राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा का प्रज्वलन मील का पत्थर लेजर संलयन के लिए नए सिरे से धक्का देता है

एक दशक से भी अधिक समय से, भौतिकविदों ने लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी कैलिफोर्निया में प्रयोगशाला में कुछ ऐसा करने का प्रयास कर रहे हैं जो पहले केवल हाइड्रोजन बमों के वारहेड्स के अंदर हुआ था। उनका उद्देश्य दुनिया के सबसे बड़े लेजर - $ 3.5bn से प्रकाश की तीव्र दालों का उपयोग करना है राष्ट्रीय इग्निशन सुविधा (एनआईएफ) - हाइड्रोजन ईंधन के छोटे कैप्सूल को इस तरह कुचलने के लिए कि उसमें उत्पन्न असाधारण तापमान और दबाव ऊर्जा पैदा करने वाली संलयन प्रतिक्रियाएँ उत्पन्न करें। पिछले साल के अंत तक, तकनीकी असफलताओं की एक श्रृंखला ने उन्हें अपने लक्ष्य तक पहुँचने से रोक दिया था, जिसे प्रज्वलन के रूप में जाना जाता है। लेकिन 1 दिसंबर को 5 बजे के बाद लेजर के फोकस के आसपास के डिटेक्टरों में न्यूट्रॉन का सामान्य से बड़ा विस्फोट सफलता का संकेत दिया - इस मामले में प्रतिक्रियाओं ने खपत की गई ऊर्जा का 1.5 गुना से अधिक उत्पादन किया।

इस करतब ने दुनिया भर में सुर्खियां बटोरीं और जनता, राजनेताओं और फ्यूजन विशेषज्ञों की कल्पना को समान रूप से प्रेरित किया। अमेरिकी ऊर्जा सचिव जेनिफर ग्रानहोम ने "ऐतिहासिक उपलब्धि" की प्रशंसा की, जबकि रोचेस्टर विश्वविद्यालय के माइकल कैंपबेल यूएस में फ्यूजन रिसर्च के लिए परिणाम को "राइट ब्रदर्स मोमेंट" के रूप में वर्णित किया। के लिए इंपीरियल कॉलेज लंदन के स्टीवन रोज, घोषणा किसी भी संदेह को दूर करती है कि इस तरह की उच्च संलयन ऊर्जा प्राप्य है। "यदि आपको एक से अधिक ऊर्जा लाभ नहीं मिलता है, तो लोग दावा कर सकते हैं कि आप इसे कभी हासिल नहीं कर सकते," वे कहते हैं।

परिणाम ने आशावाद को नवीनीकृत किया कि संलयन अंततः स्वच्छ, सुरक्षित, सुरक्षित और टिकाऊ ऊर्जा का एक नया स्रोत सक्षम कर सकता है। अब, सरकारें और विशेष रूप से निजी कंपनियाँ संलयन ऊर्जा की विशाल क्षमता का दोहन करना चाह रही हैं - कुछ फर्मों ने यह भी वादा किया है कि वे अगले दशक की शुरुआत में पायलट बिजली संयंत्रों से ग्रिड को बिजली वितरित करेंगी।

हालांकि, कुछ वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि संलयन ऊर्जा के रास्ते में मौजूद बड़ी तकनीकी बाधाओं को देखते हुए इस तरह की समय-सीमा अवास्तविक है। दूसरों का तर्क है कि 10-15 साल का समय क्षितिज संभव है, जब तक कि शोधकर्ता और उनके फंडर्स सही मानसिकता अपनाते हैं। के लिए कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में ट्रॉय कार्टर, इसका अर्थ है बड़ी, महंगी, केंद्रीकृत सुविधाओं जैसे कि फुटबॉल-स्टेडियम के आकार के NIF पर निर्भरता को समाप्त करना और इसके बजाय अधिक जोखिम-सहिष्णु निजी क्षेत्र के नेतृत्व वाली छोटी, सस्ती परियोजनाओं की ओर मुड़ना। उन्होंने कहा, 'हमें कारोबार करने का तरीका बदलना होगा।

