পারমাণবিক পদার্থবিদ্যা: তেজস্ক্রিয়তা এবং ফিউশন – ভবিষ্যতের শক্তি

পারমাণবিক পদার্থবিদ্যা এমন একটি ক্ষেত্র যা পদার্থের মৌলিক উপাদান নিয়ে গবেষণা করে, পরমাণুর নিউক্লিয়াস এবং যে শক্তি তাকে একত্রে ধরে রাখে তা অন্বেষণ করে। এই ক্ষেত্রের দুটি প্রধান ঘটনা হলো তেজস্ক্রিয়তা এবং পারমাণবিক ফিউশন, যার প্রত্যেকটির বিজ্ঞান, প্রযুক্তি এবং শক্তির ভবিষ্যতের জন্য গভীর প্রভাব রয়েছে। এই নিবন্ধটি এই ধারণাগুলি, তাদের প্রয়োগ এবং তারা যে চ্যালেঞ্জগুলো উপস্থাপন করে তার একটি ব্যাপক পর্যালোচনা প্রদান করে।

তেজস্ক্রিয়তা বোঝা

তেজস্ক্রিয়তা কী?

তেজস্ক্রিয়তা হলো একটি অস্থিতিশীল পরমাণুর নিউক্লিয়াস থেকে স্বতঃস্ফূর্তভাবে কণা বা শক্তির নির্গমন। এই প্রক্রিয়াটি, যা তেজস্ক্রিয় ক্ষয় নামেও পরিচিত, অস্থিতিশীল নিউক্লিয়াসকে আরও স্থিতিশীল অবস্থায় রূপান্তরিত করে। বিভিন্ন ধরণের তেজস্ক্রিয় ক্ষয় রয়েছে:

• আলফা ক্ষয় (α): একটি আলফা কণার নির্গমন, যা একটি হিলিয়াম নিউক্লিয়াস (দুটি প্রোটন এবং দুটি নিউট্রন)। আলফা ক্ষয় পারমাণবিক সংখ্যা ২ এবং ভর সংখ্যা ৪ কমিয়ে দেয়। উদাহরণ: ইউরেনিয়াম-২৩৮ ক্ষয় হয়ে থোরিয়াম-২৩৪-এ পরিণত হয়।
• বিটা ক্ষয় (β): একটি বিটা কণার নির্গমন, যা একটি ইলেকট্রন (β-) বা একটি পজিট্রন (β+) হতে পারে। বিটা-মাইনাস ক্ষয় ঘটে যখন একটি নিউট্রন একটি প্রোটনে রূপান্তরিত হয় এবং একটি ইলেকট্রন ও একটি অ্যান্টিনিউট্রিনো নির্গত করে। বিটা-প্লাস ক্ষয় ঘটে যখন একটি প্রোটন একটি নিউট্রনে রূপান্তরিত হয় এবং একটি পজিট্রন ও একটি নিউট্রিনো নির্গত করে। উদাহরণ: কার্বন-১৪ ক্ষয় হয়ে নাইট্রোজেন-১৪-এ পরিণত হয় (β-)।
• গামা ক্ষয় (γ): একটি গামা রশ্মির নির্গমন, যা একটি উচ্চ-শক্তির ফোটন। গামা ক্ষয় পারমাণবিক সংখ্যা বা ভর সংখ্যা পরিবর্তন করে না, তবে আলফা বা বিটা ক্ষয়ের পরে নিউক্লিয়াস থেকে অতিরিক্ত শক্তি নির্গত করে।

