પૃથ્વી પર કૃત્રિમ સૂર્યનું સર્જન: ITER ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન રિયરેક્ટરની સંપૂર્ણ તકનીકી સમજૂતી

ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન (nuclear fusion): અણુઓના કેન્દ્રને જોડવાની પ્રક્રિયા એ માનવજાત માટે અસીમ અને સ્વચ્છ ઊર્જાનો સર્વોચ્ચ સ્ત્રોત માનવામાં આવે છે. સૂર્ય અને તારાઓના કેન્દ્રમાં જે અણુ-સંમિશ્રણની પ્રક્રિયાથી કરોડો વર્ષોથી પ્રકાશ અને ગરમી પેદા થાય છે, તેને પૃથ્વી પર પ્રયોગશાળામાં પુનરાવર્તિત કરવાનો સૌથી મોટો આંતરરાષ્ટ્રીય પ્રયાસ એટલે ITER (ઇન્ટરનેશનલ થર્મોન્યુક્લિયર એક્સપેરિમેન્ટલ રિયરેક્ટર). દક્ષિણ ફ્રાન્સના કેડારાચે (Cadarache) રિસર્ચ સેન્ટર નજીક નિર્માણધીન આ સુપર-પ્રોજેક્ટ માનવ ઇતિહાસનો સૌથી જટિલ અને મોંઘો વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગ છે. ITER શબ્દનો લેટિન ભાષામાં અર્થ "રસ્તો" અથવા "માર્ગ" થાય છે, જે ભવિષ્યની ઊર્જા સક્ષમતા તરફનો માર્ગ દર્શાવે છે.

ITER નું નિર્માણ કામ ઈ.સ. ૨૦૧૩ થી શરૂ થયું હતું અને તેના મુખ્ય ટોકમાક (tokamak): પ્લાઝમાને ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે કેદ રાખતી ડૂનટ આકારની ચેમ્બર - ના એસેમ્બલીની શરૂઆત ૨૦૨૦ માં થઈ હતી. આ પ્રોજેક્ટનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય વીજળી ઉત્પન્ન કરવાનો નથી, પરંતુ એક વિશાળ ફ્યુઝન રિયરેક્ટરની તકનીકી અને વૈજ્ઞાનિક ક્ષમતા સાબિત કરવાનો છે. ૨૦૩૩-૨૦૩૪ ના સમયગાળામાં રિયરેક્ટર પોતાનું પ્રથમ પ્લાઝમા (plasma): અતિશય ઊંચા તાપમાને ઇલેક્ટ્રોન અને ન્યુક્લિયસ મુક્ત થઈને બનતી પદાર્થની ચોથી અવસ્થા - પ્રાપ્ત કરશે. જ્યારે આ રિયરેક્ટર પૂર્ણ રીતે કાર્યરત થશે ત્યારે તેનો પ્લાઝમા વોલ્યુમ (પ્રમાણ) જાપાનના JT-60SA રિયરેક્ટર કરતાં પણ ૬ ગણું મોટું હશે, જે હાલમાં વિશ્વનું સૌથી મોટું ટોકમાક છે.

ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન વિરુદ્ધ ફિશન: તફાવત અને ફાયદા

ન્યુક્લિયર ઊર્જા મેળવવા માટે વર્તમાન સમયમાં વપરાતી ફિશન (fission): અણુના કેન્દ્રને તોડીને ઊર્જા મેળવવાની પદ્ધતિ કરતાં ફ્યુઝન તકનીક સાવ અલગ અને સલામત છે. હાલના અણુમથકોમાં યુરેનિયમ જેવા ભારે અણુના કેન્દ્રને તોડીને ઊર્જા મુક્ત કરવામાં આવે છે, જેમાં રેડિયોએક્ટિવ કચરો લાંબા સમય સુધી ખતરનાક રહે છે. એનાથી વિપરીત, ફ્યુઝન પ્રક્રિયામાં ડ્યુટેરિયમ (deuterium): હાઇડ્રોજનનો ભારે આઇસોટોપ અને ટ્રિટિયમ (tritium): હાઇડ્રોજનનો રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ જેવા હળવા આઇસોટોપના ન્યુક્લિયસને અતિશય તાપમાને જોડીને હિલિયમ અણુ બનાવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયામાં માત્ર ૧ ગ્રામ ડ્યુટેરિયમ-ટ્રિટિયમનું બળતણ મિશ્રણ ૯૦,૦૦૦ કિલોવોટ-અવર (kWh) ઊર્જા પેદા કરી શકે છે, જે આશરે ૧૧ ટન કોલસો બાળવાથી મળતી ઊર્જા બરાબર છે.

