स्वच्छ ऊर्जा प्रदान करने हेतु सूर्य की शक्ति की नकल करने की चाहत वाला एक अंतरराष्ट्रीय मेगाप्रोजेक्ट

5 दिसंबर 2022 को, लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी, यूएसए में नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (एनआईएफ) में ठोस हाइड्रोजन की एक पैलेट ने अवशोषित से अधिक ऊर्जा उत्पन्न करके परमाणु संलयन इतिहास बना दिया। उच्च शक्ति वाले लेजर की एक श्रृंखला का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने “बर्निंग प्लाज़्मा” स्थिति हासिल की, जिससे आपूर्ति की तुलना में अधिक ऊर्जा पैदा हुई। हालाँकि इसका मतलब एक प्रदर्शन के रूप में अधिक है, विशेषज्ञ इस घटना को क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण सफलता मानते हैं, और सभी के लिए स्वच्छ और टिकाऊ परमाणु ऊर्जा के करीब एक कदम मानते हैं।

परमाणु संलयन, परमाणु विखंडन से किस प्रकार भिन्न है, वाणिज्यिक स्तर की परमाणु ऊर्जा प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली वर्तमान विधि क्या है? उत्तरार्द्ध में, परमाणु ऊर्जा संयंत्र के अंदर थर्मल न्यूट्रॉन का उपयोग करके बड़े रेडियोधर्मी नाभिक को तोड़कर परमाणु ऊर्जा उत्पन्न की जाती है। इस परमाणु विभाजन से मुक्त होने वाली भारी मात्रा में ऊर्जा पानी को भाप में परिवर्तित करती है, जो बदले में टरबाइनों को बिजली उत्पन्न करने के लिए शक्ति प्रदान करती है। कोयला और जीवाश्म ईंधन जैसे ऊर्जा के पारंपरिक स्रोतों के विपरीत, परमाणु विखंडन से गैसीय उप-उत्पाद नहीं निकलते हैं। हालाँकि, एक कमी यह है कि अपशिष्ट के रूप में उत्पन्न होने वाले रेडियोधर्मी उप-उत्पाद होते हैं जिन्हें सावधानी से संभालना चाहिए और निपटान करना चाहिए।

इसके विपरीत, परमाणु संलयन दो छोटे उच्च गति वाले परमाणुओं को अन्य परमाणुओं से टकराकर ऊर्जा उत्पन्न करता है। संलयन प्राकृतिक रूप से हमारे सूर्य के केंद्र में होता है, जहां हाइड्रोजन नाभिक टकराकर ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न करते हैं जो हमारे ग्रह पर जीवन को संभव बनाते हैं। पृथ्वी पर संलयन को फिर से बनाने के लिए, वैज्ञानिक हाइड्रोजन के दो आइसोटोप या रूपों – ड्यूटेरियम और ट्रिटियम – का समान अनुपात में उपयोग करते हैं और इस मिश्रण को सैकड़ों लाखों डिग्री सेल्सियस से अधिक तक गर्म करते हैं। इन अथाह उच्च तापमान पर, ड्यूटेरियम-ट्रिटियम (डीटी) नमूना धनात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक और ऋणात्मक चार्ज वाले इलेक्ट्रॉनों के घोल में विघटित हो जाता है – जिसे प्लाज़्मा कहा जाता है। इस बर्निंग प्लाज्मा को नियंत्रित करना सफल परमाणु संलयन की कुंजी है।

आईआईएससी के भौतिकी विभाग के सहायक प्रोफेसर अनिमेश कुले बताते हैं, “वर्तमान में, पूरी दुनिया प्लाज़्मा को सीमित करने के दो तरीकों पर ध्यान केंद्रित कर रही है: लेजर-चालित संलयन और मैग्नेटिक कंफ़ाइन्मेंट फ़्युज़न।”

लेज़र-चालित कंफ़ाइन्मेंट में, सतह पर अत्यधिक गरम प्लाज़्मा बनाने के लिए उच्च शक्ति वाले लेज़रों की एक श्रृंखला को डीटी पैलेट पर केंद्रित किया जाता है। यह प्लाज़्मा तेजी से बाहर की ओर निकलता है और अपनी प्रतिक्रिया शक्ति से पैलेट के मूल भाग को संकुचित कर देता है। यदि इजेक्शन पर्याप्त मजबूत है, तो संपीड़ित कोर प्रज्वलित हो जाती है, और संलयन प्राप्त होता है। एनआईएफ अपनी तरह का सबसे बड़ा परिचालन लेजर कंफ़ाइन्मेंट प्रयोग है, और 150% दक्षता का इसकी हाल की महत्वपूर्ण उपलब्धि अपने पूर्ववर्तियों से कहीं अधिक है। लेकिन यह दृष्टिकोण प्रयोगशाला या छोटे पैमाने पर प्रदर्शनों के लिए सबसे उपयुक्त है।