তেজস্ক্রিয়তার মূল ধারণা

• আইসোটোপ: একই মৌলের পরমাণু যাদের নিউট্রনের সংখ্যা ভিন্ন। কিছু আইসোটোপ স্থিতিশীল, অন্যরা তেজস্ক্রিয়। উদাহরণস্বরূপ, কার্বনের স্থিতিশীল আইসোটোপ রয়েছে যেমন কার্বন-১২ এবং কার্বন-১৩, এবং তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ কার্বন-১৪।
• অর্ধায়ু: একটি নমুনার অর্ধেক তেজস্ক্রিয় নিউক্লিয়াসের ক্ষয় হতে যে সময় লাগে। অর্ধায়ু ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হয়, সেকেন্ডের ভগ্নাংশ থেকে শুরু করে বিলিয়ন বছর পর্যন্ত। উদাহরণস্বরূপ, পারমাণবিক ঔষধে ব্যবহৃত আয়োডিন-১৩১-এর অর্ধায়ু প্রায় ৮ দিন, যেখানে ইউরেনিয়াম-২৩৮-এর অর্ধায়ু ৪.৫ বিলিয়ন বছর।
• সক্রিয়তা: তেজস্ক্রিয় ক্ষয়ের হার, যা بکرল (Bq) বা কুরি (Ci) এককে পরিমাপ করা হয়। এক بکرল হলো প্রতি সেকেন্ডে একটি ক্ষয়।

তেজস্ক্রিয়তার প্রয়োগ

বিভিন্ন ক্ষেত্রে তেজস্ক্রিয়তার অসংখ্য প্রয়োগ রয়েছে:

• চিকিৎসা: তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ চিকিৎসা চিত্রগ্রহণে (যেমন, ফ্লোরিন-১৮ ব্যবহার করে পিইটি স্ক্যান) রোগ নির্ণয় করতে এবং ক্যান্সার চিকিৎসার জন্য বিকিরণ থেরাপিতে (যেমন, কোবাল্ট-৬০) ব্যবহৃত হয়। টেকনেশিয়াম-৯৯এম এর সংক্ষিপ্ত অর্ধায়ু এবং গামা নির্গমনের কারণে ডায়াগনস্টিক ইমেজিংয়ের জন্য ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।
• ডেটিং: রেডিওকার্বন ডেটিং (কার্বন-১৪ ব্যবহার করে) প্রায় ৫০,০০০ বছর পর্যন্ত পুরোনো জৈব পদার্থের বয়স নির্ধারণ করতে ব্যবহৃত হয়। অন্যান্য তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ যেমন ইউরেনিয়াম-২৩৮ এবং পটাশিয়াম-৪০ শিলা এবং ভূতাত্ত্বিক গঠনের বয়স নির্ধারণে ব্যবহৃত হয়, যা পৃথিবীর ইতিহাস সম্পর্কে অন্তর্দৃষ্টি প্রদান করে।
• শিল্প: তেজস্ক্রিয় ট্রেসার পাইপলাইনে ছিদ্র সনাক্ত করতে এবং পদার্থের পুরুত্ব পরিমাপ করতে ব্যবহৃত হয়। অ্যামেরিসিয়াম-২৪১ স্মোক ডিটেক্টরে ব্যবহৃত হয়।
• কৃষি: বিকিরণ খাদ্য জীবাণুমুক্ত করতে, এর শেলফ লাইফ বাড়াতে এবং পচন কমাতে ব্যবহৃত হয়। বিকিরণ কীটপতঙ্গ নিয়ন্ত্রণ এবং ফসলের ফলন উন্নত করতেও ব্যবহার করা যেতে পারে।
• পারমাণবিক বিদ্যুৎ: তেজস্ক্রিয়তা পারমাণবিক বিদ্যুৎ উৎপাদনের ভিত্তি, যেখানে পারমাণবিক ফিশন (পরমাণুর বিভাজন) থেকে উৎপাদিত তাপ বিদ্যুৎ উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।

তেজস্ক্রিয়তার চ্যালেঞ্জ এবং ঝুঁকি

যদিও তেজস্ক্রিয়তা অনেক সুবিধা প্রদান করে, এটি উল্লেখযোগ্য ঝুঁকিও তৈরি করে:

• বিকিরণ এক্সপোজার: উচ্চ মাত্রার বিকিরণের সংস্পর্শে এলে রেডিয়েশন সিকনেস, ক্যান্সার এবং জেনেটিক মিউটেশন হতে পারে। তীব্র বিকিরণ সিন্ড্রোম (ARS) অল্প সময়ের মধ্যে বড় মাত্রার বিকিরণ গ্রহণের ফলে হতে পারে, যা অস্থি মজ্জা, পাচনতন্ত্র এবং অন্যান্য অঙ্গের ক্ষতি করে।
• পারমাণবিক বর্জ্য: পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র থেকে তেজস্ক্রিয় বর্জ্য নিষ্পত্তি একটি প্রধান পরিবেশগত চ্যালেঞ্জ। ব্যবহৃত পারমাণবিক জ্বালানিতে অত্যন্ত তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ থাকে যা হাজার হাজার বছর ধরে বিপজ্জনক থাকতে পারে, যার জন্য ভূতাত্ত্বিক সংগ্রহস্থলের মতো দীর্ঘমেয়াদী সংরক্ষণের সমাধান প্রয়োজন।
• পারমাণবিক দুর্ঘটনা: পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্রে দুর্ঘটনা, যেমন চেরনোবিল (ইউক্রেন, ১৯৮৬) এবং ফুকুশিমা (জাপান, ২০১১), পরিবেশে প্রচুর পরিমাণে তেজস্ক্রিয় পদার্থ নির্গত করতে পারে, যা ব্যাপক দূষণ এবং দীর্ঘমেয়াদী স্বাস্থ্যগত পরিণতি ঘটায়। এই ঘটনাগুলি শক্তিশালী নিরাপত্তা ব্যবস্থা এবং জরুরি প্রস্তুতি পরিকল্পনার গুরুত্ব তুলে ধরে।
• পারমাণবিক অস্ত্র: পারমাণবিক অস্ত্রের বিস্তারের সম্ভাবনা এবং তাদের ব্যবহারের বিধ্বংসী পরিণতি বিশ্ব নিরাপত্তার জন্য একটি বড় হুমকি হিসেবে রয়ে গেছে।

পারমাণবিক ফিউশন: নক্ষত্রের শক্তি

পারমাণবিক ফিউশন কী?

পারমাণবিক ফিউশন হল সেই প্রক্রিয়া যার মাধ্যমে দুটি হালকা পারমাণবিক নিউক্লিয়াস একত্রিত হয়ে একটি ভারী নিউক্লিয়াস গঠন করে, এবং বিপুল পরিমাণ শক্তি নির্গত করে। এটি সেই একই প্রক্রিয়া যা সূর্য এবং অন্যান্য নক্ষত্রকে শক্তি জোগায়। গবেষণাধীন সবচেয়ে সাধারণ ফিউশন বিক্রিয়াটি ডিউটেরিয়াম (ভারী হাইড্রোজেন) এবং ট্রিটিয়াম (আরেকটি হাইড্রোজেন আইসোটোপ) জড়িত:

ডিউটেরিয়াম + ট্রিটিয়াম → হিলিয়াম-৪ + নিউট্রন + শক্তি

ফিউশন কেন গুরুত্বপূর্ণ?

পারমাণবিক ফিউশন একটি স্বচ্ছ, প্রচুর এবং টেকসই শক্তির উৎসের সম্ভাবনা প্রদান করে। এখানে কিছু মূল সুবিধা রয়েছে:

• প্রচুর জ্বালানি: ডিউটেরিয়াম সমুদ্রের জল থেকে সংগ্রহ করা যায়, এবং ট্রিটিয়াম লিথিয়াম থেকে উৎপাদন করা যায়, যা তুলনামূলকভাবে প্রচুর পরিমাণে পাওয়া যায়। জীবাশ্ম জ্বালানির বিপরীতে, ফিউশনের জ্বালানি উৎসগুলি কার্যত অফুরন্ত।
• স্বচ্ছ শক্তি: ফিউশন বিক্রিয়া গ্রিনহাউস গ্যাস বা দীর্ঘস্থায়ী তেজস্ক্রিয় বর্জ্য উৎপাদন করে না। এর প্রধান উপজাত হলো হিলিয়াম, একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাস।
• উচ্চ শক্তি উৎপাদন: ফিউশন বিক্রিয়া ফিশন বিক্রিয়া বা জীবাশ্ম জ্বালানি দহনের তুলনায় প্রতি একক ভরে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি শক্তি নির্গত করে।
• সহজাত নিরাপত্তা: ফিউশন চুল্লিগুলি ফিশন চুল্লির চেয়ে সহজাতভাবে নিরাপদ। একটি অনিয়ন্ত্রিত ফিউশন বিক্রিয়া সম্ভব নয় কারণ প্লাজমাকে খুব নির্দিষ্ট অবস্থার অধীনে বজায় রাখতে হয়। যদি এই শর্তগুলি ব্যাহত হয়, বিক্রিয়া বন্ধ হয়ে যায়।