આ બળતણનો સૌથી મોટો ફાયદો તેની ઉપલબ્ધતા છે. ડ્યુટેરિયમને દરિયાના પાણીમાંથી સરળતાથી અલગ કરી શકાય છે, જે અખૂટ સ્ત્રોત છે. જ્યારે ટ્રિટિયમ કુદરતમાં ખૂબ જૂજ પ્રમાણમાં (વાર્ષિક માત્ર ૨૦ કિલોગ્રામ, જે મોટે ભાગે CANDU નામના હેવી-વોટર ફિશન રિયરેક્ટર્સમાંથી મળે છે) મળે છે. આ જટિલતાને પહોંચી વળવા માટે ITER માં ટ્રિટિયમ બ્રીડિંગ બ્લેન્કેટ (tritium breeding blanket) ટેકનોલોજીનું પરીક્ષણ કરવામાં આવશે, જેનાથી ભવિષ્યના ફ્યુઝન રિયરેક્ટર્સ રિયરેક્ટરની અંદર જ પોતાનું ટ્રિટિયમ બનાવી શકશે. આ ઉપરાંત, ફ્યુઝન રિયરેક્ટરમાં કોઈ પણ પ્રકારનું કાર્બન ઉત્સર્જન થતું નથી, મેલ્ટડાઉનનો કોઈ ભય નથી અને તેનો રેડિયોએક્ટિવ કચરો ખૂબ જ ટૂંકા ગાળામાં નિષ્ક્રિય થઈ જાય છે.

ટોકમાક ડિઝાઇન અને કામગીરીની પ્રક્રિયા

કંટ્રોલ્ડ થર્મોન્યુક્લિયર ફ્યુઝન પ્રાપ્ત કરવા માટે અતિશય ઊંચું તાપમાન (આશરે ૧૫ કરોડ ડિગ્રી સેલ્સિયસ), યોગ્ય ઘનતા અને પ્લાઝમાને કેદ રાખવાનો સમય - આ ત્રણ બાબતોનું ત્રિપલ પ્રોડક્ટ જરૂરી છે. આટલા અતિશય તાપમાને કોઈપણ ભૌતિક પદાર્થ ઓગળી જાય, તેથી ભૌતિક દિવાલોને સ્પર્શ કર્યા વગર પ્લાઝમાને સ્થિર રાખવો એ સૌથી મોટો પડકાર છે. આ માટે ITER માં સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ (superconducting magnets): શૂન્ય અવરોધે કામ કરતાં અતિ-શક્તિશાળી ચુંબકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ ચુંબકીય ક્ષેત્ર પ્લાઝમાને ચેમ્બરની મધ્યમાં હવામાં અધ્ધર કેદ રાખે છે.

