नाभिकीय संलयन: स्वच्छ ऊर्जा भविष्य के लिए तारों की शक्ति का उपयोग

ब्रह्मांड के विशाल विस्तार में, हमारे सूर्य जैसे तारे हर सेकंड एक अविश्वसनीय कार्य करते हैं: वे नाभिकीय संलयन के माध्यम से अपार ऊर्जा बनाते हैं। दशकों से, मानवता ने पृथ्वी पर इस खगोलीय प्रक्रिया को दोहराने का सपना देखा है। यह एक स्मारकीय वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग चुनौती है, जिसे अक्सर ऊर्जा उत्पादन का 'पवित्र grail' कहा जाता है। लेकिन यह सपना हकीकत के करीब आ रहा है, जो एक स्वच्छ, लगभग असीमित और स्वाभाविक रूप से सुरक्षित ऊर्जा स्रोत द्वारा संचालित भविष्य का वादा करता है। यह पोस्ट विज्ञान, वैश्विक प्रयासों और हमारे ग्रह के ऊर्जा परिदृश्य को फिर से परिभाषित करने के लिए नाभिकीय संलयन की गहन क्षमता की पड़ताल करती है।

नाभिकीय संलयन क्या है? तारों का विज्ञान समझाया गया

इसके मूल में, नाभिकीय संलयन दो हल्के परमाणु नाभिकों को मिलाकर एक एकल, भारी नाभिक बनाने की प्रक्रिया है। यह प्रक्रिया भारी मात्रा में ऊर्जा जारी करती है - मानवता के लिए ज्ञात किसी भी अन्य ऊर्जा स्रोत से कहीं अधिक। यह नाभिकीय विखंडन के ठीक विपरीत है, जो आज के परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया है, जिसमें यूरेनियम जैसे भारी, अस्थिर परमाणुओं को विभाजित करना शामिल है।

यह अंतर कई कारणों से महत्वपूर्ण है:

• ईंधन: संलयन आमतौर पर हाइड्रोजन के समस्थानिकों (ड्यूटेरियम और ट्रिटियम) का उपयोग करता है, जो प्रचुर मात्रा में हैं। विखंडन यूरेनियम और प्लूटोनियम पर निर्भर करता है, जो दुर्लभ हैं और व्यापक खनन की आवश्यकता होती है।
• सुरक्षा: संलयन प्रतिक्रियाएं श्रृंखला प्रतिक्रियाएं नहीं होती हैं। यदि कोई व्यवधान होता है, तो प्रक्रिया बस रुक जाती है। इसका मतलब है कि विखंडन रिएक्टरों में देखे गए मेल्टडाउन की तरह भौतिक रूप से असंभव है।
• अपशिष्ट: संलयन का प्राथमिक उप-उत्पाद हीलियम है, जो एक अक्रिय और हानिरहित गैस है। यह लंबे समय तक जीवित रहने वाले, उच्च-स्तरीय रेडियोधर्मी कचरे का उत्पादन नहीं करता है, जो विखंडन उद्योग के लिए एक बड़ी चुनौती है। जबकि कुछ रिएक्टर घटक रेडियोधर्मी हो जाएंगे, उनका आधा-जीवन बहुत छोटा होता है और प्रबंधन करना आसान होता है।

संक्षेप में, संलयन परमाणु ऊर्जा के सभी लाभ प्रदान करता है - विशाल, विश्वसनीय, कार्बन-मुक्त ऊर्जा - उन कमियों के बिना जिन्होंने ऐतिहासिक रूप से जनता और नीति निर्माताओं को चिंतित किया है।

संलयन के लिए ईंधन: प्रचुर और विश्व स्तर पर सुलभ

निकट-अवधि के बिजली संयंत्रों के लिए सबसे आशाजनक संलयन प्रतिक्रिया में दो हाइड्रोजन समस्थानिक शामिल हैं: ड्यूटेरियम (D) और ट्रिटियम (T)।

