Nuclear reactor physics
نیوکلیئر ری ایکٹر فزکس طبیعیات کا وہ شعبہ ہے جو توانائی کی پیداوار کے لیے نیوکلیئر ری ایکٹر میں فشن کی کنٹرول شدہ شرح کو متاثر کرنے کے لیے چین ری ایکشن کے اطلاقی مطالعہ اور انجینئرنگ ایپلی کیشنز کا مطالعہ اور ان سے نمٹتا ہے۔ زیادہ تر نیوکلیئر ری ایکٹر بکھرے ہوئے مادے میں نیوکلیئر فشن کی کنٹرول شدہ شرح کو متاثر کرنے کے لیے سلسلہ وار رد عمل کا استعمال کرتے ہیں، جس سے توانائی اور آزاد نیوٹرون دونوں خارج ہوتے ہیں۔ ایک ری ایکٹر جوہری ایندھن (ایک ری ایکٹر کور) کی اسمبلی پر مشتمل ہوتا ہے، جو عام طور پر نیوٹرون ماڈریٹر جیسے باقاعدہ پانی، بھاری پانی، گریفائٹ، یا زرکونیم ہائیڈرائڈ سے گھرا ہوتا ہے، اور کنٹرول سلاخوں جیسے میکانزم سے لیس ہوتا ہے جو رد عمل کی شرح کو کنٹرول کرتے ہیں۔ نیوکلیئر فشن کی طبیعیات میں کئی نرلیں ہیں جو نیوکلیئر ری ایکٹروں کے ڈیزائن اور طرز عمل کو متاثر کرتی ہیں۔ یہ مضمون جوہری ری ایکٹروں کی طبیعیات اور ان کے رویے کا عمومی جائزہ پیش کرتا ہے۔ نیوکلیئر ری ایکٹر میں، کسی بھی لمحے نیوٹرون کی آبادی نیوٹرون کی پیداوار کی شرح (فشن کے عمل کی وجہ سے) اور نیوٹرون کے نقصانات کی شرح (غیر فشن جذب میکانزم اور نظام سے رساو کی وجہ سے) کا ایک فعل ہے۔ جب ری ایکٹر کی نیوٹرون آبادی ایک نسل سے دوسری نسل تک مستحکم رہتی ہے (اتنے ہی نئے نیوٹرون بنتے ہیں جتنے ختم ہو جاتے ہیں)، تو فشن چین ری ایکشن خود کفیل ہوتا ہے اور ری ایکٹر کی حالت کو "نازک" کہا جاتا ہے۔ جب ری ایکٹر کی نیوٹرون کی پیداوار نقصانات سے تجاوز کر جاتی ہے، جس کی خصوصیت بجلی کی سطح میں اضافہ ہوتا ہے، تو اسے "انتہائی اہم" سمجھا جاتا ہے، اور جب نقصانات غالب ہوتے ہیں، تو اسے "ذیلی اہم" سمجھا جاتا ہے اور یہ کم ہوتی ہوئی طاقت کو ظاہر کرتا ہے۔ "سکس فیکٹر فارمولا" نیوٹرون لائف سائیکل بیلنس مساوات ہے، جس میں چھ الگ الگ عوامل شامل ہیں، جن کا پروڈکٹ کسی بھی نسل میں نیوٹرانوں کی تعداد کے تناسب کے برابر ہے جو کہ پچھلے سے ہے۔ اس پیرامیٹر کو موثر ضرب عنصر k کہا جاتا ہے، جسے کیف سے بھی ظاہر کیا جاتا ہے، جہاں k = η Lf ρ Lth f η، جہاں η = "تیز فشن عنصر"، Lf = "تیز غیر رساو عنصر"، ρ = "گونج سے بچنے کا امکان"، Lth = "تھرمل غیر رساو عنصر"، f = "تھرمل ایندھن کے استعمال کا عنصر"، اور η = "تولیدی عنصر"۔ اس مساوات کے عوامل تقریبا اہم آپریشن کے دوران فشن سے پیدا ہونے والے نیوٹرون کے ممکنہ واقع کی ترتیب میں ہیں۔ جیسا کہ پہلے ہی ذکر کیا گیا ہے، k = (ایک نسل میں پیدا ہونے والے نیوٹرون)/(پچھلی نسل میں پیدا ہونے والے نیوٹرون)۔ دوسرے لفظوں میں، جب ری ایکٹر اہم ہوتا ہے، k = 1 ؛ جب ری ایکٹر ذیلی اہم ہوتا ہے، k <1 ؛ اور جب ری ایکٹر انتہائی اہم ہوتا ہے، k> 1۔ رد عمل تنقید سے علیحدگی کا اظہار ہے۔ δk = (k−1)/k۔ جب ری ایکٹر نازک ہوتا ہے، δk = 0۔ جب ری ایکٹر ذیلی اہم ہوتا ہے، δk <0۔ جب ری ایکٹر سپر کریٹیکل ہوتا ہے، δk> 0۔ رد عمل کی نمائندگی چھوٹے حرف یونانی rho (ρ) سے بھی کی جاتی ہے۔ رد عمل کا اظہار عام طور پر اعشاریہ یا فیصد یا پی سی ایم (فی فیصد ملی) میں کیا جاتا ہے۔ جب رد عمل ρ کا اظہار تاخیر شدہ نیوٹران فریکشن β کی اکائیوں میں کیا جاتا ہے، تو اس اکائی کو ڈالر کہا جاتا ہے۔ اگر ہم ری ایکٹر کور میں آزاد نیوٹرانوں کی تعداد کے لیے اور ہر نیوٹرون کی اوسط زندگی کے لیے 'N' لکھتے ہیں (اس سے پہلے کہ یہ کور سے نکل جائے یا نیوکلئس کے ذریعے جذب ہو جائے)، تو ری ایکٹر تفریقی مساوات (ارتقاء کی مساوات) کی پیروی کرے گا جہاں متناسبیت کا مستقل ہے، اور کور میں نیوٹرون کی گنتی کی تبدیلی کی شرح ہے۔ اس قسم کی تفریق مساوات متغیر کی علامت پر منحصر ہے، جو کہ ایک اوسط نیوٹرون کی زندگی گزر جانے کے بعد صرف نیوٹرانوں کی متوقع تعداد ہے: یہاں، اس بات کا امکان ہے کہ ایک مخصوص نیوٹرون ایندھن کے مرکزے سے ٹکرائے گا، یہ امکان ہے کہ نیوٹرون، ایندھن سے ٹکرانے کے بعد، اس مرکزے کو ٹکڑے ٹکڑے کرنے کا سبب بنے گا، یہ امکان ہے کہ وہ ایندھن کے علاوہ کسی اور چیز کے ذریعے جذب ہو جائے گا، اور یہ امکان ہے کہ وہ کور کو مکمل طور پر چھوڑ کر "فرار" ہو جائے گا۔ اوسطا، فشن ایونٹ کے ذریعہ پیدا ہونے والے نیوٹرانوں کی تعداد ہے-یہ 235U اور 239Pu دونوں کے لیے 2 اور 3 کے درمیان ہے۔ اگر مثبت ہے، تو کور انتہائی اہم ہے اور نیوٹرون کی پیداوار کی شرح اس وقت تک تیزی سے بڑھے گی جب تک کہ کوئی دوسرا اثر ترقی کو روک نہ دے۔ اگر منفی ہے، تو کور "ذیلی اہم" ہے اور کور میں آزاد نیوٹرانوں کی تعداد اس وقت تک تیزی سے سکڑ جائے گی جب تک کہ یہ صفر پر توازن تک نہ پہنچ جائے (یا بے ساختہ فشن سے پس منظر کی سطح)۔ اگر بالکل صفر ہے، تو ری ایکٹر اہم ہے اور اس کی پیداوار وقت کے ساتھ مختلف نہیں ہوتی (، اوپر سے)۔ نیوکلیئر ری ایکٹروں کو کم کرنے اور کم کرنے کے لیے تیار کیا جاتا ہے۔ چھوٹے، کمپیکٹ ڈھانچے کور کے سطح کے رقبے کو کم سے کم کرکے براہ راست فرار کے امکان کو کم کرتے ہیں، اور کچھ مواد (جیسے گریفائٹ) کچھ نیوٹرانوں کو کور میں واپس جھلک سکتے ہیں، جس سے مزید کمی واقع ہوتی ہے۔ فشن کا امکان، ایندھن کی جوہری طبیعیات پر منحصر ہے، اور اکثر کراس سیکشن کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے۔ ری ایکٹروں کو عام طور پر ایڈجسٹ کرکے کنٹرول کیا جاتا ہے۔ مضبوط نیوٹرون جذب کرنے والے مواد جیسے کیڈیمیم یا بورون سے بنی کنٹرول سلاخوں کو کور میں داخل کیا جا سکتا ہے: کوئی بھی نیوٹرون جو کنٹرول راڈ کو متاثر کرتا ہے وہ چین ری ایکشن سے ختم ہو جاتا ہے، کم ہوتا ہے۔ ری ایکٹر کور کی حالیہ تاریخ سے بھی کنٹرول کیا جاتا ہے (نیچے دیکھیں)۔ محض یہ حقیقت کہ اسمبلی انتہائی اہم ہے اس بات کی ضمانت نہیں دیتی کہ اس میں کوئی آزاد نیوٹرون موجود ہے۔ سلسلہ وار تعامل کو "مارنے" کے لیے کم از کم ایک نیوٹرون کی ضرورت ہوتی ہے، اور اگر بے ساختہ فشن کی شرح کافی کم ہے تو اس میں کافی وقت لگ سکتا ہے (235 یو ری ایکٹرز میں، اتنے ہی منٹ تک) اس سے پہلے کہ نیوٹرون کا تصادم سلسلہ وار تعامل شروع کرے چاہے ری ایکٹر انتہائی اہم ہی کیوں نہ ہو۔ زیادہ تر جوہری ری ایکٹروں میں ایک "اسٹارٹر" نیوٹرون ماخذ شامل ہوتا ہے جو اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ ری ایکٹر کے کور میں ہمیشہ چند آزاد نیوٹرون موجود ہوں، تاکہ جب کور کو نازک بنایا جائے تو ایک سلسلہ وار رد عمل فوری طور پر شروع ہو جائے۔ اسٹارٹ اپ نیوٹرون ماخذ کی ایک عام قسم الفا پارٹیکل ایمیٹر جیسے 241 اے ایم (امیریسیم-241) کا ہلکے وزن والے آاسوٹوپ جیسے 9 بی (بیریلیم-9) کا مرکب ہے۔ اوپر بیان کردہ بنیادی ذرائع کو تازہ ری ایکٹر کور کے ساتھ استعمال کرنا پڑتا ہے۔ آپریشنل ری ایکٹروں کے لیے، ثانوی ذرائع استعمال کیے جاتے ہیں ؛ اکثر بیرلیم کے ساتھ اینٹیمنی کا مجموعہ۔ اینٹیمنی ری ایکٹر میں فعال ہو جاتا ہے اور اعلی توانائی والے گاما فوٹون پیدا کرتا ہے، جو بیریلیم سے فوٹو نیوٹرون پیدا کرتے ہیں۔ یورینیم-235 قدرتی بے ساختہ فشن کی ایک چھوٹی سی شرح سے گزرتا ہے، لہذا مکمل طور پر شٹ ڈاؤن ری ایکٹر میں بھی ہمیشہ کچھ نیوٹرون پیدا ہوتے رہتے ہیں۔ جب کنٹرول سلاخوں کو واپس لے لیا جاتا ہے اور تنقید کے قریب پہنچ جاتا ہے تو تعداد میں اضافہ ہوتا ہے کیونکہ نیوٹرانوں کا جذب بتدریج کم ہوتا جا رہا ہے، یہاں تک کہ تنقید کے وقت سلسلہ وار رد عمل خود کفیل ہو جاتا ہے۔ نوٹ کریں کہ ری ایکٹر میں نیوٹرون کا ذریعہ فراہم کیا جاتا ہے، لیکن سلسلہ وار رد عمل شروع کرنے کے لیے یہ ضروری نہیں ہے، اس کا بنیادی مقصد شٹ ڈاؤن نیوٹرون کی آبادی دینا ہے جو آلات کے ذریعے پتہ لگانے کے قابل ہے اور اس لیے تنقیدی نقطہ نظر کو زیادہ قابل مشاہدہ بنانا ہے۔ ری ایکٹر اسی کنٹرول راڈ پوزیشن پر اہم ہو جائے گا چاہے کوئی ماخذ بھرا ہوا ہو یا نہیں۔ ایک بار چین ری ایکشن شروع ہونے کے بعد، آپریٹنگ ری ایکٹر کور میں ہائی نیوٹرون فلکس سے ہونے والے نقصان کو روکنے کے لیے بنیادی اسٹارٹر سورس کو کور سے ہٹایا جا سکتا ہے۔ ثانوی ذرائع عام طور پر سیٹو میں رہتے ہیں تاکہ تنقید پر قابو پانے کے لیے پس منظر کے حوالے کی سطح فراہم کی جا سکے۔ ذیلی اہم ضرب یہاں تک کہ شٹ ڈاؤن ری ایکٹر کور جیسی ذیلی اہم اسمبلی میں بھی، کوئی بھی گمراہ نیوٹرون جو کور میں موجود ہوتا ہے (مثال کے طور پر ایندھن کے بے ساختہ فشن سے، فشن مصنوعات کے تابکار انحطاط سے، یا نیوٹرون ماخذ سے) ایک تیزی سے ختم ہونے والے سلسلہ ردعمل کو متحرک کرے گا۔ اگرچہ سلسلہ تعامل خود کفیل نہیں ہے، لیکن یہ ایک ضرب کے طور پر کام کرتا ہے جو کور میں نیوٹرانوں کی توازن کی تعداد کو بڑھاتا ہے۔ اس ذیلی تنقیدی ضرب کے اثر کو دو طریقوں سے استعمال کیا جا سکتا ہے: اس بات کی تحقیقات کے طور پر کہ ایک کور تنقید کے کتنے قریب ہے، اور کسی اہم کمیت سے وابستہ خطرات کے بغیر فشن پاور پیدا کرنے کے طریقے کے طور پر۔ اگر کسی ذیلی اہم کور کا نیوٹرون ضرب عنصر ہے اور کسی بیرونی ماخذ سے ری ایکٹر میں فی نسل آنے والے نیوٹرانوں کی تعداد ہے، تو اس وقت جب نیوٹرون ماخذ کو آن کیا جائے گا، کور میں نیوٹرانوں کی تعداد ہوگی۔ 1 نسل کے بعد، یہ نیوٹرون ری ایکٹر میں نیوٹرون پیدا کریں گے اور ری ایکٹر میں نئے داخل ہونے والے نیوٹرون پر غور کرتے ہوئے ری ایکٹر میں نیوٹرون کی کل تعداد ہوگی۔ اسی طرح 2 نسل کے بعد، ری ایکٹر میں پیدا ہونے والے نیوٹرانوں کی تعداد اور اسی طرح ہوگی۔ یہ عمل جاری رہے گا اور کافی عرصے کے بعد ری ایکٹر میں نیوٹرانوں کی تعداد ہوگی، یہ سلسلہ یکجا ہوگا کیونکہ ذیلی اہم کور کے لیے،۔ تو ری ایکٹر میں نیوٹرانوں کی تعداد سیدھی سی ہوگی، فریکشن کو سبکریٹیکل ملٹی پلیکیشن فیکٹر (α) کہا جاتا ہے۔ چونکہ ری ایکٹر میں طاقت جوہری ایندھن کے مواد میں موجود نیوٹرانوں کی تعداد کے متناسب ہوتی ہے (وہ مواد جس میں فشن ہو سکتا ہے)، اس طرح کے ذیلی اہم کور سے پیدا ہونے والی طاقت بھی ذیلی اہم ضرب عنصر اور بیرونی ماخذ کی طاقت کے متناسب ہوگی۔ پیمائش کی تکنیک کے طور پر، سبکریٹیکل ضرب کا استعمال مین ہیٹن پروجیکٹ کے دوران ابتدائی تجربات میں 235U اور 239Pu کی کم از کم تنقیدی کمیت کا تعین کرنے کے لیے کیا گیا تھا۔ یہ آج بھی اسٹارٹ اپ کے دوران نیوکلیئر ری ایکٹرز کے کنٹرول کو انشانکن کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے، کیونکہ بہت سے اثرات (درج ذیل حصوں میں زیر بحث) ری ایکٹر میں اہمیت حاصل کرنے کے لیے مطلوبہ کنٹرول کی ترتیبات کو تبدیل کر سکتے ہیں۔ بجلی پیدا کرنے والی تکنیک کے طور پر، ذیلی اہم ضرب فشن کے لیے جوہری طاقت کی پیداوار کی اجازت دیتی ہے جہاں ایک اہم اسمبلی حفاظت یا دیگر وجوہات کی بناء پر ناپسندیدہ ہے۔ نیوٹرون ماخذ کے ساتھ مل کر ایک ذیلی اہم اسمبلی فشن سے طاقت پیدا کرنے کے لیے حرارت کے مستحکم ذریعہ کے طور پر کام کر سکتی ہے۔ بیرونی نیوٹرون ماخذ کے اثر کو شامل کرتے ہوئے (اختلاط کے عمل کے لیے "بیرونی"، جسمانی طور پر کور کے لیے بیرونی نہیں)، کوئی بھی ایک ترمیم شدہ ارتقاء کی مساوات لکھ سکتا ہے: وہ شرح کہاں ہے جس پر بیرونی ماخذ نیوٹرون کو کور میں نیوٹرون داخل کرتا ہے۔ توازن میں، کور تبدیل نہیں ہو رہا ہے اور ڈی این/ڈی ٹی صفر ہے، لہذا نیوٹرانوں کا توازن نمبر اس طرح دیا جاتا ہے: اگر کور ذیلی اہم ہے، تو منفی ہے لہذا نیوٹرانوں کی مثبت تعداد کے ساتھ توازن موجود ہے۔ اگر کور تنقید کے قریب ہے، تو یہ بہت چھوٹا ہے اور اس طرح نیوٹرانوں کی حتمی تعداد کو من مانی طور پر بڑا بنایا جا سکتا ہے۔ نیوٹرون ماڈریٹر سلسلہ وار رد عمل کو بہتر بنانے اور فعال کرنے کے لیے، قدرتی یا کم افزودگی والے یورینیم ایندھن والے ری ایکٹروں میں ایک نیوٹرون ماڈریٹر شامل ہونا چاہیے جو فشن کے واقعات سے نئے پیدا ہونے والے تیز رفتار نیوٹرانوں کے ساتھ تعامل کرتا ہے تاکہ ان کی حرکی توانائی کو کئی ایم ای وی سے ایک ای وی سے کم کی تھرمل توانائیوں میں کم کیا جا سکے، جس سے ان میں فشن پیدا کرنے کا امکان زیادہ ہو۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ 235U میں سست نیوٹرانوں کے لیے ایک بڑا کراس سیکشن ہوتا ہے، اور اس کی وجہ یہ بھی ہے کہ 238U میں تھرمل نیوٹرون کو جذب کرنے کا امکان فشن سے تازہ پیدا ہونے والے نیوٹرون کے مقابلے میں بہت کم ہوتا ہے۔ اس طرح نیوٹرون ماڈریٹر وہ مواد ہیں جو نیوٹرون کو سست کرتے ہیں۔ ہلکے ایٹم کے مرکزے سے ٹکرانے سے نیوٹرون سب سے زیادہ مؤثر طریقے سے سست ہو جاتے ہیں، ہائیڈروجن سب سے ہلکا ہوتا ہے۔ موثر ہونے کے لیے، ماڈریٹر مواد میں جوہری مرکزوں والے ہلکے عناصر ہونے چاہئیں جو نیوٹرانوں کو جذب کرنے کے بجائے اثر پر منتشر کرنے کا رجحان رکھتے ہیں۔ ہائیڈروجن کے علاوہ، بیریلیم اور کاربن ایٹم بھی نیوٹرانوں کو معتدل یا سست کرنے کے کام کے لیے موزوں ہیں۔ ہائیڈروجن ماڈریٹرز میں پانی (H2O)، بھاری پانی (D2O)، اور زرکونیم ہائیڈرائڈ (ZrH2) شامل ہیں، یہ سب کام کرتے ہیں کیونکہ ہائیڈروجن کے مرکزے کی کمیت آزاد نیوٹرون کی کمیت کے برابر ہوتی ہے: نیوٹرون-H2O یا نیوٹرون-ZrH2 اثرات مالیکیولز کے گردش کے طریقوں کو متحرک کرتے ہیں (ان کے گرد گھومتے ہوئے)۔ ڈیوٹیریم نیوکلیز (بھاری پانی میں) ہلکے ہائیڈروجن نیوکلیز کے مقابلے میں حرکی توانائی کو کم اچھی طرح جذب کرتے ہیں، لیکن ان کے متاثر کن نیوٹرون کو جذب کرنے کا امکان بہت کم ہوتا ہے۔ پانی یا بھاری پانی میں شفاف مائع ہونے کا فائدہ ہوتا ہے، تاکہ ری ایکٹر کور کو بچانے اور معتدل کرنے کے علاوہ، وہ آپریشن میں کور کو براہ راست دیکھنے کی اجازت دیتے ہیں اور حرارت کی منتقلی کے لیے کام کرنے والے سیال کے طور پر بھی کام کر سکتے ہیں۔ گریفائٹ کی شکل میں کاربن کو بڑے پیمانے پر ماڈریٹر کے طور پر استعمال کیا گیا ہے۔ یہ شکاگو پائل-1 میں استعمال کیا گیا تھا، جو دنیا کی پہلی انسان ساختہ تنقیدی اسمبلی ہے، اور ابتدائی ری ایکٹر ڈیزائنوں میں عام تھا جس میں سوویت آر بی ایم کے جوہری بجلی گھر جیسے چرنوبل پلانٹ شامل تھے۔ ماڈریٹر اور ری ایکٹر ڈیزائن نیوٹرون اعتدال پسندی کی مقدار اور نوعیت ری ایکٹر کے قابو پانے اور اس وجہ سے حفاظت کو متاثر کرتی ہے۔ چونکہ ماڈریٹر دونوں نیوٹرون کو سست اور جذب کرتے ہیں، اس لیے ری ایکٹر کور کی دی گئی جیومیٹری میں شامل کرنے کے لیے ماڈریٹر کی زیادہ سے زیادہ مقدار ہوتی ہے۔ کم اعتدال پسندی ارتقاء کی مساوات میں اصطلاح کو کم کرکے تاثیر کو کم کرتی ہے، اور زیادہ اعتدال پسندی اصطلاح کو بڑھا کر تاثیر کو کم کرتی ہے۔ زیادہ تر ماڈریٹر بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ کم موثر ہو جاتے ہیں، لہذا کم اعتدال پسند ری ایکٹر ری ایکٹر کور میں درجہ حرارت میں ہونے والی تبدیلیوں کے خلاف مستحکم ہوتے ہیں: اگر کور زیادہ گرم ہو جاتا ہے، تو ماڈریٹر کا معیار کم ہو جاتا ہے اور رد عمل سست ہو جاتا ہے (کور کی رد عمل میں "منفی درجہ حرارت کا گتانک" ہوتا ہے)۔ پانی ایک انتہائی معاملہ ہے: انتہائی گرمی میں، یہ ابال سکتا ہے، کور کی جسمانی ساخت کو تباہ کیے بغیر ری ایکٹر کور میں موثر خلا پیدا کر سکتا ہے۔ اس سے رد عمل بند ہو جاتا ہے اور ایندھن کے پگھلنے کا امکان کم ہو جاتا ہے۔ زیادہ اعتدال پسند ری ایکٹر درجہ حرارت میں ہونے والی تبدیلیوں کے خلاف غیر مستحکم ہوتے ہیں (کور کی رد عمل میں "مثبت درجہ حرارت گتانک" ہوتا ہے)، اور اس لیے کم اعتدال پسند کور سے کم فطری طور پر محفوظ ہوتے ہیں۔ کچھ ری ایکٹر ماڈریٹر مواد کا مجموعہ استعمال کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، ٹریگا قسم کے تحقیقی ری ایکٹر زیڈ آر ایچ 2 ماڈریٹر کا استعمال کرتے ہیں جسے 235 یو ایندھن کے ساتھ ملایا جاتا ہے، ایک ایچ 2 او سے بھرا ہوا کور، اور سی (گریفائٹ) ماڈریٹر اور کور کے دائرے کے ارد گرد ریفلیکٹر بلاکس۔ تاخیر سے نیوٹرون اور کنٹرول ایبلٹی فشن رد عمل اور اس کے بعد نیوٹرون کا فرار بہت تیزی سے ہوتا ہے۔ یہ جوہری ہتھیاروں کے لیے اہم ہے، جہاں مقصد جوہری گڑھے کو جسمانی طور پر پھٹنے سے پہلے زیادہ سے زیادہ توانائی جاری کرنا ہے۔ فشن کے واقعات سے خارج ہونے والے زیادہ تر نیوٹرون فوری ہوتے ہیں: وہ مؤثر طریقے سے فوری طور پر خارج ہوتے ہیں۔ ایک بار خارج ہونے کے بعد، ایک عام کور میں اوسط نیوٹرون کی زندگی () ملی سیکنڈ کی ترتیب پر ہوتی ہے، لہذا اگر ایکسپونینشل عنصر 0.1 جتنا چھوٹا ہے، تو ایک سیکنڈ میں ری ایکٹر کی طاقت (1 + 0.1) 1000، یا دس ہزار سے زیادہ کے عنصر سے مختلف ہوگی۔ جوہری ہتھیاروں کو طاقت کی ترقی کی شرح کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے تیار کیا جاتا ہے، جس کی عمر ایک ملی سیکنڈ سے کم ہوتی ہے اور ایکسپونینشیل عوامل 2 کے قریب ہوتے ہیں۔ لیکن اس طرح کی تیز رفتار تغیرات جوہری ری ایکٹر میں رد عمل کی شرحوں کو کنٹرول کرنا عملی طور پر ناممکن بنا دیں گے۔ خوش قسمتی سے، موثر نیوٹرون کی عمر کور میں موجود ایک نیوٹرون کی اوسط عمر سے بہت زیادہ ہوتی ہے۔ 235 یو فشن سے پیدا ہونے والے نیوٹرانوں میں سے تقریبا 0.65% اور 239 پیو فشن سے پیدا ہونے والے نیوٹرانوں میں سے تقریبا 0.20% فوری طور پر پیدا نہیں ہوتے ہیں، بلکہ مزید انحطاط کے مرحلے کے بعد ایک پرجوش نیوکلئس سے خارج ہوتے ہیں۔ اس مرحلے میں، کچھ فشن پروڈکٹس کا مزید تابکار انحطاط (تقریبا ہمیشہ منفی بیٹا انحطاط)، اس کے بعد پرجوش ڈٹر پروڈکٹ سے فوری نیوٹرون کا اخراج ہوتا ہے، جس میں بیٹا انحطاط (اور اس طرح نیوٹرون کا اخراج) کی اوسط عمر تقریبا 15 سیکنڈ ہوتی ہے۔ یہ نام نہاد تاخیر شدہ نیوٹرون کور میں نیوٹرانوں کی موثر اوسط عمر کو تقریبا 0.1 سیکنڈ تک بڑھا دیتے ہیں، تاکہ 0.1 کے ساتھ ایک کور ایک سیکنڈ میں صرف (1 + 0.1) 10 کے عنصر سے بڑھے، یا تقریبا 1.1:10 فیصد اضافہ۔ یہ تبدیلی کی قابل قابو شرح ہے۔ اس لیے زیادہ تر نیوکلیئر ری ایکٹر فوری ذیلی نازک، تاخیر سے نازک حالت میں چلائے جاتے ہیں: صرف فوری نیوٹرون ہی سلسلہ وار رد عمل کو برقرار رکھنے کے لیے کافی نہیں ہوتے ہیں، لیکن تاخیر سے نیوٹرون ردعمل کو جاری رکھنے کے لیے درکار چھوٹے فرق کو پورا کرتے ہیں۔ اس کا اثر اس بات پر پڑتا ہے کہ ری ایکٹرز کو کس طرح کنٹرول کیا جاتا ہے: جب کنٹرول راڈ کی ایک چھوٹی سی مقدار کو ری ایکٹر کے کور میں یا اس سے باہر پھسل دیا جاتا ہے، تو بجلی کی سطح پہلے بہت تیزی سے تبدیل ہوتی ہے جس کی وجہ فوری ذیلی اہم ضرب ہوتی ہے اور پھر آہستہ آہستہ، تاخیر شدہ تنقیدی رد عمل کی تیز رفتار نمو یا سڑنے کے منحنی خطوط کے بعد۔ مزید برآں، ری ایکٹر پاور میں اضافہ صرف کنٹرول راڈ کی کافی لمبائی نکال کر کسی بھی مطلوبہ شرح پر کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، نیوٹرون زہر یا فعال نیوٹرون جذب کرنے والے کے اضافے کے بغیر، فشن کی شرح میں کمی کی رفتار محدود ہوتی ہے، کیونکہ اگر ری ایکٹر کو فوری فشن نیوٹرون کی پیداوار کو روکنے کے لیے گہرائی سے ذیلی اہم سمجھا جاتا ہے، تو بھی تاخیر سے نیوٹرون پہلے سے موجود فشن مصنوعات کے عام بیٹا انحطاط کے بعد پیدا ہوتے ہیں، اور نیوٹرون کی اس انحطاط کی پیداوار کو تبدیل نہیں کیا جا سکتا۔ ری ایکٹر پاور کی تبدیلی کی شرح کا تعین ری ایکٹر کی مدت سے ہوتا ہے، جو ان آور مساوات کے ذریعے رد عمل سے متعلق ہے۔ حرکیات ری ایکٹر کی حرکیات کو نیوٹرون اور نیوکلئی (فسل، فشن پروڈکٹ) کے توازن کے مساوات سے بیان کیا جاتا ہے۔ ری ایکٹر زہر کوئی بھی نیوکلائڈ جو نیوٹرانوں کو مضبوطی سے جذب کرتا ہے اسے ری ایکٹر زہر کہا جاتا ہے، کیونکہ یہ ایک جاری فشن چین رد عمل کو بند (زہر) کرنے کا رجحان رکھتا ہے۔ رد عمل کو کنٹرول کرنے کے لیے کچھ ری ایکٹر زہر جان بوجھ کر فشن ری ایکٹر کور میں داخل کیے جاتے ہیں۔ بورون یا کیڈیمیم کنٹرول راڈ بہترین مثال ہیں۔ بہت سے ری ایکٹر زہر فشن کے عمل سے ہی پیدا ہوتے ہیں، اور نیوٹرون جذب کرنے والی فشن مصنوعات کی تشکیل ایندھن کی معاشیات اور جوہری ری ایکٹرز کی قابو پذیری دونوں کو متاثر کرتی ہے۔ طویل مدتی زہر اور ایندھن کی دوبارہ پروسیسنگ عملی طور پر، جوہری ایندھن میں ری ایکٹر کے زہر کی تشکیل ہی ری ایکٹر میں جوہری ایندھن کی عمر کا تعین کرتی ہے: تمام ممکنہ فشن ہونے سے بہت پہلے، طویل مدتی نیوٹرون جذب کرنے والی فشن مصنوعات کی تعمیر سلسلہ وار رد عمل کو ختم کر دیتی ہے۔ یہی وجہ ہے کہ نیوکلیئر ری پروسیسنگ ایک مفید سرگرمی ہے: خرچ شدہ نیوکلیئر ایندھن میں نئے تیار کردہ نیوکلیئر ایندھن میں موجود اصل فشن ایبل مواد کا تقریبا 96 فیصد ہوتا ہے۔ فشن مصنوعات کی کیمیائی علیحدگی جوہری ایندھن کو بحال کرتی ہے تاکہ اسے دوبارہ استعمال کیا جا سکے۔ نیوکلیئر ری پروسیسنگ معاشی طور پر مفید ہے کیونکہ قدرتی یورینیم ایسک سے جوہری ایندھن تیار کرنے کے لیے درکار مشکل آاسوٹوپ علیحدگی کے مقابلے میں کیمیائی علیحدگی کو پورا کرنا بہت آسان ہے، تاکہ اصولی طور پر کیمیائی علیحدگی سے کان کنی، صاف کرنے اور آئسوٹوپک طور پر نئے یورینیم ایسک کو الگ کرنے کے مقابلے میں کم کوشش کے لیے زیادہ پیدا شدہ توانائی حاصل ہو۔ عملی طور پر، انتہائی تابکار فشن مصنوعات کو سنبھالنے میں دشواری اور دیگر سیاسی خدشات دونوں ایندھن کی دوبارہ پروسیسنگ کو ایک متنازعہ موضوع بناتے ہیں۔ ایسی ہی ایک تشویش یہ حقیقت ہے کہ خرچ شدہ یورینیم جوہری ایندھن میں 239 پی یو کی نمایاں مقدار ہوتی ہے، جو جوہری ہتھیاروں کا ایک اہم جزو ہے (بریڈر ری ایکٹر دیکھیں)۔ فشن مصنوعات میں قلیل مدتی زہر اور قابو پانے کی اہلیت قلیل مدتی ری ایکٹر زہر جوہری ری ایکٹر کس طرح کام کر سکتے ہیں اس پر سختی سے اثر انداز ہوتے ہیں۔ غیر مستحکم فشن پروڈکٹ نیوکلیز بہت سے مختلف عناصر (ثانوی فشن پروڈکٹس) میں منتقل ہوتے ہیں کیونکہ وہ ایک مستحکم آاسوٹوپ میں ڈیک چین سے گزرتے ہیں۔ اس طرح کا سب سے اہم عنصر زینون ہے، کیونکہ آئسوٹوپ 135Xe، تقریبا 9 گھنٹے کی نصف زندگی کے ساتھ ایک ثانوی فشن پروڈکٹ، ایک انتہائی مضبوط نیوٹران جذب کنندہ ہے۔ ایک آپریٹنگ ری ایکٹر میں، 135Xe کا ہر نیوکلئس 136Xe بن جاتا ہے (جو بعد میں بیٹا ڈیک کو برقرار رکھ سکتا ہے) نیوٹرون کیپچر کے ذریعے تقریبا جیسے ہی اسے بنایا جاتا ہے، تاکہ کور میں کوئی تعمیر نہ ہو۔ تاہم، جب ایک ری ایکٹر بند ہو جاتا ہے، تو 135Xe کی سطح گرنے سے پہلے تقریبا 9 گھنٹے تک کور میں بن جاتی ہے۔ نتیجہ یہ ہے کہ، ری ایکٹر کے بند ہونے کے تقریبا 6 سے 8 گھنٹے بعد، سلسلہ ردعمل کو دوبارہ شروع کرنا جسمانی طور پر ناممکن ہو سکتا ہے جب تک کہ 135Xe کو اگلے کئی گھنٹوں میں گرنے کا موقع نہ مل جائے۔ یہ عارضی حالت، جو کئی دنوں تک چل سکتی ہے اور دوبارہ شروع ہونے سے روک سکتی ہے، کو آیوڈین پٹ یا زینون زہر کہا جاتا ہے۔ یہ ایک وجہ ہے کہ جوہری توانائی کے ری ایکٹر عام طور پر چوبیس گھنٹے یکساں طاقت کی سطح پر چلائے جاتے ہیں۔ ری ایکٹر کے کور میں 135Xe کی تعمیر ری ایکٹر کو بند ہونے کے چند گھنٹوں بعد چلانا انتہائی خطرناک بنا دیتی ہے۔ چونکہ 135Xe نیوٹرانوں کو مضبوطی سے جذب کرتا ہے، اس لیے ہائی-Xe حالت میں ری ایکٹر شروع کرنے کے لیے کنٹرول سلاخوں کو کور سے باہر نکالنے کی ضرورت ہوتی ہے جو معمول سے کہیں زیادہ ہے۔ تاہم، اگر ری ایکٹر تنقید حاصل کرتا ہے، تو کور میں نیوٹرون کا بہاؤ زیادہ ہو جاتا ہے اور 135Xe تیزی سے تباہ ہو جاتا ہے-اس کا وہی اثر ہوتا ہے جو بہت تیزی سے کور سے کنٹرول راڈ کی ایک بڑی لمبائی کو ہٹاتا ہے، اور رد عمل کو بہت تیزی سے بڑھنے کا سبب بن سکتا ہے یا فوری طور پر اہم بھی بن سکتا ہے۔ 135Xe نے چرنوبل حادثے میں ایک بڑا کردار ادا کیا: طے شدہ دیکھ بھال بند ہونے کے تقریبا آٹھ گھنٹے بعد، کارکنوں نے کنٹرول سرکٹ کی جانچ کے لیے ری ایکٹر کو صفر پاور کی نازک حالت میں لانے کی کوشش کی۔ چونکہ کور پچھلے دن کی بجلی کی پیداوار سے 135Xe سے بھرا ہوا تھا، اس لیے اسے حاصل کرنے کے لیے مزید کنٹرول سلاخوں کو ہٹانا ضروری تھا۔ نتیجے کے طور پر، حد سے زیادہ ردعمل تیزی سے اور بے قابو طریقے سے بڑھتا گیا، جس کی وجہ سے کور میں بھاپ کا دھماکہ ہوا، اور سہولت کی پرتشدد تباہی ہوئی۔ یورینیم کی افزودگی اگرچہ بہت سے بکھرے ہوئے آاسوٹوپ فطرت میں موجود ہیں، لیکن قابل عمل مقدار میں پایا جانے والا ایک مفید بکھرے ہوئے آاسوٹوپ 235U ہے۔ زیادہ تر کچ دھاتوں میں یورینیم کا تقریبا 0.7 ٪ 235 آاسوٹوپ ہوتا ہے، اور تقریبا 99.3% غیر بکھرے ہوئے 238 آاسوٹوپ ہوتا ہے۔ جوہری ایندھن کے طور پر زیادہ تر استعمال کے لیے، یورینیم کو افزودہ-صاف کیا جانا چاہیے تاکہ اس میں 235 یو کا زیادہ فیصد ہو۔ چونکہ 238U تیز نیوٹرانوں کو جذب کرتا ہے، اس لیے سلسلہ وار رد عمل کو برقرار رکھنے کے لیے درکار اہم کمیت بڑھتی جاتی ہے جیسے جیسے 238U مواد بڑھتا ہے، جو 94 ٪ 238U (6 ٪ 235U) پر لامحدود تک پہنچ جاتا ہے۔ 6 ٪ 235U سے کم ارتکاز تیزی سے اہم نہیں ہو سکتے، حالانکہ وہ نیوٹرون ماڈریٹر والے جوہری ری ایکٹر میں قابل استعمال ہوتے ہیں۔ یورینیم کا استعمال کرنے والا جوہری ہتھیار کا بنیادی مرحلہ ~90% 235U تک افزودہ HEU کا استعمال کرتا ہے، حالانکہ ثانوی مرحلہ اکثر کم افزودگی کا استعمال کرتا ہے۔ واٹر ماڈریٹر والے نیوکلیئر ری ایکٹروں کو کم از کم 235 یو کی کچھ افزودگی کی ضرورت ہوتی ہے۔ بھاری پانی یا گریفائٹ اعتدال کے ساتھ جوہری ری ایکٹر قدرتی یورینیم کے ساتھ کام کر سکتے ہیں، افزودگی کی ضرورت کو مکمل طور پر ختم کر سکتے ہیں اور ایندھن کو جوہری ہتھیاروں کے لیے مفید ہونے سے روک سکتے ہیں۔ کینیڈا کے پاور پلانٹس میں استعمال ہونے والے کینڈو پاور ری ایکٹر اس قسم کی ایک مثال ہیں۔ مستقبل کے ری ایکٹروں کے لیے دیگر امیدواروں میں امیریسیم شامل ہے لیکن یہ عمل یورینیم کی افزودگی سے بھی زیادہ مشکل ہے کیونکہ 235 یو اور 238 یو کی کیمیائی خصوصیات ایک جیسی ہیں، اس لیے گیس کے پھیلاؤ، گیس سینٹری فیوج، لیزر، یا ماس سپیکٹرومیٹری جیسے جسمانی عمل کو بڑے پیمانے پر چھوٹے فرق کی بنیاد پر آاسوٹوپک علیحدگی کے لیے استعمال کیا جانا چاہیے۔ چونکہ افزودگی جوہری ایندھن اور سادہ جوہری ہتھیاروں کی تیاری میں اہم تکنیکی رکاوٹ ہے، اس لیے افزودگی کی ٹیکنالوجی سیاسی طور پر حساس ہے۔ اوکلو: ایک قدرتی جوہری ری ایکٹر یورینیم کے جدید ذخائر میں صرف ~0.7% 235U (اور ~99.3% 238U) تک ہوتا ہے، جو عام پانی کے ذریعے معتدل سلسلہ وار تعامل کو برقرار رکھنے کے لیے کافی نہیں ہے۔ لیکن 235U کی نصف زندگی (700 ملین سال) 238U (4.5 بلین سال) سے بہت کم ہے، اس لیے ماضی میں 235U کا فیصد بہت زیادہ تھا۔ تقریبا دو ارب سال پہلے، پانی سے سیر شدہ یورینیم کا ذخیرہ (جو اب گیبون، مغربی افریقہ میں اوکلو کان ہے) قدرتی طور پر ہونے والے سلسلہ وار رد عمل سے گزرا تھا جسے زیر زمین پانی نے معتدل کیا تھا اور ممکنہ طور پر منفی صفر گتانک کے ذریعے کنٹرول کیا گیا تھا کیونکہ پانی رد عمل کی گرمی سے ابالتا ہے۔ اوکلو کان سے یورینیم دیگر مقامات کے مقابلے میں تقریبا 50 فیصد ختم ہوتا ہے: یہ صرف تقریبا 0.3 فیصد سے 0.7 فیصد 235 یو ہے ؛ اور ایسک میں طویل عرصے سے سڑے ہوئے فشن مصنوعات کی مستحکم بیٹیوں کے نشانات موجود ہیں۔ یہ بھی دیکھیں نیوکلیئر ری ایکٹروں کی تنقیدی بڑے پیمانے پر فہرست نیوکلیئر فزکس نیوکلیئر فشن نیوکلیئر فیوژن وایڈ گتانک حوالہ جات بیرونی روابط ڈاکٹر عبد الحمید دوکھانے نیوکلیئر ٹیکنالوجی + پریشر ویسلز + + نیوکلیئر فزکس کے ذریعہ نیوکلیئر پھیلاؤ پر فرمی ایج تھیوری نوٹ