Influence of the Exit Channel in U(n,f) and Pu(n,f) Reactions in Time-Dependent Density Functional Theory
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए टाइम-डिपेंडेंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी का उपयोग करता है कि विखंडनकारी U और Pu नाभिकों का प्रारंभिक ऑक्टुपोल विरूपण (octupole deformation), विषम, लगभग-सममित और अत्यधिक-विषम विखंडन मोड में विशिष्ट विखंडन गतिकी (scission dynamics) को निर्देशित करता है, जिससे कुल गतिज ऊर्जा और परिणामी भारी और हल्के टुकड़ों के बीच उत्तेजना ऊर्जा के विशिष्ट वितरण को निर्धारित किया जाता है।
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द ग्रेट एटॉमिक स्प्लिट: स्ट्रेचिंग, स्नैपिंग और उड़ जाने की एक कहानी
परमाणु के केंद्र, यानी नाभिक (न्यूक्लियस) की कल्पना करें, जिसे एक स्थिर मार्बल के रूप में नहीं, बल्कि एक डगमगाते, अत्यधिक घने तरल बूंद के रूप में देखें। इस नन्हे ब्रह्मांड के भीतर, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक अराजक लेकिन व्यवस्थित भीड़ में नाचते हैं। कभी-कभी, यह भीड़ बहुत अधिक उत्साहित हो जाती है—शायद इसलिए क्योंकि एक भटकता हुआ न्यूट्रॉन इससे टकरा जाता है—और नाभिक खिंचने लगता है। यह लंबा होने लगता है, जैसे दो भूखे बच्चों द्वारा खींची जा रही टॉफी का एक टुकड़ा। अंततः, यह बीच में इतना पतला हो जाता है कि टूट जाता है, और दो छोटे, उड़ते हुए टुकड़ों में विभाजित हो जाता है जिन्हें विखंडन खंड (फिशन फ्रैगमेंट) कहा जाता है। यह प्रक्रिया, जिसे परमाणु विखंडन (न्यूक्लियर फिशन) के रूप में जाना जाता है, उन सितारों के पीछे का इंजन है जो हमारे आकाश को रोशन करते हैं और उन बिजली संयंत्रों के पीछे भी जो हमारे शहरों को चला रहे हैं।
लेकिन यहाँ एक पेचीदा बात है: हालांकि हम जानते हैं कि नाभिक विभाजित होता है, हम उस टूटने की सटीक कोरियोग्राफी को पूरी तरह से नहीं समझते हैं। यह एक पलक झपकते ही होता है, कैमरे से देखने की हमारी क्षमता से भी तेज़, और इसमें क्वांटम मैकेनिक्स शामिल है, जो उन अजीब नियमों की किताब है जिसका पालन सूक्ष्म कण करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि जब यूरेनियम या प्लूटोनियम जैसा भारी परमाणु विभाजित होता है, तो यह आमतौर पर दो बराबर हिस्सों में बीच से नहीं टूटता। इसके बजाय, यह असमान रूप से विभाजित होना पसंद करता है, जैसे एक कुकी का एक बड़े टुकड़े और एक छोटे चूरे में टूटना। हालाँकि, प्रश्न अभी भी बना हुआ है: क्या नाभिक के टूटने से पहले उसके खिंचने का तरीका यह बदल देता है कि टुकड़े कैसे अलग होते हैं? क्या अलग-अलग शुरुआती आकार अलग-अलग प्रकार के विस्फोटों की ओर ले जाते हैं? इसे समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें यह अनुमान लगाने में मदद करता है कि कितनी ऊर्जा मुक्त होती है और परिणामी खंड कितने गर्म होते हैं, जो सुरक्षित रिएक्टरों के डिजाइन से लेकर ब्रह्मांड में बने तत्वों को समझने तक, हर चीज़ के लिए अत्यंत आवश्यक है।