ফিউশনের চ্যালেঞ্জ

এর সম্ভাবনা থাকা সত্ত্বেও, বাস্তবসম্মত ফিউশন শক্তি অর্জন একটি উল্লেখযোগ্য বৈজ্ঞানিক এবং প্রকৌশলগত চ্যালেঞ্জ হিসেবে রয়ে গেছে:

• চরম তাপমাত্রা: ধনাত্মক চার্জযুক্ত নিউক্লিয়াসের মধ্যে স্থিরতড়িৎ বিকর্ষণকে অতিক্রম করতে ফিউশনের জন্য প্রায় ১০০ মিলিয়ন ডিগ্রি সেলসিয়াস চরম উচ্চ তাপমাত্রা প্রয়োজন।
• প্লাজমা কনফাইনমেন্ট: এই তাপমাত্রায়, পদার্থ প্লাজমা আকারে বিদ্যমান থাকে, যা একটি অতি উত্তপ্ত আয়নিত গ্যাস। ফিউশন ঘটার জন্য যথেষ্ট সময় ধরে প্লাজমাকে বজায় রাখা এবং নিয়ন্ত্রণ করা একটি বড় চ্যালেঞ্জ। চৌম্বকীয় কনফাইনমেন্ট (টোকামাক এবং স্টেলারেটর ব্যবহার করে) এবং জড়তাভিত্তিক কনফাইনমেন্ট (উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লেজার ব্যবহার করে) সহ বিভিন্ন কনফাইনমেন্ট পদ্ধতি অন্বেষণ করা হচ্ছে।
• শক্তি লাভ: একটি টেকসই ফিউশন বিক্রিয়া অর্জন করা যা এটি গ্রহণ করার চেয়ে বেশি শক্তি উৎপাদন করে (নেট শক্তি লাভ বা Q>1 নামে পরিচিত) একটি গুরুত্বপূর্ণ মাইলফলক। যদিও উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি হয়েছে, টেকসই নেট শক্তি লাভ এখনও অধরা।
• উপাদান বিজ্ঞান: ফিউশন চুল্লির চরম তাপ এবং নিউট্রন ফ্লাক্স সহ্য করতে পারে এমন উপকরণ তৈরি করা আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ চ্যালেঞ্জ।

ফিউশন শক্তির পদ্ধতি

ফিউশন শক্তি অর্জনের জন্য দুটি প্রধান পদ্ধতি অনুসরণ করা হচ্ছে:

• চৌম্বকীয় কনফাইনমেন্ট ফিউশন (MCF): এই পদ্ধতিটি প্লাজমাকে আবদ্ধ এবং নিয়ন্ত্রণ করতে শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র ব্যবহার করে। সবচেয়ে সাধারণ MCF ডিভাইস হলো টোকামাক, একটি ডোনাট-আকৃতির চুল্লি। ফ্রান্সে নির্মাণাধীন আন্তর্জাতিক থার্মোনিউক্লিয়ার এক্সপেরিমেন্টাল রিঅ্যাক্টর (ITER) হলো একটি বড় আন্তর্জাতিক সহযোগিতা যার লক্ষ্য টোকামাক পদ্ধতি ব্যবহার করে ফিউশন শক্তির সম্ভাব্যতা প্রদর্শন করা। অন্যান্য MCF ধারণার মধ্যে রয়েছে স্টেলারেটর এবং গোলাকার টোকামাক।
• জড়তাভিত্তিক কনফাইনমেন্ট ফিউশন (ICF): এই পদ্ধতিটি উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লেজার বা কণা রশ্মি ব্যবহার করে ফিউশন জ্বালানির একটি ছোট গুলিকে সংকুচিত এবং উত্তপ্ত করে, যার ফলে এটি বিস্ফোরিত হয় এবং ফিউশন ঘটে। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ইগনিশন ফ্যাসিলিটি (NIF) একটি প্রধান ICF সুবিধা।

