ऊर्जा और पर्यावरण I: सूर्य और उसका स्पेक्ट्रम, जीवाश्म ईंधन — कोयला, पेट्रोलियम और प्राकृतिक गैस — शेल तेल, कोल बेड मीथेन और गैस हाइड्रेट सहित, सकल और निवल ऊष्मीय मान, और नाभिकीय विखंडन, संलयन, ईंधन और रिएक्टर

सूर्य एक मुख्य-अनुक्रम तारा है जिसका क्रोड, लगभग 1.5 करोड़ K पर, मुख्यतः प्रोटॉन-प्रोटॉन शृंखला द्वारा हाइड्रोजन को हीलियम में संलयित करता है; अभिक्रिया में खोया द्रव्यमान E = mc² के अनुसार ऊर्जा में बदलता है। ऊर्जा बाहर की ओर आती है और लगभग 5,800 K पर प्रकाशमंडल से विकिरित होती है। पृथ्वी पर लगभग हर ऊर्जा स्रोत अंततः सौर है: सीधा सूर्यप्रकाश; असमान सौर तापन से चलने वाली पवन और लहरें; सौर-संचालित जल चक्र से जलविद्युत; प्रकाश-संश्लेषण से जैवभार; और जीवाश्म ईंधन, जो चट्टान में संचित प्राचीन प्रकाश-संश्लेषण हैं। केवल नाभिकीय, भूतापीय और ज्वारीय ऊर्जा सौर नहीं हैं।

वायुमंडल के शीर्ष पर सौर विकिरण लगभग 1,361 W/m², सौर स्थिरांक, पर पहुँचता है, जिसका स्पेक्ट्रम 5,800 K की कृष्णिका के निकट है और लगभग 0.5 µm पर शिखर पर होता है। मोटे तौर पर 8% पराबैंगनी, 40 से 45% दृश्य और लगभग आधा अवरक्त है। पराबैंगनी को UV-C (100 से 280 nm) में, जिसे ऑक्सीजन और ओज़ोन पूरी तरह अवशोषित करते हैं; UV-B (280 से 315 nm) में, जिसे अधिकतर समतापमंडलीय ओज़ोन अवशोषित करती है और जो धूप से झुलसने, त्वचा कैंसर और मोतियाबिंद हेतु उत्तरदायी है; और UV-A (315 से 400 nm) में, जो बड़े पैमाने पर सतह तक पहुँचती है, बाँटा जाता है। वायुमंडल से गुज़रते हुए पुंज अवशोषण (ओज़ोन, जलवाष्प, कार्बन डाइऑक्साइड) और प्रकीर्णन (अणुओं द्वारा रैले प्रकीर्णन, जो आकाश को नीला बनाता है, और एरोसोलों द्वारा मी प्रकीर्णन) से क्षीण होता है, जिससे स्वच्छ दिन पर सतह पर लगभग 1,000 W/m² प्रत्यक्ष पुंज और विसरित आकाश विकिरण के रूप में पहुँचता है। पथ जितना लंबा, जिसे वायु-द्रव्यमान के रूप में मापा जाता है, क्षीणन उतना अधिक, इसीलिए सुबह और शीत का नीचा सूर्य कम ऊर्जा देता है।

कोयला दलदलों में दबे पादप पदार्थ से बनता है जो लाखों वर्षों में ऊष्मा और दाब से रूपांतरित होता है, जिस प्रक्रम को कोयलाकरण कहते हैं। उसकी कोटि पीट से लिग्नाइट (भूरा कोयला) और उप-बिटुमिनस तथा बिटुमिनस कोयले होते हुए ऐन्थ्रेसाइट तक बढ़ती है: बढ़ती कोटि के साथ कार्बन सामग्री लगभग 60% से 90% से अधिक तक बढ़ती है, नमी और वाष्पशील पदार्थ घटते हैं, और ऊष्मीय मान बढ़ता है। कोयले का अभिलक्षण निकटस्थ विश्लेषण (नमी, वाष्पशील पदार्थ, राख और स्थिर कार्बन, जो गर्म करके निर्धारित होते हैं) और अंतिम विश्लेषण (तात्विक संघटन, कार्बन, हाइड्रोजन, नाइट्रोजन, सल्फ़र और ऑक्सीजन) से होता है। अधिकांश भारतीय कोयला दामोदर, महानदी, सोन और गोदावरी घाटियों का गोंडवाना युग का बिटुमिनस से उप-बिटुमिनस कोयला है, जिसमें राख अधिक, सामान्यतः 30 से 45%, और सल्फ़र कम, प्रायः 1% से नीचे है; लिग्नाइट तमिलनाडु के नेवेली में और गुजरात तथा राजस्थान में खोदा जाता है। अधिक राख का अर्थ है फ़्लाई ऐश की बड़ी मात्रा और कणिकीय नियंत्रण की आवश्यकता; कम सल्फ़र का अर्थ है अनेक आयातित कोयलों की तुलना में प्रति टन कम सल्फ़र डाइऑक्साइड।

