दैनिक धातुओं से भविष्य को शक्ति देना

फ्यूजन अनुसंधान में प्लाज़्मा के साथ टंगस्टन, तांबा और लिथियम जैसी सामग्रियाँ भी महत्वपूर्ण हैं। इनके गुण भविष्य के रिएक्टरों के विकास में उपयोगी हो सकते हैं, लेकिन वाणिज्यिक फ्यूजन बिजली अभी केवल इन प्रयोगों से सिद्ध नहीं होती।

टंगस्टन घटकों वाले WEST में छह मिनट का प्लाज़्मा पल्स

2024 में रिपोर्ट किए गए प्रयोग में फ्रांस के WEST उपकरण ने लगभग 5 करोड़ डिग्री सेल्सियस का प्लाज़्मा छह मिनट तक बनाए रखा। इसमें 1.15 गीगाजूल ऊर्जा डाली गई; गीगाजूल ऊर्जा की इकाई है, शक्ति की नहीं। पहले के WEST प्रयोग की तुलना में अधिक इनपुट ऊर्जा और घनत्व की सूचना दी गई। यह ग्रिड को शुद्ध बिजली देने वाला प्रदर्शन नहीं था।

WEST को फ्रेंच वैकल्पिक ऊर्जा और परमाणु ऊर्जा आयोग (CEA) द्वारा संचालित किया जाता है। यह IAEA के CICLOP सहयोग में शामिल है, जो लंबे समय तक प्लाज़्मा संचालन की अंतरराष्ट्रीय चुनौतियों पर केंद्रित है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) WEST और CICLOP के साथ दीर्घकालिक साझेदारी रखता है।

“हमें एक नया ऊर्जा स्रोत प्रदान करने की आवश्यकता है, और वह स्रोत निरंतर और स्थायी होना चाहिए। ये शानदार परिणाम हैं। इस टंगस्टन दीवार के कारण चुनौतीपूर्ण वातावरण में होने के बावजूद हमने एक स्थिर अवस्था प्राप्त कर ली है।”

– CEA वैज्ञानिक और CICLOP अध्यक्ष ज़ैवियर लिटौडॉन

फ्यूजन मूल बातें

फ्यूजन सूर्य और तारों को ऊर्जा देता है। इसमें हल्के परमाणु नाभिक मिलते हैं और ऊर्जा निकलती है। चुंबकीय फ्यूजन अनुसंधान में ईंधन को प्लाज़्मा बनाकर पर्याप्त तापमान, घनत्व और परिबंधन प्राप्त करने का प्रयास होता है; हर टकराव से फ्यूजन नहीं होता।

टोकामाक चुंबकीय क्षेत्रों से प्लाज़्मा को वलयाकार कक्ष में सीमित करते हैं। भविष्य के बिजलीघर को पूरे संयंत्र के ऊर्जा उपयोग से अधिक उपयोगी ऊर्जा देनी होगी। कम परिचालन कार्बन उत्सर्जन की संभावना के बावजूद सामग्री, ईंधन, सुरक्षा, रखरखाव और अर्थशास्त्र की चुनौतियाँ बनी हैं।

हालांकि, इन प्रतिक्रियाओं को पर्याप्त समय तक बनाए रखना ताकि शुद्ध ऊर्जा निकाली जा सके, एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। लंबे समय तक गर्म और स्थिर प्लाज़्मा बनाए रखना कठिन है। दीवार की सामग्री ईंधन धारण और प्लाज़्मा अशुद्धियों को प्रभावित करती है। कार्बन कुछ परिस्थितियों में अधिक ईंधन रोक सकता है, इसलिए धातु घटकों का अध्ययन किया जाता है; यह नहीं कि सभी दूसरे टोकामाक आज कार्बन दीवार ही इस्तेमाल करते हैं।

