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

पिछले साल 8 अगस्त को, अमेरिका में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी के भौतिकविदों ने एक रिकॉर्ड-तोड़ प्रयोग को अंजाम देने के लिए दुनिया के सबसे बड़े लेजर का इस्तेमाल किया। $192 बिलियन के 3.5 बीमों का उपयोग करना राष्ट्रीय इग्निशन सुविधा (एनआईएफ) ड्यूटेरियम और ट्रिटियम युक्त एक काली मिर्च के आकार के कैप्सूल को विस्फोटित करने के लिए, उन्होंने दो हाइड्रोजन आइसोटोप को फ्यूज कर दिया, जिससे एक सेकंड के एक अंश के लिए एक आत्मनिर्भर संलयन प्रतिक्रिया उत्पन्न हुई। लेजर को शक्ति प्रदान करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा का 70% से अधिक देने की प्रक्रिया के साथ, खोज ने सुझाव दिया कि विशाल लेजर अभी भी सुरक्षित, स्वच्छ और अनिवार्य रूप से असीमित ऊर्जा का एक नया स्रोत सक्षम कर सकते हैं।

परिणाम ने लिवरमोर लैब के शोधकर्ताओं को जश्न के मूड में डाल दिया, जिन्होंने महत्वपूर्ण प्रगति करने के लिए एक दशक से अधिक समय तक संघर्ष किया था। लेकिन प्रारंभिक उत्साह जल्द ही फीका पड़ गया जब उपलब्धि को पुन: पेश करने के कई बाद के प्रयास असफल रहे - रिकॉर्ड-ब्रेकिंग आउटपुट का केवल आधा ही जुटा पाया। लिवरमोर प्रबंधन ने केवल कुछ ही बार-बार प्रयोग करने का निर्णय लेने के बाद, लैब ने ब्रेकइवेन की अपनी खोज को रोक दिया और इसके बजाय यह पता लगाने की कोशिश की कि आउटपुट में भिन्नता का कारण क्या था।

एनआईएफ के आलोचकों के लिए, नवीनतम पाठ्यक्रम सुधार कोई आश्चर्य की बात नहीं थी, जाहिर तौर पर एक बार फिर से मजबूत संलयन-ऊर्जा उत्पादन के लिए परीक्षण बिस्तर के रूप में सुविधा की अनुपयुक्तता को दर्शाया गया है। लेकिन कई वैज्ञानिक उत्साहित हैं और एनआईएफ शोधकर्ता स्वयं संघर्ष करते हुए सामने आए हैं और हाल ही में अपने रिकॉर्ड-ब्रेकिंग शॉट के नतीजे प्रकाशित किए हैं। फिजिकल रिव्यू लेटर्स (129 075001). वे इस बात पर जोर देते हैं कि आखिरकार, उन्होंने "इग्निशन" हासिल कर लिया है, उस बिंदु तक पहुंच गया है जहां संलयन प्रतिक्रियाओं से हीटिंग ठंडा होने से अधिक हो जाता है, जिससे एक सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप बनता है जो प्लाज्मा तापमान को तेजी से बढ़ाता है।

लिवरमोर के फ़्यूज़न प्रोग्राम के मुख्य वैज्ञानिक, उमर हरिकेन का कहना है कि इग्निशन की यह भौतिकी-आधारित परिभाषा - सरल "ऊर्जा ब्रेकईवन" विवरण के बजाय - वह है जो वास्तव में मायने रखती है। ब्रेकईवेन की अंतिम उपलब्धि को "अगली जनसंपर्क घटना" के रूप में वर्णित करते हुए, वह फिर भी कहते हैं कि यह एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है जिस तक वह और उनके सहयोगी पहुंचना चाहते हैं। दरअसल, लिवरमोर लैब से परे के भौतिकविदों को भरोसा है कि बहुचर्चित लक्ष्य को हासिल किया जाएगा। स्टीवन गुलाब यूके में इंपीरियल कॉलेज का मानना ​​है कि "हर संभावना है" ब्रेकइवेन हासिल किया जाएगा।

