मराठी

अणुऊर्जा संलयन, अंतिम स्वच्छ ऊर्जा स्त्रोताचा सखोल अभ्यास. ते कसे कार्य करते, ते साध्य करण्यासाठी जागतिक शर्यत आणि आपल्या जगाला ऊर्जा देण्याची त्याची क्षमता जाणून घ्या.

अणुऊर्जा संलयन: स्वच्छ ऊर्जा भविष्यासाठी ताऱ्यांच्या शक्तीचा वापर

ब्रह्मांडाच्या अथांग विस्तारामध्ये, आपल्या सूर्यासारखे तारे प्रत्येक सेकंदाला एक अविश्वसनीय पराक्रम करतात: ते अणुऊर्जा संलयनाद्वारे प्रचंड ऊर्जा निर्माण करतात. अनेक दशकांपासून, मानवतेने पृथ्वीवर ही खगोलीय प्रक्रिया पुन्हा तयार करण्याचे स्वप्न पाहिले आहे. हे एक मोठे वैज्ञानिक आणि अभियांत्रिकी आव्हान आहे, ज्याला अनेकदा ऊर्जा उत्पादनाचा 'पवित्र ठेवा' (holy grail) म्हटले जाते. परंतु हे स्वप्न आता वास्तवाच्या जवळ येत आहे, जे स्वच्छ, अक्षरशः अमर्याद आणि स्वाभाविकपणे सुरक्षित ऊर्जा स्त्रोताद्वारे चालणाऱ्या भविष्याचे वचन देते. हा लेख विज्ञान, जागतिक प्रयत्न आणि आपल्या ग्रहाच्या ऊर्जा क्षेत्राला नव्याने परिभाषित करण्याची अणुऊर्जा संलयनाची प्रचंड क्षमता शोधतो.

अणुऊर्जा संलयन म्हणजे काय? ताऱ्यांमागील विज्ञानाचे स्पष्टीकरण

मूलतः, अणुऊर्जा संलयन म्हणजे दोन हलक्या अणुगर्भांना एकत्र करून एक जड अणूगर्भ तयार करण्याची प्रक्रिया. या प्रक्रियेत प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा बाहेर पडते—मानवाला ज्ञात असलेल्या इतर कोणत्याही ऊर्जा स्रोतापेक्षा खूप जास्त. ही प्रक्रिया आजच्या अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या अणुऊर्जा विखंडन (nuclear fission) प्रक्रियेच्या अगदी उलट आहे, ज्यात युरेनियमसारख्या जड, अस्थिर अणूंचे विभाजन केले जाते.

हा फरक अनेक कारणांसाठी महत्त्वपूर्ण आहे:

थोडक्यात, संलयन अणुऊर्जेचे सर्व फायदे देते—प्रचंड, विश्वसनीय, कार्बन-मुक्त ऊर्जा—त्या त्रुटींशिवाय ज्यांनी ऐतिहासिकदृष्ट्या सामान्य जनता आणि धोरणकर्त्यांना चिंतित केले आहे.

संलयनासाठी इंधन: मुबलक आणि जागतिक स्तरावर उपलब्ध

नजीकच्या काळातील ऊर्जा प्रकल्पांसाठी सर्वात आश्वासक संलयन प्रतिक्रिया हायड्रोजनच्या दोन समस्थानिकांशी संबंधित आहे: ड्युटेरियम (D) आणि ट्रिटियम (T).

प्रज्वलनाच्या शोधात: पृथ्वीवर तारा कसा बनवायचा

संलयन घडवून आणण्यासाठी, तुम्हाला धन प्रभारित अणुगर्भांमधील नैसर्गिक प्रतिकर्षणावर मात करणे आवश्यक आहे. यासाठी अत्यंत तीव्र परिस्थितीत पदार्थाला तयार करणे आणि नियंत्रित करणे आवश्यक आहे—विशेषतः, १५० दशलक्ष अंश सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमान, जे सूर्याच्या गाभ्यापेक्षा दहापट जास्त उष्ण आहे. या तापमानात, वायू प्लाझ्मामध्ये रूपांतरित होतो, जो पदार्थाची चौथी अवस्था असून तो एक प्रवाही, विद्युत प्रभारित सूप असतो.

