परमाणु संरचना, रेडियोसक्रियता एवं नाभिकीय ऊर्जा

इस अध्याय की हर बात एक छोटे तथ्य पर टिकी है: परमाणु का केंद्र अविश्वसनीय रूप से ठसाठस भरा होता है। उस केंद्र को तोड़िए या जोड़िए — और चुटकी भर पदार्थ ऊर्जा की बाढ़ बन जाता है। इसी एक विचार से मिलती है रेडियोसक्रियता, कैंसर चिकित्सा, कार्बन डेटिंग, विद्युत गृह — और बम भी। पर्चे के लिए अंक बारीकियों में हैं: कौन-सा विकिरण कागज़ से रुक जाता है, अर्ध-आयु नमूने का क्या करती है, और सबसे अधिक भारत का त्रि-चरणीय नाभिकीय कार्यक्रम। पहले तर्क समझें; तथ्य स्वयं बैठ जाएँगे।

परमाणु के भीतर

परमाणु के मध्य एक अत्यंत छोटा नाभिक होता है जिसमें प्रोटॉन (धनात्मक) व न्यूट्रॉन (उदासीन) रहते हैं, और उसके चारों ओर इलेक्ट्रॉन (ऋणात्मक) गति करते हैं। लगभग संपूर्ण द्रव्यमान नाभिक में है; लगभग संपूर्ण आयतन वह खाली स्थान है जिसमें इलेक्ट्रॉन घूमते हैं।

  • परमाणु क्रमांक (Z) = प्रोटॉनों की संख्या। यही तय करता है कि परमाणु किस तत्व का है।
  • द्रव्यमान संख्या (A) = प्रोटॉन + न्यूट्रॉन (दोनों मिलाकर न्यूक्लिऑन कहलाते हैं)।
  • न्यूट्रॉनों की संख्या = A − Z। उदासीन परमाणु में इलेक्ट्रॉन = प्रोटॉन = Z।
  • इलेक्ट्रॉन की खोज जे. जे. थॉमसन (1897), प्रोटॉन का श्रेय रदरफोर्ड को, न्यूट्रॉन की खोज जेम्स चैडविक (1932) ने की।
समस्थानिक, समभारिक व समन्यूट्रॉनिक — चिरपरिचित भ्रम
प्रकारक्या समान हैउदाहरण
समस्थानिकसमान परमाणु क्रमांक Z, भिन्न द्रव्यमान संख्याहाइड्रोजन: ¹H, ²H (ड्यूटीरियम), ³H (ट्राइटियम); तथा ¹²C व ¹⁴C; ³⁵Cl व ³⁷Cl
समभारिकसमान द्रव्यमान संख्या A, भिन्न परमाणु क्रमांक⁴⁰Ar (Z=18), ⁴⁰K (Z=19), ⁴⁰Ca (Z=20); तथा ³H व ³He
समन्यूट्रॉनिकसमान न्यूट्रॉन संख्या¹⁴C, ¹⁵N व ¹⁶O — प्रत्येक में 8 न्यूट्रॉन
🧠 अब कभी न मिलाएँ
अंतिम अक्षर देखें: isotoPes → P यानी प्रोटॉन समान। isoबाrs → भार समान, अर्थात् द्रव्यमान संख्या। isotoNes → N यानी न्यूट्रॉन समान। अतः P से प्रोटॉन, भार से द्रव्यमान, N से न्यूट्रॉन।
परमाणु का चित्र कैसे बदला
  1. थॉमसन (1904)
    प्लम-पुडिंग मॉडल — धनात्मक गोले में धँसे इलेक्ट्रॉन, जैसे तरबूज़ में बीज। उदासीनता समझाई, नाभिक नहीं।
  2. रदरफोर्ड (1911)
    स्वर्ण-पत्र (अल्फा प्रकीर्णन) प्रयोग: अधिकांश अल्फा कण सीधे निकल गए, बहुत थोड़े वापस लौटे। निष्कर्ष — परमाणु अधिकतर खाली है, जिसमें अत्यंत छोटा, घना, धनावेशित नाभिक है।
  3. बोर (1913)
    इलेक्ट्रॉन केवल कुछ निश्चित कक्षाओं (ऊर्जा स्तरों) में ऊर्जा उत्सर्जित किए बिना घूमते हैं; ऊर्जा के निश्चित पैकेट (क्वांटम) अवशोषित या उत्सर्जित करके कक्षा बदलते हैं।
💡 नाभिक बिखरता क्यों नहीं
सभी प्रोटॉन धनावेशित हैं, अतः उन्हें प्रतिकर्षित होकर बिखर जाना चाहिए। ऐसा नहीं होता क्योंकि प्रबल नाभिकीय बल न्यूक्लिऑनों को बाँधे रखता है। यह चार मूल बलों में सबसे प्रबल है, केवल लगभग 10⁻¹⁵ मीटर तक कार्य करता है, और आवेश की चिंता नहीं करता — प्रोटॉन व न्यूट्रॉन को समान रूप से जकड़ता है। इसे बहुत छोटी, बहुत मज़बूत गोंद समझिए: नाभिक के भीतर प्रबल, बाहर व्यर्थ।

किसी नाभिक का द्रव्यमान अपने स्वतंत्र प्रोटॉनों व न्यूट्रॉनों के योग से कम निकलता है। यह लुप्त द्रव्यमान द्रव्यमान क्षति है, जो आइंस्टीन के E = mc² के अनुसार नाभिक को बाँधने वाली बंधन ऊर्जा में बदल चुका होता है। c² विशाल होने के कारण रत्ती भर द्रव्यमान से भी अपार ऊर्जा मिलती है। प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा लोहा-56 के आसपास अधिकतम होती है — इसीलिए अति भारी नाभिकों का टूटना (विखंडन) और अति हल्के नाभिकों का जुड़ना (संलयन) दोनों ऊर्जा देते हैं: दोनों की यात्रा लोहे की ओर है।

