Read Time:28 Minute

ഡോ. ബിനോജ് നായർ

—

ആണവനിലയങ്ങളിൽ സ്വീകരിച്ചിട്ടുള്ള ആധുനിക സുരക്ഷാ ക്രമീകരണങ്ങളെക്കുറിച്ചും ആണവമാലിന്യ സംസ്‌കരണത്തിന്റെ നൂതന സങ്കേതങ്ങളെക്കുറിച്ചും വിശദമാക്കുന്ന ലേഖനം. 2024 സെപ്റ്റംബർ ലക്കം ശാസ്ത്രഗതിയിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്. ശാസ്ത്രഗതിയുടെ 2024 സെപ്റ്റംബർ , ഒക്ടോബർ ലക്കങ്ങൾ ആണവോർജ്ജം മുഖ്യവിഷയമായുള്ള ലേഖനങ്ങളാണ് ഉള്ളത്. ഡോ. രാജീവ് പാട്ടത്തിൽ ആണ് ഈ രണ്ടു ലക്കങ്ങളുടെ ഗസ്റ്റ് എഡിറ്റർ

ന്യൂക്ലിയർ എനർജി ശാഖയിൽ ഒരു വ്യത്യസ്തമായ ന്യൂക്ലിയർ ഫിഷൻ (അണു വിഭജന) സ്ട്രാറ്റജി മുന്നോട്ടുവെയ്ക്കുന്ന ഒരു വിഭാഗമാണ് സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടറുകൾ. ഇന്ന് നിലവിലുള്ള പലതരം റിയാക്ടർ ഡിസൈനുകൾക്കുള്ള ഒരു ബദൽ എന്ന നിലയ്ക്കാണ് ഇതിനെ ഈ മേഖലയിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ കാണുന്നത്. റിയാക്ടറിലെ അണുവിഭജനം പരമാവധി വർധിപ്പിച്ച് കഴിയുന്നത്ര ന്യൂക്ലിയർ ഇന്ധനത്തെ ഊർജമാക്കി മാറ്റുക എന്നതാണ് ഇതിന്റെ തത്വം. ഇങ്ങനെയുള്ള റിയാക്ടറുകളിൽ ഹ്രസ്വകാല ന്യൂക്ലിയർ ഫിഷൻ മാലിന്യങ്ങൾ മാത്രമേ അവശേഷിക്കുകയുള്ളുവെന്നതുകൊണ്ട് പ്രവർത്തന സുരക്ഷയുടെ കാര്യത്തിൽ സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടർ ഇപ്പോഴുള്ള റിയാക്ടറുകളെക്കാൾ പലമടങ്ങ് മെച്ചപ്പെട്ടതായിരിക്കും എന്നതാണ് ഇതിന്റെ ഒരു ഗുണം.

പരമ്പരാഗത സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിക്കുന്ന റിയാക്ടറുകളുടെ സങ്കീർണ്ണതകളില്ലാതെ റിയാക്ടർ ആരംഭിക്കാനും നിർത്താനും കഴിയുന്ന പ്രവർത്തന സുരക്ഷയാണ് മറ്റൊരു കാര്യം. പ്രായോഗികതലത്തിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ തുടങ്ങുന്നതിന് ഒട്ടേറെ വെല്ലുവിളികൾ ഇനിയും ബാക്കിയുണ്ടെങ്കിലും ഒരു സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടറിൻ്റെ തത്വം, പ്രവർത്തന സാധ്യത, നേട്ടങ്ങൾ തുടങ്ങിയവ പരിശോധിക്കുന്നത് നല്ലതാണ്.

