नजरिया: ऊर्जा का एक अदृश्य स्रोत हैं न्यूक्लियर बैटरियां

न्यूक्लियर बैटरियां या परमाणु बैटरियां, रेडियोधर्मी अपघटन से ऊर्जा को प्राप्त करने वाले उपयोगी उपकरण हैं। परमाणु बैटरी को रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) के रूप में भी जाना जाता है, जो रेडियोधर्मी आइसोटोप के क्षय से उत्पन्न गर्मी से बिजली उत्पन्न करता है। ये बैटरियां नाभिकीय भौतिकी, सामग्री विज्ञान, और इंजीनियरिंग के समन्वय का प्रमाण हैं।

ये शक्तिशाली उपकरण दीर्घकाल से खगोल में प्रकाश डालते रहे हैं। न्यूक्लियर बैटरियों ने अत्यंत चरम पर्यावरणीय स्थितियों में अपनी अदम्यता और स्थिरता के कारण अंतरिक्ष मिशनों में अपना स्थान बना लिया है। इनका महत्त्व खगोलीय सीमा तक सीमित नहीं है। ये ऊर्जा स्रोत भौतिकी दृष्टि से विभिन्न क्षेत्रों में परिवर्तनात्मक संभावना रखते हैं।

विशेष रूप से, नैनो- और माइक्रो-तकनीकी क्षेत्रों में इनका विशेष ऊर्जा उत्पादन सामान्य रासायनिक बैटरियों के मुकाबले काफी अधिक होता है। परमाणु ऊर्जा से चलने वाली बैटरी कितने समय तक चलती है? गणना से संकेत मिलता है कि परमाणु बैटरियां हजारों वर्षों तक चल सकती हैं, जिसका अर्थ है कि वे लंबी अवधि के मिशनों, अंतरिक्ष स्टेशनों और उपग्रहों में अंतरिक्ष वाहनों को विश्वसनीय रूप से शक्ति प्रदान कर सकती हैं। पृथ्वी पर ड्रोन, इलेक्ट्रिक कारों और विमानों को रिचार्ज होने के लिए कभी भी रुकने की आवश्यकता नहीं होगी। 

परमाणु बैटरी, या रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर (आरटीजी) के शुरुआती और सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक, अंतरिक्ष अन्वेषण के क्षेत्र में था। पहला उल्लेखनीय अनुप्रयोग अमेरिकी विशेष रूप से वर्ष 1961 में लॉन्च किए गए ट्रांजिट 4ए और ट्रांजिट 4बी उपग्रह मिशन में अंतरिक्ष कार्यक्रम में था।

इन उपग्रहों ने ऑनबोर्ड सिस्टम के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए प्लूटोनियम -238 द्वारा संचालित आरटीजी का उपयोग किया। इन प्रारंभिक उपग्रहों का उपयोग नेविगेशन और संचार उद्देश्यों के लिए किया गया था। आरटीजी ने एक विश्वसनीय और लंबे समय तक चलने वाला ऊर्जा स्रोत प्रदान किया जो अंतरिक्ष में मिशनों के लिए महत्वपूर्ण था जहां सौर ऊर्जा संभव नहीं थी या जहां पारंपरिक बैटरी की क्षमताओं से परे निरंतर बिजली की आवश्यकता थी।

तब से, नासा और अन्य अंतरिक्ष एजेंसियों द्वारा विभिन्न अंतरिक्ष मिशनों में आरटीजी को नियोजित करना जारी रखा गया है, जो अंतरिक्ष के कठोर वातावरण में लंबी अवधि के मिशनों के लिए अंतरिक्ष यान को शक्ति प्रदान करने में उनकी विश्वसनीयता और प्रभावशीलता का प्रदर्शन करता है। 

न्यूक्लियर बैटरियों के मूल में नाभिकीय अपघटन से उत्पन्न रेडियोआइसोटोप से एल्फा-, बीटा-, या गैमा-उत्सर्जन की रेडिएशन ऊर्जा को परिवर्तित करने का विज्ञान निहित है। ये बैटरियां विभिन्न तरीकों से काम करती हैं। एक सामान्य तरीका रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर्स द्वारा है, जो सीबेक प्रभाव के माध्यम से उत्पन्न ऊष्मा का उपयोग करते हैं।