WEST की टंगस्टन दीवारें: रिएक्टर-प्रासंगिक प्रगति

WEST  में प्लाज़्मा की ओर वाले टंगस्टन घटक हैं। टंगस्टन कार्बन से कम ईंधन रोक सकता है। हालांकि, टंगस्टन की थोड़ी मात्रा भी प्लाज़्मा में अशुद्धि बनकर पहुंचे तो तीव्र विकिरणीय शीतलन हो सकता है। PPPL के लुइस डेलगाडो-अपारिसियो के अनुसार:

“टंगस्टन-दीवार वाला वातावरण कार्बन के उपयोग से कहीं अधिक चुनौतीपूर्ण है। यह, सरल शब्दों में, घर में अपने बिल्ली के बच्चे को पकड़ने की कोशिश और सबसे जंगली शेर को पालने की कोशिश के बीच का अंतर है।”

टंगस्टन घटकों के साथ छह मिनट का पल्स महत्वपूर्ण है, लेकिन यह पूर्ववर्ती Tore Supra के ग्रेफाइट-घटक वाले रिकॉर्ड से दोगुना लंबा नहीं था। PPPL के स्पष्टीकरण के अनुसार Tore Supra का पिछला पल्स थोड़ा लंबा था। अलग दीवार सामग्री और प्लाज़्मा परिस्थितियों की तुलना केवल अवधि से नहीं करनी चाहिए।

एक्स-रे निदान से प्लाज़्मा को समझना

PPPL ने DECTRIS की डिटेक्टर तकनीक का उपयोग कर अलग ऊर्जा बैंड में मापन करने वाली सॉफ्ट एक्स-रे प्रणाली ME-SXR को WEST के लिए अनुकूलित किया। इसे पूरा PPPL कैमरा DECTRIS द्वारा तैयार किया गया था, ऐसा कहना सही नहीं है।

“पीपीपीएल के एडवांस्ड प्रोजेक्ट्स विभाग की एक्स-रे टीम विश्व भर में टोकामाक और स्टेलरटर के लिए इन सभी नवाचारी उपकरणों का विकास कर रही है।”

– डेलगाडो-अपारिसियो, पीपीपीएल के उन्नत प्रोजेक्ट्स प्रमुख

आमतौर पर, फ्यूजन निदान एक या दो एक्स-रे ऊर्जा स्तरों का उपयोग करते हैं। पीपीपीएल का ME-SXR 11 से 18 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (keV) के बीच आठ ऊर्जा स्तरों पर एक साथ रीडिंग लेता है। यह रेंज प्लाज़्मा कोर पर स्पष्ट डेटा प्रदान करती है जबकि रेडियो-फ़्रीक्वेंसी हीटिंग वेव्स के हस्तक्षेप को बाहर रखती है।

अलग ऊर्जा बैंड में विकिरण की तीव्रता की तुलना से इलेक्ट्रॉन तापमान और टंगस्टन अशुद्धियों का अनुमान लगाया जाता है। यह मॉडल और कैलिब्रेशन पर निर्भर निदान है। WEST समन्वयक रेमी ड्यूमोंट ने कहा:

“यह विशेष प्रणाली ऊर्जा विभेदन वाली इस प्रकार की पहली प्रणाली है। यह शानदार है। इन नए मापों की सहायता से, हम प्लाज़्मा के भीतर टंगस्टन को मापने और दीवार से कोर तक टंगस्टन के परिवहन को समझने की क्षमता प्राप्त करेंगे।”

रिकॉर्ड परिणाम रिएक्टर विकास के लिए द्वार खोलते हैं

दल ने पल्स के दौरान लगभग 4–4.5 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (keV) का कोर इलेक्ट्रॉन तापमान बताया, जो लगभग 4.6–5.2 करोड़ केल्विन के अनुरूप है। मूल अनुवाद का “किलोवोल्ट” तापमान की सही इकाई नहीं था। तापमान और अशुद्धि प्रोफाइल की स्थिरता का अध्ययन किया गया।

इन निष्कर्षों की पुष्टि CEA वैज्ञानिकों के उन्नत सिमुलेशन द्वारा की गई। लिटौडॉन के अनुसार:

