युरेनियम रिअॅक्टर बदलण्यासाठी थोरियम अणुऊर्जा ही एक सुरक्षित तंत्रज्ञान आहे का?

या ब्लॉग पोस्टमध्ये थोरियम अणुऊर्जा ही एक सुरक्षित पर्यायी ऊर्जा तंत्रज्ञान बनू शकते का, जी विद्यमान युरेनियम अणुभट्ट्यांचे धोके कमी करते याचे परीक्षण केले आहे.

युरेनियम विखंडन अभिक्रियांचा वापर करणारा अणुऊर्जा उद्योग, थ्री माईल आयलंड अपघात आणि चेरनोबिल आपत्तीनंतरही 'आर्थिक व्यवहार्यता'वर भर देऊन वाढत राहिला आहे. तथापि, जपानमधील फुकुशिमा घटनेनंतर, सुरक्षिततेबद्दलच्या चिंता आणखी वाढल्या आहेत, ज्यामुळे त्याची गती मंदावली आहे, जर्मनी आणि तैवान सारख्या देशांनी अणुऊर्जा फेज-आउट धोरणे जाहीर केली आहेत. या परिस्थितीत, एक तंत्रज्ञान लक्ष वेधून घेत आहे: 'थोरियम रिअॅक्टर', जे युरेनियमऐवजी थोरियमच्या अणुविखंडन अभिक्रियाचा वापर करून वीज निर्माण करते. १९७० च्या दशकात अणु तंत्रज्ञानाच्या सुरुवातीच्या दिवसांपर्यंत युरेनियम रिअॅक्टर्ससोबत थोरियम रिअॅक्टर्सवर संशोधन केले जात होते परंतु त्या काळातील तांत्रिक आणि राजकीय-आर्थिक परिस्थितीमुळे ते बाजूला ठेवण्यात आले होते. आता युरेनियम रिअॅक्टर्स कमी होत चालले आहेत, तेव्हाच्या थोरियम रिअॅक्टर्सचे तोटे फायद्यांमध्ये बदलले आहेत, ज्यामुळे ते पुन्हा चर्चेत आले आहेत. थोरियम रिअॅक्टर्स साकार करण्यासाठी तत्त्वे, वैशिष्ट्ये, त्यांच्या नवीन लक्ष देण्याची कारणे आणि पद्धती तपासूया.
थोरियम रिअॅक्टर्स हे युरेनियम रिअॅक्टर्सपेक्षा मूलभूतपणे वेगळे असतात, ते वापरत असलेल्या इंधनापासून सुरुवात करतात आणि परिणामी, रिअॅक्टर कोरमध्ये होणाऱ्या प्रतिक्रिया देखील वेगळ्या असतात. नैसर्गिकरित्या होणारे सर्व थोरियम थोरियम-२३२ (²³²Th) म्हणून अस्तित्वात असतात ज्यांचे वस्तुमान संख्या २३२ असते. जेव्हा न्यूट्रॉन अणुभट्टीच्या आत २३२व्या केंद्रकावर आदळतो तेव्हा केंद्रक ते शोषून घेते आणि २३३Th बनते. हे पदार्थ अत्यंत अस्थिर असते आणि त्वरीत २३३Pa मध्ये क्षय होते. २३३Pa नंतर हळूहळू क्षय होते, सुमारे २७ दिवसांच्या अर्ध-आयुष्यासह, २३३U मध्ये. परिणामी २३३U, वस्तुमान संख्या २३३ सह, युरेनियम रिअॅक्टर्समध्ये वापरल्या जाणाऱ्या २३५U प्रमाणेच, तुलनेने कमी-ऊर्जा असलेल्या न्यूट्रॉनसह देखील विखंडन होते. थोरियम रिअॅक्टर्स २३३U च्या या विखंडन प्रक्रियेदरम्यान निर्माण होणाऱ्या थर्मल उर्जेपासून विद्युत ऊर्जा निर्माण करतात.
थोरियम रिअॅक्टर्स युरेनियम रिअॅक्टर्सपेक्षा अनेक फायदे देतात. पहिले म्हणजे, जागतिक थोरियम रिअॅक्टर्स युरेनियम रिअॅक्टर्सपेक्षा चार पट जास्त आहेत. शिवाय, युरेनियम रिअॅक्टर्स फक्त 235U वापरू शकतात, जे निसर्गात अत्यंत कमी प्रमाणात आढळते, तर थोरियम रिअॅक्टर्स संपूर्ण नैसर्गिक स्वरूपात, 232Th. युरेनियम रिअॅक्टर्स उच्च-स्तरीय किरणोत्सर्गी कचरा तयार करतात, जसे की प्लुटोनियम, ज्याची विषाक्तता हजारो वर्षे टिकते, ज्यामुळे त्याची विल्हेवाट लावणे ही एक मोठी समस्या बनते. तथापि, थोरियम रिअॅक्टर्स उच्च-स्तरीय किरणोत्सर्गी कचरा तयार करत नाहीत. ते निर्माण करणारा किरणोत्सर्गी कचरा काहीशे वर्षांत सामान्य कोळसा खाणींइतकी त्याची विषाक्तता कमी करतो.