• ड्यूटेरियम (D): यह हाइड्रोजन का एक स्थिर समस्थानिक है और अविश्वसनीय रूप से प्रचुर मात्रा में है। इसे समुद्री जल सहित सभी प्रकार के पानी से आसानी से और सस्ते में निकाला जा सकता है। केवल एक लीटर समुद्री जल में ड्यूटेरियम, संलयन के माध्यम से, 300 लीटर गैसोलीन जलाने जितनी ऊर्जा का उत्पादन कर सकता है। यह ईंधन स्रोत को लगभग अटूट और हर तटीय राष्ट्र के लिए सुलभ बनाता है, जो वैश्विक स्तर पर ऊर्जा संसाधनों का लोकतंत्रीकरण करता है।
• ट्रिटियम (T): यह समस्थानिक रेडियोधर्मी है और प्रकृति में अत्यंत दुर्लभ है। यह एक बड़ी बाधा लग सकती है, लेकिन वैज्ञानिकों के पास एक सुरुचिपूर्ण समाधान है: संलयन रिएक्टर के अंदर ही ट्रिटियम का प्रजनन करना। रिएक्टर की दीवारों को लिथियम युक्त कंबलों से ढककर, जो एक हल्का और सामान्य धातु है, D-T संलयन प्रतिक्रिया द्वारा उत्पादित न्यूट्रॉन को पकड़ा जा सकता है। यह अंतःक्रिया लिथियम को ट्रिटियम और हीलियम में बदल देती है, जिससे एक आत्मनिर्भर ईंधन चक्र बनता है। लिथियम भी जमीन पर और समुद्री जल में व्यापक रूप से उपलब्ध है, जो कई सहस्राब्दियों की आपूर्ति सुनिश्चित करता है।

प्रज्वलन की खोज: पृथ्वी पर एक तारा कैसे बनाएं

संलयन को संभव बनाने के लिए, आपको सकारात्मक रूप से आवेशित परमाणु नाभिकों के बीच प्राकृतिक प्रतिकर्षण को दूर करने की आवश्यकता है। इसके लिए चरम स्थितियों के तहत पदार्थ बनाने और नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है - विशेष रूप से, 150 मिलियन डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान, जो सूर्य के कोर से दस गुना अधिक गर्म है। इन तापमानों पर, गैस प्लाज्मा में बदल जाती है, जो पदार्थ की एक सूप जैसी, विद्युत आवेशित चौथी अवस्था है।

कोई भी भौतिक सामग्री ऐसी गर्मी का सामना नहीं कर सकती। इसलिए, वैज्ञानिकों ने इस अतितापित प्लाज्मा को समाहित और नियंत्रित करने के लिए दो प्राथमिक तरीके विकसित किए हैं।

चुंबकीय परिरोध: टोकामाक और स्टेलरेटर

सबसे व्यापक रूप से शोधित दृष्टिकोण चुंबकीय परिरोध संलयन (MCF) है। यह प्लाज्मा को एक विशिष्ट आकार में रखने के लिए अत्यधिक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है, जिससे यह रिएक्टर की दीवारों को छूने से बचता है। दो प्रमुख डिजाइन हैं:

• टोकामाक: 1950 के दशक में सोवियत संघ में आविष्कार किया गया, टोकामाक एक डोनट के आकार का उपकरण (एक टोरस) है जो प्लाज्मा को सीमित करने और आकार देने के लिए शक्तिशाली चुंबकीय कॉइल्स के संयोजन का उपयोग करता है। यह नाम "चुंबकीय कॉइल्स के साथ टोरॉयडल चैंबर" के लिए एक रूसी संक्षिप्त नाम है। टोकामाक सबसे परिपक्व संलयन अवधारणा हैं और अंतरराष्ट्रीय ITER परियोजना सहित दुनिया के कई प्रमुख प्रयोगों का आधार बनते हैं।
• स्टेलरेटर: एक स्टेलरेटर भी प्लाज्मा को डोनट के आकार में रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है, लेकिन यह बाहरी कॉइल्स के एक अविश्वसनीय रूप से जटिल, मुड़े हुए और असममित सेट के माध्यम से इसे प्राप्त करता है। जबकि डिजाइन और निर्माण करना अधिक कठिन है, स्टेलरेटर का एक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक लाभ है: वे लगातार काम कर सकते हैं, जबकि पारंपरिक टोकामाक स्पंदनों में काम करते हैं। जर्मनी का वेंडेलस्टीन 7-एक्स दुनिया का सबसे उन्नत स्टेलरेटर है, जो इस आशाजनक विकल्प का परीक्षण कर रहा है।