ന്യൂക്ലിയർ ഫിഷനും റിയാക്ടർ ഫിസിക്സും

സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ ഫിഷൻ റിയാക്ടറിന്റെ മെക്കാനിസം പരിശോധിക്കുന്നതിനുമുമ്പ്, റിയാക്ടറുകളിൽ നടക്കുന്ന ന്യൂക്ലിയർ ഫിഷന്റെ ചില അടിസ്ഥാന കാര്യങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കേണ്ടതുണ്ട്. റിയാക്ടറുകളിൽ ഊർജം ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്നത് ന്യൂക്ലിയർ ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ കൊണ്ടാണെന്ന് കേട്ടിരിക്കുമല്ലോ. ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ എന്നത് നിയന്ത്രിത രീതിയിൽ, എന്നാൽ തുടർച്ചയായി, ന്യൂക്ലിയർ ഇന്ധനങ്ങളുടെ (fissile material) അണു കേന്ദ്ര ങ്ങളെ- ന്യൂക്ലിയസുകളെ – ന്യൂട്രോ ണുകളെകൊണ്ടിടിപ്പിച്ച് വിഭജിക്കു ന്നതിന്റെ (fission) ഫലമായി ഊർജവും കൂടുതൽ ന്യൂട്രോണുകളും പുറത്തുവരുന്ന പ്രക്രിയയാണ്. ഇങ്ങനെ പുറത്തുവരുന്ന ന്യൂട്രോണുകൾ കൂടുതൽ ഫിസൈൽ ന്യൂക്ലിയസുകളെ വിഭജിക്കുമ്പോഴാണ് ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ ഉണ്ടാകുന്നത്. വ്യവസായികാടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള ആണവോർജത്തിൽ അതുകൊണ്ടു തന്നെ, ന്യൂട്രോണുകളുടെ ആയ (neutron economy- ന്യൂട്രോണുകൾ ഉണ്ടാവുന്നതിന്റേയും ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നതിന്റെയും നിരക്കുകൾ) വളരെ പ്രധാനമാണ്. ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ടറിലെ എല്ലാ പ്രവർത്തനങ്ങളും ന്യൂട്രോണുകളുടെ ഊർജം, അവയുടെ ഉറവിടം, ന്യൂട്രോൺ ഉപഭോഗം എന്നിവയുടെ സന്തുലിതാവസ്ഥയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

ന്യൂക്ലിയർ ഫ്യൂഷനിലെ ഊർജം പുറത്തേക്കു വരുന്നത് ഫിഷൻ ഉൽപന്നങ്ങളുടെയും ന്യൂട്രോണുകളുടെയും ഗതികോർജത്തിന്റെ (കണികകളുടെ പ്രവേഗം) രൂപത്തിലാണ്. ഇവയുടെ കൂട്ടിയിടികളുടെ ഫലമായി റിയാക്ടർ ഇന്ധനം ചൂടാക്കപ്പെടുന്നു, അത് റിയാക്ടറിന്റെ കേന്ദ്രഭാഗ (reactor core)ത്തുണ്ടാകുന്ന താപോർജത്തിൽനിന്നും നീരാവിയുടെ ശക്തിയായി വേർതിരിച്ചെടുക്കുന്നു. ²³⁵U₉₂, ²³⁹Pu₉₄, ²³³U₉₂ പോലുള്ള ആറ്റങ്ങൾ വിഘടന ക്ഷമമാണ്. അതായത്, അവ ഒരു താപ-ന്യൂട്രോൺ അഥവാ ചെറിയ എനർജിയുള്ള ന്യൂട്രോൺ (thermal neutron low energy neutron) പിടിച്ചെടുക്കുകയും എളുപ്പത്തിൽ വിഘടനത്തിന് വിധേയമാവുകയും ചെയ്യും. ചില ആറ്റങ്ങൾ സമ്പുഷ്ടമാണ് അതായത്, അവ ന്യൂട്രോണുകളെ പിടിച്ചെടുത്ത് സ്വയം വിഘടനക്ഷമമായി മാറുന്നവയാണ്. ഉദാഹരണത്തി ന്, ²³⁸U₉₂ കൂടുതൽ എനർജിയുള്ള ന്യൂട്രോൺ പിടിച്ചെടുത്ത് (ഫാസ്റ്റ് ബ്രീഡിങ്) ²³⁵U₉₂ അയി മാറും. ²³²Th₉₀ താപ-ന്യൂട്രോണുകളെ പിടിച്ചെടുക്കുമ്പോൾ (തെർമ്മൽ ബ്രീഡിങ്) രൂപവൽക്കരിക്കപ്പെടും. ന്യൂട്രോണുകളുടെ ക്രയവിക്രയത്തിന്റെ കാര്യത്തിൽ ഈ രണ്ടു സ്ഥിതിവിശേഷങ്ങളും റിയാക്ടറിൽ സംഭവ്യമാണ്.