रेडियोसक्रियता: अल्फा, बीटा, गामा

📖 दराज़ में हुई एक दुर्घटना
हेनरी बेकरल ने 1896 में रेडियोसक्रियता की खोज की, जब अंधेरी दराज़ में रखे यूरेनियम लवणों ने स्वयं ही फोटोग्राफिक प्लेट को धुँधला कर दिया — सूर्यप्रकाश की आवश्यकता नहीं पड़ी। इसके बाद मैरी क्यूरी (जिन्होंने रेडियोसक्रियता शब्द दिया) व पियरे क्यूरी ने 1898 में पोलोनियम व रेडियम पृथक् किए। बाद में रदरफोर्ड ने उत्सर्जनों को अल्फा, बीटा व गामा में बाँटा। मैरी क्यूरी आज भी दो भिन्न विज्ञानों में नोबेल पाने वाली एकमात्र व्यक्ति हैं — भौतिकी (1903) व रसायन (1911)।

रेडियोसक्रियता अस्थायी नाभिक का स्वतःस्फूर्त विघटन है, जिसमें विकिरण निकलता है। यह नाभिकीय गुण है, रासायनिक नहीं — गर्म करना, ठंडा करना, दबाव या रासायनिक संयोजन इसे न चालू कर सकते हैं, न बंद। Z 82 से अधिक (सीसे के आगे) वाले सभी नाभिक रेडियोसक्रिय हैं।

तीनों विकिरणों की तुलना
गुणअल्फा (α)बीटा (β)गामा (γ)
प्रकृतिहीलियम नाभिक (2 प्रोटॉन + 2 न्यूट्रॉन)तीव्रगामी इलेक्ट्रॉनविद्युत-चुम्बकीय तरंग (फोटॉन)
आवेश+2−1शून्य
द्रव्यमानसर्वाधिक (≈ 4 u)अति अल्प (प्रोटॉन का 1/1836)विराम द्रव्यमान शून्य
भेदन क्षमतान्यूनतम — कागज़ की एक शीट रोक देती हैमध्यम — कुछ मिमी ऐल्युमिनियम रोक देता हैसर्वाधिक — मोटा सीसा या कंक्रीट चाहिए
आयनन क्षमतासर्वाधिकमध्यमन्यूनतम
नाभिक पर प्रभावA में 4 की कमी, Z में 2 की कमीA अपरिवर्तित, Z में 1 की वृद्धिन A बदलता, न Z
⚠️ उलटी जोड़ी
भेदन क्षमता व आयनन क्षमता का क्रम विपरीत होता है। भेदन: γ > β > α। आयनन: α > β > γ। कारण सरल है — भारी, द्विआवेशित अल्फा कण तुरंत परमाणुओं से टकराकर सतह के पास ही अपनी सारी ऊर्जा खो देता है, अतः तीव्र आयनन करता है पर दूर नहीं जाता। परीक्षक इन दो पंक्तियों में से एक को उलट देना पसंद करते हैं।

भारी अस्थायी नाभिक विरले ही एक ही चरण में स्थायित्व पाता है। वह एक रेडियोसक्रिय विघटन श्रेणी से गुजरता है — अल्फा व बीटा विघटनों की श्रृंखला, जो किसी स्थायी नाभिक पर समाप्त होती है। यूरेनियम-238 श्रेणी सीसा-206 पर समाप्त होती है; यूरेनियम-235 श्रेणी सीसा-207 पर व थोरियम-232 श्रेणी सीसा-208 पर। प्रत्येक श्रेणी में मध्यवर्ती के रूप में रेडॉन, एक रेडियोसक्रिय गैस, आती है — इसीलिए हवा-रहित तहखानों में रेडॉन का जमाव वास्तविक स्वास्थ्य चिंता है।

अर्ध-आयु, कालनिर्धारण व उपयोगी रेडियो-समस्थानिक

अर्ध-आयु (T) वह समय है जिसमें रेडियोसक्रिय नमूने का आधा भाग विघटित हो जाता है। यह प्रत्येक समस्थानिक की निश्चित पहचान है — इसे न तेज़ किया जा सकता है, न धीमा। महत्वपूर्ण बात: अर्ध-आयु इस पर निर्भर नहीं करती कि आपने कितना नमूना लिया था — एक ही समस्थानिक के 1 ग्राम व 1 टन की अर्ध-आयु समान होती है।

ℹ️ हल किया उदाहरण — परीक्षा में ऐसे ही करें
एक रेडियोसक्रिय नमूने का भार 80 ग्राम है और अर्ध-आयु 5 वर्ष है। 15 वर्ष बाद कितना शेष रहेगा?

चरण 1 — अर्ध-आयुओं की संख्या: n = कुल समय ÷ अर्ध-आयु = 15 ÷ 5 = 3।
चरण 2 — नमूने को n बार आधा करें: 80 ग्रा → 40 ग्रा (5 वर्ष) → 20 ग्रा (10 वर्ष) → 10 ग्रा (15 वर्ष)।
चरण 3 — सूत्र से जाँचें N = N₀ × (1/2)ⁿ = 80 × (1/2)³ = 80 × 1/8 = 10 ग्राम।