रिकॉर्ड बढ़त

संलयन का उपयोग करने के प्रयास में प्रकाश नाभिक के प्लाज्मा को उस बिंदु तक गर्म करना शामिल है जहां वे नाभिक अपने पारस्परिक प्रतिकर्षण पर काबू पाते हैं और एक भारी तत्व बनाने के लिए संयोजित होते हैं। इस प्रक्रिया से नए कण निकलते हैं - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम, हीलियम नाभिक (अल्फा कण) और न्यूट्रॉन के मामले में - साथ ही भारी मात्रा में ऊर्जा भी। यदि प्लाज्मा को पर्याप्त तापमान और दबाव पर लंबे समय तक रखा जा सकता है, तो अल्फा कणों को प्रतिक्रियाओं को बनाए रखने के लिए पर्याप्त गर्मी प्रदान करनी चाहिए, जबकि न्यूट्रॉन को भाप टरबाइन को शक्ति देने के लिए संभावित रूप से रोका जा सकता है।

फ़्यूज़न टोकामक प्लाज़्मा को काफी लंबी अवधि तक सीमित रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं। एनआईएफ, एक "जड़त्वीय-कारावास" उपकरण के रूप में, इसके पुन: विस्तार से पहले अत्यधिक संपीड़ित संलयन ईंधन की एक छोटी मात्रा के अंदर एक क्षणभंगुर क्षण के लिए बनाई गई चरम स्थितियों का शोषण करता है। ईंधन को 2 मिमी-व्यास वाले गोलाकार कैप्सूल के अंदर रखा जाता है, जो लगभग 1 सेमी लंबे बेलनाकार धातु "होहलराम" के केंद्र में स्थित होता है और जब एनआईएफ की सटीक निर्देशित लेजर किरणें होहलराम के अंदर से टकराती हैं और बाढ़ उत्पन्न करती है तो यह फट जाता है। एक्स-रे।

टोकामक्स के विपरीत, एनआईएफ को मुख्य रूप से ऊर्जा का प्रदर्शन करने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था, बल्कि यह परमाणु हथियारों के विस्फोटों का अनुकरण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर प्रोग्रामों पर एक जांच के रूप में काम करता था - यह देखते हुए कि अमेरिका ने 1992 में लाइव परीक्षण बंद कर दिया था। हालांकि, 2009 में स्विच करने के बाद यह जल्द ही शुरू हो गया। यह स्पष्ट हो गया कि अपने स्वयं के संचालन को निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कार्यक्रमों ने इसमें शामिल कठिनाइयों को कम करके आंका था, विशेष रूप से प्लाज्मा अस्थिरता से निपटने और उपयुक्त सममित विस्फोट बनाने में। चूंकि एनआईएफ 2012 तक प्रज्वलन प्राप्त करने के अपने प्रारंभिक लक्ष्य से चूक गया था, इसलिए प्रयोगशाला की देखरेख करने वाले अमेरिकी राष्ट्रीय परमाणु सुरक्षा प्रशासन ने विस्फोट गतिशीलता को बेहतर ढंग से समझने के समय लेने वाले कार्य पर ध्यान केंद्रित करने के लिए उस उद्देश्य को एक तरफ रख दिया।

2021 की शुरुआत में, प्रायोगिक संशोधनों की एक श्रृंखला के बाद, हरिकेन और उनके सहयोगियों ने अंततः दिखाया कि वे लेजर का उपयोग करके एक जलता हुआ प्लाज्मा बना सकते हैं - जिसमें अल्फा कणों से निकलने वाली गर्मी बाहरी ऊर्जा आपूर्ति से अधिक होती है। इसके बाद उन्होंने आगे बदलावों की एक श्रृंखला बनाई, जिसमें होहलराम के लेजर प्रवेश छिद्र को सिकोड़ना और लेजर की चरम शक्ति को कम करना शामिल था। इसका प्रभाव कुछ एक्स-रे ऊर्जा को बाद में शॉट में स्थानांतरित करना था, जिसने परमाणु ईंधन में स्थानांतरित शक्ति को बढ़ा दिया - इसे विकिरण और प्रवाहकीय नुकसान को दूर करने के लिए पर्याप्त रूप से ऊपर धकेल दिया।