जड़त्वीय परिरोध: लेज़रों की शक्ति

जड़त्वीय परिरोध संलयन (ICF) एक पूरी तरह से अलग दृष्टिकोण अपनाता है। लंबे समय तक प्लाज्मा को समाहित करने के बजाय, इसका लक्ष्य एक क्षणभंगुर, शक्तिशाली विस्फोट में संलयन बनाना है। इस विधि में, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम ईंधन युक्त एक छोटी गोली को सभी तरफ से अत्यधिक उच्च-ऊर्जा लेजर बीम या कण बीम द्वारा लक्षित किया जाता है। यह गोली की बाहरी सतह को नष्ट कर देता है, जिससे एक अंतःस्फोटक शॉकवेव बनती है जो कोर पर ईंधन को संलयन की स्थिति तक संपीड़ित और गर्म करती है - एक प्रक्रिया जो एक लघु तारे के निर्माण के समान है जो केवल एक सेकंड के एक अंश के लिए मौजूद रहता है। दिसंबर 2022 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी में राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा (NIF) ने पहली बार "प्रज्वलन" प्राप्त करके इतिहास रचा, जिसमें ईंधन लक्ष्य को लेज़रों द्वारा दी गई ऊर्जा से अधिक ऊर्जा संलयन प्रतिक्रिया से उत्पन्न हुई।

वैश्विक सहयोग: एक संलयन भविष्य की दौड़

संलयन अनुसंधान के विशाल पैमाने और जटिलता ने इसे अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक सहयोग का एक प्रमुख उदाहरण बना दिया है। कोई भी एक राष्ट्र आसानी से लागत वहन नहीं कर सकता या अकेले सभी आवश्यक विशेषज्ञता प्रदान नहीं कर सकता।

ITER: अंतर्राष्ट्रीय सहयोग का एक स्मारक

इस वैश्विक प्रयास का प्रमुख है ITER (अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर), जो वर्तमान में दक्षिणी फ्रांस में निर्माणाधीन है। यह मानव इतिहास की सबसे महत्वाकांक्षी इंजीनियरिंग परियोजनाओं में से एक है। ITER संगठन 35 देशों के बीच एक सहयोग है, जो दुनिया की आधी से अधिक आबादी का प्रतिनिधित्व करता है: यूरोपीय संघ, चीन, भारत, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस और संयुक्त राज्य अमेरिका।

ITER का प्राथमिक लक्ष्य बिजली उत्पन्न करना नहीं है, बल्कि एक बड़े पैमाने पर, कार्बन-मुक्त ऊर्जा स्रोत के रूप में संलयन की वैज्ञानिक और तकनीकी व्यवहार्यता को साबित करना है। इसे "शुद्ध ऊर्जा" का उत्पादन करने वाला पहला संलयन उपकरण होने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसका लक्ष्य 50 मेगावाट के इनपुट से 500 मेगावाट थर्मल संलयन शक्ति उत्पन्न करना है - एक दस गुना ऊर्जा लाभ (Q=10)। ITER के निर्माण और संचालन से सीखे गए सबक वाणिज्यिक संलयन बिजली संयंत्रों की पहली पीढ़ी को डिजाइन करने के लिए अमूल्य होंगे, जिन्हें DEMO रिएक्टर के रूप में जाना जाता है।