अतः 10 ग्राम शेष (1/8, अर्थात् 12.5 %) और 70 ग्राम विघटित (7/8, अर्थात् 87.5 %)। सीढ़ी याद रखें: 1, 2, 3, 4 अर्ध-आयुओं के बाद शेष अंश 1/2, 1/4, 1/8, 1/16।
ऐसी इकाइयाँ जिन्हें बदलना नहीं है
इकाईक्या मापती हैटिप्पणी
बेकरल (Bq)सक्रियता — प्रति सेकंड विघटनSI इकाई; 1 Bq = 1 विघटन प्रति सेकंड
क्यूरी (Ci)सक्रियता (पुरानी इकाई)1 Ci = 3.7 × 10¹⁰ Bq
ग्रे (Gy)अवशोषित मात्रा — प्रति किग्रा अवशोषित ऊर्जा1 Gy = 1 जूल/किग्रा; पुरानी इकाई रैड (1 Gy = 100 रैड)
सीवर्ट (Sv)तुल्य मात्रा — शरीर को जैविक हानिपुरानी इकाई रेम (1 Sv = 100 रेम)

अर्ध-आयु निश्चित होने के कारण विघटन घड़ी की तरह काम करता है। कार्बन-14 कालनिर्धारण (विकसित विलार्ड लिब्बी द्वारा) ¹⁴C की ≈ 5,730 वर्ष अर्ध-आयु का उपयोग करता है। जीवित पौधा या प्राणी कार्बन लेता रहता है, अतः उसका ¹⁴C स्तर बना रहता है; मृत्यु के क्षण ग्रहण रुक जाता है और ¹⁴C घटने लगता है। शेष मात्रा नापिए और आयु मिल जाएगी। यह कभी-जीवित रहे पदार्थों पर काम करता है — काष्ठ, अस्थि, वस्त्र, कोयला — लगभग 50,000 वर्ष तक। चट्टानों व पृथ्वी की आयु के लिए भूवैज्ञानिक यूरेनियम कालनिर्धारण प्रयोग करते हैं: ²³⁸U लगभग 4.5 अरब वर्ष की अर्ध-आयु से ²⁰⁶Pb में बदलता है, जो स्वयं ग्रह की आयु आँकने के लिए पर्याप्त लंबी है।

⚠️ परीक्षा जाल
कार्बन-14 कालनिर्धारण चट्टानों, खनिजों, पूर्णतः खनिजीकृत जीवाश्मों या पृथ्वी की आयु नहीं बता सकता — उनके लिए यूरेनियम/पोटैशियम-आर्गन विधि चाहिए। इसी प्रकार लकड़ी की मूर्ति पर यूरेनियम विधि व्यर्थ है। घड़ी वस्तु के अनुसार चुनें: जैविक अवशेष के लिए C-14, चट्टान के लिए U-238।
रेडियो-समस्थानिक → उपयोग (प्रिय एक-अंकीय प्रश्न)
समस्थानिकमुख्य उपयोग
कोबाल्ट-60कैंसर चिकित्सा (गामा टेलीथेरेपी, "कोबाल्ट बम"); शल्य उपकरणों का निर्जन्तुकरण व विकिरण द्वारा खाद्य परिरक्षण
आयोडीन-131थायरॉइड विकारों की जाँच व उपचार (घेंघा, अतिथायरॉइडता, थायरॉइड कैंसर)
फॉस्फोरस-32कृषि अनुज्ञापक — पौधों द्वारा फॉस्फेट उर्वरक ग्रहण का अध्ययन; रक्त विकारों के उपचार व आनुवंशिकी अनुसंधान में भी
सोडियम-24रक्त संचार का अनुज्ञापन व थक्कों की पहचान; भूमिगत पाइपलाइनों में रिसाव का पता लगाना
कार्बन-14कभी-जीवित पदार्थों का रेडियोकार्बन कालनिर्धारण; उपापचयी पथों का अनुज्ञापन
यूरेनियम-235 / प्लूटोनियम-239नाभिकीय रिएक्टरों का ईंधन व हथियारों के लिए विखंडनीय पदार्थ

विखंडन और संलयन

नाभिकीय विखंडन भारी नाभिक का दो हल्के नाभिकों में टूटना है, जिसमें ऊर्जा व न्यूट्रॉन निकलते हैं। इसकी खोज ऑटो हान व फ्रिट्ज़ स्ट्रासमान (1938) ने की और व्याख्या लीज़ माइट्नर व ऑटो फ्रिश ने। रिएक्टर में मंद (तापीय) न्यूट्रॉन को यूरेनियम-235 अवशोषित करता है, अस्थायी होकर टूट जाता है, प्रायः इस प्रकार: ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 न्यूट्रॉन + ऊर्जा (≈ 200 MeV)।

प्रत्येक विखंडन जितने न्यूट्रॉन खर्च करता है उससे अधिक देता है, और वे न्यूट्रॉन और नाभिकों को तोड़ते हैं — यही श्रृंखला अभिक्रिया है। श्रृंखला बनी रहने के लिए नमूना इतना बड़ा होना चाहिए कि न्यूट्रॉन सतह से निकल न जाएँ; विखंडनीय पदार्थ की वह न्यूनतम मात्रा क्रांतिक द्रव्यमान है। इससे कम पर अभिक्रिया बुझ जाती है; इससे बहुत अधिक पर बेकाबू हो जाती है।

