से प्रोटॉन-प्रोटॉन (pp) चक्र के माध्यम से।
चरणबद्ध अभिक्रियाएँ:
चरण 1: दो प्रोटॉन मिलकर ड्यूटेरियम बनाते हैं, एक पॉजिट्रॉन और एक न्यूट्रिनो निकलता है।
चरण 2: ड्यूटेरियम एक प्रोटॉन के साथ संलयन करके हीलियम-3 बनाता है, एक गामा-किरण फोटॉन निकलता है।
चरण 3: दो हीलियम-3 नाभिक मिलकर हीलियम-4 बनाते हैं, दो प्रोटॉन निकलते हैं।
कुल अभिक्रिया : चार प्रोटॉन मिलकर एक हीलियम-4 नाभिक बनाते हैं, दो पॉजिट्रॉन, दो न्यूट्रिनो और गामा किरणें निकलती हैं।
प्रति चक्र निकली ऊर्जा = 26.7 MeV
सूर्य द्वारा तारों को ऊर्जा प्रदान करना
- हाइड्रोजन नाभिकों का संलयन : तारों में, हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) अत्यधिक उच्च तापमान (~1.5 करोड़ °C) पर टकराते हैं और प्रोटॉन-प्रोटॉन चक्र नामक अभिक्रियाओं की श्रृंखला के माध्यम से हीलियम बनाते हैं।
- विद्युत-स्थैतिक प्रतिकर्षण पर काबू पाना : प्रोटॉन धनात्मक आवेशित होते हैं और एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। अत्यधिक उच्च तापमान और दबाव इस कूलॉम बाधा (Coulomb barrier) को पार करने के लिए आवश्यक गतिज ऊर्जा प्रदान करते हैं।
- द्रव्यमान ह्रास और ऊर्जा निकलना : परिणामी हीलियम नाभिक का द्रव्यमान मूल चार प्रोटॉनों के संयुक्त द्रव्यमान से थोड़ा कम होता है। यह द्रव्यमान अंतर (द्रव्यमान ह्रास) आइंस्टीन के समीकरण E=mc² के अनुसार ऊर्जा में परिवर्तित होता है।
E=mc2
- गामा किरण उत्सर्जन : संलयन के दौरान उच्च-ऊर्जा गामा किरणें निकलती हैं। ये गामा किरणें तारे की परतों से बाहर की ओर बढ़ते समय धीरे-धीरे अपनी ऊर्जा खो देती हैं और अंततः दृश्य प्रकाश और गर्मी के रूप में उत्सर्जित होती हैं।
इलेक्ट्रॉनों की तरह, प्रत्येक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में 1/2 का आंतरिक स्पिन होता है। इसलिए, नाभिक में भी स्पिन कोणीय गति होती है। जब परमाणु स्पिन से जुड़े इस परमाणु चुंबकीय आघूर्ण को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो ऊर्जा स्तर विभिन्न चुंबकीय संभावित ऊर्जा स्तरों में विभक्त हो जाता है । उचित आवृत्ति पर एक रेडियो फ्रीक्वेंसी सिग्नल स्पिन स्तरों (‘स्पिन फ्लिप’) के बीच संक्रमण को प्रेरित कर सकता है।
इस प्रकार, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में अनुनाद की वो घटना जहां उचित आवृत्ति रेडियो तरंगों का चयनात्मक अवशोषण (या उत्सर्जन) परमाणु नाभिक (गैर-शून्य परमाणु स्पिन के साथ) की विभिन्न ऊर्जा स्थितियों के बीच एक स्पिन फ्लिप का कारण बनता है, परमाणु चुंबकीय अनुनाद कहलाती है
एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कार्बनिक अणुओं की संरचना को स्पष्ट करने, क्रिस्टल और गैर-क्रिस्टल का अध्ययन करने के लिए किया जाता है, और इसे चिकित्सा निदान इमेजिंग (एमआरआई) पर लागू किया जा सकता है।
एमआरआई के लिए एनएमआर सिद्धांत का अनुप्रयोग
- एमआरआई मस्तिष्क, हृदय और मांसपेशियों जैसे कोमल ऊतकों की इमेजिंग और कई अंगों में ट्यूमर का पता लगाने के लिए एक उपयोगी गैर-आक्रामक और गैर-विनाशकारी निदान उपकरण है।
- एमआरआई प्रोटॉन की सांद्रता का चित्रण करने के लिए प्रोटॉन एनएमआर का उपयोग करता है, जो इसे मस्तिष्क और आंखों जैसे कोमल ऊतकों के चित्रण के लिए आदर्श बनाता है। छवियों में उच्च प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक अधिक चमकीले दिखाई देते हैं, जबकि कम प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक, जैसे कि हड्डी, गहरे रंग के दिखाई देते हैं।
एमआरआई के घटक और कार्यप्रणाली
- प्रोटॉन संरेखण के लिए शक्तिशाली चुंबक: एमआरआई स्कैनर में एक शक्तिशाली चुंबक होता है (0.5 से 3 टेस्ला (T) या अधिक तक) जो एक मजबूत बाहरी चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। यह क्षेत्र शरीर के जल अणुओं में मौजूद हाइड्रोजन परमाणुओं (प्रोटॉन) के परमाणु स्पिन को संरेखित करता है।