राष्ट्रीय और निजी क्षेत्र की पहल

ITER के साथ-साथ, कई देश अपने स्वयं के महत्वाकांक्षी राष्ट्रीय कार्यक्रम चला रहे हैं:

• चीन के EAST (प्रायोगिक उन्नत सुपरकंडक्टिंग टोकामाक) और HL-2M टोकामाक ने उच्च तापमान वाले प्लाज्मा को बनाए रखने के लिए कई रिकॉर्ड स्थापित किए हैं।
• दक्षिण कोरिया के KSTAR (कोरिया सुपरकंडक्टिंग टोकामाक एडवांस्ड रिसर्च) ने भी लंबी-पल्स, उच्च-प्रदर्शन प्लाज्मा संचालन में महत्वपूर्ण मील के पत्थर हासिल किए हैं।
• यूके के STEP (ऊर्जा उत्पादन के लिए गोलाकार टोकामाक) कार्यक्रम का लक्ष्य 2040 तक एक प्रोटोटाइप संलयन बिजली संयंत्र का डिजाइन और निर्माण करना है।
• जापान का JT-60SA एक संयुक्त जापानी-यूरोपीय परियोजना है जो दुनिया का सबसे बड़ा ऑपरेटिंग सुपरकंडक्टिंग टोकामाक है, जिसे ITER का समर्थन करने और एक वाणिज्यिक रिएक्टर के लिए अनुसंधान पथों के लिए डिज़ाइन किया गया है।

शायद सबसे रोमांचक बात यह है कि पिछले दशक में निजी संलयन कंपनियों में उछाल देखा गया है। अरबों डॉलर के उद्यम पूंजी द्वारा समर्थित, ये फुर्तीले स्टार्टअप नवीन डिजाइनों और प्रौद्योगिकियों की एक विस्तृत श्रृंखला की खोज कर रहे हैं। कॉमनवेल्थ फ्यूजन सिस्टम्स (USA), जनरल फ्यूजन (कनाडा), और टोकामाक एनर्जी (UK) जैसी कंपनियां प्रगति में तेजी ला रही हैं, जिसका लक्ष्य छोटे, सस्ते और तेजी से बाजार में आने वाले रिएक्टर बनाना है। सार्वजनिक क्षेत्र के मूलभूत अनुसंधान और निजी क्षेत्र के नवाचार का यह मिश्रण एक गतिशील और प्रतिस्पर्धी पारिस्थितिकी तंत्र बना रहा है जो संलयन ऊर्जा के लिए समयरेखा को नाटकीय रूप से तेज कर रहा है।

बाधाओं पर काबू पाना: संलयन की भव्य चुनौतियाँ

अविश्वसनीय प्रगति के बावजूद, वाणिज्यिक संलयन शक्ति के मार्ग में महत्वपूर्ण चुनौतियाँ बनी हुई हैं। यह आसान विज्ञान नहीं है, और इंजीनियरिंग बाधाओं के लिए अभूतपूर्व समाधान की आवश्यकता है।