  • ईंधन — प्राकृतिक या समृद्ध यूरेनियम, अथवा प्लूटोनियम; यह विखंडनीय नाभिक देता है।
  • मंदक — भारी जल (D₂O) या ग्रेफाइट (हल्का जल, बेरिलियम भी)। यह तीव्र न्यूट्रॉनों को मंद करता है ताकि U-235 उन्हें पकड़ सके।
  • नियंत्रक छड़ें — कैडमियम या बोरॉन की छड़ें जो न्यूट्रॉन अवशोषित करती हैं। भीतर डालें तो रिएक्टर मंद, बाहर निकालें तो तीव्र।
  • शीतलक — भारी या हल्का जल, कार्बन डाइऑक्साइड, अथवा तीव्र प्रजनक रिएक्टरों में द्रव सोडियम। यह ऊष्मा बाहर लाकर भाप बनाता है।
  • परिरक्षण — विकिरण को बाहर निकलने से रोकने हेतु मोटा कंक्रीट व सीसा।
⚠️ मंदक बनाम नियंत्रक छड़
मंदक न्यूट्रॉनों को मंद करता है (भारी जल, ग्रेफाइट) — यह अभिक्रिया में सहायक है। नियंत्रक छड़ न्यूट्रॉन अवशोषित करती है (कैडमियम, बोरॉन) — यह अभिक्रिया को रोकती है। विद्यार्थी अक्सर लिख देते हैं "कैडमियम मंदक है"। नहीं है। मंद करना = भारी जल/ग्रेफाइट; निगलना = कैडमियम/बोरॉन।

नाभिकीय संलयन इसका उलटा है: हल्के नाभिक जुड़कर भारी नाभिक बनाते हैं। सूर्य इसी से चलता है। प्रोटॉन–प्रोटॉन चक्र में चार हाइड्रोजन नाभिक मध्यवर्ती चरणों से गुजरते हुए प्रभावतः एक हीलियम-4 नाभिक बनाते हैं, जिससे पॉज़िट्रॉन, न्यूट्रिनो व विपुल ऊर्जा निकलती है — क्योंकि हीलियम नाभिक उन चार प्रोटॉनों से हल्का है, और लुप्त द्रव्यमान ऊर्जा बनकर प्रकट होता है। पृथ्वी पर संलयन अत्यंत कठिन है: धनावेशित नाभिक एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, अतः लाखों डिग्री ताप और उतने गर्म प्लाज़्मा को बिना पात्र छुए बाँधने का उपाय चाहिए। प्रायोगिक रिएक्टर चुम्बकीय परिबंधन का प्रयोग करते हैं (टोकामक; भारत का SST-1 व अंतर्राष्ट्रीय ITER परियोजना)। संलयन से विखंडन की तुलना में दीर्घजीवी रेडियोसक्रिय कचरा बहुत कम बनता है और ईंधन (समुद्री जल से ड्यूटीरियम) लगभग असीमित है — इसीलिए प्रयास जारी है।

विखंडन बनाम संलयन
बिंदुविखंडनसंलयन
प्रक्रियाभारी नाभिक टूटता हैहल्के नाभिक जुड़ते हैं
ईंधनU-235, U-233, Pu-239हाइड्रोजन के समस्थानिक — ड्यूटीरियम, ट्राइटियम
आवश्यक परिस्थितियाँसाधारण ताप पर हो जाता हैलाखों डिग्री ताप चाहिए
प्रति इकाई द्रव्यमान ऊर्जाअधिकबहुत अधिक
रेडियोसक्रिय कचरादीर्घजीवी कचरा गंभीर समस्यादीर्घजीवी कचरा बहुत कम
कहाँ प्रयुक्तनाभिकीय विद्युत गृह; परमाणु बमतारे व सूर्य; हाइड्रोजन बम
💡 रिएक्टर या बम — अंतर नियंत्रण का है
दोनों में वही श्रृंखला अभिक्रिया है। रिएक्टर उसे नियंत्रित रखता है — नियंत्रक छड़ें व मंदक उसे ठीक "एक विखंडन से एक नया विखंडन" पर रोके रखते हैं, अतः ऊष्मा समान गति से निकलती है, जैसे धीमी आँच पर गैस चूल्हा। बम अनियंत्रित होता है — पूरी श्रृंखला क्षण भर में गुणित हो जाती है। साथ ही, रिएक्टर का ईंधन केवल लगभग 3 % समृद्ध यूरेनियम होता है जबकि हथियार को अत्यधिक समृद्ध (90 % से ऊपर) पदार्थ चाहिए, अतः विद्युत रिएक्टर भौतिक रूप से बम की तरह फट नहीं सकता। हाइड्रोजन बम एक कदम आगे है: संलयन का ताप पाने के लिए विखंडन विस्फोट केवल ट्रिगर के रूप में प्रयुक्त होता है।

भारत का नाभिकीय कार्यक्रम व तीन चरण

डॉ. होमी जहाँगीर भाभा भारत के नाभिकीय कार्यक्रम के शिल्पी (जनक) हैं। उन्होंने टाटा मूलभूत अनुसंधान संस्थान (1945) की स्थापना की, 1948 में गठित परमाणु ऊर्जा आयोग (AEC) की अध्यक्षता की, और 1954 में परमाणु ऊर्जा विभाग (DAE) के गठन का मार्गदर्शन किया, जो सीधे प्रधानमंत्री के अधीन रखा गया। ट्रॉम्बे (मुंबई) स्थित परमाणु संस्थान का नाम 1966 में एक विमान दुर्घटना में उनकी मृत्यु के बाद उनकी स्मृति में भाभा परमाणु अनुसंधान केंद्र (BARC) रखा गया।

भाभा की सबसे गहरी सूझ संसाधनों के विषय में थी। भारत के पास यूरेनियम सीमित है पर थोरियम के भंडार विश्व में सर्वाधिक में से हैं, जो केरल के समुद्र तटों की मोनाजाइट रेत में छिपे हैं (तमिलनाडु व ओडिशा में भी)। किंतु थोरियम-232 विखंडनीय नहीं है — वह सीधे रिएक्टर में नहीं जल सकता; उसे पहले विखंडनीय यूरेनियम-233 में बदलना पड़ता है। अतः भाभा ने त्रि-चरणीय कार्यक्रम बनाया जो यूरेनियम से आरंभ होकर थोरियम पर समाप्त होता है।