ফিউশন শক্তির ভবিষ্যৎ

ফিউশন শক্তি একটি দীর্ঘমেয়াদী লক্ষ্য, কিন্তু উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি হচ্ছে। ITER ২০৩০-এর দশকে টেকসই ফিউশন বিক্রিয়া অর্জন করবে বলে আশা করা হচ্ছে। বেসরকারী সংস্থাগুলিও ফিউশন গবেষণায় প্রচুর বিনিয়োগ করছে, ফিউশন শক্তির উদ্ভাবনী পদ্ধতি অন্বেষণ করছে। সফল হলে, ফিউশন শক্তি বিশ্বের শক্তি পরিदृश्यে বিপ্লব ঘটাতে পারে, ভবিষ্যৎ প্রজন্মের জন্য একটি স্বচ্ছ এবং টেকসই শক্তির উৎস প্রদান করে।

তেজস্ক্রিয়তা এবং ফিউশন: একটি তুলনামূলক সারসংক্ষেপ

| বৈশিষ্ট্য | তেজস্ক্রিয়তা | পারমাণবিক ফিউশন | |-----------------|---------------------------------------------------|--------------------------------------------------| | প্রক্রিয়া | অস্থিতিশীল নিউক্লিয়াসের স্বতঃস্ফূর্ত ক্ষয় | হালকা নিউক্লিয়াসের সংমিশ্রণে ভারী নিউক্লিয়াস গঠন | | শক্তি মুক্তি | প্রতি ঘটনায় তুলনামূলকভাবে কম শক্তি মুক্তি | প্রতি ঘটনায় খুব উচ্চ শক্তি মুক্তি | | উৎপাদিত বস্তু | আলফা কণা, বিটা কণা, গামা রশ্মি, ইত্যাদি | হিলিয়াম, নিউট্রন, শক্তি | | জ্বালানি | অস্থিতিশীল আইসোটোপ (যেমন, ইউরেনিয়াম, প্লুটোনিয়াম) | হালকা আইসোটোপ (যেমন, ডিউটেরিয়াম, ট্রিটিয়াম) | | বর্জ্য পদার্থ | তেজস্ক্রিয় বর্জ্য | প্রধানত হিলিয়াম (অ-তেজস্ক্রিয়) | | প্রয়োগ | চিকিৎসা, ডেটিং, শিল্প, পারমাণবিক বিদ্যুৎ | স্বচ্ছ শক্তি উৎপাদনের সম্ভাবনা | | নিরাপত্তা উদ্বেগ | বিকিরণ এক্সপোজার, পারমাণবিক বর্জ্য নিষ্পত্তি | প্লাজমা কনফাইনমেন্ট, চরম তাপমাত্রা |

বৈশ্বিক প্রেক্ষাপট এবং কেস স্টাডি

বিশ্বজুড়ে পারমাণবিক বিদ্যুৎ উৎপাদন

পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্রগুলি, যা পারমাণবিক ফিশন (তেজস্ক্রিয়তার সাথে সম্পর্কিত একটি প্রক্রিয়া) এর উপর নির্ভর করে, বিশ্বব্যাপী অসংখ্য দেশে পরিচালিত হয়। উদাহরণস্বরূপ, ফ্রান্স তার বিদ্যুতের একটি উল্লেখযোগ্য অংশ পারমাণবিক শক্তি থেকে পায়। উল্লেখযোগ্য পারমাণবিক ক্ষমতা সম্পন্ন অন্যান্য দেশগুলির মধ্যে রয়েছে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র, চীন, রাশিয়া এবং দক্ষিণ কোরিয়া। পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্রের উন্নয়ন এবং পরিচালনা আন্তর্জাতিক পরমাণু শক্তি সংস্থা (IAEA) এর মতো সংস্থাগুলির তত্ত্বাবধানে কঠোর আন্তর্জাতিক নিয়ম এবং সুরক্ষা মানদণ্ডের অধীন।

