गोलाकार फ्यूजन वाहिकाएँ और मेयोनेज़ – हमारे भविष्य की ऊर्जा आवश्यकताओं की पुनर्कल्पना

नाभिकीय संलयन सूर्य और अन्य तारों को ऊर्जा देता है। पृथ्वी पर इससे भरोसेमंद व आर्थिक रूप से व्यवहार्य बिजली उत्पादन अभी अनुसंधान और विकास का लक्ष्य है।

मध्य जुलाई की रिपोर्ट के अनुसार, 2024 की उद्योग रिपोर्ट में पिछले वर्ष लगभग 90 करोड़ डॉलर की अतिरिक्त पूँजी और कुल लगभग 7.1 अरब डॉलर का निवेश बताया गया। यह वृद्धि पिछले रिपोर्टिंग वर्षों के लगभग 1.4 और 2.8 अरब डॉलर से कम थी। ये उद्योग सर्वेक्षण के ऐतिहासिक आँकड़े हैं।

Fusion Industry Association के प्रमुख Andrew Holland ने कहा:

“पिछले 12 महीनों में देखी गई वृद्धि सकारात्मक है, लेकिन यह फ्यूजन के महत्वाकांक्षी लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए पर्याप्त नहीं होगी।”

इसी शोध दिशा में हम एक प्रस्तावित तकनीकी तरीका देखेंगे, जिसका उद्देश्य कॉम्पैक्ट गोलाकार टोकामाक में ओमिक हीटिंग के केंद्रीय सोलिनॉइड की जरूरत कम करना है। यह अभी तैयार व्यावसायिक रिएक्टर का प्रदर्शन नहीं है।

लेकिन शोध और उसके परिणामों में गहराई से जाने से पहले, हमें फ्यूजन ऊर्जा विज्ञान कैसे काम करता है और टोकामाक सिस्टम इसमें क्या भूमिका निभाते हैं, इसका एक संक्षिप्त अवलोकन चाहिए।

फ्यूजन ऊर्जा और टोकामाक सिस्टम का विज्ञान

यह विज्ञान का एक बहु-विषयक क्षेत्र है जो नियंत्रित फ्यूजन पर आधारित ऊर्जा स्रोत विकसित करने का लक्ष्य रखता है। हल्के नाभिकों के संलयन में कुछ परिस्थितियों में ऊर्जा निकलती है; उपयोगी बिजली के लिए प्रतिक्रिया, नियंत्रण और ऊर्जा रूपांतरण का पूरा तंत्र विकसित करना होता है।

व्यावहारिक स्तर पर, पृथ्वी पर फ्यूजन में ऐसी स्थितियों का निर्माण शामिल है जो सतत प्लाज़्मा उत्पन्न करती हैं, जो गैसें इतनी गर्म होती हैं कि इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिकों से मुक्त हो जाते हैं। शोधकर्ता विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके आयनों और इलेक्ट्रॉनों के संग्रह को नियंत्रित करते हैं क्योंकि उनके पास विद्युत आवेश होते हैं। यही तंत्र नियंत्रण फ्यूजन नाम को प्रेरित करता है।

टोकामाक चुंबकीय क्षेत्रों से गर्म प्लाज़्मा को टोरस जैसी संरचना में परिरुद्ध रखते हैं। गोलाकार टोकामाक का अनुपात अधिक कॉम्पैक्ट होता है, लेकिन उसका प्लाज़्मा पूरी तरह गेंद जैसा नहीं होता। शोध का विषय जगह और हीटिंग व्यवस्था का अनुकूलन है।

कॉम्पैक्ट, गोलाकार फ्यूजन वाहिकाएँ: एक छोटा टोकामाक अधिक किफायती फ्यूजन विकल्प के रूप में

PPPL, Tokamak Energy और क्यूशू विश्वविद्यालय से जुड़े शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट गोलाकार टोकामाक पायलट प्लांट के लिए माइक्रोवेव आधारित हीटिंग और करंट ड्राइव की गणनाएँ कीं। PPPL अमेरिकी ऊर्जा विभाग की प्रयोगशाला है; विभाग को अलग प्रयोगकर्ता संस्था के रूप में गिनना जरूरी नहीं।