भारत का त्रि-चरणीय नाभिकीय कार्यक्रम — यह तालिका कंठस्थ करें
चरणरिएक्टर प्रकारप्रयुक्त ईंधन → उत्पन्न पदार्थ
चरण 1दबावयुक्त भारी जल रिएक्टर (PHWR) — भारी जल मंदक व शीतलक दोनोंप्राकृतिक यूरेनियम → विद्युत + प्रयुक्त ईंधन में प्लूटोनियम-239
चरण 2तीव्र प्रजनक रिएक्टर (FBR) — मंदक नहीं, द्रव सोडियम शीतलकप्लूटोनियम-239 (चरण 1 से) तथा थोरियम-232 आवरण → विद्युत + यूरेनियम-233
चरण 3थोरियम आधारित रिएक्टर (जैसे उन्नत भारी जल रिएक्टर)थोरियम-232 + यूरेनियम-233 की स्वपोषी चक्र में → दीर्घकालिक ऊर्जा सुरक्षा
🧠 तीन चरण, तीन शब्द
"U → Pu → Th" — यूरेनियम, फिर प्लूटोनियम, फिर थोरियम। हिंदी में: "यू-प्लू-थो"। प्रजनन का तर्क भी याद रखें: चरण 1 प्लूटोनियम बनाता है, चरण 2 प्लूटोनियम से थोरियम को यूरेनियम-233 में बदलता है, चरण 3 यूरेनियम-233 पर चलता है। प्रत्येक चरण अगले को पोषता है — यही पूरा विचार है।

रिएक्टर, परीक्षण व परमाणु कूटनीति

भारत की परमाणु यात्रा के पड़ाव
  1. 1948
    परमाणु ऊर्जा अधिनियम के अंतर्गत परमाणु ऊर्जा आयोग की स्थापना; होमी भाभा प्रथम अध्यक्ष।
  2. 1954
    परमाणु ऊर्जा विभाग (DAE) का गठन, प्रधानमंत्री के अधीन; ट्रॉम्बे संस्थान (बाद में BARC) आरंभ।
  3. 1956
    अप्सरा, भारत का प्रथम अनुसंधान रिएक्टर, ट्रॉम्बे में क्रांतिक हुआ — एशिया का पहला अनुसंधान रिएक्टर।
  4. 1969
    तारापुर (महाराष्ट्र) — भारत का प्रथम नाभिकीय विद्युत गृह — व्यावसायिक रूप से आरंभ।
  5. 18 मई 1974
    पोखरण-I, सांकेतिक नाम "स्माइलिंग बुद्धा" — भारत का प्रथम परमाणु परीक्षण, राजस्थान में; सरकारी रूप से शांतिपूर्ण परमाणु विस्फोट कहा गया।
  6. 1985
    ध्रुव, भारत का सबसे बड़ा अनुसंधान रिएक्टर, BARC ट्रॉम्बे में प्रचालन में आया।
  7. 1987
    भारत के विद्युत रिएक्टरों के निर्माण व संचालन हेतु न्यूक्लियर पावर कॉर्पोरेशन ऑफ इंडिया लिमिटेड (NPCIL) का गठन।
  8. 11 व 13 मई 1998
    पोखरण-II (ऑपरेशन शक्ति) — परीक्षणों की श्रृंखला; भारत ने स्वयं को परमाणु शस्त्र संपन्न राष्ट्र घोषित किया। 11 मई राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी दिवस के रूप में मनाया जाता है।
  9. 2008
    भारत-अमेरिका असैन्य परमाणु समझौता (123 समझौता) हस्ताक्षरित तथा परमाणु आपूर्तिकर्ता समूह ने भारत को छूट दी, जिससे वैश्विक परमाणु व्यापार पुनः खुला।
प्रमुख नाभिकीय विद्युत गृह व उनके राज्य
विद्युत गृहराज्ययाद रखने योग्य बात
तारापुरमहाराष्ट्रभारत का प्रथम नाभिकीय विद्युत गृह (1969); क्वथन जल रिएक्टर
रावतभाटा (राजस्थान परमाणु विद्युत गृह)राजस्थानकोटा के निकट, चंबल पर; भारत के प्रथम PHWR
कलपक्कम (मद्रास परमाणु विद्युत गृह)तमिलनाडुप्रथम पूर्णतः स्वदेशी गृह; यहीं IGCAR, FBTR व PFBR भी
नरोराउत्तर प्रदेशगंगा तट पर, बुलंदशहर ज़िले में
काकरापारगुजरातसूरत के निकट; नवीन स्वदेशी 700 MWe PHWR का स्थल
कैगाकर्नाटकउत्तर कन्नड़ ज़िले में, पश्चिमी घाट में
कुडनकुलमतमिलनाडुरूसी अभिकल्प के VVER रिएक्टर; भारत का सबसे बड़ा नाभिकीय गृह
  • अप्सरा (1956) — भारत व एशिया का प्रथम अनुसंधान रिएक्टर। ध्रुव (1985) — भारत का सबसे बड़ा अनुसंधान रिएक्टर। दोनों BARC, ट्रॉम्बे में।
  • कलपक्कम, तमिलनाडु का प्रोटोटाइप फास्ट ब्रीडर रिएक्टर (PFBR) भारत के चरण 2 का अग्रणी है — 500 MWe सोडियम-शीतित प्रजनक। कलपक्कम में फास्ट ब्रीडर टेस्ट रिएक्टर (FBTR) व इंदिरा गांधी परमाणु अनुसंधान केंद्र (IGCAR) भी हैं।
  • AERB (परमाणु ऊर्जा नियामक बोर्ड, 1983) सुरक्षा नियामक है; NPCIL (1987) विद्युत रिएक्टर बनाता व चलाता है; भाविनी तीव्र प्रजनक रिएक्टरों हेतु गठित।

