निम्नलिखित में से किस सामग्री का उपयोग मंदक (moderator) के रूप में किया जा सकता है?

Question

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D: उपरोक्त सभी

Explanation & Concepts:
परमाणु रिएक्टर में मंदक एक ऐसा पदार्थ है जिसका उपयोग विखंडन (fission) द्वारा उत्पन्न तेज न्यूट्रॉन की गति को कम करके उन्हें थर्मल न्यूट्रॉन में बदलने के लिए किया जाता है। ग्रेफाइट, भारी जल (D$_2$O), और बेरिलियम सभी में कम परमाणु द्रव्यमान और कम न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस-सेक्शन होता है, जो उन्हें प्रभावी मंदक बनाता है।

Working Principle: यह सिद्धांत प्रत्यास्थ प्रकीर्णन (elastic scattering) पर निर्भर करता है। जब उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन समान द्रव्यमान वाले मंदक नाभिकों से टकराते हैं, तो वे टक्करों के माध्यम से तेजी से गतिज ऊर्जा खो देते हैं। आसपास के माध्यम के साथ तापीय संतुलन तक पहुँचने पर, इन धीमे न्यूट्रॉन में U-235 समस्थानिकों में विखंडन प्रेरित करने की संभावना बहुत अधिक होती है।

Key Formulas: $\Delta E = \frac{1}{2} m v^2$ — न्यूट्रॉन की गतिज ऊर्जा; $\xi = \ln(\frac{E_1}{E_2})$ — लघुगणकीय ऊर्जा ह्रास, जो प्रति टक्कर औसत ऊर्जा हानि का प्रतिनिधित्व करता है

Key Points: मंदक का स्कैटरिंग क्रॉस-सेक्शन उच्च और अवशोषण क्रॉस-सेक्शन कम होना चाहिए।; ग्रेफाइट का उपयोग पहले परमाणु रिएक्टरों (जैसे, शिकागो पाइल-1) में किया गया था।; भारी जल एक अत्यधिक कुशल मंदक है जो ईंधन के रूप में प्राकृतिक यूरेनियम के उपयोग की अनुमति देता है।; बेरिलियम प्रभावी है लेकिन महंगा और जहरीला है, जो इसके व्यापक उपयोग को सीमित करता है।

Advantages: न्यूट्रॉन को थर्मल करके श्रृंखला प्रतिक्रिया (chain reaction) की संभावना को बढ़ाता है।; नियंत्रित विखंडन का उपयोग करके कुशल बिजली उत्पादन की अनुमति देता है।

Disadvantages: बेरिलियम जैसी सामग्री महंगी और निर्माण में कठिन होती है।; मंदक रिएक्टर कोर के भीतर जगह घेरते हैं, जिससे कुल आकार बढ़ जाता है।

Applications: परमाणु ऊर्जा उत्पादन (प्रेशराइज्ड हेवी वॉटर रिएक्टर - PHWRs)।; न्यूट्रॉन स्कैटरिंग प्रयोगों के लिए अनुसंधान रिएक्टर।

Additional Info: ग्रेफाइट का उपयोग चेरनोबिल-प्रकार के रिएक्टरों (RBMK) में किया गया था।. हल्का जल (H$_2$O) भी एक सामान्य मंदक है, लेकिन यह न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, जिसके लिए समृद्ध यूरेनियम की आवश्यकता होती है।

Answer: D सही है — ग्रेफाइट, भारी जल, और बेरिलियम सभी मानक सामग्रियां हैं जिनका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में तेजी से चलने वाले न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए मंदक के रूप में किया जाता है।

Exam Tip: परीक्षाओं में याद रखें कि प्रभावी होने के लिए एक मंदक का परमाणु द्रव्यमान कम होना चाहिए; भारी तत्व टक्करों के माध्यम से न्यूट्रॉन ऊर्जा को कुशलतापूर्वक अवशोषित नहीं कर पाएंगे।

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Option A: ग्रेफाइट

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Option B: भारी जल

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Option C: बेरिलियम

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