कोणताही भौतिक पदार्थ इतकी उष्णता सहन करू शकत नाही. म्हणून, शास्त्रज्ञांनी या अतिउष्ण प्लाझ्माला नियंत्रित करण्यासाठी दोन मुख्य पद्धती विकसित केल्या आहेत.

चुंबकीय बंदिवास: टोकामाक आणि स्टेलरेटर

सर्वात जास्त संशोधन झालेला दृष्टिकोन म्हणजे चुंबकीय बंदिवास संलयन (Magnetic Confinement Fusion - MCF). यामध्ये प्लाझ्माला एका विशिष्ट आकारात ठेवण्यासाठी प्रचंड शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रांचा वापर केला जातो, ज्यामुळे तो अणुभट्टीच्या भिंतींना स्पर्श करण्यापासून रोखला जातो. दोन प्रमुख डिझाइन आहेत:

जडत्वीय बंदिवास: लेसरची शक्ती

जडत्वीय बंदिवास संलयन (Inertial Confinement Fusion - ICF) पूर्णपणे वेगळा दृष्टिकोन अवलंबतो. प्लाझ्माला दीर्घकाळ बंदिस्त ठेवण्याऐवजी, ते क्षणिक, शक्तिशाली स्फोटात संलयन निर्माण करण्याचे उद्दिष्ट ठेवते. या पद्धतीत, ड्युटेरियम आणि ट्रिटियम इंधन असलेल्या एका लहान गोळीवर सर्व बाजूंनी अत्यंत उच्च-ऊर्जा लेसर किरणांनी किंवा कण किरणांनी मारा केला जातो. यामुळे गोळीचा बाह्य पृष्ठभाग बाष्पीभवन होतो, ज्यामुळे एक अंतःस्फोटक शॉकवेव्ह तयार होते जी केंद्रातील इंधनाला संकुचित करून आणि गरम करून संलयनाच्या परिस्थितीत आणते—ही प्रक्रिया एका सेकंदाच्या काही भागासाठी अस्तित्वात असलेला एक छोटा तारा तयार करण्यासारखी आहे. डिसेंबर २०२२ मध्ये, यूएसए मधील लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी येथील नॅशनल इग्निशन फॅसिलिटी (NIF) ने प्रथमच "प्रज्वलन" (ignition) साध्य करून इतिहास रचला, जिथे संलयन प्रतिक्रियेतून लेसरद्वारे इंधन लक्ष्याला दिलेल्या ऊर्जेपेक्षा जास्त ऊर्जा निर्माण झाली.

जागतिक सहकार्य: संलयन भविष्यासाठी शर्यत

संलयन संशोधनाची विशालता आणि जटिलता यामुळे ते आंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक सहकार्याचे एक प्रमुख उदाहरण बनले आहे. कोणताही एक देश सहजपणे खर्च उचलू शकत नाही किंवा एकट्याने सर्व आवश्यक कौशल्ये प्रदान करू शकत नाही.

आयटीईआर (ITER): आंतरराष्ट्रीय सहकार्याचे एक स्मारक

या जागतिक प्रयत्नांचे प्रमुख केंद्र आयटीईआर (आंतरराष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक अणुभट्टी) आहे, जे सध्या दक्षिण फ्रान्समध्ये बांधकामाधीन आहे. मानवी इतिहासातील हा सर्वात महत्त्वाकांक्षी अभियांत्रिकी प्रकल्पांपैकी एक आहे. आयटीईआर संघटना ३५ राष्ट्रांमधील एक सहकार्य आहे, जे जगाच्या निम्म्याहून अधिक लोकसंख्येचे प्रतिनिधित्व करते: युरोपियन युनियन, चीन, भारत, जपान, दक्षिण कोरिया, रशिया आणि युनायटेड स्टेट्स.

आयटीईआरचे मुख्य उद्दिष्ट वीज निर्माण करणे नाही, तर मोठ्या प्रमाणावर, कार्बन-मुक्त ऊर्जा स्त्रोत म्हणून संलयनाची वैज्ञानिक आणि तांत्रिक व्यवहार्यता सिद्ध करणे आहे. हे "निव्वळ ऊर्जा" (net energy) निर्माण करणारे पहिले संलयन उपकरण म्हणून डिझाइन केले आहे, ज्याचे उद्दिष्ट ५० मेगावॅटच्या इनपुटमधून ५०० मेगावॅट औष्णिक संलयन ऊर्जा निर्माण करणे आहे—दहापट ऊर्जा वाढ (Q=10). आयटीईआरचे बांधकाम आणि संचालन यातून शिकलेले धडे व्यावसायिक संलयन ऊर्जा प्रकल्पांच्या पहिल्या पिढीच्या डिझाइनसाठी अमूल्य असतील, ज्यांना डेमो (DEMO) अणुभट्ट्या म्हणून ओळखले जाते.