ITER ની મુખ્ય ધ્યેય રેખા ક્યુ-ફેક્ટર (Q-factor / fusion energy gain): પ્લાઝમાને આપેલી ઉષ્મા અને ફ્યુઝનથી ઉત્પન્ન થયેલી ઉષ્માનો ગુણોત્તર ૧૦ મેળવવાની છે. જો Q = ૧ થાય તો તેને બ્રેક-ઈવન (breakeven) કહેવાય. ITER નું આયોજન એવું છે કે તે ૩૦૦ MW કરતાં વધુ વીજળીનો વપરાશ કરીને પ્લાઝમામાં ૫૦ MW થર્મલ પાવર શોષિત કરશે અને બદલામાં ૪૦૦ થી ૬૦૦ સેકન્ડ સુધી ૫૦૦ MW ફ્યુઝન ઉષ્મા ઊર્જા ઉત્પન્ન કરશે. આ રીતે Q ≥ ૧૦ નો ગુણોત્તર પ્રાપ્ત થશે. આ સાથે રિયરેક્ટર બર્નિંગ પ્લાઝમા (burning plasma): પ્લાઝમાની એવી સ્થિતિ જ્યાં બહારથી ગરમી આપ્યા વગર ફ્યુઝન પ્રક્રિયા પોતે જ પ્લાઝમાને ગરમ રાખે છે તે પ્રાપ્ત કરશે.

મુખ્ય સ્પેસિફિકેશન અને ઊર્જાના આંકડા

અત્યાર સુધીના ટોકમાક રિયરેક્ટર્સમાં બ્રિટનના JET (જ્યોઇન્ટ યુરોપિયન ટોરસ) રિયરેક્ટરે ૧૯૯૭ માં ૧૬ MW ની પીક ફ્યુઝન શક્તિ પ્રાપ્ત કરી હતી અને Q-મૂલ્ય ૦.૬૭ મેળવ્યું હતું. ૨૦૨૩ માં JET એ ૬૯ Megajoules (MJ) ફ્યુઝન ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવાનો રેકોર્ડ બનાવ્યો હતો. બીજી તરફ, અમેરિકાની National Ignition Facility (NIF) એ લેસર આધારિત ઇનર્શિયલ કન્ફાઇનમેન્ટ ફ્યુઝન દ્વારા ઓગસ્ટ ૨૦૨૧ માં પ્રથમ વખત બર્નિંગ પ્લાઝમા મેળવ્યું અને ડિસેમ્બર ૨૦૨૨ માં બ્રેક-ઈવન حاصل કરીને ૨.૦૫ MJ ઉર્જા સામે ૩.૧૫ MJ ઉર્જા પેદા કરી હતી. NIF એ એપ્રિલ ૨૦૨૫ માં ક્યુ-મૂલ્ય ૪.૧૩ સુધી પહોંચવાનો રેકોર્ડ બનાવ્યો હતો. ITER નો લક્ષ્યાંક Q = ૧૦ મેળવીને આ ક્ષેત્રમાં નવો ઇતિહાસ રચવાનો છે.

રિયરેક્ટરના સંચાલન માટે અતિ-વિશાળ ક્રાયોજેનિક્સ (cryogenics): અતિશય નીચા તાપમાને ઠંડક આપવાની તકનીક સિસ્ટમ, રિમોટ હેન્ડલિંગ ટૂલ્સ, ડાયગ્નોસ્ટિક્સ અને ગરમી કંટ્રોલની જરૂર પડે છે. પ્લાઝમા ઓપરેશન દરમિયાન રિયરેક્ટરનો વીજ વપરાશ ૧૧૦ MW થી શરૂ કરીને ૩૦ સેકન્ડના ગાળા માટે ૬૨૦ MW ની પીક લિમિટ સુધી પહોંચી શકે છે. આ રિયરેક્ટર પ્રયોગાત્મક હોવાથી તેમાંથી મળતી ગરમીમાંથી વીજળી બનાવવામાં આવશે નહીં, પરંતુ ગરમીને કૂલિંગ ટાવર્સ દ્વારા બહાર ફેંકી દેવાશે. ITER ની સફળતા બાદ EUROfusion ના નેતૃત્વ હેઠળ તેનો ઉત્તરાધિકારી DEMO રિયરેક્ટર બનશે, જે ગ્રીડમાં વીજળી સપ્લાય કરનાર પ્રથમ ફ્યુઝન પાવર પ્લાન્ટ બનશે.