दूसरी ओर, मैग्नेटिक कंफ़ाइन्मेंट, कम दक्षता पर काम करने के बावजूद, वर्तमान में बड़े पैमाने पर परमाणु ऊर्जा उत्पादन के लिए सबसे अधिक संभावनाएं प्रदान करता है। यह गर्म प्लाज़्मा को आमतौर पर टोकामक नामक डोनट के आकार के कक्ष में सीमित और नियंत्रित करने के लिए तेजी से बदलते चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है।

टोकामक का आविष्कार 1958 में सोवियत भौतिकविदों द्वारा तब किया गया था जब परमाणु संलयन प्राप्त करने के प्रयास धीमे हो रहे थे। यह अब व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए संलयन प्राप्त करने की सबसे अधिक संभावनाएँ प्रदान करता है। यूके स्थित टोकामक, ज्वाइंट यूरोपियन टोरस (जेईटी) ने 2021 के दिसंबर में एक नया फ्यूजन रिकॉर्ड बनाकर सुर्खियां बटोरीं, जिसने 24 वर्ष पहले के अपने ही पहले सेट रिकॉर्ड को तोड़ दिया।

इंस्टीट्यूट ऑफ प्लाज़्मा रिसर्च, गांधीनगर के वैज्ञानिक उज्ज्वल बरुआ कहते हैं, ”मैं कहूंगा कि जेईटी ने एक शानदार परिणाम की घोषणा की है।” “उन्होंने पाँच सेकंड की अवधि में 59 मेगाजूल ऊर्जा उत्पन्न की।” और यद्यपि दक्षता (33%) उनके 1997 के 67% के रिकॉर्ड की तुलना में कम थी, प्लाज़्मा दोगुनी से अधिक अवधि तक कायम रहा, जो नियंत्रित संलयन के लिए एक आशाजनक परिणाम था।

उज्जवल इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एनर्जी रिएक्टर (आईटीईआर) की भारतीय घरेलू एजेंसी के परियोजना निदेशक हैं, जो एक विशाल अंतरराष्ट्रीय परियोजना है, जिसका उद्देश्य फ्रांस में 180 हेक्टेयर में दुनिया का सबसे बड़ा प्रायोगिक टोकामक रिएक्टर बनाना है। आईटीईआर प्रयोग का मिशन परमाणु संलयन को बेहतर ढंग से समझना और उन प्रौद्योगिकियों का परीक्षण करना है जिन्हें अंततः पूर्ण पैमाने के रिएक्टर में लागू किया जाएगा। इस परियोजना का एक उद्देश्य डीटी फ्यूजन से 10 गुना ऊर्जा उत्पादन प्राप्त करना है, जो जेट और एनआईएफ दोनों द्वारा निर्धारित रिकॉर्ड से कहीं अधिक है, और नियंत्रित फ्यूजन की व्यवहार्यता साबित करना है।

आईटीईआर परियोजना कई बड़ी प्रणालियों का एक समूह है, जो इसके कामकाज के लिए आवश्यक हैं, 38 सदस्य देशों के वैज्ञानिक उन्हें विकसित करने के लिए प्रयासरत हैं। उज्जवल के नेतृत्व में आईटीईआर-इंडिया को क्रायोस्टेट, आईटीईआर टोकामक की बाहरी सीमा और जल-शीतलन प्रणाली को डिजाइन करने का काम सौंपा गया है जो संलयन प्रतिक्रिया से ऊष्मा को दूर ले जाता है। आईटीईआर-इंडिया ने क्रायोजेनिक वितरण प्रणाली भी डिजाइन की है जो वैक्यूम पंप और सुपरकंडक्टिंग कॉइल को उचित कामकाज के लिए ठंडा रखेगी। इनमें सिस्टम का पहला बैच शामिल है जिस पर आईटीईआर-इंडिया काम कर रहा है – इनमें से कुछ सिस्टम पहले से ही भारत में औद्योगिक स्तर पर निर्मित किए जा रहे हैं और ज्यादातर आईटीईआर को सौंप दिए गए हैं।

सिस्टम का दूसरा बैच प्रारंभिक कामकाज के लिए कम महत्वपूर्ण है लेकिन इसमें परियोजना के लिए अनूठी विशिष्टताएँ हैं। इनमें से एक डायग्नोस्टिक न्यूट्रल बीम सिस्टम है जिसका उपयोग टोकामक में उत्पादित हीलियम कचरे का पता लगाने के लिए किया जाएगा। उज्जवल कहते हैं, ”वास्तव में आप इन प्रणालियों को स्वयं नहीं खरीद सकते हैं या किसी को इंजीनियर करने और उन्हें वितरित करने के लिए नहीं कह सकते हैं।….आपको बहुत सारे प्रूफ़-ऑफ़-प्रिंसिपल प्रोटोटाइपिंग और बहुत सारे मौलिक अनुसंधान एवं विकास करने की आवश्यकता होती है।” उज्जवल कहते हैं कि आवश्यक अनुसंधान एवं विकास पहले से ही किया जा रहा है, और उनकी योजना है कि जब आईटीईआर को इसकी आवश्यकता होगी तब तक सिस्टम तैयार हो जाएगा, और इन्हें “समय के साथ धीरे-धीरे अन्य प्रणालियों के साथ एकीकृत किया जाएगा।”