പക്ഷേ, നിർഭാഗ്യവശാൽ, റിയാക്ടറിനുള്ളിലെ ന്യൂട്രോണുകൾ കൂടുന്നതിനനുസരിച്ച് യുറേനിയം തുടർച്ചയായി ന്യൂട്രോൺ പിടിച്ചെടുത്ത് സമ്പുഷ്ടമോ വിഘടനക്ഷമമോ അല്ലാത്ത ഭാരമുള്ള മൂലകങ്ങളായി (ട്രാൻസ് യുറേനിയം മൂലകങ്ങൾ) രൂപാന്തരപ്പെടാനുള്ള സാധ്യതയും കൂടുകയാണ്. ഇങ്ങനെ ന്യൂട്രോണുകൾ നഷ്ടപ്പെടുന്നത് ഇത് റിയാക്ടറിലെ ചെയിൻ റിയാക്ഷന് വലിയ തടസ്സമുണ്ടാക്കുമെന്നതിലുപരി റിയാക്ടറിലെ ഇന്ധനം യാതൊരു വിധത്തിലും പ്രവർത്തനക്ഷമമല്ലാത്ത ട്രാൻസ് യുറേനിയം മൂലകങ്ങളെക്കൂടി ഉണ്ടാക്കാൻ തുടങ്ങുന്നതോടെ ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ നിലനിർത്താനാവ ശ്യമായ റിയാക്ടറിലെ ന്യൂട്രോൺ സാന്ദ്ര (neutron flux) വല്ലാതെ കുറയുന്നു. ഇന്ധന ദണ്ഡുകൾക്ക് സംഭവിക്കുന്ന ഇത്തരം ന്യൂട്രോൺ വിഷബാധ (neutron poisoning) കൊണ്ടാണ് ഒരു നിശ്ചിത സമയത്തിനുശേഷം – ഒന്നോ രണ്ടോ വർഷത്തിനുള്ളിൽ – ഇന്ധന ദണ്ഡുകൾ മാറ്റി പുതിയവസ്ഥാപിക്കേണ്ടിവരുന്നത്.

ഇത്തരം ന്യൂട്രോൺ പോയിസനിങ്ങിന്റെ മറ്റൊരു പ്രശ്ന‌ം ഇങ്ങനെയുണ്ടാവുന്ന ട്രാൻസ് യുറേനിയം മൂലകങ്ങളിൽ ചിലത് ആവർത്തനപ്പട്ടികയിലെ ആക്ടിനൈഡുകൾകൂടി ആണെന്നതാണ്. ഇവ ആയിരക്കണക്കിന് വർഷങ്ങളുടെ ആയുസ്സുള്ള ആണവ അവശിഷ്ടങ്ങളാണ്. ആൽഫാ കണങ്ങളുടെയോ ബീറ്റാ കണങ്ങളുടെയോ അല്ലെങ്കിൽ പെട്ടെന്നുള്ള ഗാമാ കിരണങ്ങളുടെ ഉത്സർജനത്തെയോത്തുടർന്ന് സ്വയമേവ ക്ഷയിച്ച് ചെറിയ ആക്ടിനൈഡുകളായി മാറുന്നതിനാൽ അവ റേഡിയോ ആക്ടീവ് ആണ്. അതിനാൽ, ആ ക്ടിനൈഡുകളുള്ള ആണവ ഇന്ധനങ്ങൾ സംഭരണത്തിലും കൈകാര്യം ചെയ്യലിലും വലിയ തലവേദനയാണ് ഉണ്ടാക്കുക ²³⁶U, ²³²U, ²³⁴Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu, ²⁴⁷Np, ²⁴¹Am, ²⁴²Am, ²⁴²Cm, ²⁴⁴Cmതുടങ്ങിയവ ഉദാഹരണങ്ങളാണ്.