આંતરરાષ્ટ્રીય સહયોગ અને ભારતનું સ્થાન

ITER ની સ્થાપના પાછળ એક ખાસ આંતરરાષ્ટ્રીય વિજ્ઞાન મુત્સદ્દીગીરીનો ઇતિહાસ છે. ઈ.સ. ૧૯૭૮ ના INTOR પ્રોજેક્ટ બાદ, નવેમ્બર ૧૯૮૫ ના જીનીવા સમિટમાં સોવિયેત યુનિયનના જનરલ સેક્રેટરી મિખાઇલ ગોર્બાચોવ અને યુએસ પ્રમુખ રોનાલ્ડ રીગન વચ્ચે આંતરરાષ્ટ્રીય ફ્યુઝન પ્રોજેક્ટ હાથ ધરવા અંગે ઐતિહાસિક સહમતિ થઈ હતી. અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી આલ્વિન ટ્રાઇવેલપીસ અને રશિયન વૈજ્ઞાનિક એવજેની વેલીખોવના પ્રયાસોને લીધે આ વિશાળ પ્રોજેક્ટ આકાર પામ્યો. આ પ્રોજેક્ટમાં એન્ડ્રેઈ સખારોવ અને ઇગોર તામ દ્વારા શોધાયેલી ટોકમાક ડિઝાઇનને જ આધાર બનાવવામાં આવી હતી.

આજે ITER પ્રોજેક્ટમાં સાત મુખ્ય ભાગીદારો સામેલ છે: ચીન, યુરોપિયન યુનિયન (EU), ભારત, જાપાન, રશિયા, દક્ષિણ કોરિયા અને યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ (USA). આ પ્રોજેક્ટનો પ્રારંભિક બજેટ અંદાજ ૫ થી ૬ અબજ યુરો હતો, પરંતુ ડિઝાઇન ફેરફારો અને વિલંબને કારણે હાલમાં તેનો બાંધકામ અને સંચાલન ખર્ચ ૧૮ થી ૨૨ અબજ યુરો (કેટલાક અંદાજો અનુસાર $૪૫ થી $૬૫ અબજ) સુધી પહોંચ્યો છે. આ ખર્ચની દ્રષ્ટિએ ITER આંતરરાષ્ટ્રીય સ્પેસ સ્ટેશન ($૧૫૦ અબજ) પછીનો માનવજાતનો સૌથી મોંઘો વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગ છે.

ભારત ITER પ્રોજેક્ટનો પૂર્ણ ભાગીદાર દેશ છે. ભારતે રિયરેક્ટરના સૌથી મોટા અને જટિલ ઘટકોમાંના એક એવા ક્રાયોસ્ટેટ (cryostat) - જે રિયરેક્ટરને અત્યંત નીચા તાપમાને ઠંડુ રાખતું સૌથી મોટું વેક્યૂમ વેસલ છે - તેનું નિર્માણ અને સપ્લાય કરીને વિશ્વ સ્તરે પોતાની શ્રેષ્ઠ એન્જિનિયરિંગ ક્ષમતા સાબિત કરી છે. આ ઉપરાંત ભારતીય વૈજ્ઞાનિકો ઇન-વોલ શિલ્ડિંગ, રેડિયો ફ્રીક્વન્સી હીટિંગ સિસ્ટમ્સ અને કૂલિંગ વોટર સિસ્ટમ્સના નિર્માણમાં મહત્વપૂર્ણ યોગદાન આપી રહ્યા છે. જો ૨૦૩૫ પછી ITER માં Q = ૧૦ નો લક્ષ્યાંક સફળતાપૂર્વક સિદ્ધ થઈ જશે, તો તે માનવજાતને પરંપરાગત બળતણ પરની નિર્ભરતામાંથી મુક્તિ અપાવીને સ્વચ્છ ઊર્જાના નવા યુગની શરૂઆત કરશે.