आईआईएससी में, अनिमेष की अध्यक्षता में प्लाज़्मा थ्योरी ग्रुप, सैद्धांतिक उपकरणों और बड़े पैमाने पर कंप्यूटर सिमुलेशन दोनों का उपयोग करके प्लाज़्मा परिवहन और टोकामक्स में नुकसान को समझना चाहता है। मैग्नेटिक कंफ़ाइन्मेंट संलयन का सामना करने वाला एक प्रमुख मुद्दा सूक्ष्म अशांति है – प्लाज़्मा में सूक्ष्म अस्थिरता जो ऊर्जा और कण हानि दोनों का कारण बन सकती है। विभिन्न प्रकार के संख्यात्मक मॉडलिंग टूल का उपयोग करके, समूह पहले से मौजूद टोकामक, जैसे जापान में लार्ज हेलिकल डिवाइस टोकामक, में इस सूक्ष्म अशांति का अनुकरण कर सकता है। समूह ने प्लाज़्मा मॉडलिंग के लिए अपना स्वयं का कोड भी विकसित किया है – जिसे GTC-X कहा जाता है – जो टोकामक के भीतर विभिन्न ऊर्जाओं पर प्लाज़्मा घटना पर केंद्रित है जो अब तक अज्ञात थे।

अनिमेष टिप्पणी करते हैं कि उनके जैसे कई समूह, यथासंभव सटीक रूप से प्लाज़्मा परिवहन के विभिन्न पहलुओं के मॉडलिंग पर काम कर रहे हैं। उनका मानना ​​है कि जब आईटीईआर जैसी बड़ी, अधिक व्यापक परियोजनाओं के लिए एक्सट्रपलेशन किया जाता है, तो ये अध्ययन “बहुत सारा समय, जनशक्ति और साथ ही धन” बचाने में मदद कर सकते हैं।

अपने आकार और तकनीकी उन्नयन के साथ, आईटीईआर को हर पहलू में अपने पूर्ववर्तियों से आगे निकलने की गारंटी है। हालाँकि, पारंपरिक ऊर्जा उत्पादन के लिए एक प्रतियोगी के रूप में चुंबकीय कारावास संलयन स्थापित करने में अभी भी कई बाधाएँ हैं – उदाहरण के लिए, हमारे घरों और कारखानों को बिजली देना। प्राथमिक बाधा जिसे आईटीईआर संबोधित करना चाहता है वह प्लाज़्मा का नियंत्रण है। टोकामक के अंदर प्लाज़्मा कैसे व्यवहार करता है इसकी समझ अधिकांश भौतिकी को अभी तक अच्छी तरह से नहीं है। प्लाज़्मा में ऊर्जा हानि का भी खतरा होता है जो रिएक्टर दक्षता को कम कर सकता है और यहां तक ​​कि यदि पर्याप्त ऊष्मा को फैलने की अनुमति दी जाती है तो संलयन भी रोक सकता है।

इन चुनौतियों के बावजूद, उज्जवल और अनिमेष दोनों को उम्मीद है कि एनआईएफ की हालिया सफलता परमाणु संलयन समुदाय में उत्साह बढ़ाती है, उनका मानना ​​है कि अब तक इसकी कमी रही है। यद्यपि प्लाज़्मा परिरोध एक प्राथमिक चिंता है, इसके अलावा बड़ी बाधाएं भी हैं: रिएक्टर के लिए ऊष्मा प्रतिरोधी सामग्री विकसित करना, बेहतर सुपरकंडक्टर्स, ट्रिटियम बनाने के विश्वसनीय तरीके इत्यादि। अनिमेष इस बात पर जोर देते हैं कि उद्योग विशेषज्ञों की बढ़ती भागीदारी इन मुद्दों को हल करने में मदद कर सकती है, ताकि अवधारणा के प्रमाण से परे संलयन वास्तविकता बनाई जा सके।

अनिमेष की भावनाओं को दोहराते हुए उज्जवल टिप्पणी करते हैं, “मुझे इस अत्यंत महत्वपूर्ण और रोमांचक विषय पर भारतीय विज्ञान समुदाय में थोड़ी सी अनासक्ति दिखाई देती है।””यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण क्षेत्र है जिसमें कई चुनौतियाँ हैं, और इसे सफल बनाने के लिए हमें अपना दिमाग और हाथ एक साथ लगाने की जरूरत है।”