पेट्रोलियम सूक्ष्म अवसादों में दबे समुद्री प्लवकों से बनता है, जहाँ "तेल खिड़की" (मोटे तौर पर 60 से 150 °C) की ऊष्मा कार्बनिक पदार्थ को पहले केरोजन और फिर तेल में, तथा उच्चतर तापमान पर गैस में, बदलती है; यह तब तक ऊपर प्रवास करता है जब तक किसी अभेद्य आच्छादक शैल के नीचे फँस न जाए। कच्चे तेल का प्रभाजी आसवन द्वारा बढ़ते क्वथनांक के क्रम में द्रवित पेट्रोलियम गैस, पेट्रोल, नैफ़्था, केरोसीन और विमानन ईंधन, डीज़ल, ईंधन तेल, स्नेहक और बिटुमेन में परिष्करण होता है। कम सल्फ़र वाला कच्चा तेल "मीठा" और अधिक सल्फ़र वाला "खट्टा" है। प्राकृतिक गैस, मुख्यतः मीथेन, सबसे स्वच्छ जलने वाला जीवाश्म ईंधन है: यह लगभग कोई सल्फ़र डाइऑक्साइड या कणिकीय पदार्थ उत्सर्जित नहीं करती और, प्रति इकाई ऊर्जा, कोयले की कार्बन डाइऑक्साइड का आधे से कुछ अधिक, क्योंकि उसकी अधिकांश ऊर्जा कार्बन को CO₂ में नहीं बल्कि हाइड्रोजन को जल में ऑक्सीकृत करने से आती है। मीथेन स्वयं प्रबल हरितगृह गैस है, अतः कुओं और पाइपलाइनों से रिसाव इस लाभ को घटाते हैं।

किसी ईंधन का ऊष्मीय मान इकाई द्रव्यमान (या आयतन) को पूर्णतः जलाने से मुक्त ऊष्मा है। जब हाइड्रोजन युक्त ईंधन जलता है तो जल बनता है, और ईंधन की कोई भी नमी वाष्पित होती है। सकल ऊष्मीय मान (GCV), या उच्च तापन मान, मानता है कि यह जल संघनित होता है और उसकी गुप्त ऊष्मा पुनः प्राप्त होती है; बम कैलोरीमीटर यही मापता है। निवल ऊष्मीय मान (NCV), या निम्न तापन मान, मानता है कि जल वाष्प के रूप में निकलता है, जैसा अधिकांश बॉयलरों और इंजनों से होता है, और इसलिए छोटा है: NCV = GCV − (प्रति kg ईंधन जल का द्रव्यमान × वाष्पन की गुप्त ऊष्मा, 25 °C पर लगभग 2.44 MJ/kg), जहाँ जल हाइड्रोजन (हर kg हाइड्रोजन हेतु 9 kg जल, क्योंकि 2 g हाइड्रोजन से 18 g जल बनता है) और ईंधन की अपनी नमी दोनों से आता है।

एक हल उदाहरण: 25 MJ/kg GCV वाले ईंधन में 6% हाइड्रोजन और 10% नमी है। प्रति kg बना जल = 9 × 0.06 + 0.10 = 0.64 kg, अतः NCV = 25 − 0.64 × 2.44 = 25 − 1.56 ≈ 23.4 MJ/kg। अंतर गीले, हाइड्रोजन-समृद्ध ईंधनों जैसे ताज़े जैवभार और नगरपालिका अपशिष्ट, और प्राकृतिक गैस हेतु सबसे बड़ा है, जिसका NCV उसके GCV से लगभग 10% नीचे है, और शुष्क ऐन्थ्रेसाइट हेतु सबसे छोटा। किसी ईंधन का GCV उसके अंतिम विश्लेषण से ड्यूलॉन्ग सूत्र, GCV ≈ 33.8C + 144(H − O/8) + 9.4S MJ/kg, से आँका जा सकता है, जहाँ C, H, O और S द्रव्यमान अंश हैं; पद (H − O/8) केवल उस हाइड्रोजन को गिनता है जो पहले से ईंधन की अपनी ऑक्सीजन से संयुक्त नहीं है।