റിയാക്ടർ ഘടകങ്ങൾ

ഇന്നു നിലവിലുള്ളതരം റിയാക്ടറുകളായ പ്രഷറൈസ്‌ഡ് ഹെവി വാട്ടർ റിയാക്ടർ (PHWR), ബോയിലിങ് വാട്ടർ റിയാക്ടർ (BWR), ഫാസ്റ്റ് ബ്രീഡർ റിയാക്ടർ (FBR) തുടങ്ങിയവയിൽ ആണവ ഇന്ധനത്തിന്റെ ഒരു റിയാക്ടർ കോർ അസംബ്ലി ഉണ്ടാകും. കോറിനു ചുറ്റുമായി സാധാരണ വെള്ളം, ഹെവി വാട്ടർ, ഗ്രാഫൈറ്റ്, ലിഥിയം, ബെറിലിയം അല്ലെങ്കിൽ സിർക്കോണിയം എന്നിവയിലൊന്ന് മോഡറേറ്ററായി പൊതിഞ്ഞിരിക്കും. കൂടാതെ, കൺട്രോൾ ദണ്ഡു കൾപോലുള്ള സംവിധാനങ്ങൾ ചെയ്ൻ റിയാക്ഷന്റെ തോത് നിയന്ത്രിക്കുന്നത്തിനായി ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കും. റിയാക്ടറിന്റെ ന്യൂട്രോൺ സ്വഭാവസ വിശേഷതകൾ – അതായത്, ന്യൂട്രോണിൻ്റെ വേഗത. ന്യൂട്രോണിൻ്റെ എണ്ണം തുടങ്ങിയ കാര്യങ്ങൾ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിന് ഈ ഘടകങ്ങൾ പ്രധാനമാണ്. ഫിഷൻ റിയാക്ഷനുകൾ കഴിഞ്ഞ് ബാക്കിയാവുന്ന ന്യൂക്ലിയാർ ഇന്ധനം ന്യൂട്രോൺ ഉത്സർജനത്താൽ ക്ഷയിക്കുന്നതുമൂലം ന്യൂട്രോണുകളുടെ ഉറവിടമായി മാറുന്നു. ഫിഷൻ പ്രവർത്തനങ്ങളിൽ നിന്നും തൽക്ഷണം പുറത്തുവരുന്ന ന്യൂട്രോണുകളിൽ (prompt neutrons) നിന്നും വ്യത്യസ്ത‌മായി അല്പം താമസിച്ചാണ് ഇവ പുറത്തുവരുന്നത്. റിയാക്ടറിലെ ന്യൂട്രോൺ ബഫറിൻ്റെ എണ്ണത്തിൽ ഈ വിളംബിത ന്യൂട്രോണുകൾ (delayed neutrons) പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. ഏത് ഇന്ധനമാണ് എന്നതിനനുസരിച്ച് ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തിൽ ഏതാണ്ട് ഒരു ശതമാനത്തിൽത്താഴെ മാത്രമേ ഇവ വരുന്നു ള്ളു. അതായത് സങ്കീർണ്ണമായ ഒരു റിയാക്ടറിന്റെ സുരക്ഷിതമായ ഓപ്പറേഷനെ മാനുഷികമായി നിയന്ത്രിക്കാൻ വളരെ ചെറിയ മാർജിനാണ് ഇത് നൽകുന്നത്.

റിയാക്ടറുകളിലെ ഇന്ധനക്ഷമത

ഇപ്പോഴുള്ള എല്ലാ റിയാക്ടറുകളിലും ഇന്ധനത്തിലെ യുറേനിയത്തിന്റെ അഞ്ചോ ആറോ ശതമാനം മാത്രമേ ഉപഭോഗം ചെയ്യപ്പെടുകയും ഫിസൈൽ പ്രോഡക്ടുകളും (ഉദാ: സ്ട്രോനിയം-90, യിട്രിയം-90, Cs-137, Ce-144, Zr-95, Ru-103, Nb-95, Ba-140, La-140, I-131, ട്രിഷിയം) നേരത്തേ കണ്ടതുപോലെയുള്ള റേഡിയോആക്ടീവ് വേസ്റ്റായ ആക്ടിനൈഡുകളും ആയി മാറുകയും ചെയ്യുന്നുള്ളു. അതായത്, ഇന്ധനത്തിന്റെ 94% വീണ്ടും ഉപയോഗിക്കാൻ പറ്റുന്ന, അണുവിഭജന സാധ്യതയുള്ള ഇന്ധനമാണ്. എന്നാൽ, ഫിഷൻ റിയാക്ഷൻ കഴിഞ്ഞ ഈ 5% ഇന്ധനത്തിൻ്റെ മേൽപ്പറഞ്ഞ പ്രോഡക്ടുകൾ നേരത്തേ കണ്ടതുപോലെ ന്യൂട്രോൺ പോയ്സണിങ് ഒക്കെക്കൊണ്ട് റിയാക്ടറിലെ ന്യൂട്രോൺ സന്തുലിതാവസ്ഥയും ഇന്ധനദണ്ഡുകളുടെ സേഫ്റ്റിയും പോലും മാറ്റിമറിക്കുന്നതിനാൽ ഈ ഇന്ധന ദണ്ഡുകൾ ഇടയ്ക്കിടയ്ക്ക് മാറ്റിസ്ഥാപിക്കേണ്ടിവരുന്നു. ഈ ഫിസൈൽ പ്രോഡക്ടുകൾ അസ്ഥിരമായ ന്യൂക്ലൈഡുകളാണ്. തുടക്കത്തിൽ ഉയർന്ന റേഡിയോ ആക്ടീവതയുള്ള ഇവ വേഗത്തിൽ ക്ഷയിക്കുന്നു. നൂറോളം ദിവസങ്ങളോ കുറച്ച് വർഷങ്ങളോകൊണ്ട് അവയുടെ റേഡിയോ ആക്ടീവത പെട്ടെന്ന് കുറയും. ഏതു റിയാക്ടറിൻ്റേയും എഫിഷ്യൻസി അതിലെ 100% ഇന്ധനവും ഉപയോഗിക്കുന്നതിലാണല്ലോ. ഇത് സാധാരണ റിയാക്ടറുകളിൽ നടക്കുന്നില്ല. വളരെ വലി ശതമാനം ഉപയോഗപ്രദമായ ഇ ന്ധനം ബാക്കിയുള്ള ഈ ഇന്ധന ദ ണ്ഡുകളെ റീ സൈക്കിൾ ചെയ്യാം. പക്ഷേ, അവയിലെ ആക്ടിനൈഡുകളുടെ റീസൈക്ലിങ് രാസ പുനഃസംസ്കരണത്തിലൂടെ മാത്രമേ സാധ്യമാകൂ, അത് ചെലവേറിയതും സമയമെടുക്കുന്നതുമായ കാര്യവുമാണ്.