अंत में निशाने पर

जब प्रकाश नाभिकीय फ़्यूज़ को बंद किया जाता है तो ऊर्जा का उपयोग करने के लिए परमाणु ईंधन को लगभग 100 मिलियन केल्विन के तापमान पर प्लाज्मा के रूप में धारण करने की आवश्यकता होती है। ऐसा करने का एक तरीका यह है कि प्लाज्मा को रेडियो तरंगों या कण बीम से गर्म करते हुए काफी लंबे समय तक चुंबकीय क्षेत्र में सीमित रखा जाए। अब तक, इस तरह के "चुंबकीय कारावास" संलयन ऊर्जा के लिए भौतिकविदों का पसंदीदा मार्ग रहा है। इसका उपयोग दुनिया के सबसे बेशकीमती सार्वजनिक और निजी दोनों रिएक्टरों में किया जाएगा: $20+bn आईटीईआर फ्रांस के दक्षिण में निर्माणाधीन सुविधा और कंपनी द्वारा निर्मित एक मशीन कॉमनवेल्थ फ्यूजन सिस्टम बोस्टन, यूएस के बाहर, जिसने अब तक फंडिंग में कम से कम $2 बिलियन जुटाए हैं।

एक स्थिर स्थिति प्राप्त करने का प्रयास करने के बजाय, "जड़त्वीय कारावास" रिएक्टर कुछ हद तक आंतरिक दहन इंजन की तरह काम करते हैं - विस्फोटों के दोहराव वाले चक्र के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करते हैं जो क्षणभंगुर रूप से भारी तापमान और दबाव बनाते हैं। एनआईएफ 192 लेजर बीम को एक छोटे से खोखले धातु के सिलेंडर पर प्रवर्धित और केंद्रित करके करता है, जिसके केंद्र में एक काली मिर्च के आकार का कैप्सूल होता है जिसमें हाइड्रोजन समस्थानिक ड्यूटेरियम और ट्रिटियम होता है। सिलेंडर की दीवारों से उत्पन्न एक्स-रे कैप्सूल की बाहरी सतह से फट जाती हैं, इसके बाकी हिस्सों को संवेग संरक्षण के लिए धन्यवाद दिया जाता है और इसके भीतर ड्यूटेरियम और ट्रिटियम नाभिक फ्यूज हो जाते हैं - इस प्रक्रिया में अल्फा कण (हीलियम नाभिक) निकलते हैं। ), न्यूट्रॉन और ढेर सारी ऊर्जा।

यह प्रक्रिया अत्यधिक मांग वाली है, जिसमें संलयन के लिए आवश्यक लगभग पूरी तरह सममित प्रत्यारोपण सुनिश्चित करने के लिए असाधारण सटीक बीम फोकसिंग और अल्ट्रा-चिकनी कैप्सूल की आवश्यकता होती है। वास्तव में, कैप्सूल में विस्फोटों और दोषों द्वारा बनाई गई प्लाज्मा में अस्थिरता, अन्य बातों के अलावा, इसका मतलब है कि लिवरमोर शोधकर्ता 2012 तक अपने प्रारंभिक प्रज्वलन लक्ष्य (या "ब्रेकवेन") से काफी कम हो गए थे। लेकिन श्रमसाध्य मापों की एक श्रृंखला के माध्यम से क्रमिक लेजर शॉट्स पर वे धीरे-धीरे अपने प्रयोगात्मक सेट-अप को परिष्कृत करने में सक्षम थे और अंततः लक्ष्य को 3.15 एमजे लेजर ऊर्जा देने के बाद संलयन ऊर्जा के 2.05 मिलियन जूल (एमजे) उत्पन्न करने वाले ऐतिहासिक शॉट को फायर करते थे।