আইটিইআর: ফিউশন শক্তির জন্য একটি বৈশ্বিক সহযোগিতা

আইটিইআর একটি বিশাল আন্তর্জাতিক প্রকল্প যাতে ইউরোপীয় ইউনিয়ন, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র, রাশিয়া, চীন, জাপান, দক্ষিণ কোরিয়া এবং ভারত সহ বিভিন্ন দেশের অবদান রয়েছে। এই সহযোগিতা ফিউশন শক্তির সম্ভাবনার বৈশ্বিক স্বীকৃতি এবং উল্লেখযোগ্য বৈজ্ঞানিক ও প্রকৌশলগত চ্যালেঞ্জ মোকাবেলায় আন্তর্জাতিক সহযোগিতার প্রয়োজনীয়তা প্রতিফলিত করে।

তেজস্ক্রিয় বর্জ্য ব্যবস্থাপনা: বৈশ্বিক চ্যালেঞ্জ

তেজস্ক্রিয় বর্জ্য ব্যবস্থাপনা একটি বৈশ্বিক চ্যালেঞ্জ, যার জন্য আন্তর্জাতিক সহযোগিতা এবং দীর্ঘমেয়াদী সংরক্ষণের সমাধান প্রয়োজন। বেশ কয়েকটি দেশ ভূতাত্ত্বিক সংগ্রহস্থল অন্বেষণ করছে, যা হাজার হাজার বছর ধরে তেজস্ক্রিয় বর্জ্য নিরাপদে সংরক্ষণের জন্য ডিজাইন করা গভীর ভূগর্ভস্থ সুবিধা। উদাহরণস্বরূপ, ফিনল্যান্ড ওনকালো ব্যবহৃত পারমাণবিক জ্বালানি সংগ্রহশালা নির্মাণ করছে, যা ২০২০-এর দশকে কার্যক্রম শুরু করবে বলে আশা করা হচ্ছে।

উপসংহার

পারমাণবিক পদার্থবিদ্যা, বিশেষ করে তেজস্ক্রিয়তা এবং পারমাণবিক ফিউশন, উল্লেখযোগ্য চ্যালেঞ্জ এবং অপরিসীম সুযোগ উভয়ই উপস্থাপন করে। তেজস্ক্রিয়তা চিকিৎসা, ডেটিং এবং শিল্পের জন্য অমূল্য সরঞ্জাম সরবরাহ করেছে, তবে বিকিরণ এক্সপোজার এবং পারমাণবিক বর্জ্যের ঝুঁকিও বহন করে। পারমাণবিক ফিউশন, যদিও এখনও গবেষণা এবং উন্নয়ন পর্যায়ে রয়েছে, একটি স্বচ্ছ, প্রচুর এবং টেকসই শক্তির উৎসের প্রতিশ্রুতি ধারণ করে। পারমাণবিক পদার্থবিদ্যার ঝুঁকি হ্রাস করার সাথে সাথে এর সুবিধাগুলি কাজে লাগানোর জন্য ক্রমাগত গবেষণা, আন্তর্জাতিক সহযোগিতা এবং দায়িত্বশীল ব্যবস্থাপনা অপরিহার্য। শক্তি এবং প্রযুক্তির ভবিষ্যৎ হয়তো পরমাণুর নিউক্লিয়াসের সম্পূর্ণ সম্ভাবনা উন্মোচন করার আমাদের ক্ষমতার উপর নির্ভর করবে।

আরও পড়ুন:

• আন্তর্জাতিক পরমাণু শক্তি সংস্থা (IAEA): https://www.iaea.org/
• আইটিইআর সংস্থা: https://www.iter.org/
• বিশ্ব পারমাণবিক সংস্থা: https://www.world-nuclear.org/