ന്യൂട്രോൺ നിയന്ത്രണവും ക്രിട്ടിക്കാലിറ്റിയും

ഒരു ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ടറിൽ, ഫി ഷൻ റിയാക്ഷന് ഉപയോഗിക്കുന്നതും അതിൽനിന്ന് ഉണ്ടാവുന്നതുമായ ന്യൂട്രോണുകളുടെ റേഷ്യോ (k) ആണ് റിയാക്ടറിനുള്ളിലെ ന്യൂട്രോൺ ബാലൻസ് നിയന്ത്രിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന ഘടകം. ഒരു റിയാക്ടറിലെ ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണം സ്ഥിരമായിരിക്കുമ്പോൾ (ഡിമാൻഡിന് തുല്യമായ വിതരണം), അതിലെ ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ സെൽഫ് സസ്റ്റെയ്‌നിങ് സ്വയം ജ്വലിക്കുന്നത് – ആണെന്ന് പറയാം. അപ്പോൾ റിയാക്ടറിന്റെ അ വസ്ഥയെ ക്രാന്തികം അഥവാ ക്രിട്ടിക്കൽ (k=1) എന്നുവിളിക്കുന്നു. റിയാക്ടറിലെ ന്യൂട്രോൺ ആഗിരണത്തെക്കാൾ അവയുടെ ഉൽപാദനം അതിവേഗം വർധിക്കുകയാണെങ്കിൽ റിയാക്ടറിനുള്ളിലെ താപം പെട്ടെന്ന് കൂടുകയും അത് ഇന്ധന റോഡുകളുടെ മെൽറ്റ്ഡൗണിലേക്കും സ്ഫോടനങ്ങളിലേക്കുമൊക്കെ നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ അവസ്ഥ സൂപ്പർക്രിട്ടിക്കൽ അഥവാ അതിക്രാന്തികം (k>1) ആയി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. എന്നാൽ, ന്യൂട്രോൺ ആഗിര ണം കുടുതലും റിയാക്ഷൻ വഴി ഉ ണ്ടാവുന്ന ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണം കുറവുമാവുമ്പോൾ അത് സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ അഥവാ ഉപക്രാന്തികം (k<1) ആയി കണക്കാക്കുന്നു.