सीबेक प्रभाव एक ऐसी घटना है जिसमें दो असमान विद्युत चालकों या अर्धचालकों के बीच तापमान का अंतर दो पदार्थों के बीच वोल्टेज अंतर पैदा करता है।  1821 में एक जर्मन भौतिक विज्ञानी थॉमस सीबेक ने पता लगाया कि जब दो असमान धातु [सीबेक ने तांबे और बिस्मथ का उपयोग किया] के तारों को एक लूप बनाने के लिए दो सिरों पर जोड़ा जाता है, तो सर्किट में एक वोल्टेज विकसित होता है यदि दोनों जंक्शनों को अलग-अलग तापमान पर रखा जाता है। सर्किट बनाने वाली धातुओं की जोड़ी को थर्मोकपल कहा जाता है। यह प्रभाव तापीय ऊर्जा के विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण के कारण होता है।

विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए ²³⁸Pu से अल्फा कणों का उपयोग करने की प्रक्रिया में कई चरण और सिद्धांत शामिल हैं। यहां, रेडियो-आइसोटोप 238Pu, क्षय प्रक्रिया के दौरान अल्फा कणों (α) का उत्सर्जन करता है। α-क्षय अल्फा कणों द्वारा ले जाने वाली गतिज ऊर्जा के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करता है। ²³⁸Pu के लिए प्रति α-क्षय ऊर्जा लगभग 5.59 MeV (मेगा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट) है।

उत्सर्जित अल्फा कण रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर में थर्मोकपल या थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री से टकराते हैं। यह टकराव अल्फा कणों की गतिज ऊर्जा के कारण उष्मा उत्पन्न करता है। उत्पन्न ऊष्मा का उपयोग आरटीजी के भीतर थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री का तापमान बढ़ाने के लिए किया जाता है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री सीबेक प्रभाव का फायदा उठाती है, जहां सामग्री में तापमान प्रवणता एक विद्युत वोल्टेज उत्पन्न करती है।

जैसे ही थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री गर्म होती है, यह तापमान का अंतर उत्पन्न  करती है। इस तापमान अंतर से गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री द्वारा उत्पादित विद्युत धारा को एक सर्किट के माध्यम से प्रसारित किया जाता है। इस विद्युत ऊर्जा का उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है।

इस प्रक्रिया की समग्र दक्षता कई कारकों पर निर्भर करती है, जिसमें थर्मोइलेक्ट्रिक मेटीरियल की दक्षता, आरटीजी का डिज़ाइन और उत्पन्न तापमान अंतर शामिल है। रूपांतरण कारकों में थर्मोइलेक्ट्रिक दक्षता, भौतिक गुण और उष्मा से बिजली रूपांतरण दर जैसे कारक शामिल होते हैं, जो अंतिम विद्युत उत्पादन को प्रभावित करते हैं।

(ताप स्रोत के रूप में अल्फा स्रोत ²³⁸Pu के साथ रेडियो-आइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर (आरटीजी) के कामकाज का एक प्रतिनिधित्व)

न्यूक्लियर बैटरीयों का भविष्य नवाचार से विकसित हो रहा है। शोधकर्ताओं ने नई सामग्रियों, कटिंग-एज नैनोटेक्नोलॉजी, और सीधा-अप्रत्यक्ष परिवर्तन तकनीकों को मिलाया है। बेशक, चुनौतियां भी हैं, जैसे (i) विकिरण की दिशानिर्देशी नुकसान को कम करना, (ii) स्वयं-अवशोषण को कम करना (iii) संरचनात्मक हानि से मजबूती करना इत्यादि। इसलिए, मुख्य ध्यान उपकरण वास्तुकल्पों के डिजाइन और उच्चतम शक्ति उत्पादन और अद्वितीय क्षमता प्राप्त करने के लिए उपयुक्त सामग्री के चयन पर है।

रेडियोआइसोटोप का सही चयन बहुत महत्वपूर्ण है। एल्फा-उत्सर्जक रेडियोआइसोटोप, जैसे ²¹⁰Po, ²³⁸Pu, और उनके समकक्ष, आदि की विशेष उत्पादन शक्ति उनकी उपयोगिता निर्धारित करती है। वहीं, ²²⁷Ac और ³H जैसे बीटा-उत्सर्जकों का करिश्मा उनकी शक्ति घनत्व और सुरक्षा सुविधाओं में है। ⁶⁰Co और ¹³⁷Cs जैसे आइसोटोपों से आने वाली गामा विकिरण-उत्सर्जन की भी अपार संभावनाएं हैं। मुख्य मुद्दे सुरक्षा और उपकरणों के आकार से संबंधित हैं जिन पर ध्यान देने की आवश्यकता है।

