Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS

एक परमाणु रिएक्टर की स्टील की हड्डियों के भीतर, एक शांत लेकिन निरंतर युद्ध लड़ा जा रहा है। जब उच्च-गति वाले न्यूट्रॉन धातु से टकराते हैं, तो वे केवल टकराकर वापस नहीं लौटते; वे परमाणु नाभिकों को तोड़ देते हैं, जिससे हाइड्रोजन और हीलियम गैस के सूक्ष्म टुकड़े बन जाते हैं। वर्षों के संचालन के दौरान, ये गैसें ठोस धातु के भीतर जमा हो जाती हैं, जिससे वह फूलने लगती है और भंगुर हो जाती है, ठीक वैसे ही जैसे एक स्पंज बहुत अधिक पानी सोख लेता है। यह क्षति उन पात्रों की संरचनात्मक अखंडता के लिए खतरा पैदा करती है जो फ्यूजन या fission की विशाल ऊर्जा को थामने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यह अनुमान लगाने के लिए कि एक रिएक्टर कितने समय तक सुरक्षित रूप से संचालित हो सकता है, वैज्ञानिकों को यह जानना आवश्यक है कि न्यूट्रॉन लोहे (जो रिएक्टर स्टील का प्राथमिक घटक है) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्हें न केवल यह मापने की आवश्यकता है कि कितने कण बाहर निकले, बल्कि यह भी कि वे कितनी ऊर्जा ले जा रहे हैं और किस दिशा में उड़ रहे हैं।

दशकों से, वैज्ञानिक आधुनिक रिएक्टरों में पाए जाने वाले उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों के लिए इन मापों को प्राप्त करने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। जबकि कम ऊर्जा के लिए डेटा मौजूद है, 14 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से ऊपर की तस्वीर धुंधली और अनिश्चित हो जाती है, जहाँ भौतिकी जटिल और मॉडल करने में कठिन हो जाती है। इस उच्च-ऊर्जा क्षेत्र में सटीक डेटा के बिना, सुरक्षित रिएक्टरों को डिजाइन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर सिमुलेशन अनुमान लगाने को मजबूर होते हैं, जिससे इंजीनियरों के पास उनके ढांचों के जीवनकाल के बारे में अनिश्चितता बनी रहती है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस अंतर को भरने के लिए, प्राकृतिक लोहे से टकराने वाले न्यूट्रॉनों के व्यवहार का अभूतपूर्व विवरण के साथ मानचित्रण करने के लिए एक नया प्रयोग किया।

यह प्रयोग 2023 में फ्रांस के केन (Caen) में 'न्यूट्रॉन्स फॉर साइंस' सुविधा में आयोजित किया गया था, जो अनुसंधान के लिए न्यूट्रॉन बीम बनाने के लिए समर्पित एक स्थल है। टीम ने 'मेडली' (Medley) नामक एक विशेष उपकरण का उपयोग किया, जो मूल रूप से स्वीडन के अप्सला विश्वविद्यालय में बनाया गया था और विशेष रूप से उन हल्के, आवेशित कणों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो नाभिक के टूटने पर बाहर निकलते हैं। यह सेटअप अनिवार्य रूप रूप से एक बड़ा, खाली वैक्यूम चैंबर है जिसके केंद्र में प्राकृतिक लोहे का एक लक्ष्य (target) रखा गया है। इस लक्ष्य के चारों ओर आठ सेट डिटेक्टर लगे हैं, जो पहिये की तीलियों की तरह व्यवस्थित हैं, जिनमें से प्रत्येक अलग-अलग कोणों पर उड़ने वाले कणों को ट्रैक करने में सक्षम है। लोहे का लक्ष्य स्वयं एक पतली पन्नी (foil) थी, जो इतनी मोटी थी कि बीम के साथ परस्पर क्रिया कर सके, लेकिन इतनी पतली भी थी कि परिणामी कण ऊर्जा का अधिक नुकसान किए बिना बाहर निकल सकें।

अध्ययन के लिए आवश्यक स्थितियाँ बनाने हेतु, सुविधा ने लोहे के लक्ष्य पर न्यूट्रॉन की एक बीम छोड़ी। ये न्यूट्रॉन सभी एक समान गति के नहीं थे; इसके बजाय, वे एक "व्हाइट" बीम (white beam) थे, जो निम्न स्तरों से लेकर 44 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की ऊर्जाओं वाला एक विस्तृत स्पेक्ट्रम था। जैसे ही न्यूट्रॉनों ने लोहे से प्रहार किया, उन्होंने प्रोटॉन, ड्यूटेरॉन और अन्य हल्के कणों को उत्सर्जित करने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं को सक्रिय किया। डिटेक्टरों ने, जो टेलीस्कोप के रूप में व्यवस्थित थे, इन बाहर निकलने वाले कणों को पकड़ा। सिलिकॉन की परतों और एक अंतिम स्किंटिलेटर क्रिस्टल में प्रत्येक कण द्वारा जमा की गई ऊर्जा को मापकर, शोधकर्ता यह पहचान सके कि वह किस प्रकार का कण था और उसकी गति कितनी थी।