थोरियम रिअॅक्टरचे सर्वात महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे फुकुशिमा आपत्तीसारख्या अनपेक्षित अपघातांमध्ये अणु अभिक्रिया आपोआप थांबवण्याची त्यांची क्षमता. युरेनियम रिअॅक्टरमध्ये, न्यूट्रॉन शोषून घेणारे युरेनियम केंद्रक विखंडनातून जात असताना अणु अभिक्रिया सतत घडते, ज्यामुळे पुनरावृत्ती चक्रात अधिक न्यूट्रॉन सोडले जातात. याला 'साखळी अभिक्रिया' म्हणतात. तथापि, थोरियम रिअॅक्टरच्या अभिक्रिया प्रक्रियेत, सुरुवातीला सादर केलेल्या संख्येपेक्षा कमी न्यूट्रॉन तयार होतात. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर, जोपर्यंत बाहेरून जास्त न्यूट्रॉन पुरवले जात नाहीत किंवा प्रतिक्रियेदरम्यान अधिक न्यूट्रॉन सोडले जात नाहीत तोपर्यंत अणु अभिक्रिया थांबते.
दशकांपूर्वी, जेव्हा थोरियम रिअॅक्टर्सवर पहिल्यांदा संशोधन करण्यात आले, तेव्हा त्यांची वैशिष्ट्ये - प्लुटोनियमसारखा उच्च-स्तरीय किरणोत्सर्गी कचरा निर्माण करणे आणि न्यूट्रॉन पुरवठ्याशिवाय अभिक्रिया थांबवणे - हे घातक दोष म्हणून पाहिले जात होते. शीतयुद्धादरम्यान, अणुऊर्जा प्रकल्प बांधण्याचा एक उद्देश अणुशस्त्रांसाठी प्लुटोनियमसारखे अणु पदार्थ मिळवणे हा होता; थोरियम रिअॅक्टर्स त्या ध्येयापासून खूप दूर होते. शिवाय, त्या काळाच्या दृष्टिकोनातून, जिथे कार्यक्षमता सर्वोच्च मूल्य होती, थोरियम रिअॅक्टर्स - स्वतःची प्रतिक्रिया टिकवून ठेवण्यास असमर्थ आणि बंद होण्याची शक्यता - युरेनियम रिअॅक्टर्सच्या तुलनेत 'निकृष्ट तंत्रज्ञान' म्हणून स्पष्टपणे पाहिले जात होते. तथापि, नंतर हे स्पष्ट झाले की युरेनियम रिअॅक्टर्सचा फायदा - स्वयंपूर्ण साखळी अभिक्रिया टिकवून ठेवण्याची त्यांची क्षमता - मानवी नियंत्रण गमावल्यास आपत्तीत बदलू शकते. १९८६ च्या चेरनोबिल अपघातामुळे रशिया आणि युक्रेनमधील अंदाजे ५ दशलक्ष लोक रेडिएशनच्या संपर्कात आले, तर काही वर्षांपूर्वी जपानमधील फुकुशिमा आपत्तीमुळे जवळजवळ ८०० लोकांचा मृत्यू झाला आणि तो आपल्या अन्न पुरवठ्याच्या सुरक्षिततेला धोका निर्माण करत आहे. गेल्या काही दशकांपासून युरेनियम रिअॅक्टर्सच्या धोक्यांमुळे, थोरियम रिअॅक्टर्सचे कथित तोटे एक फायदा बनले: 'सुरक्षितता'.
सुरक्षिततेच्या दृष्टिकोनातून, न्यूट्रॉन पुरवठा खंडित झाल्यास अभिक्रिया थांबणे हा खरोखरच एक फायदा आहे. तथापि, सामान्य परिस्थितीत, अणुभट्टी कधीही बंद करू नये. या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी दोन प्राथमिक पद्धतींचा शोध घेण्यात आला आहे. पहिल्या पद्धतीमध्ये थोरियम आणि युरेनियम किंवा प्लुटोनियम असलेले मिश्रित इंधन वापरणे समाविष्ट आहे, जे पारंपारिकपणे विद्यमान अणुभट्ट्यांमध्ये वापरले जातात. युरेनियम आणि प्लुटोनियम शोषण्यापेक्षा जास्त न्यूट्रॉन उत्सर्जित करतात, ज्यामुळे साखळी अभिक्रिया सहजतेने टिकते. हे थोरियमच्या अणुभट्टी प्रक्रियेदरम्यान गमावलेल्या न्यूट्रॉनची भरपाई करते. तथापि, या दृष्टिकोनाला अंतर्निहित मर्यादा आहेत. तांत्रिकदृष्ट्या कमी आव्हानात्मक असले तरी, असे अणुभट्टे खरे थोरियम अणुभट्टे नसून एक तडजोड प्रणाली आहेत, विद्यमान युरेनियम/प्लुटोनियम अणुभट्टे आणि थोरियम अणुभट्ट्यांमधील अर्ध-माप. परिणामी, थोरियम अणुभट्ट्यांचे अनेक अंतर्निहित फायदे गमावले जातात. युरेनियम आणि प्लुटोनियम वापरणे किंवा उत्पादन करणे या दोन्हीचा फायदा लक्षात येत नाही. शिवाय, मिश्रण गुणोत्तर समायोजित करून साखळी अभिक्रियेची डिग्री नियंत्रित केली जाऊ शकते, परंतु अपघात झाल्यासही साखळी अभिक्रियेद्वारे सोडल्या जाणाऱ्या न्यूट्रॉनमुळे मिश्र अणुभट्टीमधील अणु अभिक्रिया सुरूच राहील. दुसऱ्या शब्दांत, ही पद्धत थोरियम अणुभट्टीचे फायदे पूर्णपणे जाणत नाही; ती फक्त थोरियम वापरते ज्याचा अन्यथा काही उपयोग होणार नाही.