पारंपरिक केंद्रीय सोलिनॉइड बदलते चुंबकीय फ्लक्स से प्लाज़्मा में धारा प्रेरित करता है, जिससे प्रतिरोधी हीटिंग होती है। प्रस्ताव माइक्रोवेव से हीटिंग और धारा चलाने का विकल्प देखता है; इससे अन्य जरूरी चुंबक अपने-आप हट नहीं जाते।

इस संभावना को समझाते हुए PPPL के शोध भौतिक विज्ञानी और प्रमुख लेखक मासायुकी ओनो ने कहा:

“कॉम्पैक्ट गोलाकार टोकामाक का प्लाज़्मा छोटे मध्य भाग वाले, बीच से खाली किए गए सेब जैसा है। यदि ओमिक हीटिंग कॉइल शामिल न करनी पड़े, तो संभव है कि मशीन का निर्माण सरल और सस्ता हो।”

शोध में इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन करंट ड्राइव (ECCD) का अध्ययन हुआ, जो प्लाज़्मा को गर्म करने और उसमें धारा चलाने के लिए माइक्रोवेव इस्तेमाल करता है। टीम ने मौजूदा TORAY और TRANSP कंप्यूटर कोड साथ इस्तेमाल करके बीम कोण और आवश्यक शक्ति का आकलन किया; यह पूर्ण पायलट प्लांट पर किया गया संचालन प्रयोग नहीं था।

गणनाओं में प्लाज़्मा की अलग अवस्थाओं के लिए दो विद्युतचुंबकीय तरंग मोड की तुलना की गई:

• O मोड: ऑर्डिनरी या साधारण मोड
• X मोड: एक्स्ट्राऑर्डिनरी मोड

जाँचे गए परिदृश्य में X मोड शुरुआती कम तापमान वाली अवस्था और रैंप-अप के लिए उपयोगी था, जबकि O मोड उच्च तापमान और घनत्व की स्थिर अवस्था के लिए उपयुक्त पाया गया। यह हर टोकामाक के लिए सार्वभौमिक निष्कर्ष नहीं है।

वैकल्पिक हीटिंग विकल्पों का सारांश देते हुए, ओनो ने कहा:

“O मोड उच्च तापमान, उच्च घनत्व वाले प्लाज़्मा के लिए अच्छा है। लेकिन हमने पाया कि कम तापमान पर O मोड की दक्षता बहुत खराब हो जाती है, इसलिए कम तापमान वाले चरण को संभालने के लिए कुछ और चाहिए।”

दीवार के पदार्थ प्लाज़्मा में आने पर ऊर्जा हानि और नियंत्रण की कठिनाइयाँ बढ़ सकती हैं। चुंबकीय परिरोधन के बावजूद सामग्री से संपर्क और अशुद्धियों का प्रबंधन महत्वपूर्ण रहता है।

प्रस्तावित तरीका आगे के प्रयोग और इंजीनियरिंग का विषय है। निजी कंपनी की भागीदारी अनुसंधान में सहयोग दिखाती है, लेकिन व्यावसायिक संलयन या बेहतर लागत की पुष्टि नहीं करती।

1. Tokamak Energy

Tokamak Energy संलयन और उच्च तापमान अतिचालक चुंबकों की तकनीक पर सक्रिय है। 2030 के दशक में ऊर्जा उपलब्ध कराना उसका लक्ष्य है, सुनिश्चित उपलब्धि या समयसीमा नहीं।

लेख में कंपनी के 77 पेटेंट परिवार और लगभग 25 करोड़ डॉलर की ऐतिहासिक फंडिंग का उल्लेख था, जिसमें लगभग 20 करोड़ निजी पूँजी और शेष सरकारी सहायता थी। पेटेंट परिवार की संख्या स्वीकृत पेटेंटों की संख्या या वर्तमान वित्तीय स्थिति के समान नहीं है।

2022 में ST40 ने लगभग 10 करोड़ डिग्री सेल्सियस आयन तापमान प्राप्त करने की सूचना दी। यह महत्वपूर्ण प्लाज़्मा उपलब्धि है, लेकिन अकेला तापमान व्यावसायिक संलयन की पर्याप्त शर्त नहीं है।

उसी वर्ष, कंपनी को यह मान्यता भी मिली कि उसका प्लाज़्मा ट्रिपल प्रोडक्ट निजी टोकामाक परिणामों में उल्लेखनीय था। ट्रिपल प्रोडक्ट में तापमान, घनत्व और ऊर्जा परिरोधन समय तीनों शामिल होते हैं; यह केवल तापमान और समय नहीं है।