“यह ऊर्जा-रिज़ॉल्विंग कैमरा विश्लेषण के संदर्भ में एक नया मार्ग खोलेगा। इन निदान तकनीकों की सहायता से, हम इस समस्या को समझ सकते हैं और मापन तथा सिमुलेशन दोनों के लिए भौतिकी की जड़ तक पहुंच सकते हैं।”

पीपीपीएल और WEST अपने तापमान और टंगस्टन अशुद्धियों के नियंत्रण को और बेहतर बनाने का लक्ष्य रख रहे हैं ताकि और अधिक लंबा तथा स्थिर संचालन संभव हो सके। अतिरिक्त रूप से, पीपीपीएल अपनी ME-SXR तकनीक को विश्वभर के टोकामाक के साथ साझा कर रहा है ताकि रिएक्टर-प्रासंगिक अनुसंधान को तेज किया जा सके।

“ME-SXR केवल पीपीपीएल से CEA/WEST को दी जाने वाली व्यापक निदान योगदान का एक भाग है। यह सहयोग हमारे लिए बहुत मददगार है। इन निदानों के संयोजन से, हम प्लाज़्मा में अत्यंत सटीक माप कर सकेंगे और उसे वास्तविक समय में नियंत्रित कर सकेंगे।”

– ड्यूमोंट 

फ्यूजन में सामग्रियों की भूमिका: टंगस्टन, तांबा और लिथियम

जबकि प्लाज़्मा मुख्य आकर्षण है, फ्यूजन का भविष्य इसके अधिक ठोस घटकों पर भी निर्भर करता है। तीन धातुएँ आवश्यक सिद्ध हो रही हैं: टंगस्टन, तांबा, और लिथियम।

टंगस्टन का गलनांक लगभग 3,422°C है, जो धातुओं में सबसे ऊँचा है। यह सीधे 5 करोड़ डिग्री का पदार्थ सहने का दावा नहीं है; दीवार तक आने वाला ऊष्मा प्रवाह और शीतलन अलग विषय हैं। Xiamen Tungsten Co., Ltd. चीन में सूचीबद्ध टंगस्टन उत्पादकों में से एक है।

Xiamen Tungsten ने 2023 में लगभग 39.398 अरब युआन राजस्व और शेयरधारकों से संबंधित लगभग 1.602 अरब युआन शुद्ध लाभ बताया। राजस्व 18.30% घटा और लाभ 10.75% बढ़ा। कंपनी के व्यापक व्यवसाय का परिणाम केवल भविष्य के फ्यूजन बाजार से नहीं तय होता, और ये आंकड़े अपने आप आकर्षक निवेश होने का प्रमाण नहीं हैं।

तांबा विद्युत और ऊष्मा चालकता के लिए उपयोगी है। कुछ कॉइल, बसबार और ऊष्मा-प्रबंधन प्रणालियाँ इसका उपयोग करती हैं; सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट तथा अन्य घटकों में अलग सामग्रियाँ भी होती हैं।

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) ने 2023 में लगभग 22.855 अरब अमेरिकी डॉलर राजस्व और सामान्य शेयरधारकों से संबंधित 1.848 अरब डॉलर शुद्ध लाभ दर्ज किया। मूल पाठ के 24.6 अरब और 4.2 अरब डॉलर इस वर्ष के सही आंकड़े नहीं थे। भविष्य का प्रदर्शन धातु की कीमत, उत्पादन, लागत और निवेश पर निर्भर करता है।

लिथियम सबसे हल्की धातु है। भविष्य के ड्यूटेरियम–ट्रिटियम रिएक्टरों में न्यूट्रॉन लिथियम से अभिक्रिया करके ट्रिटियम पैदा कर सकते हैं। यह परमाणु-भौतिकी की भूमिका बैटरी की विद्युत-रासायनिक भूमिका से अलग है। Albemarle Corporation (ALB) (ALB ) ने 2023 में 9.62 अरब डॉलर का रिकॉर्ड वार्षिक राजस्व दर्ज किया, जो पिछले वर्ष की तुलना में 31% अधिक था।