दुसऱ्या पद्धतीमध्ये 'प्रोटॉन अ‍ॅक्सिलरेटर' दृष्टिकोनाचा समावेश आहे, जिथे प्रोटॉन टंगस्टनसारख्या धातूंशी टक्कर देण्यासाठी उच्च वेगाने प्रक्षेपित केले जातात, ज्यामुळे अणु अभिक्रियांमध्ये वापरण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात न्यूट्रॉन तयार होतात. या पद्धतीचा वापर करणारा थोरियम अणुभट्टी अत्यंत सुरक्षित आहे कारण जर अपघात झाला आणि प्रोटॉन अ‍ॅक्सिलरेटरची शक्ती खंडित झाली तर अणुभट्टी हळूहळू थांबते. १९९५ मध्ये, इटालियन भौतिकशास्त्रज्ञ कार्लो रुबिया यांनी प्रथम ही पद्धत प्रस्तावित केली, परंतु वर्षानुवर्षे त्याकडे फारसे लक्ष दिले गेले नाही. स्थिर साखळी अभिक्रिया टिकवून ठेवण्यासाठी पुरेसे न्यूट्रॉन तयार करण्यासाठी अंदाजे १ GeV चे अ‍ॅक्सिलरेटर आउटपुट आवश्यक आहे, ज्यासाठी प्रचंड शक्तीची आवश्यकता आहे. सध्याच्या तंत्रज्ञानाला कार्यक्षम अ‍ॅक्सिलरेटर डिझाइन करण्यासाठी संघर्ष करावा लागतो, ज्यामुळे अशी परिस्थिती निर्माण होते की अ‍ॅक्सिलरेटर चालवण्यासाठी वापरली जाणारी शक्ती अणुभट्टीद्वारे उत्पादित केलेल्या उर्जेच्या जवळजवळ समान असते. हा रोगापेक्षाही बरा होण्याचा एक प्रकार आहे. म्हणून, अत्यंत कार्यक्षम अ‍ॅक्सिलरेटर विकसित करणे हे प्रोटॉन अ‍ॅक्सिलरेटर दृष्टिकोनासाठी एक मोठे आव्हान आहे. शिवाय, या पद्धतीच्या स्वरूपामुळे, अणुविखंडन अत्यंत उच्च-गती असलेल्या न्यूट्रॉनद्वारे होते. हाय-स्पीड न्यूट्रॉनमुळे होणाऱ्या न्यूक्लियर फिशन रिअॅक्शनमध्ये, कमी-स्पीड न्यूट्रॉनमुळे होणाऱ्या रिअॅक्शनच्या तुलनेत प्रति युनिट वस्तुमानात डझनभर पट जास्त कॅडमियम तयार होते. कॅडमियम हा वर्ग १ चा कार्सिनोजेन आहे आणि मानवांसाठी अत्यंत विषारी धातू आहे.
आज, अणुऊर्जा उद्योग संकटाचा सामना करत असताना, आम्ही 'थोरियम रिअॅक्टर्स' हे एक संभाव्य पर्यायी तंत्रज्ञान म्हणून तपासले. अणुइंधन म्हणून युरेनियमऐवजी थोरियम वापरणारे आणि पूर्णपणे वेगळ्या अणुप्रतिक्रिया प्रक्रियेतून जाणारे थोरियम रिअॅक्टर्स, पारंपारिक रिअॅक्टर्सपेक्षा फायदे देतात. तथापि, थोरियम रिअॅक्टर्सचे व्यावसायिकीकरण करण्यासाठी अजूनही महत्त्वपूर्ण संशोधन आवश्यक आहे. अमेरिका आणि भारत यासारखे मुबलक थोरियम साठे असलेले देश थोरियम रिअॅक्टर्समध्ये संशोधनात आघाडीवर आहेत. विशेषतः भारत 'अ‍ॅडव्हान्स्ड हेवी वॉटर रिअॅक्टर' (AHWR) या नावाने सक्रियपणे निर्यात करत आहे. या टप्प्यावर, जिथे केवळ अणुऊर्जाच नाही तर संपूर्ण ऊर्जा उद्योग संक्रमणातून जात आहे, थोरियम रिअॅक्टर्समध्ये गंभीर विचार आणि संशोधन करणे हे प्रयत्न करण्यासारखे आहे.