गोलाकार टोकामाक संभावित संलयन प्रणालियों में से एक है। प्लाज़्मा स्थिरता, आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र, रखरखाव और लागत के लाभ तथा सीमाएँ वास्तविक डिजाइन पर निर्भर करते हैं।

ST40 का 10 करोड़ डिग्री सेल्सियस आयन तापमान सूर्य के केंद्र के लगभग छह गुने तापमान के बराबर है। इससे यह सिद्ध नहीं होता कि रिएक्टर ने शुद्ध ऊर्जा लाभ या ग्रिड बिजली उत्पन्न की।

Demo4 एक अतिचालक चुंबक परीक्षण प्रणाली है, जिसमें 44 HTS कॉइल की व्यवस्था शामिल थी। लगभग 20 केल्विन यानी −253 °C का तापमान चुंबकों के संचालन से संबंधित है, प्लाज़्मा का तापमान नहीं। चुंबकीय क्षेत्र की तुलना और उपकरण की क्षमता को संबंधित परीक्षण विन्यास के संदर्भ में समझना चाहिए।

#2. हेलियन

Helion एक निजी संलयन विकास कंपनी है। उसके प्रोटोटाइप और प्रस्तावित संयंत्र को दुनिया का पहला पूरा, बिजली बेचने वाला संलयन पावर प्लांट नहीं कहा जा सकता। कंपनी ने उच्च प्लाज़्मा तापमान और सीधे ऊर्जा पुनर्प्राप्ति की दिशा में काम करने की सूचना दी थी।

प्रौद्योगिकी के संदर्भ में, हेलियन का समाधान चुंबकीय-जड़त्वीय संलयन और स्पंदित प्लाज़्मा पर आधारित है। कंपनी का लक्ष्य बिना निरंतर इग्निशन पर निर्भर हुए ऊर्जा पुनर्प्राप्त करना है; यह शुद्ध व्यावसायिक बिजली उत्पादन की सिद्ध क्षमता के समान नहीं है।

Helion चुंबकीय ऊर्जा को सीधे विद्युत प्रणाली में वापस लेने की विधि पर काम करता है। पुनर्योजी ब्रेकिंग इसकी एक उपमा है। ऊर्जा पुनर्प्राप्ति की दक्षता को पूरे संयंत्र के शुद्ध विद्युत लाभ से अलग रखना चाहिए।

कंपनी की दीर्घकालिक ईंधन रणनीति में ड्यूटेरियम और हीलियम-3 शामिल हैं। संबंधित प्रतिक्रियाओं से आवेशित कण मिल सकते हैं, लेकिन ड्यूटेरियम की अन्य प्रतिक्रियाएँ न्यूट्रॉन भी पैदा कर सकती हैं। इसे पूर्णतः न्यूट्रॉन-रहित, छोटा या सस्ता सिद्ध तंत्र नहीं मानना चाहिए।

प्रति किलोवाट-घंटा 0.01 डॉलर जैसी लागत कंपनी की महत्वाकांक्षा है, सत्यापित व्यावसायिक उत्पादन लागत नहीं।

Helion की स्थापना 2013 में हुई थी। नवंबर 2021 में उसने 50 करोड़ डॉलर की सीरीज़ E फंडिंग और अलग से मील के पत्थरों पर निर्भर प्रतिबद्धताएँ घोषित कीं। लेख में दिया कुल 57.7 करोड़ डॉलर ऐतिहासिक आँकड़ा है। 2024 तक Polaris से शुद्ध विद्युत प्रदर्शन करना उस समय का लक्ष्य था, उस वर्ष ऊर्जा का व्यावसायीकरण हो जाने का प्रमाण नहीं।

PPPL के प्रस्ताव में Tokamak Energy का सहयोग अनुसंधान साझेदारी दिखाता है। Helion अलग तकनीकी दृष्टिकोण पर काम करता है; दोनों को उस एक अध्ययन का समान भागीदार नहीं मानना चाहिए।

फ्यूजन वाहिकाओं का भविष्य: संसाधनों के अनुकूलन की दिशा में नवाचारी सोच

फ्यूजन में सफल होने के लिए इसके विज्ञान में गहराई से उतरना आवश्यक होगा। वैज्ञानिक पहले से अधिक जिज्ञासु हैं। 