Albemarle की एनर्जी स्टोरेज इकाई की बिक्री मात्रा 2023 में लगभग 35% बढ़ी। क्षमता विस्तार और अन्य आपूर्ति व्यवस्थाएँ इसमें शामिल थीं, जबकि वर्ष के अंत में लिथियम कीमतों में गिरावट ने दबाव डाला। मात्रा बढ़ना शेयर लाभ या भविष्य की क़ीमत का निश्चित संकेत नहीं है।

फ्यूजन के आगे बढ़ने पर कुछ विशेष सामग्रियों की मांग बदल सकती है। आकार, समय और आपूर्तिकर्ताओं का लाभ अभी अनिश्चित है; व्यापक धातु बाजार की मांग केवल फ्यूजन से नहीं आती।

प्रगतिशील साझेदारियाँ गति देती हैं

सहयोग में CEA की टोकामाक संचालन विशेषज्ञता, PPPL के निदान और DECTRIS की डिटेक्टर तकनीक शामिल हैं। WEST टंगस्टन घटकों के साथ लंबे पल्स का अध्ययन करने वाली महत्वपूर्ण प्रयोगशाला है; उसे सभी संदर्भों में दुनिया का एकमात्र ऐसा उपकरण कहना उचित नहीं है।

DECTRIS, एक्स-रे डिटेक्टर्स में विश्व नेता, ने मुख्य तकनीक प्रदान की जिसे पीपीपीएल ने नवीन ME-SXR में अनुकूलित किया। DECTRIS के हेड ऑफ सेल्स निकोलस पिलेट के अनुसार:

“प्लाज़्मा फ्यूजन समुदाय उन शुरुआती समूहों में था जिन्होंने प्लाज़्मा की गतिशीलता पर निगरानी के लिए हाइब्रिड फोटॉन-काउंटिंग तकनीक का परीक्षण किया। हमें अपने उत्पादों से योगदान देने पर गर्व है और इस सहयोग से उत्साह है।”

CICLOP लंबे समय तक प्लाज़्मा संचालन की अंतरराष्ट्रीय चुनौतियों पर सहयोग का मंच है। यहाँ “लंबी पल्स” का अर्थ लंबी धड़कन नहीं, प्लाज़्मा डिस्चार्ज की अवधि है। लिटौडॉन ने कहा:

“यह मील का पत्थर CICLOP कार्यक्रम के लक्ष्यों की ओर एक महत्वपूर्ण कदम दर्शाता है। WEST में पीपीपीएल का कार्य एक उत्कृष्ट उदाहरण है।”

स्वच्छ फ्यूजन ऊर्जा की राह पर

छह मिनट के प्रयोग ने रिएक्टर-संबंधी सामग्रियों के साथ प्लाज़्मा नियंत्रण और निदान में प्रगति दिखाई। यह स्थायी परिबंधन या व्यावहारिक बिजलीघर की सभी आवश्यक शर्तें पूरी होने का प्रमाण नहीं है। ME-SXR जैसे उपकरण बाकी सीमाओं को समझने में मदद करते हैं।

व्यावहारिक रिएक्टर के लिए परिबंधन के साथ ईंधन चक्र, न्यूट्रॉन से सामग्री पर प्रभाव, ऊष्मा निकासी, रखरखाव और पूरे संयंत्र का ऊर्जा संतुलन महत्वपूर्ण हैं। केवल पल्स को लंबा करना पर्याप्त नहीं है।

फ्यूजन कम परिचालन कार्बन उत्सर्जन वाली ऊर्जा में योगदान कर सकता है और ऊर्जा सुरक्षा को सुधारने में मदद की संभावना रखता है। लेकिन यह असीमित, जोखिमरहित या स्वतः कार्बन-मुक्त पूरे जीवनचक्र की गारंटी नहीं है। अंतरराष्ट्रीय सहयोग वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग चुनौतियों को हल करने में उपयोगी है।

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