20 जनवरी को, चीनी वैज्ञानिकों ने बताया कि वे एक परमाणु संलयन रिएक्टर में लगभग 1,066 सेकंड के लिए 100 मिलियन डिग्री सेकंड के तापमान पर प्लाज्मा बनाए रखने में सक्षम थे, जिसे प्रायोगिक उन्नत सुपरकंडक्टिंग टोकामक (पूर्व) कहा जाता है।
1938 में, भौतिक विज्ञानी ओटो हैन और फ्रिट्ज स्ट्रैसमैन ने पाया कि ऊर्जा का उत्पादन तब होता है जब एक परमाणु का नाभिक अलग हो जाता है, एक प्रक्रिया जिसे लिसे मीटनर और ओटो फ्रिस्क ने एक साल बाद समझाया एक के रूप में एक के रूप में समझाया। ‘विखंडन’ नामक प्रक्रिया। केवल चार साल बाद, भौतिकविदों ने एक स्थायी परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया के साथ दुनिया के पहले रिएक्टर को बनाने और संचालित करने के लिए इस सिद्धांत का उपयोग किया।
इस समय तक भौतिकविदों को यह भी पता था कि जब दो परमाणु नाभिक एक साथ फ्यूज होते हैं, तो ऊर्जा का उत्पादन भी किया जाता है, एक प्रक्रिया जिसे फ्यूजन कहा जाता है। परमाणु विखंडन हानिकारक रेडियोधर्मी कचरे का उत्पादन करता है जबकि परमाणु संलयन नहीं करता है। यही कारण है कि एक परमाणु संलयन रिएक्टर विकसित करना दुनिया के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीकी लक्ष्य बन गया है जो स्वच्छ ऊर्जा के नए स्रोतों में रुचि रखता है।
ट्रिटियम समस्या
समस्या एक संलयन प्रतिक्रिया शुरू करने और बनाए रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा है। यूरेनियम जैसे अस्थिर नाभिक के परमाणुओं पर उपयुक्त ऊर्जा के न्यूट्रॉन की शूटिंग करके एक परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया को बंद किया जा सकता है। संलयन के लिए, हालांकि, नाभिक को कम से कम 100 मिलियन डिग्री सी के तापमान के संपर्क में आने की आवश्यकता है।
प्रकृति में सबसे हल्का नाभिक हाइड्रोजन का होता है, जिसमें एकल प्रोटॉन होता है। ड्यूटेरियम नामक हाइड्रोजन के एक आइसोटोप में एक प्रोटॉन और इसके नाभिक में एक न्यूट्रॉन होता है। ट्रिटियम नामक एक अन्य आइसोटोप के नाभिक में एक प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। Deuterium-Deuterium संलयन को Deuterium-tritium संलयन की तुलना में शुरू करने के लिए एक उच्च तापमान की आवश्यकता होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ट्रिटियम नाभिक में अतिरिक्त न्यूट्रॉन प्रोटॉन के बीच की तरह-चार्ज के प्रतिकर्षण को दूर करने में मदद करता है।
एक ड्यूटेरियम और एक ट्रिटियम नाभिक का संलयन एक गैर-रेडियोएक्टिव हीलियम -4 नाभिक, एक न्यूट्रॉन और 17.6 मेव ऊर्जा बनाता है, जो महत्वपूर्ण है। न्यूट्रॉन को रिएक्टर के आसपास की सामग्रियों के एक कंबल के लिए निर्देशित किया जा सकता है जो इसे कैप्चर करता है और अधिक गर्मी जारी करता है।
जबकि ड्यूटेरियम समुद्री जल में प्रचुर मात्रा में है, ट्रिटियम के प्राकृतिक जमा नहीं हैं और इसका उत्पादन करना बहुत कठिन है। वर्तमान में यह ज्यादातर है एक उप-उत्पाद के रूप में बनाया गया कनाडा, भारत और दक्षिण कोरिया में भारी पानी के विखंडन रिएक्टरों में।
तापमान की समस्या