लिवरमोर के जड़त्वीय-बंधन संलयन कार्यक्रम के मुख्य वैज्ञानिक उमर हरिकेन का कहना है कि अब वे लगभग 0.2 एमजे के चरणों में एनआईएफ की लेजर ऊर्जा को बढ़ाकर उच्च, पुनरुत्पादनीय लाभ के लिए अपने काम को "पुनः प्राथमिकता" देने की योजना बना रहे हैं। वे कैप्सूल के अंदर परमाणु ईंधन की मोटाई को बदलने और सिलेंडर के लेजर प्रवेश छेद के आकार को कम करने के प्रभाव का अध्ययन करने का भी इरादा रखते हैं। हालांकि, वह बताते हैं कि एनआईएफ को कभी भी व्यावहारिक संलयन ऊर्जा प्रदर्शित करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था - यह देखते हुए कि सुविधा का मुख्य उद्देश्य अमेरिका के (अब परीक्षण नहीं किए गए) परमाणु हथियारों के भंडार का समर्थन करने के लिए प्रायोगिक डेटा प्रदान करना है। इस प्रकार, एनआईएफ बेहद अक्षम है - इसके 2 एमजे फ्लैश-लैंप पंप लेजर को लगभग 400 एमजे विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो केवल 0.5% की "वॉल-प्लग" दक्षता के बराबर होती है।

राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा दुनिया में सबसे पहले शुद्ध संलयन ऊर्जा लाभ प्रदर्शित करती है

रोचेस्टर विश्वविद्यालय के रिकार्डो बेट्टी कहते हैं कि डायोड द्वारा पंप किए गए आधुनिक लेजर 20% तक की क्षमता तक पहुंच सकते हैं, लेकिन बताते हैं कि बिजली संयंत्रों के लिए आवश्यक मार्जिन (गर्मी से बिजली में रूपांतरण के दौरान खोई ऊर्जा सहित) का मतलब है कि इन उपकरणों को "कम से कम 50-" के लक्ष्य लाभ की आवश्यकता होगी। 100” (एनआईएफ के 1.5 की तुलना में)। उन्हें एक सेकेंड में कई बार "फायर" भी करना होगा, जबकि एनआईएफ दिन में केवल एक बार शॉट उत्पन्न करता है। इस उच्च पुनरावृत्ति दर के लिए एनआईएफ (जो सोने और सिंथेटिक हीरे से बने होते हैं) के लिए आवश्यक सैकड़ों-हजारों डॉलर की तुलना में कुछ दसियों सेंट की लागत वाले बड़े पैमाने पर उत्पादित लक्ष्यों की आवश्यकता होगी।

बाजार में प्रवेश करना

एक कंपनी जो मानती है कि वह सभी बाधाओं के बावजूद संलयन ऊर्जा का व्यावसायीकरण कर सकती है, वह कैलिफोर्निया स्थित फर्म है लॉन्गव्यू फ्यूजन एनर्जी सिस्टम्स. 2021 में कई पूर्व लिवरमोर वैज्ञानिकों द्वारा स्थापित, जिनमें पूर्व-एनआईएफ निदेशक एडवर्ड मोसेस शामिल हैं, लॉन्गव्यू का उद्देश्य एनआईएफ के लक्ष्य डिजाइन को डायोड-पंप सॉलिड-स्टेट लेजर के साथ जोड़ना है। कंपनी ने उसी दिन अपने अस्तित्व की घोषणा की जिस दिन लिवरमोर ने एनआईएफ के रिकॉर्ड-ब्रेकिंग शॉट की सूचना दी और कहा कि उसने अगले पांच वर्षों के भीतर एक पायलट पावर प्लांट का निर्माण शुरू करने की योजना बनाई है।