सिद्धांत व कूटनीति: 1998 के बाद भारत ने घोषित पहले प्रयोग न करने (NFU) की प्रतिबद्धता के साथ विश्वसनीय न्यूनतम प्रतिरोध की नीति अपनाई — भारत परमाणु हथियारों का प्रथम प्रयोग नहीं करेगा, पर परमाणु आक्रमण का प्रत्युत्तर व्यापक होगा। IAEA (अंतर्राष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा अभिकरण, 1957, मुख्यालय वियना) शांतिपूर्ण उपयोग को बढ़ावा देता है और असैन्य संस्थानों पर सुरक्षा उपाय (safeguards) लागू करता है। भारत ने NPT (परमाणु अप्रसार संधि, 1968) पर हस्ताक्षर नहीं किए, उसे भेदभावपूर्ण बताते हुए, क्योंकि वह केवल 1 जनवरी 1967 से पूर्व परीक्षण करने वालों को परमाणु शस्त्र राष्ट्र मानती है और शेष सभी से निरस्त्रीकरण चाहती है, जबकि उन पाँच पर कोई समयबद्ध बाध्यता नहीं। इसी प्रकार भारत ने CTBT (व्यापक परीक्षण प्रतिबंध संधि, 1996) पर भी हस्ताक्षर नहीं किए, यद्यपि वह आगे परीक्षण पर स्वैच्छिक रोक बनाए हुए है। भारत-अमेरिका असैन्य परमाणु समझौते ने यह अलगाव तोड़ा: भारत ने असैन्य व सैन्य संस्थानों को पृथक् किया, असैन्य संस्थानों को IAEA सुरक्षा उपायों के अधीन रखा, और बदले में 2008 में NSG छूट मिली, जिससे NPT का पक्षकार न होते हुए भी परमाणु ईंधन व प्रौद्योगिकी का आयात संभव हुआ।

⚠️ पर्चे का राज्य-संबंधी जाल
बिहार में कोई नाभिकीय विद्युत गृह नहीं है और कोई यूरेनियम खान भी नहीं। भारत की सुप्रसिद्ध यूरेनियम खान जादूगोड़ा तथा यूरेनियम कॉर्पोरेशन ऑफ इंडिया लिमिटेड (UCIL) का मुख्यालय झारखंड की सिंहभूम पट्टी में है — जो 2000 से पृथक् राज्य है, बिहार नहीं। इसी प्रकार थोरियम युक्त मोनाजाइट रेत केरल में है, किसी पूर्वी राज्य में नहीं। यदि कोई विकल्प यूरेनियम या थोरियम को बिहार से जोड़े, तो वह गलत है।

विकिरण सुरक्षा व नाभिकीय दुर्घटनाएँ

आयनकारी विकिरण जीवित कोशिकाओं को हानि पहुँचाता है और DNA तोड़ सकता है। उच्च मात्रा विकिरण रुग्णता करती है — जी मिचलाना, बाल झड़ना, अस्थि-मज्जा को क्षति; दीर्घकालिक अल्प उद्भासन कैंसर व आनुवंशिक (वंशागत) क्षति का जोखिम बढ़ाता है। तेज़ी से विभाजित होती कोशिकाएँ — अस्थि-मज्जा, आँत की परत, विकसित हो रहा भ्रूण — सर्वाधिक संवेदनशील हैं। इसी कारण विकिरण को कैंसर के विरुद्ध हथियार भी बनाया जा सकता है: तेज़ विभाजित होती ट्यूमर कोशिकाएँ सबसे अधिक प्रभावित होती हैं।

  • सुरक्षा के तीन कवच: समय (स्रोत के निकट न्यूनतम समय रहें), दूरी (दूरी के साथ तीव्रता तेज़ी से घटती है), व परिरक्षण (α के लिए कागज़, β के लिए ऐल्युमिनियम, γ के लिए सीसा या कंक्रीट)।
  • कर्मी सीसे के एप्रन पहनते हैं और प्राप्त मात्रा दर्ज करने के लिए फिल्म बैज या डोसीमीटर रखते हैं।
  • रिएक्टर दुर्घटना के बाद पोटैशियम आयोडाइड की गोलियाँ बाँटी जाती हैं: साधारण आयोडीन थायरॉइड को संतृप्त कर देता है जिससे वह रेडियोसक्रिय आयोडीन-131 ग्रहण नहीं कर पाता।
  • प्रयुक्त ईंधन व रिएक्टर कचरा पहले जल के नीचे रखा जाता है, फिर काँच में जड़कर (विट्रीफिकेशन) गहरे दफ़नाया जाता है — विखंडन विद्युत की सबसे कठिन अनसुलझी समस्या।
⚠️ संदूषण, विकिरण-उद्भासन नहीं है
विकिरण-उद्भासन का अर्थ है बाहरी स्रोत से विकिरण आपके भीतर से गुज़र गया — जैसे एक्स-रे। हट जाने पर बात समाप्त; आप रेडियोसक्रिय नहीं हैं और किसी को उद्भासित नहीं कर सकते। संदूषण का अर्थ है रेडियोसक्रिय पदार्थ भौतिक रूप से आपकी त्वचा, कपड़ों, भोजन पर या शरीर के भीतर है। अब आप स्वयं स्रोत हैं: आपको मात्रा मिलती रहती है और आप दूसरों तक फैला सकते हैं। इसीलिए संदूषण का मानक उपचार धुलाई व कपड़े उतारना है, जिसका उद्भासन में कोई अर्थ नहीं।
दो सबसे भीषण नाभिकीय दुर्घटनाएँ
दुर्घटनाकब व कहाँक्या हुआ
चेर्नोबिल26 अप्रैल 1986, यूक्रेन (तत्कालीन सोवियत संघ)त्रुटिपूर्ण सुरक्षा परीक्षण से ग्रेफाइट-मंदित रिएक्टर में शक्ति उभार आया; क्रोड फटकर जल उठा और रेडियोसक्रिय पदार्थ यूरोप भर में फैल गया। श्रेणी स्तर 7 — अधिकतम।
फुकुशिमा दाइची11 मार्च 2011, जापानमहाभूकंप व सुनामी ने विद्युत व शीतलन ठप कर दिया; तीन रिएक्टर क्रोड पिघले और हाइड्रोजन विस्फोटों से रेडियोसक्रियता निकली। यह भी स्तर 7।
🎯 यह भाग परीक्षा व उसके परे क्यों महत्वपूर्ण है
दोनों दुर्घटनाओं का एक साझा पाठ है: नाभिकीय ऊर्जा का खतरा लगभग कभी भौतिकी नहीं होता — वह शीतलन का लोप व मानवीय व्यवस्थाओं की विफलता होता है। चेर्नोबिल अभिकल्प व संचालक दोनों की चूक थी; फुकुशिमा वह प्राकृतिक आपदा थी जिसके लिए समुद्री दीवार बनी ही न थी। इसीलिए भारत स्वतंत्र नियामक (AERB) रखता है और परीक्षक इन घटनाओं को रिएक्टर सुरक्षा के प्रश्नों से जोड़ते हैं। उत्तर लेखन में नाभिकीय ऊर्जा को सदा लाभ-हानि के संतुलन के रूप में रखें: एक ओर विपुल अल्प-कार्बन विद्युत, दूसरी ओर कचरा निपटान व दुर्घटना का जोखिम।