फिर भी परमाणु संलयन के लिए एक और चुनौती तापमान है। फ्यूज करने के लिए दो नाभिक के लिए, दो चीजों को होने की आवश्यकता है: नाभिक (प्रोटॉन के कारण) में समान-चार्ज को दूर करने की आवश्यकता है, तो कणों को एक दूसरे के लगभग 1 फेमटोमेट्रे (एफएम) के भीतर आने की आवश्यकता है ताकि वे बंधन कर सकें। मजबूत परमाणु बल का उपयोग करके एक दूसरे के साथ।
यह बल प्रकृति में सबसे मजबूत मौलिक बल है और परमाणुओं के नाभिक में एक साथ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन रखने के लिए जिम्मेदार है। लेकिन दूसरी तरफ, यह केवल बहुत कम दूरी पर काम करता है: 1 एफएम एक कार्बन नाभिक की चौड़ाई में लगभग एक-चौथाई है। यही कारण है कि नाभिक को ऐसे उच्च तापमान पर गर्म करने की आवश्यकता होती है: उन्हें अपने प्रतिकर्षण को दूर करने और एक दूसरे के इतने करीब पहुंचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा देने के लिए।
इन शर्तों को पूरा करके परमाणु संलयन प्राप्त करने के लिए अलग -अलग रिएक्टर डिजाइन हैं। डिजाइनों के एक सेट में एक टोकामक का उपयोग शामिल होता है-एक डोनट के आकार का पोत जहां नाभिक सीमित होते हैं, जैसे कि एक पिंजरे में, और फ्यूज के लिए बनाया जाता है।
एक चुंबकीय पिंजरा
पोत के अंदर, एक ड्यूटेरियम गैस लगभग 20 मिलियन डिग्री सेल्सियस से उजागर होती है, जब प्लाज्मा राज्य में मामला मौजूद होता है। चार्ज किए गए कणों को उनके संबंधित परमाणुओं से छीन लिया जाता है और स्वतंत्र रूप से तैरते हैं। अगला, कणों को एक बहुत मजबूत चुंबकीय क्षेत्र से अवगत कराया जाता है जो एक अदृश्य जाल की तरह काम करता है, क्षेत्र लाइनों के साथ कणों को फंसाता है। इस विधि को चुंबकीय कारावास कहा जाता है।
इंजीनियर इलेक्ट्रोमैग्नेट्स का उपयोग करना पसंद करते हैं – विशेष सामग्री जो एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है जब एक वर्तमान को उनके चारों ओर कुंडलित तारों के माध्यम से पारित किया जाता है – इन क्षेत्रों को बनाने के लिए क्योंकि क्षेत्र की ताकत केवल तारों में वर्तमान की मात्रा पर निर्भर करती है। ये तार भी सुपरकंडक्टिंग हैं: वे बिजली की धारा को शून्य प्रतिरोध के साथ ले जा सकते हैं यदि वे बहुत कम तापमान पर ठंडा हो जाते हैं, जो उन्हें तरल नाइट्रोजन या हीलियम के साथ कंबल करके प्राप्त किया जाता है।
पूर्व के अंदर, दोनों टॉरॉइडल और पोलोइडल चुंबकीय क्षेत्र सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रोमैग्नेट्स द्वारा उत्पन्न होते हैं। यह वर्तमान में इस सुविधा के साथ दुनिया का एकमात्र टोकामक है। टॉरॉइडल चुंबकीय क्षेत्र डोनट के आकार के रिएक्टर के चारों ओर बहते हैं, जबकि पोलोइडल क्षेत्र इसके केंद्र के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। साथ में, वे कणों को पोत की दीवारों में बहने और प्लाज्मा को ढहते हुए रखते हैं। इसके बजाय वे पोत के माध्यम से एक सर्पिल पैटर्न में चलते हैं, एक दूसरे से टकराने और फ्यूज के अवसर के साथ।
पोलोइडल क्षेत्र प्लाज्मा में एक विद्युत प्रवाह को भी प्रेरित करता है। जब प्लाज्मा के कुछ हिस्से इस धारा के प्रवाह का विरोध करते हैं, तो गर्मी का उत्पादन होता है, जो संलयन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को जोड़ता है।
विभिन्न समय पर पूर्वी टोकामक के अंदर प्लाज्मा की एक तेजी से दृश्यमान तरंग दैर्ध्य कैमरा की छवियां। | फोटो क्रेडिट: DOI: 10.1088/1741-4326/AA626C