अगस्त 2021 में NIF शोधकर्ताओं ने अपना ऐतिहासिक "N210808" शॉट रिकॉर्ड किया। इस मामले में ईंधन के केंद्र में हॉटस्पॉट का तापमान लगभग 125 मिलियन केल्विन और ऊर्जा उपज 1.37 एमजे थी - जो कि वर्ष के शुरू में प्राप्त उनके पिछले सर्वोत्तम परिणाम से लगभग आठ गुना अधिक है। इस नई उपज में लेजर के 0.72 एमजे आउटपुट की तुलना में 1.97 का "लक्ष्य लाभ" और कैप्सूल द्वारा अवशोषित ऊर्जा पर विचार करने पर 5.8 का "कैप्सूल लाभ" निहित है। 

इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जहां तक ​​तूफान का सवाल है, यह प्रयोग प्रज्वलन के लिए लॉसन मानदंड के रूप में जाने जाने वाले मानक को भी पूरा करता है। पहली बार 1955 में इंजीनियर और भौतिक विज्ञानी जॉन लॉसन द्वारा रखी गई, यह उन स्थितियों को निर्धारित करती है जिनमें संलयन स्व-हीटिंग चालन और विकिरण के माध्यम से खोई गई ऊर्जा से अधिक होगी। हरिकेन का कहना है कि एनआईएफ के परिणाम जड़त्वीय कारावास संलयन के मानदंड के नौ अलग-अलग फॉर्मूलेशन को संतुष्ट करते हैं, जिससे "अस्पष्टता के बिना" प्रज्वलन का प्रदर्शन होता है।

तीन शॉट और आप बाहर

रिकॉर्ड तोड़ने वाले शॉट के बाद, एनआईएफ में हरिकेन और उसके कुछ साथी वैज्ञानिक अपनी सफलता को दोहराने के लिए उत्सुक थे। लेकिन लैब का प्रबंधन इतना उत्साहित नहीं था. के अनुसार मार्क हेरमैनतत्कालीन लिवरमोर के मौलिक हथियार भौतिकी के उप निदेशक, अगले चरणों का आकलन करने के लिए N210808 के मद्देनजर कई कार्य समूह स्थापित किए गए थे। उनका कहना है कि एक प्रबंधन टीम जिसमें जड़त्वीय कारावास में लगभग 10 विशेषज्ञ शामिल थे, ने उन निष्कर्षों को एक साथ निकाला और एक योजना तैयार की, जिसे सितंबर में प्रस्तुत किया गया।

हेरमैन का कहना है कि योजना में तीन भाग शामिल थे - N210808 को पुन: पेश करने का प्रयास; उन प्रायोगिक स्थितियों का विश्लेषण करना जिन्होंने रिकॉर्ड तोड़ने वाले शॉट को सक्षम बनाया; और "मजबूत मेगाजूल पैदावार" प्राप्त करने का प्रयास कर रहे हैं। पहले बिंदु की चर्चा में हेरमैन ने संलयन कार्यक्रम पर काम कर रहे लगभग 100 वैज्ञानिकों के बीच "राय की एक विशाल विविधता" के रूप में वर्णन किया। अंत में, "सीमित संसाधनों" और N210808 वाले बैच में लक्ष्यों की सीमित संख्या को देखते हुए, उनका कहना है कि प्रबंधन टीम ने केवल तीन अतिरिक्त शॉट्स पर समझौता किया।

हरिकेन की यादें थोड़ी अलग हैं, उनका कहना है कि चार बार दोहराव हुआ था। उनका कहना है कि उन प्रयोगों को लगभग तीन महीने की अवधि में किया गया और अगस्त में प्राप्त पैदावार के पांचवें हिस्से से लेकर लगभग आधे तक की पैदावार हासिल की गई। लेकिन उनका कहना है कि ये शॉट अभी भी "बहुत अच्छे प्रयोग" थे, उन्होंने यह भी कहा कि वे लॉसन मानदंड के कुछ फॉर्मूलेशन को भी पूरा करते हैं। उनका कहना है कि प्रदर्शन में अंतर "उतना द्विआधारी नहीं है जितना लोग चित्रित कर रहे हैं"।

प्लाज़्मा-कोटिंग प्रक्रिया एक नुस्खा है, इसलिए रोटी पकाने की तरह यह हर बार बिल्कुल एक जैसी नहीं निकलती है