शोध प्रयास रेडियोआइसोटोप की पूर्णावलोकन के पहलुओं के संदर्भ में घूमते हैं, जो नाभिकीय विशेषताओं, सुरक्षा प्रोफाइल, उपलब्धता, और उत्पादन लागतों को ध्यान में रखते हैं। ²³⁸Pu जैसे रेडियोआइसोटोप आरटीजी के विरासत में अपनी छाप छोड़ चुके हैं, जबकि ²⁴¹Am जैसे प्रतियोगी आइसोटोप निर्माण और परिवहन सुरक्षा में उनकी कुशलता के लिए प्रसिद्धि पा रहे हैं।

प्लूटोनियम-238, 87.7 वर्ष के अर्ध आयु वाला एक रेडियोधर्मी आइसोटोप, 5.559 MeV के अल्फा कणों का उत्सर्जन करता है। ये अल्फा कण आसानी से अवरुद्ध हो जाते हैं, इसे रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) और रेडियोआइसोटोप हीटर इकाइयों में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाती है।  केवल पूर्णता के लिए इसका उल्लेख किया जा सकता है,  कि कमरे के तापमान पर, प्लूटोनियम-238 का घनत्व लगभग 19.8 gm/cc है और लगभग 0.57 वाट शक्ति प्रति ग्राम उत्पन्न करता है।

परमाणु बैटरी या रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) के लिए आवश्यक प्लूटोनियम-238 की मात्रा आवश्यक बिजली उत्पादन और जनरेटर के डिजाइन के आधार पर भिन्न होती है। हालाँकि, इन जनरेटरों में आमतौर पर कई ग्राम से लेकर कुछ किलोग्राम तक प्लूटोनियम-238 होता है।

उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष अभियानों के लिए एक सामान्य डिज़ाइन में सिरेमिक पेलेट्स (Pellets) के रूप में लगभग कई किलोग्राम (अक्सर 2 से 4 किलोग्राम के बीच) प्लूटोनियम डाइऑक्साइड (²³⁸PuO₂) का उपयोग किया जा सकता है। इस राशि को एक विस्तारित अवधि में स्थिर और विश्वसनीय बिजली उत्पादन के लिए माना जाता है, जो उन वातावरणों में मिशनों के लिए आवश्यक है जहां सौर ऊर्जा संभव नहीं है, जैसे गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण या सीमित सूर्य के प्रकाश वाले ग्रहों पर मिशन।

हालांकि, यह टिप्पणी की जा सकती है कि, आवश्यक विशिष्ट मात्रा वांछित बिजली उत्पादन, उपयोग की जाने वाली थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री की दक्षता और मिशन की अवधि जैसे कारकों पर निर्भर करती है। प्लूटोनियम-238 को इसकी रेडियोधर्मिता और संभावित स्वास्थ्य और पर्यावरणीय जोखिमों के कारण सावधानी से संभालना और प्रबंधित करना महत्वपूर्ण है।

प्लूटोनियम-238, परमाणु रिएक्टरों में यूरेनियम-238 से जुड़ी परमाणु प्रतिक्रियाओं का उपोत्पाद है। जब यूरेनियम-238 एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, तो यह परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरता है, अंततः प्लूटोनियम-239 बन जाता है। यह प्लूटोनियम-239 न्यूट्रॉन को और अधिक अवशोषित कर सकता है, बीटा क्षय से गुजर सकता है, और अंततः परमाणु प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से प्लूटोनियम-238 में परिवर्तित होता है।

प्लूटोनियम-238 का उत्पादन आमतौर पर विशेष परमाणु रिएक्टरों में पूरा किया जाता है जहां यूरेनियम-238 सामग्री के रूप में कार्य करता है। वांछित परमाणु प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करने के लिए न्यूट्रॉन टकराते हैं जो अंततः प्लूटोनियम -238 के निर्माण की ओर ले जाते हैं।

प्लूटोनियम-238 को रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) में इसके अद्वितीय गुणों के कारण अत्यधिक महत्व दिया जाता है, विशेष रूप से इसके लंबे अर्ध आयु और रेडियोधर्मी क्षय के माध्यम से उच्च ऊर्जा उत्पादन के कारण, जो इसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक विश्वसनीय और लंबे समय तक चलने वाला ऊर्जा स्रोत बनाता है। 