अभिलेखों की श्रृंखला
वर्षों के माध्यम से, पूर्व रिकॉर्ड की एक श्रृंखला स्थापित कर रहा है और उन्हें प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रौद्योगिकियों को मान्य कर रहा है। यह 2016 में 60 सेकंड से अधिक के लिए और 2017 में 100 सेकंड से अधिक के लिए लगभग 50 मिलियन डिग्री सेकंड के लिए लगभग 50 मिलियन डिग्री सेकंड के लिए उच्च-कॉन्फ़िंकमेंट मोड में प्लाज्मा को बनाए रखने वाला पहला टोकामक था। 2023 में, पूर्व ने दुनिया की पहली स्थिर-राज्य उच्च-सम्मेलन हासिल किया। 403 सेकंड के लिए प्लाज्मा – एक विश्व रिकॉर्ड जो यह 20 जनवरी, 2025 को 1,066 सेकंड के लिए प्लाज्मा को बनाए रखते हुए टूट गया। इस उपलब्धि के लिए, ऑपरेटरों ने दो बार थर्मल पावर को पूर्व को प्रदान किया, जैसा कि उन्होंने 2023 करतब के लिए किया था, जिससे प्लाज्मा को अधिक समय तक स्थिर रहने की अनुमति मिली।
वर्तमान में, पूर्व बिजली का उत्पादन नहीं कर रहा है। वास्तव में, यह अभी तक इग्निशन नामक एक मील के पत्थर तक पहुंचने के लिए है: जिसका अर्थ है कि यह अधिक संलयन प्रतिक्रियाओं के लिए पर्याप्त गर्मी का उत्पादन नहीं करता है, उर्फ आत्मनिर्भर हो जाता है। प्रयोग करने योग्य बिजली का उत्पादन करने के लिए, एक टोकामक को कम से कम कुछ घंटों के लिए लाखों डिग्री सेल्सियस बनाए रखने की आवश्यकता होती है।
पूर्व ITER के लिए एक परीक्षण किया गया रिएक्टर है, जो एक अंतरराष्ट्रीय मेगाप्रोजेक्ट है, जिसमें भारत सहित दुनिया भर के छह देश, और यूरोपीय संघ एक टोकामक बनाने के लिए एक साथ काम कर रहे हैं जो परमाणु संलयन को बनाए रखेगा जो प्लाज्मा को बनाए रखने के लिए आवश्यक से अधिक ऊर्जा जारी करता है।
विकल्पों की आवश्यकता है
गंभीर रूप से, पूर्व की सफलताएं ITER के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि बाद में इसकी विलंबित समयसीमा और लागत ओवररन के लिए आलोचना की गई है। EUR 18 बिलियन से पहले से ही एक बिल के साथ, ITER को इतिहास में सबसे महंगा विज्ञान प्रयोग कहा जाता है-ऐसे समय में जिसमें अत्याधुनिक विज्ञान की उच्च लागत ने कई सरकारों को इसे आगे बढ़ाने से रोक दिया है।
कुछ शोध समूह भी उन तरीकों का उपयोग करके परमाणु संलयन प्राप्त करने की कोशिश कर रहे हैं जिनके लिए कम (लेकिन अभी भी काफी) संसाधनों की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, चुंबकीय कारावास को प्राप्त करने का एक विकल्प एक उपकरण है जिसे एक तारकीय कहा जाता है। जबकि एक टोकामक में एक साधारण डोनट आकार होता है, एक तारकीय में एक अधिक घुमा डिजाइन होता है जिसे बनाने और संचालित करने के लिए कठिन होता है। लेकिन इसका फायदा यह है कि यह पोत के अंदर एक मोड़ चुंबकीय क्षेत्र को प्राप्त करने के लिए एक पोलोइडल चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता के साथ दूर करता है। इसके बजाय यह बाहरी मैग्नेट के अधिक जटिल वास्तुकला का उपयोग करके वांछित क्षेत्र कॉन्फ़िगरेशन को प्राप्त करता है।