उमर तूफान

आउटपुट में इस भारी भिन्नता के कारण के बारे में, हेरमैन का कहना है कि प्रमुख परिकल्पना ईंधन कैप्सूल में रिक्त स्थान और विभाजन है, जो औद्योगिक हीरे से बने होते हैं। वह बताते हैं कि इन खामियों को विस्फोट प्रक्रिया के दौरान बढ़ाया जा सकता है, जिससे हीरा गर्म स्थान में प्रवेश कर सकता है। यह देखते हुए कि कार्बन में ड्यूटेरियम या ट्रिटियम की तुलना में अधिक परमाणु संख्या होती है, यह अधिक कुशलता से विकिरण कर सकता है, जो गर्म स्थान को ठंडा करता है और प्रदर्शन को कम करता है। 

हरिकेन इस बात से सहमत है कि शॉट-टू-शॉट प्रदर्शन को अलग-अलग करने में हीरा संभवतः महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह इंगित करते हुए कि एनआईएफ के विस्फोटों की गैर-रैखिकता को देखते हुए आउटपुट में बड़े बदलाव की उम्मीद की जा सकती है, उनका कहना है कि इसमें शामिल वैज्ञानिक कैप्सूल के निर्माण के दौरान उपयोग की जाने वाली प्लाज्मा-कोटिंग प्रक्रिया को पूरी तरह से नहीं समझते हैं। "यह एक नुस्खा है," वह कहते हैं, "इसलिए रोटी पकाने की तरह यह हर बार बिल्कुल एक जैसा नहीं बनता है।"

संलयन ऊर्जा का मार्ग

हरिकेन का कहना है कि टीम अब कैप्सूल की गुणवत्ता में सुधार के अलावा एनआईएफ के आउटपुट को बढ़ाने के कई तरीकों की जांच कर रही है। इनमें कैप्सूल की मोटाई में बदलाव करना, होहलरम के आकार या ज्यामिति को बदलना, या संभवतः लक्ष्य के लिए आवश्यक सटीकता को कम करने के लिए लेजर पल्स ऊर्जा को लगभग 2.1 एमजे तक बढ़ाना शामिल है। उनका कहना है कि जब लक्ष्य लाभ की बात आती है तो "कोई जादुई संख्या नहीं" होती है, लेकिन यह भी कहते हैं कि जितना अधिक लाभ होगा उतना बड़ा पैरामीटर स्पेस होगा जिसे स्टॉकपाइल स्टीवर्डशिप करते समय खोजा जा सकता है। वह यह भी बताते हैं कि 1 के लाभ का मतलब यह नहीं है कि सुविधा शुद्ध ऊर्जा उत्पन्न कर रही है, यह देखते हुए कि लेजर आने वाली विद्युत ऊर्जा का कितना कम हिस्सा लक्ष्य पर प्रकाश में परिवर्तित करता है - एनआईएफ के मामले में, 1% से कम।

प्रज्वलन की लंबी सड़क

रोचेस्टर विश्वविद्यालय के माइकल कैंपबेल अमेरिका का मानना ​​है कि होहलराम और लक्ष्य में पर्याप्त सुधार को देखते हुए एनआईएफ "अगले 1-2 वर्षों में" कम से कम 5 का लाभ हासिल कर सकता है। लेकिन उनका तर्क है कि 50-100 के व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक लाभ तक पहुंचने के लिए संभवतः एनआईएफ के "अप्रत्यक्ष ड्राइव" से स्विच की आवश्यकता होगी, जो लक्ष्य को संपीड़ित करने के लिए एक्स-रे उत्पन्न करता है, संभावित रूप से अधिक कुशल लेकिन पेचीदा "प्रत्यक्ष ड्राइव" पर निर्भर करता है लेजर विकिरण ही.

कई अरब डॉलर की आवश्यकता होने की संभावना के बावजूद, कैंपबेल आशावादी है कि एक उपयुक्त डायरेक्ट-ड्राइव सुविधा 2030 के अंत तक ऐसे लाभ प्रदर्शित कर सकती है - विशेष रूप से, वह कहते हैं, अगर निजी क्षेत्र शामिल है। लेकिन वह आगाह करते हैं कि वाणिज्यिक बिजली संयंत्र शायद कम से कम सदी के मध्य तक काम करना शुरू नहीं करेंगे। "फ़्यूज़न ऊर्जा लंबी अवधि के लिए है," वे कहते हैं, "मुझे लगता है कि लोगों को चुनौतियों के बारे में यथार्थवादी होना होगा।"