द शेप-शिफ्टिंग स्प्लिट: इस अध्ययन ने क्या पाया
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने "टाइम-डिपेंडेंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी" (इसे एक अत्यंत सटीक भौतिकी वीडियो गेम के रूप में सोचें) नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि वे देख सकें कि यूरेनियम-235 और प्लउंटोनियम-239 के नाभिक कैसे विभाजित होते हैं। उन्होंने केवल एक प्रकार के विभाजन को नहीं देखा; उन्होंने नाभिक के तीन अलग-अलग "शुरुआती पोज़" का परीक्षण किया, जो इस बात से परिभाषित थे कि टूटने से ठीक पहले वह कितना टेढ़ा-मेढ़ा या "ऑक्टुपोल-डिफॉर्मेड" था। उन्होंने सामान्य "असममित" (असैमेट्रिक) विभाजन (बड़ा टुकड़ा और छोटा चूरा), "लगभग सममित" (नियर-सिमेट्रिक) विभाजन (लगभग समान हिस्से), और "अत्यधिक असममित" (हाइली-असैमेट्रिक) विभाजन (एक बहुत बड़ा टुकड़ा और एक नन्हा चूरा) का परीक्षण किया।
शोधकर्ताओं ने पाया कि नाभिक का शुरुआती आकार एक नियति मानचित्र (डेस्टिनी मैप) की तरह कार्य करता है, जो विभाजन को तीन बहुत अलग रास्तों में निर्देशित करता है जिनके अपने अनूठे व्यक्तित्व हैं।
लंबी गर्दन वाला खिंचाव (नियर-सिमेट्रिक फिशन)
जब नाभिक एक ऐसे आकार के साथ शुरू हुआ जो लगभग संतुलित था (नियर-सिमेट्रिक), तो इसने एक बहुत ही जिद्दी टॉफी की तरह व्यवहार किया। जल्दी से टूटने के बजाय, यह एक असाधारण रूप से लंबी, पतली गर्दन में खिंच गया। क्योंकि यह गर्दन इतनी लंबी थी, दोनों टुकड़े टूटने के समय काफी दूर थे—यूरेनियम के लिए लगभग 23.07 fm (फेम्टोमीटर)—जब वे अंततः टूटे।
- परिणाम: क्योंकि वे टूटने के समय इतने दूर थे, उनके बीच का विद्युत प्रतिकर्षण (इलेक्ट्रिकल रिपल्शन) कमजोर था। इसका मतलब था कि दोनों टुकड़े कम गति से अलग हुए, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 144.70 MeV की बहुत कम "टोटल काइनेटिक एनर्जी" (TKE) प्राप्त हुई, जो सामान्य विभाजन की तुलना में कम है।
- गर्मी: चूंकि ऊर्जा को कहीं न कहीं जाना ही होता है, इसलिए वह "गायब" गति गर्मी में बदल गई। भारी खंड ने इस अतिरिक्त गर्मी को सोख लिया, जिससे वह बहुत उत्तेजित और लचीला हो गया, और एक बड़ा "क्वाड्रुपोल डिफॉर्मेशन" (यह अंडे के आकार का हो गया) विकसित कर लिया। अध्ययन बताता है कि जैसे-जैसे न्यूट्रॉन नाभिक से अधिक ऊर्जा के साथ टकराते हैं, ये लंबी गर्दन वाले विभाजन अधिक बार हो सकते हैं, जो यह समझा सकता है कि रिएक्टर गर्म होने पर विखंडन खंडों की औसत गति क्यों कम हो जाती है।
छोटा और झटकेदार (असैमेट्रिक फिशन)
"मानक" विभाजन, जहाँ नाभिक एक मध्यम टेढ़े-मेढ़े आकार के साथ शुरू होता है, सबसे आम था। यहाँ, गर्दन छोटी थी, और टुकड़े टूटने के समय करीब थे—लगभग 20.09 fm की दूरी पर।
- परिणाम: करीब होने का मतलब था मजबूत विद्युत धक्का, इसलिए खंड तेजी से अलग हुए, जिसकी TKE लगभग 168.02 MeV थी।
- गर्मी: ये खंड अपने नियर-सिमेट्रिक चचेरे भाइयों की तुलना में ठंडे और कम विकृत (डिफॉर्मड) थे।
अनिश्चित कार्ड्स (हाइली-असymmetric फिशन)