प्रक्रिया के एक महत्वपूर्ण हिस्से में समय का सटीक मापन शामिल था। शोधकर्ताओं ने लक्ष्य से डिटेक्टर तक एक कण को यात्रा करने में लगने वाले समय को मापा, और इसकी तुलना न्यूट्रॉन बीम के उत्पन्न होने के सटीक क्षण से की। इस 'टाइम-ऑफ-फ्लाइट' (time-of-flight) माप ने उन्हें प्रत्येक घटना के लिए आने वाले न्यूट्रॉन की ऊर्जा की गणना करने में सक्षम बनाया। चूंकि कणों को लोहे के लक्ष्य से गुजरते समय थोड़ी ऊर्जा का नुकसान होता है, इसलिए टीम को वास्तविक ऊर्जा को पुनर्गठित करने के लिए एक गणितीय सुधार लागू करना पड़ा। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि कण धातु के भीतर कितनी ऊर्जा खोते हैं और फिर एक सांख्यिकीय विधि का उपयोग करके मूल डेटा को रिवर्स-इंजीनियर किया, जिससे प्रभावी रूप से लक्ष्य सामग्री द्वारा उत्पन्न विरूपण को हटाया जा सका।

इस सावधानीपूर्वक कार्य का परिणाम 'डबल-डिफरेंशियल क्रॉस सेक्शन' (double-differential cross section) का एक नया सेट है, जो सरल शब्दों में एक विशिष्ट कोण पर और विशिष्ट ऊर्जा के साथ एक कण के उत्सर्जित होने की संभावना को दर्शाता है। टीम ने लोहे से उत्सर्जित होने वाले प्रोटॉन के लिए इन मूल्यों को सफलतापूर्वक मापा, जब उन्हें 14.5 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की औसत ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों से टकराया गया था। उन्होंने यह मानचित्र तैयार किया कि कितने प्रोटॉन 20 से 160 डिग्री के कोणों पर बाहर निकले, जिससे उत्सर्जन पैटर्न की एक विस्तृत तस्वीर मिली। डेटा ने दिखाया कि प्रायोगिक सेटअप विश्वसनीय रूप से काम कर रहा था, जिसने उच्च सटीकता के साथ कणों को पकड़ा और टीम को लक्ष्य के भीतर ऊर्जा हानि के लिए सुधार करने की अनुमति दी।

हालांकि अभियान के दौरान एकत्र किए गए सभी डेटा का पूर्ण विश्लेषण अभी भी जारी है, 14.5 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के न्यूट्रॉनों के लिए प्रारंभिक परिणाम पहले से ही उत्साहजनक हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके मापों को मानक गणितीय वक्रों (curves) के साथ सुचारू रूप से फिट किया जा सकता है, जो यह सुझाव देता है कि डेटा सुसंगत और विश्वसनीय है। यह सफलता इस सुविधा में मेडली सेटअप के उपयोग को प्रमाणित करती है और पुष्टि करती है कि ऊर्जा हानि और कण पहचान के लिए जटिल सुधार सही ढंग से किए गए थे। टीम अब इन मापों को 44 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की पूरी ऊर्जा सीमा तक विस्तारित करने और हीलियम नाभिक जैसे अन्य प्रकार के कणों का विश्लेषण करने पर काम कर रही है।

यह कार्य परमाणु इंजीनियरों के लिए पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रदान करता है। उच्च-ऊर्जा बमबारी के तहत लोहा कैसे व्यवहार करता है, इस पर ठोस डेटा प्रदान करके, यह अध्ययन भविष्य के फ्यूजन रिएक्टरों को डिजाइन करने और मौजूदा रिएक्टरों की सुरक्षा का आकलन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर मॉडल के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करता है। यह भविष्यवाणी करने की क्षमता कि संरचनात्मक सामग्रियां समय के साथ कैसे खराब होंगी, स्वच्छ ऊर्जा स्रोतों की ओर संक्रमण के लिए आवश्यक है, और इस प्रयोग ने उन भविष्यवाणियों को अधिक सटीक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध कर दिया है कि इन कठिन अंतःक्रियाओं को उच्च सटीकता के साथ मापना संभव है, जो उन सामग्रियों के अधिक कठोर परीक्षण के द्वार खोलता है जो एक दिन सितारों की शक्ति को थामे रखेंगे।