സബ്-ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടറുകൾ

പൊതുവേ ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ടറുകളെല്ലാം k=1 എന്ന ക്രിട്ടിക്കൽ അവസ്ഥയിലാണ് ഓപ്പറേറ്റ് ചെയ്യേണ്ടത്. അനുസൃതമായി, എന്നാൽ, സേഫ് ആയി അതിലെ ചെയിൻ റിയാക്ഷനുകൾ നടക്കാൻ ഇത് ആവശ്യമാണ്. എന്നാൽ, നേരത്തേ കണ്ടതു പോലെ ഇവയിലെ ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തെ വളരെ കൃത്യമായി നിയന്ത്രിച്ചു നിർത്തുക വളരെ ശ്രമകരമാണ്. റിയാക്ഷനുകളിലെ അവശിഷ്ടങ്ങളിൽ നിന്നുവരുന്ന വിളംബിത ന്യൂട്രോണുകൾകൂടിയുള്ളതുകൊണ്ട് ഏതു സമയത്തും സൂപ്പർ ക്രിട്ടിക്കൽ ആകാനുള്ള സാധ്യത നിലനിൽക്കുന്നതിനാൽ ക്രാന്തികതയ്ക്ക് തൊട്ടു താഴെ (k-1) യാണ് സാധാരണ റിയാക്ടറുകളെല്ലാം പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. അതുകൊണ്ടുതന്നെ, ഇവയിലെ ഇന്ധനങ്ങളുടെ 100% ഉപയോഗം നടക്കുന്നില്ലെന്ന് നാം നേരത്തേ കണ്ടു. ഇവിടെയാണ് തികച്ചും സേഫ് ആയി സബ്-ക്രിട്ടിക്കൽ (k<1) സ്ഥി തിയിൽ പ്രവർത്തിക്കുമ്പോഴും ന്യൂക്ലിയർ വേസ്റ്റിലടങ്ങിയിരിക്കുന്ന വളരെക്കാലത്തെ ഹാഫ് ലൈഫ് ഉള്ള ട്രാൻസ് യുറേനിയം മൂലകങ്ങളേയും ആക്ടിനൈ ഡുകളേയും വിഘടിപ്പിച്ച് ഊർജം ഉൽപാദിപ്പിക്കാൻ കഴിവുള്ള സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ ഫിഷൻ റിയാക്ടറുകളുടെ (SCFR) പ്രസക്തി. ഇതിന് റിയാക്ടറിനെ ഷട്ട്ഡൗൺ അവസ്ഥയിൽനിന്ന് (അതായത് k=0) ക്രിട്ടിക്കലിലേക്ക് (അതായത് = 1) നയിക്കുന്ന ബാഹ്യമായ ഒരു ന്യൂട്രോൺ സ്രോതസ്സ് ആവശ്യ മാണ്. ന്യൂട്രോണുകൾ ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്ന റേഡിയോആക്ടീവ് സോഴ്സു‌കളോ പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ കൊണ്ടുണ്ടാക്കുന്ന ന്യൂട്രോൺ സ്പെല്ലേഷൻ സോഴ്സു‌കളോ ഇതിന് ഉപയോഗിക്കാം. ഇത് ആക്ടിനൈഡുകളെ വിഘടിപ്പിക്കാൻ ആവശ്യമായ അധിക ന്യൂട്രോണുകളെ നൽകുന്നു. ന്യൂക്ലിയർ അവശിഷ്ടങ്ങളെ കഴിയു എത്ര വിഘടിപ്പിച്ച് ഊർജം ഉൽ പാദിപ്പിക്കുന്നതിനപ്പുറം, ഒരു പര മ്പരാഗത റിയാക്ടറിൽനിന്ന് വ്യത്യസ്ത‌മായി ഒരു SCFR റിയാക്ടർ സ്വതവേ തന്നെ സുരക്ഷിതമാണ്. കാരണം, പുറത്തു നിന്നുള്ള ന്യൂട്രോൺ പ്രവാഹം നിർത്തുന്നതോടെ റിയാക്ടറിനകത്തെ ചെയിൻ റിയാക്ഷനും അവസാനിപ്പിക്കാനാകും. അങ്ങനെ നോക്കുമ്പോൾ SCFR ഓൺ-ഓഫ് സ്വിച്ചുള്ള ഒരു റിയാക്ടറാണ്. സാധാരണ റിയാക്ടറുകളിൽ ഇത്തരമൊരു കണ്ട്രോൾ നിലവിലില്ല. SCFRൽ ഇന്ധനങ്ങളെ കൂടുതൽ എഫിഷ്യൻസിയിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ പറ്റുന്നതുകൊണ്ട് ഇവയിലെ റിയാക്ടർ കോറിലെ critical mass-ഉം വ്യാപ്തവും കുറയ് ക്കാനും അങ്ങനെ റിയാക്ടറുകൾ കൂടുതൽ ഒതുക്കമുള്ളതാക്കാനും സാധിക്കും.

സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടറുകൾ ഉണ്ടാക്കുന്നതെങ്ങനെ?