लॉन्गव्यू का कहना है कि वह 50 तक नवीनतम स्तर पर ग्रिड को 2035 मेगावाट बिजली प्रदान करने का इरादा रखता है। कंपनी स्वीकार करती है कि यह आसान नहीं होगा, क्रमशः 18% और 10–20 हर्ट्ज की लेजर दक्षता और पुनरावृत्ति दर की परिकल्पना करना। विशेष रूप से, यह कहता है कि जबकि आवश्यक डायोड पहले से मौजूद हैं, उन्हें "फ्यूजन-स्केल लेजर के लिए एक एकीकृत बीमलाइन में अभी तक पैक नहीं किया गया है"। लेकिन यह आश्वस्त रहता है कि यह अपनी समय सीमा को पूरा कर सकता है, यह देखते हुए कि लेजर पायलट संयंत्र के लिए आवश्यक दो प्रकाशिकी क्षति सीमा के एक कारक के भीतर है।

हर कोई आश्वस्त नहीं है। वाशिंगटन डीसी में यूएस नेवल रिसर्च लेबोरेटरी में लेजर-फ्यूजन प्रोग्राम के पूर्व प्रमुख स्टीफन बॉडनर का कहना है कि एनआईएफ की "अप्रत्यक्ष-ड्राइव" तकनीक एक्स-रे (सीधे ईंधन कैप्सूल को रोशन करने के बजाय) पैदा करने में बहुत अधिक ऊर्जा बर्बाद करती है। उन्हें लॉन्गव्यू के इस दावे पर भी संदेह है कि यह लक्ष्य लागत को 0.30 डॉलर से कम करके 500 मिलियन लक्ष्यों से अधिक इंजीनियरिंग और पूंजीगत व्यय को कम कर सकता है, जो कहता है कि इसे अपने पायलट प्लांट की आवश्यकता होगी। "वाणिज्यिक संलयन ऊर्जा के लिए एनआईएफ पर उपयोग किए जाने वाले संलयन लक्ष्य के लिए कभी भी पर्याप्त सुधार करने का कोई संभावित तरीका नहीं है," वे कहते हैं।

नेशनल इग्निशन फैसिलिटी का लेजर-फ्यूजन मील का पत्थर बहस को प्रज्वलित करता है

फिर भी लॉन्गव्यू यह मानने से बहुत दूर है कि दुनिया में संलयन ऊर्जा लाने के लिए उसके पास तकनीक है। पिछले साल संकलित एक रिपोर्ट द्वारा फ्यूजन उद्योग संघ ट्रेड बॉडी ने अमेरिका और अन्य जगहों पर फ्यूजन तकनीक पर काम करने वाली 33 कंपनियों को सूचीबद्ध किया है - जिनमें से कई के पास बिजली संयंत्रों के विकास के लिए आक्रामक समय-सीमा भी है। ऐसी ही एक कंपनी है पहले हल्की, ऑक्सफोर्ड, यूके के पास स्थित है। ईंधन कैप्सूल को संपीड़ित करने के लिए लेजर दालों का उपयोग करने के बजाय, फ़र्स्ट लाइट ने सामग्री प्रोजेक्टाइल - धातु के डाक-टिकट के आकार के टुकड़े - अत्यधिक उच्च गति पर कैपेसिटर के एक विशाल बैंक द्वारा प्रदान किए गए विद्युत चुम्बकीय बल का उपयोग करके लगभग तुरंत निर्वहन किया। प्रक्षेप्य विशेष रूप से बनाए गए लक्ष्यों पर प्रहार करते हैं, जिनमें से प्रत्येक अंदर एम्बेडेड ईंधन कैप्सूल पर प्रभाव दबाव को निर्देशित और बढ़ाता है।

