परमाणु रिएक्टर में मॉडरेटर (मंदक) का कार्य क्या है?

Question

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B: द्वितीयक न्यूट्रॉन की गति को धीमा करना

Explanation & Concepts:
मॉडरेटर वे पदार्थ हैं जिनका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में परमाणु विखंडन के दौरान उत्पन्न तेज गति वाले न्यूट्रॉन की गति को धीमा करने के लिए किया जाता है। लोचदार प्रकीर्णन (elastic scattering) के माध्यम से इन न्यूट्रॉन की गतिज ऊर्जा को कम करके, मॉडरेटर इन न्यूट्रॉन के विखंडनीय नाभिकों द्वारा पकड़े जाने की संभावना को बढ़ाता है, जिससे श्रृंखला अभिक्रिया बनी रहती है।

Working Principle: परमाणु विखंडन घटना में, न्यूट्रॉन उच्च गतिज ऊर्जा (लगभग 2 MeV) के साथ उत्सर्जित होते हैं, जिन्हें 'फास्ट न्यूट्रॉन' कहा जाता है। $U^{235}$ का उपयोग करके एक स्व-स्थायी श्रृंखला अभिक्रिया बनाए रखने के लिए, इन न्यूट्रॉन का 'तापीयकरण' (thermalization) किया जाना चाहिए (लगभग 0.025 eV तक धीमा करना)। मॉडरेटर में हल्के नाभिक होते हैं (जैसे पानी में हाइड्रोजन या ग्रेफाइट में कार्बन); जब न्यूट्रॉन इन नाभिकों से टकराते हैं, तो वे प्रति टक्कर अपनी गतिज ऊर्जा का एक हिस्सा खो देते हैं जब तक कि वे तापीय संतुलन तक नहीं पहुंच जाते।

Key Formulas: $\Delta E = E_{initial} - E_{thermal}$ — मंदन के दौरान आवश्यक ऊर्जा में कमी; $P = \frac{1}{1 + B^2 L^2}$ — मॉडरेटर गुणों से प्रभावित गैर-रिसाव संभावना

Key Points: मॉडरेटर का प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन उच्च और अवशोषण क्रॉस-सेक्शन कम होना चाहिए।; सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले मॉडरेटर: साधारण पानी ($H_2O$), भारी पानी ($D_2O$), ग्रेफाइट और बेरिलियम।; भारी पानी सबसे कुशल मॉडरेटर है क्योंकि इसका न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस-सेक्शन बहुत कम होता है।; न्यूट्रॉन को धीमा करने की प्रक्रिया को औपचारिक रूप से 'थर्मलाइजेशन' (तापीयकरण) कहा जाता है।

Advantages: प्राकृतिक या कम-संवर्धित यूरेनियम ईंधन के उपयोग को सक्षम बनाता है।; श्रृंखला अभिक्रिया की दर को नियंत्रित करके सुरक्षा प्रदान करता है।

Disadvantages: कुछ न्यूट्रॉन को अवशोषित कर सकते हैं, जिससे सही ढंग से नहीं चुने जाने पर न्यूट्रॉन अर्थव्यवस्था कम हो जाती है।; रिएक्टर कोर में अतिरिक्त परिरक्षण (shielding) और स्थान की आवश्यकता होती है।

Applications: प्रेशराइज्ड वाटर रिएक्टर (PWR); प्रेशराइज्ड हैवी वाटर रिएक्टर (PHWR); गैस-कूल्ड रिएक्टर (GCR)

Additional Info: विकल्प A गलत है क्योंकि मॉडरेटर को न्यूट्रॉन को अवशोषित करने से बचना चाहिए; नियंत्रण छड़ें (control rods) न्यूट्रॉन अवशोषण के लिए जिम्मेदार होती हैं।. विकल्प C गलत है क्योंकि श्रृंखला अभिक्रिया की तीव्रता को नियंत्रित करने के लिए मॉडरेटर नहीं, बल्कि नियंत्रण छड़ों का उपयोग किया जाता है।. आदर्श मॉडरेटर का प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन ($\sigma_s$) उच्च और अवशोषण क्रॉस-सेक्शन ($\sigma_a$) कम होता है।

Answer: B सही है — मॉडरेटर तेज गति वाले द्वितीयक न्यूट्रॉन को तापीय ऊर्जा स्तर तक धीमा करने के लिए आवश्यक हैं ताकि कुशल विखंडन हो सके।

Exam Tip: परमाणु ऊर्जा संयंत्र के प्रश्नों में भ्रम से बचने के लिए हमेशा 'मॉडरेटर' (जो न्यूट्रॉन को धीमा करते हैं) और 'कंट्रोल रॉड्स' (जो न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं) के बीच अंतर स्पष्ट रखें।

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Option A: द्वितीयक न्यूट्रॉन को अवशोषित करना

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Option C: श्रृंखला अभिक्रिया को नियंत्रित करना

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Option D: उपर्युक्त में से कोई नहीं

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