मुख्य बिंदु

  • Z = प्रोटॉन (तत्व तय करता है), A = प्रोटॉन + न्यूट्रॉन। समस्थानिक में Z समान, समभारिक में A समान, समन्यूट्रॉनिक में न्यूट्रॉन संख्या समान।
  • रदरफोर्ड के स्वर्ण-पत्र प्रयोग ने सिद्ध किया कि परमाणु अधिकतर खाली है और उसमें अत्यंत छोटा घना नाभिक है; प्रबल नाभिकीय बल उसे बाँधता है, तथा द्रव्यमान क्षति E = mc² द्वारा बंधन ऊर्जा बनती है।
  • रेडियोसक्रियता की खोज बेकरल (1896); क्यूरी दंपति ने पोलोनियम व रेडियम खोजे (1898)। भेदन γ > β > α; आयनन α > β > γ।
  • n अर्ध-आयुओं के बाद शेष अंश = (1/2)ⁿ — अतः 3 अर्ध-आयुओं बाद केवल 1/8 (12.5 %) शेष। सक्रियता बेकरल/क्यूरी में, अवशोषित मात्रा ग्रे में, जैविक मात्रा सीवर्ट में।
  • समस्थानिकों के उपयोग: कोबाल्ट-60 कैंसर चिकित्सा, आयोडीन-131 थायरॉइड, फॉस्फोरस-32 पौधा/उर्वरक अध्ययन, सोडियम-24 रक्त प्रवाह व पाइपलाइन रिसाव, कार्बन-14 कालनिर्धारण।
  • रिएक्टर में: मंदक (भारी जल/ग्रेफाइट) न्यूट्रॉन मंद करता है, नियंत्रक छड़ें (कैडमियम/बोरॉन) उन्हें अवशोषित करती हैं। रिएक्टर = नियंत्रित श्रृंखला अभिक्रिया; बम = अनियंत्रित। सूर्य संलयन (प्रोटॉन–प्रोटॉन चक्र) से चलता है।
  • भारत के तीन चरण: प्राकृतिक यूरेनियम पर PHWR → थोरियम आवरण सहित प्लूटोनियम-239 पर तीव्र प्रजनक → थोरियम-232/यूरेनियम-233 रिएक्टर। इसके शिल्पी भाभा; AEC 1948, DAE 1954, अप्सरा 1956, पोखरण-I 1974, पोखरण-II 1998; भारत पहले प्रयोग न करने की नीति रखता है और NPT या CTBT पर हस्ताक्षर नहीं किए।

अभ्यास प्रश्न (8)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. 80 ग्राम द्रव्यमान वाले एक रेडियोसक्रिय नमूने की अर्ध-आयु 5 वर्ष है। 15 वर्ष बाद नमूने का कितना द्रव्यमान अविघटित शेष रहेगा?

    1. 40 ग्राम
    2. 20 ग्राम
    3. 10 ग्राम
    4. 5 ग्राम
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — 10 ग्राम

    अर्ध-आयुओं की संख्या n = 15 ÷ 5 = 3। शेष द्रव्यमान = 80 × (1/2)³ = 80 × 1/8 = 10 ग्राम। चरणबद्ध: 80 → 40 → 20 → 10 ग्राम। अतः 10 ग्राम शेष व 70 ग्राम विघटित।

  2. निम्नलिखित में से किस विकिरण की भेदन क्षमता सर्वाधिक है?

    1. अल्फा कण
    2. बीटा कण
    3. गामा किरणें
    4. सभी समान
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — गामा किरणें

    भेदन क्षमता का क्रम गामा > बीटा > अल्फा है। गामा किरणें अनावेशित विद्युत-चुम्बकीय तरंगें हैं और उन्हें रोकने के लिए मोटा सीसा या कंक्रीट चाहिए, जबकि अल्फा कण कागज़ की एक शीट से रुक जाते हैं। आयनन क्षमता का क्रम उलटा है: अल्फा > बीटा > गामा।

  3. भारत के त्रि-चरणीय नाभिकीय कार्यक्रम में दूसरा चरण किस पर आधारित है?