कंपनी ने अब तक फंडिंग में कुछ £80m जुटाए हैं और यूरोप में सबसे बड़ी स्पंदित-बिजली सुविधा का उपयोग करके फ्यूजन का प्रदर्शन किया है। अगले कदम, सह-संस्थापक और मुख्य कार्यकारी अधिकारी निकोलस हॉकर के अनुसार, लगभग पांच साल के समय में एक बहुत बड़ी मशीन के साथ प्रज्वलन का प्रदर्शन करेंगे और फिर "शुरुआती-मध्य 2030 के दशक" में एक पायलट संयंत्र होगा। हॉकर स्वीकार करते हैं कि आगे कई चुनौतियाँ हैं - जैसे एक के बाद एक प्रक्षेप्य लोड करने में सक्षम होना और उपयुक्त रूप से मजबूत हाई-वोल्टेज स्विच विकसित करना - लेकिन उन्हें विश्वास है कि योजना की भौतिकी ठोस है। "ईंधन कैप्सूल बिल्कुल NIF के समान है, इसलिए हाल के परिणाम बड़े पैमाने पर हमारे सिस्टम को भी खतरे में डालते हैं।" 

कैश की जरूरत है

जब भौतिकी की बात आती है, तो बेट्टी का मानना ​​है कि जड़त्वीय बंधन संलयन चुंबकीय बंधन से बेहतर स्थान पर है। जबकि एनआईएफ ने अब प्रदर्शित किया है कि पूर्व आत्मनिर्भर प्रतिक्रियाएं उत्पन्न कर सकता है, उनका तर्क है कि इग्निशन थ्रेशोल्ड के करीब उत्पन्न अस्थिरता का मतलब है कि अभी भी बड़ी अनिश्चितताएं हैं कि क्या टोकामक सूट का पालन कर सकते हैं। फिर भी, उनका कहना है कि यदि लेजर संलयन की बात आती है तो बड़े पैमाने पर उत्पादित लक्ष्यों से उच्च लाभ के प्रदर्शन सहित - संलयन के दोनों रूपों को आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भयानक बाधाओं को दूर करना होगा। "मुझे यह विश्वास करना कठिन लगता है कि एक ऊर्जा प्रणाली 10 वर्षों में तैयार हो सकती है," वे कहते हैं।

एनआईएफ के वैज्ञानिकों ने पिछले एक दशक में भौतिकी की कुछ कठिन समस्याओं को हल करने का शानदार काम किया है। उन्हें उनके महान कार्यों के लिए पहचाना जाना चाहिए

स्टीफन बॉडनर

कार्टर अधिक आशावादी हैं। उनका कहना है कि पायलट संयंत्रों को लगभग एक दशक के समय में महसूस किया जा सकता है, जब तक कि निजी कंपनियां अपने निर्माण में प्रभारी का नेतृत्व करती हैं, जबकि सरकारें विकिरण-प्रतिरोधी सामग्री जैसे अधिक बुनियादी आधार अनुसंधान का समर्थन करती हैं। लेकिन उन्होंने चेताया कि आवश्यक धन पर्याप्त होगा - अमेरिकी सरकार के मामले में प्रति वर्ष लगभग $500m अतिरिक्त। यदि पैसा आ रहा है, तो वह कहते हैं, पूर्ण पैमाने पर वाणिज्यिक संयंत्र "2050 से पहले" चालू हो सकते हैं।

बोडनर का कहना है कि कौन सी तकनीक पौधों के अंदर समाप्त हो जाएगी, यह अप्रत्यक्ष ड्राइव पर आधारित नहीं होगी। सबसे अधिक संभावना है, वह बनाए रखता है, यह आर्गन-फ्लोराइड गैस लेजर जैसे एक अलग प्रकार की लेजर प्रणाली पर आधारित जड़त्वीय कारावास होगा। लेकिन वह स्वीकार करते हैं कि किसी भी प्रणाली को बड़ा करने से अनिश्चितताएं आती हैं। और वह इस बिंदु पर संलयन अनुसंधान प्राप्त करने के लिए एनआईएफ वैज्ञानिकों की प्रशंसा करता है। "उन्होंने पिछले एक दशक में भौतिकी की कुछ बहुत कठिन समस्याओं को हल करने का शानदार काम किया है," वे कहते हैं। "उन्हें उनके महान काम के लिए पहचाना जाना चाहिए।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/