राष्ट्रीय आणि खाजगी क्षेत्रातील उपक्रम

आयटीईआरच्या बरोबरीने, अनेक देश स्वतःचे महत्त्वाकांक्षी राष्ट्रीय कार्यक्रम चालवत आहेत:

कदाचित सर्वात रोमांचक गोष्ट म्हणजे, गेल्या दशकात खाजगी संलयन कंपन्यांमध्ये वाढ झाली आहे. अब्जावधी डॉलर्सच्या उद्यम भांडवलाच्या पाठिंब्याने, हे चपळ स्टार्टअप्स विविध प्रकारच्या नाविन्यपूर्ण डिझाइन आणि तंत्रज्ञानाचा शोध घेत आहेत. कॉमनवेल्थ फ्यूजन सिस्टम्स (यूएसए), जनरल फ्यूजन (कॅनडा), आणि टोकामाक एनर्जी (यूके) सारख्या कंपन्या प्रगतीला गती देत आहेत, ज्यांचे उद्दिष्ट लहान, स्वस्त आणि बाजारात लवकर येणाऱ्या अणुभट्ट्या बांधणे आहे. सार्वजनिक क्षेत्रातील पायाभूत संशोधन आणि खाजगी क्षेत्रातील नावीन्य यांचे हे मिश्रण एक गतिशील आणि स्पर्धात्मक परिसंस्था निर्माण करत आहे, ज्यामुळे संलयन ऊर्जेची वेळ नाटकीयरित्या कमी होत आहे.

अडथळ्यांवर मात करणे: संलयनाची मोठी आव्हाने

अविश्वसनीय प्रगती असूनही, व्यावसायिक संलयन ऊर्जेच्या मार्गावर महत्त्वपूर्ण आव्हाने आहेत. हे सोपे विज्ञान नाही, आणि अभियांत्रिकी अडथळ्यांसाठी क्रांतिकारी उपायांची आवश्यकता आहे.

  1. निव्वळ ऊर्जा वाढ साध्य करणे आणि टिकवणे: जरी NIF ने एक प्रकारचे प्रज्वलन साध्य केले असले आणि JET (जॉइंट युरोपियन टोरस) सारख्या टोकामाकने महत्त्वपूर्ण संलयन ऊर्जा निर्माण केली असली तरी, पुढील पायरी म्हणजे असे मशीन तयार करणे जे संपूर्ण प्लांटला चालवण्यासाठी लागणाऱ्या ऊर्जेपेक्षा सातत्याने आणि विश्वसनीयरित्या जास्त ऊर्जा निर्माण करू शकेल. हे आयटीईआर आणि त्यानंतरच्या डेमो अणुभट्ट्यांचे मुख्य उद्दिष्ट आहे.
  2. पदार्थ विज्ञान: अणुभट्टीमध्ये प्लाझ्माचा सामना करणाऱ्या सामग्रीला, विशेषतः "डायव्हर्टर" जे कचरा उष्णता आणि हेलियम बाहेर टाकते, त्यांना पुन्हा प्रवेश करणाऱ्या अंतराळयानावरील परिस्थितीपेक्षाही जास्त तीव्र परिस्थितीचा सामना करावा लागतो. त्यांना तीव्र उष्णतेचा भार आणि उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉनचा सतत मारा सहन करावा लागतो, आणि तेही लवकर खराब न होता. हे प्रगत साहित्य विकसित करणे हे संशोधनाचे एक प्रमुख क्षेत्र आहे.
  3. ट्रिटियम प्रजनन: लिथियममधून ट्रिटियम तयार करण्याची संकल्पना योग्य आहे, परंतु एका बंद, स्वयंपूर्ण चक्रात अणुभट्टीला इंधन पुरवण्यासाठी पुरेसे ट्रिटियम विश्वसनीयरित्या तयार करू शकणारी प्रणाली तयार करणे आणि चालवणे हे एक जटिल अभियांत्रिकी कार्य आहे जे मोठ्या प्रमाणावर सिद्ध करणे आवश्यक आहे.
  4. आर्थिक व्यवहार्यता: संलयन अणुभट्ट्या अत्यंत गुंतागुंतीच्या आणि बांधण्यासाठी महागड्या आहेत. अंतिम आव्हान असे संलयन ऊर्जा प्रकल्प डिझाइन करणे आणि चालवणे असेल जे इतर ऊर्जा स्त्रोतांशी आर्थिकदृष्ट्या स्पर्धात्मक असतील. खाजगी क्षेत्रातील नवकल्पना, ज्या लहान आणि अधिक मॉड्युलर डिझाइनवर लक्ष केंद्रित करतात, या आव्हानाला सामोरे जाण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहेत.