ഒരു SCFR നിർമ്മിക്കുന്നതിനായി സാധാരണഗതിയിലുള്ള ഒരു റിയാക്ടർ കോറുമായി ഒരു ബാഹ്യ ന്യൂട്രോൺ സോഴ്‌സിനെ സംയോജിപ്പിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ഈ ന്യൂട്രോൺ സ്രോതസ്സ് റിയാക്ടർ കോറിന്റെ മധ്യഭാഗത്ത് ലഭ്യമായിരിക്കണം. സ്പെല്ലഷൻ സോഴ്‌സുകൾ ഇതിനായി ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് പറഞ്ഞല്ലോ. ഒരു പ്രോട്ടോണിനെ പ്രകാശവേഗതയുടെ അടുത്ത വേഗതയിലേക്ക് ത്വരിതപ്പെടുത്തുകയും ലെഡോ അതുപോലെയുള്ള ഹെവി മെറ്റലിന്റേയോ ബ്ലോക്കുമായി കൂട്ടിയിടിപ്പിച്ച് ന്യൂട്രോണുകൾ ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യുന്ന പ്രക്രിയയാണ് സ്‌പല്ലേഷൻ. ഇവിടെ ഹെവി മെറ്റലിന്റെ ന്യൂക്ലിയസുമായി പ്രോട്ടോണുകളുടെ കൂട്ടിയിടി ഒരു ന്യൂട്രോണിനെ പുറത്തേക്കു തെറിപ്പിക്കുന്നു. ഈ ഉത്സർജനമാണ് ന്യൂ ട്രോണിന്റെ ഉറവിടം. പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകളിലെ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജിലുള്ള വൈദ്യുതിയും ശക്തമായ കാന്തികമണ്ഡലവും ഉപയോഗിച്ച് പ്രോട്ടോണുകളെ ബാഹ്യമായി ത്വരിതപ്പെടുത്തുകയും അവയെ റിയാക്ടർ കാമ്പിലെ സ്പെല്ലേഷൻ ടാർഗെറ്റിലേക്ക് കടത്തിവിടുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെയുണ്ടാവുന്ന ന്യൂട്രോണുകൾ റിയാക്ടറിലെ ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ കൺട്രോൾ ചെയ്യുന്നതുകൊണ്ട് ആക്സിലറേറ്റർ ഓണും ഓഫും ചെയ്ത് റിയാക്ടറിനെ കൺട്രോൾ ചെയ്യാം. പരമ്പരാഗത റിയാക്ടർ സജ്ജീകരണത്തേക്കാൾ വളരെ ലളിതമായി വിഭാവനം ചെയ്ത ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയെ ആക്സിലറേറ്റർ ഡ്രിവൺ സിസ്റ്റം (ADS) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ന്യൂക്ലിയർ ഫിഷൻ നടത്തുന്നതിന് ന്യൂട്രോണുകൾക്കു പകരം വിഘട നം നടത്താൻ മ്യൂയോണുകൾ (muon ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഭാരമേറിയ കസിൻ) ഉപയോഗിക്കുന്ന മറ്റു രീതികളും ഉണ്ട്. എന്നാൽ, ന്യൂട്രോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന ADS ആയിരിക്കും നമുക്കിപ്പോൾ ലഭ്യമായ ടെക്നോളജിവെച്ച് പ്രാക്ടിക്കലായി ഉണ്ടാ ക്കാവുന്ന സിസ്റ്റം.

തോറിയം ഇന്ധനമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന തിനുള്ള ADS കോൺഫിഗറേഷന്റെ ഘടകങ്ങൾ കാണിക്കുന്ന സ‌ീമാറ്റിക് ഡയഗ്രം.
കടപ്പാട് : Accelerator-driven sub-critical reactor system (ADS) for nuclear energy generation.-S.S. Kapoor, PRAMANA- journal of Physics, Indian Academy of Sciences Vol. 59, No. 6, December 2002, pp. 941-950 >>>

ആക്‌സിലറേറ്റർ ഡ്രിവൺ സിസ്റ്റം (ADS)

ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതു പോലെ ഉയർന്ന തീവ്രതയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു പ്രോട്ടോൺ ആക്സിലറേറ്റർ ഉപയോഗിച്ച് ഏകദേശം 1 GeV ഊർജവും, 10 mA (മില്ലി ആമ്പിയർ) ബീം കറന്റും, 10 -13 MW ആവറേജ് പവറും ഉള്ള പ്രോട്ടോൺ ബീമുകളെ റിയാക്ടറിനുള്ളിലെ സ്പെല്ലേഷൻ ടാർഗെറ്റിലേക്ക് കടത്തിവിടുന്ന തരത്തിലാണ് ADS ന്റെ രൂപകല്പന. റിയാക്ടർ കോറിന് നടുവിലുള്ള ദ്രാവക-ലെഡ് ആണ് പ്രോട്ടോണുകളുടെ ആഘാതത്തിൽ ന്യൂട്രോണുകൾ പുറത്തുവിടുന്ന ഈ സ്പെല്ലേഷൻ ടാർഗെറ്റ്. ടാർഗെറ്റ് തണുപ്പിക്കാൻ ഒരു താപ കൈമാറ്റ സംവിധാനത്തിലേക്ക് (ഹീറ്റ് എക്സ്‌ചേഞ്ചർ) ഒഴുകി വരുന്ന, ദ്രവ-ലോഹ റിയാക്ടറു (LMR) കളിലൊക്കെ ഉപയോഗിക്കുന്ന, റിയാക്ടർ കൂളന്റുകൂടിയായ ലെഡ് ബിസ്മത്ത് പോലുള്ള ഒരു ദ്രാവകരൂപത്തിലുള്ള ലോഹം ഉണ്ടാകും. ഇന്ധന ദണ്ഡുകളുടെ കുട്ടം ഈ സ്പെല്ലേഷൻ ടാർഗെറ്റിനെ പൊതിഞ്ഞിരിക്കും. ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ ആരംഭിക്കുന്നതിന് ഒരു നിശ്ചിത അളവിലുള്ള വിഭജനക്ഷമമായതോ സമ്പുഷ്ടീകരിക്കപെട്ടതോ ആയ ആക്ടിനൈഡ് മിശ്രിതമായിരിക്കും ഇന്ധനം. സ്പെലേഷൻ ലക്ഷ്യത്തിലിടിക്കുന്ന ഓരോ പ്രോട്ടോണിനും ശരാശരി 20-30 ന്യൂട്രോണുകൾ പുറത്തുവരുന്നു. ഇത് കൂടുതൽ വിഘടനത്തിനും ഇന്ധനത്തിന്റെ സമ്പുഷ്ടീകരണത്തിനും രൂപാന്തരണത്തിനും കാരണമാകുന്നു