- स्थानिक संकेतीकरण के लिए ग्रेडिएंट कॉइल्स: ग्रेडिएंट कॉइल्स विभिन्न स्थानिक आयामों में अलग-अलग चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पैदा करते हैं। X, Y , Z अक्षों के साथ ग्रेडिएंट लागू करके, एमआरआई स्कैनर शरीर के विशिष्ट क्षेत्रों से संकेतों को स्थानीयकृत कर सकता है, जिससे सटीक इमेजिंग में मदद मिलती है।
- स्पिन फ़्लिपिंग (अनुनाद) के लिए रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) कॉइल्स: ट्रांसमिट कॉइल्स आरएफ पल्स उत्पन्न करते हैं जो शरीर में प्रोटॉन को उत्तेजित करते हैं, जबकि रिसीवर कॉइल्स विश्राम के दौरान उत्तेजित प्रोटॉन द्वारा उत्सर्जित परिणामी संकेतों का पता लगाते हैं।
- छवि पुनर्निर्माण के लिए रिसीवर और कंप्यूटर: RF पल्स के जवाब में संरेखित प्रोटॉन द्वारा उत्सर्जित संकेतों का एमआरआई स्कैनर में रिसीवर द्वारा पता लगाया जाता है। फिर इन संकेतों को फूरियर ट्रांसफ़ॉर्मेशन का उपयोग करके एक कंप्यूटर द्वारा संसाधित(प्रोसेसिंग ) किया जाता है, जो सिग्नल की तीव्रता और समय में भिन्नता के आधार पर आंतरिक संरचनाओं की विस्तृत छवियों का पुनर्निर्माण करता है।
चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) एक चिकित्सा इमेजिंग तकनीक है जो शरीर में अंगों और ऊतकों की विस्तृत छवियां बनाने के लिए चुंबकीय क्षेत्र और कंप्यूटर-जनित रेडियो तरंगों का उपयोग करती है।
- MRI प्रोटॉन की सांद्रता की छवि बनाने के लिए प्रोटॉन एनएमआर का उपयोग करता है, जो इसे मस्तिष्क और आंखों जैसे कोमल ऊतकों की इमेजिंग के लिए आदर्श बनाता है। उच्च प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक छवियों में अधिक चमकीले/उज्ज्वल दिखाई देते हैं, जबकि कम प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक, जैसे कि हड्डी, गहरे रंग के दिखाई देते हैं।
MRI के फायदे
- कोमल ऊतकों और अंगों की विस्तृत छवियां प्रदान करता है, जिससे सटीक निदान में सहायता मिलती है।
- एक्स-रे जैसे आयनीकरण विकिरण का उपयोग नहीं करता है, जिससे स्वास्थ्य जोखिम कम हो जाता है और यह लगातार उपयोग के लिए सुरक्षित हो जाता है।
- उत्कृष्ट नरम ऊतक कंट्रास्ट प्रदान करता है, जो स्वस्थ और रोगग्रस्त ऊतकों के बीच बेहतर अंतर करने की अनुमति देता है।
- निदान: शरीर में अस्वस्थ ऊतक , ट्यूमर , तंत्रिका संबंधी विकारआदि का पता लगाने में , हड्डी की क्षति, ऊतक की स्थिति आदि का आकलन करने में , संयुक्त चोटों की सर्जरी योजना तैयार करने में
- अनुसंधान: तंत्रिका विज्ञान, कैंसर, मस्तिष्क की कार्य प्रणाली समझने में
अधिकांश एमआरआई मशीनें बड़ी, ट्यूब के आकार की चुंबक होती हैं। जब कोई एमआरआई मशीन के अंदर लेटा होता है, तो अंदर का चुंबकीय क्षेत्र शरीर में रेडियो तरंगों और हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ क्रॉस-सेक्शनल (द्वि आयामी /2 -D ) छवियां बनाने के लिए काम करता है।
MRI के घटक और कार्यप्रणाली
- प्रोटॉन संरेखण के लिए शक्तिशाली चुंबक (0.5-3 T): यह क्षेत्र शरीर के पानी के अणुओं में मौजूद हाइड्रोजन परमाणुओं (प्रोटॉन) के परमाणु स्पिन को संरेखित करता है।
- स्थानिक संकेतीकरण के लिए ग्रेडिएंट कॉइल्स: ग्रैडिएंट कॉइल विभिन्न स्थानिक आयामों में अलग-अलग चुंबकीय क्षेत्र की ताकत उत्पन्न करते हैं → शरीर के विशिष्ट क्षेत्रों की सटीक इमेजिंग की अनुमति देते हैं
- स्पिन फ़्लिपिंग (अनुनाद) के लिए रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) कॉइल्स: RF कॉइल , संरेखित स्पिन को उत्तेजित करता है और नमूने से आरएफ सिग्नल वापस प्राप्त करता है
- छवि पुनर्निर्माण के लिए रिसीवर और कंप्यूटर: RF पल्स के जवाब में संरेखित प्रोटॉन द्वारा उत्सर्जित संकेतों का एमआरआई स्कैनर में रिसीवर द्वारा पता लगाया जाता है। फिर इन संकेतों को कंप्यूटर द्वारा संसाधित(प्रोसेसिंग ) किया जाता है, जो सिग्नल की तीव्रता और समय में भिन्नता के आधार पर आंतरिक संरचनाओं की विस्तृत छवियों का पुनर्निर्माण करता है।