मेयोनेज़ जटिल फ्यूजन ऊर्जा चुनौतियों को हल करने में शोधकर्ताओं की मदद करता है

लीहाई विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की टीम रैले–टेलर अस्थिरता के चरण समझने के लिए मेयोनेज़ का प्रयोग करती है। यह नरम पदार्थ का मॉडल प्रयोग है, जिसमें मेयोनेज़ को संलयन ईंधन या रिएक्टर सामग्री नहीं बनाया गया।

लीहाई विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग और मैकेनिक्स के पॉल बी. रेनहोल्ड प्रोफेसर और पी.सी. रॉसिन कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस के MEM विभाग के चेयर अरिंदम बनर्जी के अनुसार:

“टीम अभी भी उसी समस्या पर काम कर रही है, जो इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूजन में उपयोग किए जाने वाले फ्यूजन कैप्सूल की संरचनात्मक अखंडता है, और हेल्मन का रियल मेयोनेज़ अभी भी हमें समाधान खोजने में मदद कर रहा है।”

मेयोनेज़ कम तनाव पर ठोस जैसा और पर्याप्त तनाव पर बहने वाला व्यवहार दिखा सकता है। इसकी सहायता से टीम अलग घनत्व वाले पदार्थों की अस्थिर सीमा का अध्ययन करती है। यह मॉडल वास्तविक संलयन कैप्सूल के सभी तापमान, दबाव और विकिरण प्रभावों को नहीं दोहराता।

कम तापमान पर संलयन संबंधी दावों की जाँच

कुछ शोध कम तापमान वाले पदार्थों में असामान्य नाभिकीय संकेतों के दावे जाँचते हैं। इससे उपयोगी “कोल्ड फ्यूजन” ऊर्जा स्रोत का स्थापित हो जाना सिद्ध नहीं होता।

ध्वनिक कैविटेशन और ड्यूटेरियम युक्त पदार्थों पर एक अध्ययन ने न्यूट्रॉन संकेत की सूचना दी। ऐसे परिणामों के लिए उपकरण, पृष्ठभूमि, अन्य स्रोत और स्वतंत्र पुनरावृत्ति की जाँच महत्वपूर्ण है।

संबंधित लेख Scientific Reports में प्रकाशित हुआ था, जो Nature Portfolio की अलग पत्रिका है; इसे Nature पत्रिका में प्रकाशित अध्ययन कहना गलत है। लेखकों ने कैविटेशन के दौरान ड्यूटेरियम युक्त टाइटेनियम से न्यूट्रॉन उत्सर्जन की सूचना दी और उसके तंत्र को परिकल्पना के रूप में प्रस्तुत किया। शुद्ध ऊर्जा उत्पादन या व्यावहारिक बिजली स्रोत प्रदर्शित नहीं किया गया।

न्यूट्रॉन उत्सर्जन की रिपोर्ट पूरे ऊर्जा तंत्र की व्यवहार्यता या भौतिक सिद्धांतों के खंडन का प्रमाण नहीं है। संभावित तंत्र, पुनरुत्पादकता और ऊर्जा संतुलन पर अलग काम आवश्यक है।

इसलिए इसे बड़े संलयन संयंत्रों का तैयार विकल्प या लगभग असीमित साफ ऊर्जा की सिद्ध राह के रूप में नहीं प्रस्तुत करना चाहिए।

प्लाज़्मा नियंत्रण में एआई की भूमिका

एआई कुछ प्लाज़्मा अस्थिरताओं का अनुमान लगाने और नियंत्रण संकेत देने के लिए शोधाधीन है। यह संलयन की सभी समस्याओं का समाधान नहीं है।

प्रिंसटन विश्वविद्यालय और यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के प्रिंसटन प्लाज़्मा फिज़िक्स लैबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने DIII-D में विशिष्ट टियरिंग-मोड अस्थिरता की संभावना को लगभग 300 मिलीसेकंड पहले पहचानने वाला नियंत्रक विकसित किया। प्रयोगों में इससे संचालन मानदंड बदले जा सके। यह सभी तरह के व्यवधान रोकने या अनिश्चित अवधि तक प्रतिक्रिया बनाए रखने की गारंटी नहीं है।