अन्य डिजाइन पूरी तरह से चुंबकीय कारावास के साथ दूर करते हैं। एक तकनीक में, उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम की एक गोली चरम शक्ति के लेजर बीम के साथ मारा जाता है। जबकि एक ड्यूटेरियम नाभिक में एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन होता है, एक ट्रिटियम नाभिक में एक प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। जब बीम गोली पर प्रहार करते हैं, तो ऊर्जा नाभिक को संपीड़ित करने और फ्यूज करने का कारण बनती है, अधिक ऊर्जा जारी करती है। प्रतिक्रियाओं से गर्मी को तब पानी के एक पूल में बदल दिया जा सकता है, जो भाप पैदा करता है जो एक टरबाइन को स्थानांतरित करता है और बिजली का उत्पादन करता है।
लेज़रों के प्रकाश में
2008 में, अमेरिका में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए ‘लेजर इनर्टियल फ्यूजन एनर्जी’ (जीवन) नामक एक परियोजना शुरू की। जबकि वे अपेक्षित शक्ति के साथ लेज़रों को विकसित करने में सक्षम थे, फ्यूजन आउटपुट की तुलना में उन्होंने भविष्यवाणी की थी। यह परियोजना 2013 में रद्द कर दी गई थी जब यह स्पष्ट हो गया कि यह इग्निशन प्राप्त नहीं कर सका।
लेकिन उसी संस्थान में एक अन्य परियोजना, जिसे नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (NIF) कहा जाता है, ने 2022 में मील का पत्थर हासिल किया। NIF में, 192 हाई-पावर लेज़रों की एक प्रणाली एक छोटे से सिलेंडर कैप्सूल की ओर ऊर्जा के 2.05 मेगाजौले (एमजे) को वितरित करती है। कमरे का केंद्र। यह कैप्सूल, जिसे एक होहलाम कहा जाता है, यूरेनियम -238 से बना है और सोने के साथ चढ़ाया गया है। यह लगभग 2 मिमी चौड़ा है। इसमें एक बहुलक से बना एक पतला खोल होता है, जिसके अंदर ड्यूटेरियम और ट्रिटियम परमाणुओं को एक जमे हुए या गैसीय अवस्था में रखा जाता है।
जब लेज़रों से विद्युत चुम्बकीय विकिरण होहलाम में प्रवेश करता है, तो यह आंतरिक दीवार पर हमला करता है और एक्स-रे का उत्पादन करता है। थोड़े समय के लिए, नाभिक होहलाम के अंदर सभी दिशाओं से एक्स-रे द्वारा बमबारी की जाती है। आखिरकार वे एक सममित तरीके से ईंधन के नमूने को संपीड़ित करते हैं और इसे तेजी से लगभग 100 मिलियन डिग्री सी। तक गर्म करते हैं, 2022 में, एनआईएफ ने कहा कि उसने इस तकनीक का उपयोग 3.15 एमजे ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए किया था, जो कि ब्रेकन प्वाइंट को पार करता है।
दूसरी ओर, ITER को 2007 में लॉन्च किया गया था और उम्मीद है कि वह केवल 2033 में अपना पहला प्लाज्मा का उत्पादन करे, और समय के साथ भी भस्म दुनिया की अल्प ट्रिटियम भंडार। स्वच्छ ऊर्जा के स्रोतों की हताश आवश्यकता का अर्थ है परमाणु संलयन प्राप्त करना बस समय की बात हो सकती है, खासकर अगर सरकारें आवश्यक प्रौद्योगिकियों पर काम करने वाले वैज्ञानिकों पर भरोसा करना जारी रखती हैं। लेकिन कौन सी तकनीक इसे लाइन पर ले जाती है – चुंबकीय, जड़त्वीय या कुछ और – देखा जाना बाकी है। कुछ निजी क्षेत्र के उद्यम मिश्रण में प्रवेश करने के लिए भी शुरुआत कर रहे हैं।
जबकि NIF ने एक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट इग्निशन का प्रदर्शन किया है, ईस्ट अपने बड़े पैमाने पर और स्थिर प्रगति के साथ टोकामक को शिकार में रख रहा है।
शमीम हक मोंडल फिजिक्स डिवीजन, स्टेट फोरेंसिक साइंस लेबोरेटरी, कोलकाता में एक शोधकर्ता हैं।
प्रकाशित – 18 फरवरी, 2025 05:30 पूर्वाह्न IST