ഇത്തരമൊരു റിയാക്ടറിൽ ന്യൂട്രോൺ ഉൽപാദനത്തിന് നിർണ്ണായക ഘടകങ്ങളാകുന്നത് പ്രോട്ടോൺ ബീം തീവ്രതയും ഊർജവും ആയിരിക്കും. ഉയർന്ന ബീം തീവ്രതയും ഊർജവും ന്യൂട്രോൺ ഉൽപാദനത്തെ ആനുപാതികമായി സ്വാധീനിക്കും. വാണിജ്യപരമായി നോക്കുമ്പോൾ SCFRൽ പ്രോട്ടോൺ ബീമുകൾ ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്നതിന് ചെലവഴിക്കുന്ന ഊർജം റിയാക്ടറിൽനിന്നും ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്ന ആകെ ഊർജത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം മാത്രമായിരിക്കണം. പ്രോട്ടോൺ ബീമുകളുടെ പരാമീറ്ററുകൾവെച്ചു നോക്കുമ്പോൾ ഇത് റിയാക്ടറിൽനിന്നുള്ള വൈദ്യുതോർജത്തിന്റെ 15ശതമാനത്തോളം വരും. എന്നുവെച്ചാൽ, 500 മെഗാവാട്ട് വൈദ്യുതി (MWe) റിയാക്ടർ ഉൽപാദിപ്പിച്ചാൽ അതിൽ 75 മെഗാവാട്ട് (MWe) ആക്സിലേറ്ററിനും മറ്റ് പ്രവർത്തനത്തിനുമായി റിയാക്ടറിലേക്കുതന്നെ തിരിച്ചുവിടാം. സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ റിയാക്ടറിന്റെ ഡിസൈൻ ഇന്ത്യയുൾപ്പെടെ ലോകമെമ്പാടും വികസനഘട്ടത്തിലാണ്. യൂറോപ്യൻ യൂണിയനിലെ MYRRHA, ജപ്പാനിലെ AEA- ADS, യു എസ്സിലെ Mu*STAR, ഇന്ത്യയിലെ IFSR തുടങ്ങിയവ ഉദാഹരണം. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ ആക്സിലറേറ്റർ ഫിസിക്‌സും ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ടർ എഞ്ചിനീയറിങ്ങും തമ്മിലുള്ള സവിശേഷമായ സംയോജനമാണ്. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ പ്രയോഗക്ഷമവും മത്സരക്ഷമവും ആക്കുന്നതിന് പലതലത്തിലുള്ള പരിഷ്‌കരണവും ഒപ്ടിമൈസേഷനും ഇനിയും ആവശ്യമാണ്. പക്ഷേ, ന്യൂക്ലിയർ മാലിന്യങ്ങളുടെ സംഭരണവും അതിൻ്റെ ബുദ്ധിമുട്ടുകളും ഇല്ലാത്ത ശുദ്ധമായ വൈദ്യുതി ഉൽപാദനമാണ് ADS വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നത്. ഇതിനോടകം വികസിതമായ മേൽപ്പറഞ്ഞ സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ സംയോജനം വഴി സബ്ക്രിട്ടിക്കൽ ഫിഷൻ റിയാക്ടർ സാങ്കേതികവിദ്യ എത്രയുംവേഗം സാക്ഷാത്‌കരിക്കപ്പെടുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കാം.