सबसे चरम विभाजन, जहाँ नाभिक शुरुआत में बहुत अधिक टेढ़ा-मेढ़ा था, सबसे अराजक थे। कुछ ने लंबी गर्दन बनाई, दूसरों ने छोटी।
- परिणाम: इन विभाजनों में आमतौर पर सबसे कम TKE (लगभग 137.49 MeV) थी क्योंकि वे बड़ी दूरी पर टूटे।
- गर्मी: दिलचस्प बात यह है कि गर्मी का वितरण उलट गया। इन मामलों में, भारी खंड के बजाय, हल्का खंड (छोटा चूरा) अतिरिक्त गर्मी और उत्तेजना का अधिकांश हिस्सा प्राप्त कर गया।
द स्नैप एंड द स्प्रे (टूटना और छिड़काव)
अध्ययन ने गर्दन के टूटने के सटीक क्षण को भी देखा। उन्होंने पाया कि लंबी गर्दन वाले, नियर-सिमेट्रिक विभाजनों के लिए, गर्दन तुरंत गायब नहीं हुई; इसे क्षय (डिके) होने में अधिक समय लगा, और "स्नैप" दो चरणों में हुआ। इस धीमी, जटिल टूट-फूट ने न्यूट्रॉन (सूक्ष्म कणों) के छिड़काव को बदल दिया।
- स्प्रे पैटर्न: एक सामान्य विभाजन में, न्यूट्रॉन सभी दिशाओं में समान रूप से छिड़के जाते हैं। लेकिन नियर-सिमेट्रिक विभाजन में, क्योंकि गर्दन इतनी लंबी और चौड़ी थी, न्यूट्रॉनों का एक विशाल बादल विभाजन के लंबवत (परपेंडिकुलर) दिशा में बाहर की ओर फेंका गया, न कि आगे या पीछे। यह एक पटाखे के फटने (हर तरफ छिड़काव) और एक पानी के गुब्बारे के फटने (मुख्य रूप से बगल में छिड़काव) के बीच के अंतर जैसा है।
अध्ययन क्या खारिज करता है
शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से पाया कि "रैंडम" नेक रप्चर (यादृच्छिक गर्दन टूटना) का विचार संभवतः गलत है। कुछ पुराने सिद्धांतों में, यह माना जाता था कि गर्दन अपनी लंबाई के किसी भी हिस्से से संयोग से टूट सकती है। हालाँकि, उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि टूटने का बिंदु वास्तव में नाभिक के शुरुआती आकार (बाहरी सैडल पॉइंट पर) द्वारा निर्धारित होता है। सिस्टम अपने शुरुआती आकार को विभाजन के अंत तक याद रखता है। गर्दन भटकती नहीं है; यह ठीक वहीं टूटती है जहाँ प्रारंभिक विरूपण (डिफॉर्मेशन) ने निर्धारित किया था।
वे कितने निश्चित हैं?
यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, न कि किसी भौतिक प्रयोग से जहाँ उन्होंने लैब में विभाजन को पकड़ा हो। लेखक उन रुझानों (ट्रेंड्स) को लेकर आश्वस्त हैं जो वे देखते हैं—जैसे लंबी गर्दन से कम ऊर्जा मिलना और न्यूट्रॉन के छिड़काव का विशिष्ट तरीका—लेकिन वे स्वीकार करते हैं कि उनके वर्तमान मॉडल वास्तविक दुनिया के प्रयोगों की तुलना में खंडों की गति को थोड़ा कम आंक सकते हैं। वे सुझाव देते हैं कि जबकि सटीक संख्याओं को बेहतर होने के साथ ट्यून करने की आवश्यकता हो सकती है, लेकिन यह कहानी कि शुरुआती आकार ही अंत को निर्धारित करता है, संभवतः सही है।
संक्षेप में, यह पेपर हमें बताता है कि परमाणु विभाजन की कहानी पहला नोट बजने से पहले ही लिखी जा चुकी होती है। नाभिक का शुरुआती आकार यह तय करता है कि यह एक तेज़, ऊर्जावान धमाका होगा या एक धीमा, गर्म, बगल में छिड़काव करने वाला खिंचाव, और ब्रह्मांड उस आकार को अंत तक याद रखता है।
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