1. शुद्ध ऊर्जा लाभ प्राप्त करना और बनाए रखना: जबकि NIF ने एक प्रकार का प्रज्वलन हासिल किया और JET (संयुक्त यूरोपीय टोरस) जैसे टोकामाक ने महत्वपूर्ण संलयन शक्ति का उत्पादन किया है, अगला कदम एक ऐसी मशीन का निर्माण करना है जो पूरे संयंत्र के संचालन के लिए खपत की जाने वाली ऊर्जा से कहीं अधिक ऊर्जा लगातार और मज़बूती से उत्पन्न कर सके। यह ITER और उसके बाद के DEMO रिएक्टरों का केंद्रीय लक्ष्य है।
2. पदार्थ विज्ञान: एक रिएक्टर में प्लाज्मा का सामना करने वाली सामग्री, विशेष रूप से "डायवर्टर" जो अपशिष्ट गर्मी और हीलियम को बाहर निकालता है, को पुनः प्रवेश करने वाले अंतरिक्ष यान की तुलना में अधिक चरम स्थितियों का सामना करना होगा। उन्हें तीव्र गर्मी के भार और उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन की निरंतर बमबारी को बिना जल्दी खराब हुए सहन करना होगा। इन उन्नत सामग्रियों का विकास अनुसंधान का एक प्रमुख क्षेत्र है।
3. ट्रिटियम प्रजनन: लिथियम से ट्रिटियम प्रजनन की अवधारणा ठोस है, लेकिन एक ऐसी प्रणाली का निर्माण और संचालन करना जो एक बंद, आत्मनिर्भर लूप में रिएक्टर को ईंधन देने के लिए पर्याप्त ट्रिटियम का मज़बूती से उत्पादन कर सके, एक जटिल इंजीनियरिंग कार्य है जिसे बड़े पैमाने पर सिद्ध किया जाना चाहिए।
4. आर्थिक व्यवहार्यता: संलयन रिएक्टर अविश्वसनीय रूप से जटिल और बनाने में महंगे होते हैं। अंतिम चुनौती ऐसे संलयन बिजली संयंत्रों को डिजाइन और संचालित करना होगा जो अन्य ऊर्जा स्रोतों के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी हों। निजी क्षेत्र के नवाचार, जो छोटे और अधिक मॉड्यूलर डिजाइनों पर केंद्रित हैं, इस चुनौती को संबोधित करने में महत्वपूर्ण हैं।

संलयन का वादा: यह प्रयास के लायक क्यों है

भारी चुनौतियों को देखते हुए, हम संलयन में इतना वैश्विक प्रयास और पूंजी क्यों लगा रहे हैं? क्योंकि इसका प्रतिफल मानव सभ्यता के लिए क्रांतिकारी से कम नहीं है। संलयन ऊर्जा से संचालित दुनिया एक बदली हुई दुनिया होगी।

• स्वच्छ और कार्बन-मुक्त: संलयन कोई CO2 या अन्य ग्रीनहाउस गैसों का उत्पादन नहीं करता है। यह जलवायु परिवर्तन और वायु प्रदूषण से निपटने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।
• प्रचुर ईंधन: ईंधन स्रोत, ड्यूटेरियम और लिथियम, इतने प्रचुर हैं कि वे लाखों वर्षों तक ग्रह को शक्ति प्रदान कर सकते हैं। यह दुर्लभ ऊर्जा संसाधनों पर भू-राजनीतिक संघर्षों को समाप्त करता है और सभी राष्ट्रों के लिए ऊर्जा स्वतंत्रता प्रदान करता है।
• स्वाभाविक रूप से सुरक्षित: संलयन की भौतिकी एक अनियंत्रित प्रतिक्रिया या मेल्टडाउन को असंभव बनाती है। किसी भी एक समय में चेंबर में बड़े पैमाने पर दुर्घटना का कारण बनने के लिए पर्याप्त ईंधन नहीं होता है, और कोई भी खराबी प्रतिक्रिया को तुरंत बंद कर देती है।
• न्यूनतम अपशिष्ट: संलयन कोई लंबे समय तक जीवित रहने वाला, उच्च-स्तरीय रेडियोधर्मी अपशिष्ट पैदा नहीं करता है। रिएक्टर के घटक न्यूट्रॉन द्वारा सक्रिय हो जाते हैं, लेकिन रेडियोधर्मिता दशकों या एक सदी के भीतर क्षय हो जाती है, सहस्राब्दियों में नहीं।
• उच्च शक्ति घनत्व और विश्वसनीयता: एक संलयन बिजली संयंत्र का भूमि पदचिह्न सौर या पवन फार्मों के लिए आवश्यक विशाल क्षेत्रों की तुलना में छोटा होगा जो समान मात्रा में ऊर्जा का उत्पादन करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह विश्वसनीय, 24/7 बेसलोड बिजली प्रदान कर सकता है, जो कई नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की आंतरायिक प्रकृति का पूरक है।

आगे की राह: हम कब संलयन शक्ति की उम्मीद कर सकते हैं?