संलयनाचे वचन: हे प्रयत्न का योग्य आहेत

प्रचंड आव्हाने पाहता, आपण संलयनामध्ये इतके जागतिक प्रयत्न आणि भांडवल का गुंतवत आहोत? कारण याचा परतावा मानवी संस्कृतीसाठी क्रांतीकारक आहे. संलयन ऊर्जेवर चालणारे जग हे एक बदललेले जग असेल.

पुढील मार्ग: आपण संलयन ऊर्जेची अपेक्षा कधी करू शकतो?

संलयन "३० वर्षे दूर आहे, आणि नेहमीच राहील" हा जुना विनोद आता आपली धार गमावत आहे. दशकांच्या सार्वजनिक संशोधनाचे एकत्रीकरण, JET आणि NIF सारख्या सुविधांमधील मोठे यश, आयटीईआरचे आगामी ऑपरेशन आणि खाजगी नावीन्यपूर्णतेची लाट यामुळे अभूतपूर्व गती निर्माण झाली आहे. अचूक टाइमलाइनचा अंदाज लावणे कठीण असले तरी, एक सामान्य रोडमॅप उदयास येत आहे:

कृती करण्यायोग्य अंतर्दृष्टी: याचा आपल्यासाठी काय अर्थ आहे?

संलयन ऊर्जेच्या प्रवासासाठी एक सामूहिक, दूरदृष्टीचा दृष्टिकोन आवश्यक आहे. धोरणकर्त्यांसाठी, याचा अर्थ संशोधन आणि विकासामध्ये सातत्यपूर्ण गुंतवणूक, आंतरराष्ट्रीय भागीदारी वाढवणे आणि या नवीन तंत्रज्ञानासाठी स्पष्ट नियामक फ्रेमवर्क विकसित करणे आहे. गुंतवणूकदारांसाठी, ही भविष्यातील ऊर्जा पायाभूत सुविधा निर्माण करणाऱ्या कंपन्यांना पाठिंबा देण्याची दीर्घकालीन, उच्च-प्रभावी संधी आहे. जनतेसाठी, हे माहिती ठेवण्याचे, वैज्ञानिक प्रयत्नांना पाठिंबा देण्याचे आणि आपण आपल्या जगाला येणाऱ्या पिढ्यांसाठी स्वच्छ आणि शाश्वतपणे कसे ऊर्जा देऊ याबद्दलच्या महत्त्वपूर्ण संभाषणात सहभागी होण्याचे आवाहन आहे.

निष्कर्ष: एका नवीन ऊर्जा युगाची पहाट

अणुऊर्जा संलयन आता विज्ञान कथांच्या क्षेत्रापुरते मर्यादित राहिलेले नाही. मानवाच्या काही सर्वात गंभीर आव्हानांवर हा एक मूर्त, सक्रियपणे स्वीकारलेला उपाय आहे. मार्ग लांब आहे, आणि अभियांत्रिकी प्रचंड आहे, परंतु प्रगती खरी आहे आणि वेगवान होत आहे. प्रचंड आंतरराष्ट्रीय सहकार्यांपासून ते गतिशील खाजगी स्टार्टअप्सपर्यंत, जगातील सर्वात तेजस्वी मने ताऱ्यांची शक्ती अनलॉक करण्यासाठी काम करत आहेत. असे करून, ते फक्त एक ऊर्जा प्रकल्प बांधत नाहीत; ते संपूर्ण जगासाठी स्वच्छ, सुरक्षित आणि अधिक समृद्ध ऊर्जा भविष्याचा पाया रचत आहेत.