विखंडन में यूरेनियम-235 जैसा भारी नाभिक एक मंद (तापीय) न्यूट्रॉन अवशोषित करके दो हल्के खंडों में टूटता है, लगभग 200 MeV और दो या तीन नए न्यूट्रॉन मुक्त करता हुआ; यदि औसतन इनमें से कम से कम एक दूसरा विखंडन करे, तो स्वपोषी शृंखला अभिक्रिया होती है। विखंडनीय नाभिक, यूरेनियम-235, प्लूटोनियम-239 और यूरेनियम-233, मंद न्यूट्रॉनों से विखंडित होते हैं; उर्वर नाभिक, यूरेनियम-238 और थोरियम-232, नहीं होते, पर न्यूट्रॉन अवशोषित करके क्रमशः विखंडनीय प्लूटोनियम-239 और यूरेनियम-233 में बदलते हैं। प्राकृतिक यूरेनियम में केवल लगभग 0.7% यूरेनियम-235 है, शेष यूरेनियम-238; हल्के-जल रिएक्टरों को यह लगभग 3 से 5% तक संवर्धित चाहिए, जबकि भारी-जल रिएक्टर प्राकृतिक यूरेनियम प्रयोग कर सकते हैं। संलयन में हल्के नाभिक जुड़ते हैं: ड्यूटेरियम और ट्रिटियम हीलियम-4 और एक न्यूट्रॉन में संलयित होकर 17.6 MeV मुक्त करते हैं। संलयन को स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण पर विजय हेतु लगभग 10 करोड़ K की कोटि के तापमान चाहिए, और फ़्रांस में निर्माणाधीन अंतरराष्ट्रीय ITER टोकामैक निवल संलयन ऊर्जा प्रदर्शित करने का लक्ष्य रखता है; संलयन कोई दीर्घजीवी विखंडन उत्पाद उत्पन्न नहीं करता, पर यह अभी ऊर्जा स्रोत नहीं है।

मुख्य रिएक्टर प्रकार मंदक और शीतलक में भिन्न हैं। दाबित जल रिएक्टर (PWR), विश्व में सबसे सामान्य, दाब में सामान्य जल को मंदक और शीतलक दोनों के रूप में प्रयोग करता है, एक अलग भाप जनित्र के साथ; कूडनकुलम की रूसी-अभिकल्पित VVER इकाइयाँ इसी प्रकार की हैं। क्वथन जल रिएक्टर (BWR) क्रोड में जल को उबलने देता है; भारत का पहला नाभिकीय विद्युत केंद्र, तारापुर (1969), दो BWR से आरंभ हुआ। दाबित भारी जल रिएक्टर (PHWR), CANDU परिवार का, भारी जल और प्राकृतिक यूरेनियम प्रयोग करता है और भारत के बेड़े का मुख्य आधार है। तीव्र प्रजनक रिएक्टरों में कोई मंदक नहीं होता, वे द्रव सोडियम से ठंडे होते हैं और जितना विखंडनीय पदार्थ उपभोग करते हैं उससे अधिक उत्पन्न करते हैं। ग्रेफ़ाइट-मंदित, जल-शीतित RBMK चेर्नोबिल का अभिकल्पन था। होमी भाभा द्वारा परिकल्पित भारत का त्रि-चरणीय कार्यक्रम इसे अपने संसाधनों से मिलाता है, सीमित यूरेनियम पर केरल और ओडिशा की मोनाज़ाइट बालू में बड़े थोरियम भंडार: PHWR प्राकृतिक यूरेनियम जलाते और प्लूटोनियम उत्पन्न करते हैं; तीव्र प्रजनक उस प्लूटोनियम का प्रयोग करके और प्रजनन करते हैं, थोरियम को यूरेनियम-233 में बदलते हुए; और तीसरा चरण थोरियम और यूरेनियम-233 पर चलना है। रेडियोधर्मी अपशिष्ट, विशेषकर प्रयुक्त ईंधन से उच्च-स्तरीय अपशिष्ट, अनसुलझी पर्यावरणीय समस्या बना हुआ है, जिसे गहरे भूवैज्ञानिक भंडारों में हज़ारों वर्षों तक पृथक रखना होगा।