न्यूक्लियर बैटरी क्षेत्र में देखा गया है कि मेटास्टेबल न्यूक्लियर आइसोमर्स के उपयोग की भी संभावनाएँ हैं। ⁹⁹Tc और ^95mTc जैसे आइसोटोप विशेष ऊर्जा उत्पादन में अत्यधिक महत्वपूर्ण हैं, जो उनके रासायनिक बैटरी समकक्षों की क्षमताओं से परे हैं। हालांकि, आगे का मार्ग लागत, सुरक्षा उपाय, और विकिरण की नियंत्रित के संदर्भ में चुनौतियों से भरा है।

इनमें से कुछ अन्य कारक तत्काल प्रायोगिक अनुप्रयोग में रुकावट का कारण बन सकते हैं। ये बैटरीज नासा और अन्य अंतरिक्ष एजेंसियों द्वारा चलाए गए कई अंतरिक्ष मिशनों में प्रयोग हुए हैं। उदाहरण के लिए, वॉयेजर प्रोब्स, सैटर्न की ओर कैसिनी-ह्यूजन्स मिशन, और मंगल रोवर क्यूरिओसिटी ने अंतरिक्ष में जहां सौर ऊर्जा संभव नहीं होती, वहाँ नाभिकीय बैटरीज का उपयोग करके अपनी ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा किया है।

इन बैटरीज का उपयोग दूरस्थ और कठिन परिस्थितियों में, जैसे कि गहराई में समुद्र अन्वेषण, में किया गया है, जहां निरंतर ऊर्जा आपूर्ति आवश्यक होती है। ये उदाहरण नाभिकीय बैटरीज की अनुकूलता और विश्वसनीयता को दिखाते हैं जहां सतत और दीर्घकालिक ऊर्जा महत्त्वपूर्ण होती है। 

कहा जा सकता है कि न्यूक्लियर बैटरियां परिवर्तनात्मक ऊर्जा समाधानों के क्षमताओं के कगार पर खड़ी हैं। यहाँ नाभिकीय भौतिकी, इंजीनियरिंग के साथ मिलाकर हमें संभावनाओं से भरपूर भविष्य की ओर अग्रसर है। जैसे ही शोध की सीमा बढ़ती है, तकनीकी सीमाओं को पार करते हुए, सामग्री के चयन को संविदनशीलता से शुद्ध करते हुए और नवीन आइसोटोपों के रहस्यों को खोलते हुए, न्यूक्लियर बैटरियों का विकास होगा। विभिन्न प्रौद्योगिकी क्षेत्र में संभावित प्रभाव के साथ, ये बैटरियां मानवता की सतत और प्रबल ऊर्जा समाधानों के लिए एक नया युग प्रशस्त करती हैं।

रेडियोआइसोटोप के विशिष्ट बिजली उत्पादन में अंतर्निहित भौतिक सीमाएं होती हैं, इसकी रेडियोधर्मी डॉटर की उपस्थिति समग्र बिजली रिलीज को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। इसके अलावा, यदि एक डॉटर रेडियोन्यूक्लाइड का अर्ध आयु उसके पेरेंट्स की तुलना में अधिक लंबा है, तो यह परमाणु स्रोत के परिचालन जीवन को बढ़ाता है और आपूर्ति की गई कुल ऊर्जा को प्रभावित करता है।

परमाणु क्षय को बिजली में परिवर्तित करने के लिए इसमें शामिल विकिरण की विशेषताओं से सर्वोत्तम मिलान करने के लिए कनवर्टर सामग्री और सिस्टम आर्किटेक्चर के सावधानीपूर्वक डिजाइन की आवश्यकता होती है। मूल न्यूक्लाइड और उसके रेडियोधर्मी वंशजों के बीच उत्सर्जन की प्रकृति या ऊर्जा में किसी भी असमानता को इस प्रक्रिया में सावधानीपूर्वक ध्यान में रखा जाना चाहिए।

नाभिकीय बैटरीज के उपयोग से संबंधित एक निष्कर्ष है कि इनकी दीर्घकालिक चार्ज स्टोरेज क्षमता और विस्तारित उपयोग की संभावना से यह विश्वासनीय और उत्कृष्ट एक विकल्प हो सकते हैं। यह तकनीकी अद्वितीयता और लंबी अवधि के लिए बड़े पैमाने पर उपयोगी हो सकती है, जो विभिन्न क्षेत्रों में उपयोगिता और विकास की दिशा में महत्त्वपूर्ण साबित हो सकती है।

(लेखक भानु प्रकाश सिंह, अलीगढ मुस्लिम विश्वविद्यालय में भौतिकी विभाग में प्रोफेसर हैं)

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