पुराना मज़ाक कि संलयन "30 साल दूर है, और हमेशा रहेगा" आखिरकार अपना असर खो रहा है। दशकों के सार्वजनिक अनुसंधान, JET और NIF जैसी सुविधाओं पर बड़ी सफलताओं, ITER के आसन्न संचालन और निजी नवाचार की लहर के अभिसरण ने अभूतपूर्व गति पैदा की है। जबकि सटीक समय-सारणी की भविष्यवाणी करना मुश्किल है, एक सामान्य रोडमैप उभर रहा है:

• 2020-2030 के दशक: विज्ञान को सिद्ध करना। ITER अपने प्रमुख D-T प्रयोग शुरू करेगा, जिसका लक्ष्य Q=10 का शुद्ध ऊर्जा लाभ प्रदर्शित करना है। साथ ही, कई निजी कंपनियों का लक्ष्य अपने स्वयं के प्रोटोटाइप उपकरणों में शुद्ध ऊर्जा लाभ प्रदर्शित करना है।
• 2030-2040 के दशक: प्रौद्योगिकी को सिद्ध करना। DEMO (प्रदर्शन बिजली संयंत्र) रिएक्टरों का डिजाइन और निर्माण शुरू होगा, जो ITER और अन्य प्रयोगों से मिली सीख पर आधारित होगा। ये वास्तव में ग्रिड से जुड़ने और बिजली पैदा करने वाले पहले संलयन रिएक्टर होंगे।
• 2050 और उसके बाद: वाणिज्यिक तैनाती। यदि DEMO रिएक्टर सफल होते हैं, तो हम दुनिया भर में वाणिज्यिक संलयन बिजली संयंत्रों की पहली पीढ़ी को बनते हुए देख सकते हैं, जो एक नए ऊर्जा प्रतिमान में संक्रमण की शुरुआत करेगा।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: इसका हमारे लिए क्या मतलब है?

संलयन शक्ति की यात्रा के लिए एक सामूहिक, दूरंदेशी दृष्टिकोण की आवश्यकता है। नीति निर्माताओं के लिए, इसका अर्थ है अनुसंधान और विकास में निरंतर निवेश, अंतरराष्ट्रीय भागीदारी को बढ़ावा देना, और इस नई तकनीक के लिए स्पष्ट नियामक ढांचे विकसित करना। निवेशकों के लिए, यह भविष्य के ऊर्जा बुनियादी ढांचे का निर्माण करने वाली कंपनियों का समर्थन करने का एक दीर्घकालिक, उच्च-प्रभाव वाला अवसर है। जनता के लिए, यह सूचित रहने, वैज्ञानिक प्रयासों का समर्थन करने, और इस महत्वपूर्ण बातचीत में शामिल होने का आह्वान है कि हम आने वाली पीढ़ियों के लिए अपनी दुनिया को स्वच्छ और स्थायी रूप से कैसे शक्ति देंगे।

निष्कर्ष: एक नए ऊर्जा युग का उदय

नाभिकीय संलयन अब विज्ञान कथा के दायरे तक ही सीमित नहीं है। यह मानवता की कुछ सबसे विकट चुनौतियों का एक मूर्त, सक्रिय रूप से अपनाया गया समाधान है। रास्ता लंबा है, और इंजीनियरिंग स्मारकीय है, लेकिन प्रगति वास्तविक है और तेज हो रही है। विशाल अंतरराष्ट्रीय सहयोग से लेकर गतिशील निजी स्टार्टअप तक, दुनिया के सबसे प्रतिभाशाली दिमाग तारों की शक्ति को अनलॉक करने के लिए काम कर रहे हैं। ऐसा करने में, वे सिर्फ एक बिजली संयंत्र का निर्माण नहीं कर रहे हैं; वे पूरे विश्व के लिए एक स्वच्छ, सुरक्षित और अधिक समृद्ध ऊर्जा भविष्य की नींव रख रहे हैं।