    1. प्राकृतिक यूरेनियम प्रयोग करने वाले दबावयुक्त भारी जल रिएक्टर
    2. थोरियम आवरण सहित प्लूटोनियम-239 प्रयोग करने वाले तीव्र प्रजनक रिएक्टर
    3. थोरियम-232 व यूरेनियम-233 आधारित रिएक्टर
    4. ड्यूटीरियम व ट्राइटियम प्रयोग करने वाले संलयन रिएक्टर
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — थोरियम आवरण सहित प्लूटोनियम-239 प्रयोग करने वाले तीव्र प्रजनक रिएक्टर

    चरण 1 में प्राकृतिक यूरेनियम वाले PHWR होते हैं (जो प्लूटोनियम-239 बनाते हैं)। चरण 2 में उसी प्लूटोनियम-239 से चलने वाले तीव्र प्रजनक रिएक्टर होते हैं, जिनमें थोरियम-232 का आवरण विखंडनीय यूरेनियम-233 उत्पन्न करता है। चरण 3 फिर थोरियम-232/यूरेनियम-233 चक्र पर चलता है। संलयन इस त्रि-चरणीय योजना का भाग नहीं है।

  4. नाभिकीय रिएक्टर के बारे में निम्न कथनों पर विचार करें:
    1. तीव्र न्यूट्रॉनों को मंद करने के लिए भारी जल व ग्रेफाइट मंदक के रूप में प्रयुक्त होते हैं।
    2. कैडमियम व बोरॉन की छड़ें मंदक के रूप में प्रयुक्त होती हैं।
    कौन-सा/से सही है/हैं?

    1. केवल 1
    2. केवल 2
    3. 1 और 2 दोनों
    4. न 1, न 2
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — केवल 1

    कथन 1 सही है — भारी जल व ग्रेफाइट मंदक हैं। कथन 2 गलत है: कैडमियम व बोरॉन नियंत्रक छड़ों में प्रयुक्त होते हैं, जो श्रृंखला अभिक्रिया नियंत्रित करने हेतु न्यूट्रॉन अवशोषित करते हैं; वे न्यूट्रॉन अवशोषक हैं, मंदक नहीं।

  5. थायरॉइड विकारों के उपचार में सामान्यतः किस रेडियो-समस्थानिक का प्रयोग होता है?

    1. कोबाल्ट-60
    2. आयोडीन-131
    3. फॉस्फोरस-32
    4. सोडियम-24
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — आयोडीन-131

    आयोडीन-131 थायरॉइड विकारों की जाँच व उपचार में प्रयुक्त होता है, क्योंकि थायरॉइड ग्रंथि स्वभावतः आयोडीन एकत्र करती है। कोबाल्ट-60 सामान्य कैंसर विकिरण चिकित्सा में, फॉस्फोरस-32 मुख्यतः कृषि अनुज्ञापक के रूप में, और सोडियम-24 रक्त संचार अध्ययन व पाइपलाइन रिसाव पहचानने में प्रयुक्त होता है।

  6. भारत का प्रथम अनुसंधान रिएक्टर अप्सरा किस वर्ष व किस केंद्र में प्रचालन में आया?

    1. 1948, कलपक्कम
    2. 1956, ट्रॉम्बे
    3. 1969, तारापुर
    4. 1974, पोखरण
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — 1956, ट्रॉम्बे

    अप्सरा 1956 में ट्रॉम्बे (बाद में BARC) में क्रांतिक हुआ, जो भारत व एशिया का प्रथम अनुसंधान रिएक्टर था। तारापुर (1969) भारत का प्रथम नाभिकीय विद्युत गृह था, तथा पोखरण (1974) प्रथम परमाणु परीक्षण का स्थल।

  7. निम्नलिखित कथनों पर विचार करें:
    1. भारत ने परमाणु अप्रसार संधि (NPT) पर हस्ताक्षर नहीं किए हैं, उसे भेदभावपूर्ण मानते हुए।
    2. भारत ने परमाणु हथियारों के लिए पहले प्रयोग न करने की नीति घोषित की है।
    कौन-सा/से सही है/हैं?

    1. केवल 1
    2. केवल 2
    3. 1 और 2 दोनों
    4. न 1, न 2
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — 1 और 2 दोनों

    दोनों सही हैं। भारत ने NPT (1968) व CTBT (1996) पर हस्ताक्षर करने से इनकार किया है, यह तर्क देते हुए कि NPT विश्व को अन्यायपूर्ण ढंग से परमाणु-संपन्न व परमाणु-विहीन में बाँटती है। पोखरण-II (1998) के बाद भारत ने घोषित "पहले प्रयोग न करने" की प्रतिबद्धता सहित विश्वसनीय न्यूनतम प्रतिरोध की नीति अपनाई।

  8. सूर्य की ऊर्जा मुख्यतः किससे उत्पन्न होती है?

    1. यूरेनियम का नाभिकीय विखंडन
    2. हाइड्रोजन का हीलियम में नाभिकीय संलयन
    3. हाइड्रोजन गैस का दहन
    4. थोरियम का रेडियोसक्रिय विघटन
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — हाइड्रोजन का हीलियम में नाभिकीय संलयन

    सूर्य नाभिकीय संलयन से चमकता है: प्रोटॉन–प्रोटॉन चक्र द्वारा हाइड्रोजन नाभिक जुड़कर हीलियम-4 बनाते हैं, और द्रव्यमान की अल्प हानि E = mc² के अनुसार ऊर्जा बन जाती है। यूरेनियम का विखंडन पृथ्वी के रिएक्टरों को चलाता है, तारों को नहीं।