मॉडल पिछले प्रयोगों के डेटा से प्रशिक्षित था। भौतिकी-आधारित मॉडल भी पूर्वानुमान और नियंत्रण में उपयोग होते हैं; यह कहना गलत है कि वे गतिशील प्रतिक्रिया नहीं दे सकते।

पूर्वानुमान, सक्रिय नियंत्रण और व्यवधान कम करने के कई तरीके पहले से विकसित किए जाते रहे हैं। अध्ययन का योगदान एक विशेष डेटा-आधारित नियंत्रण पद्धति है, न कि पहली बार किसी व्यवधान को पहले से रोकने का विचार।

इस तरह की प्रगति प्लाज़्मा नियंत्रण में मदद कर सकती है। इसे असीमित ऊर्जा, पूर्ण स्थिरता या तैयार संलयन बिजली संयंत्र का प्रदर्शन नहीं मानना चाहिए।

भविष्य में क्या है?

भविष्य की प्रणालियों को ऊर्जा लाभ, लागत, रखरखाव, ईंधन चक्र और विश्वसनीयता की शर्तें पूरी करनी होंगी। लॉरेंस लिवरमोर प्रयोगशाला के शोधकर्ता ओमर हरिकेन ने आशावाद व्यक्त करते हुए कहा:

“फ्यूजन अब भविष्य की ऊर्जा स्रोत के रूप में दस साल पहले की तुलना में बहुत अधिक संभावित दिखता है।” 

दिसंबर 2022 में, वैज्ञानिकों ने लक्ष्य स्तर पर ऊर्जा लाभ की उपलब्धि हासिल की, जब NIF के 192 लेज़र ने लक्ष्य तक 2.05 मेगाजूल ऊर्जा पहुँचाई और प्रतिक्रिया से लगभग 3.15 मेगाजूल निकले। यह प्रयोग 2023 का नहीं था। पूरे लेज़र और सुविधा को चलाने में लगी विद्युत ऊर्जा इससे अधिक थी।

लक्ष्य पर पहुँची ऊर्जा ने संलयन के लिए जरूरी तीव्र संपीड़न और तापमान उत्पन्न किए। 3.15 मेगाजूल, लक्ष्य तक पहुँचे 2.05 मेगाजूल से लगभग 54% अधिक थे; यह पूरे संयंत्र का 54% ऊर्जा लाभ या ग्रिड को दी गई बिजली नहीं थी।

यह लक्ष्य-स्तरीय इग्निशन के लिए महत्वपूर्ण वैज्ञानिक परिणाम था। शोधकर्ताओं ने इसे आगे के ऊर्जा अनुसंधान का आधार बताया, लेकिन इससे व्यावहारिक बिजली संयंत्र पूरा हो जाना सिद्ध नहीं हुआ।

व्यावहारिक विद्युत उत्पादन के लिए लेज़र दक्षता, प्रतिक्रिया की ऊर्जा उपज और पूरे संयंत्र की खपत का संतुलन सुधारना होगा। आवश्यक लाभ किसी एक सार्वभौमिक गुणक से तय नहीं होता; यह डिजाइन और रूपांतरण दक्षता पर निर्भर करता है।

लेज़र की पुनरावृत्ति दर, लक्ष्य निर्माण और आपूर्ति, कक्ष की सुरक्षा तथा अगली प्रतिक्रिया की तैयारी भी महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौतियाँ हैं।

ITER यूरोपीय संघ, चीन, भारत, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस और अमेरिका का अंतरराष्ट्रीय प्रयोगात्मक टोकामाक प्रोजेक्ट है। उसका लक्ष्य संलयन प्लाज़्मा का अध्ययन है, ग्रिड के लिए बिजली बेचना नहीं। लगभग 22 अरब डॉलर का उल्लेख ऐतिहासिक लागत अनुमान है; इसे वर्तमान अंतिम लागत नहीं मानना चाहिए।

संलयन की व्यावहारिकता पर प्रगति संभव है, लेकिन लागत-प्रभावी बड़े पैमाने की उपलब्धता और समयसीमा सुनिश्चित नहीं हैं। प्रयोगों से व्यावसायिक प्रणाली तक पहुँचने के लिए वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग दोनों समस्याएँ हल करनी होंगी।