ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન: સૂર્યની ઉર્જા પૃથ્વી પર લાવવાનો માનવજાતનો સૌથી મોટો પ્રયોગ

આપણા સૂર્ય અને તારાઓના કેન્દ્રમાં સતત ધસમસતી ઉર્જાનો અખૂટ સ્ત્રોત ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન (nuclear fusion) એટલે કે 'નાભિકીય સંયમન' છે. આ એક એવી પરમાણુ પ્રક્રિયા છે જેમાં બે કે તેથી વધુ હલકા પરમાણુઓના નાભિક (atomic nuclei) પરસ્પર જોડાઈને એક વધુ ભારે નાભિક બનાવે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન પ્રારંભિક પરમાણુઓ અને બનેલા નવા પરમાણુના દ્રવ્યમાન (mass) વચ્ચે થોડો તફાવત રહી જાય છે, જે ન્યુક્લિયર બાઇન્ડિંગ એનર્જીના નિયમ મુજબ પ્રચંડ ઉર્જા સ્વરૂપે મુક્ત થાય છે. બ્રહ્માંડમાં નિકલ (પરમાણુ ક્રમાંક ૨૮) કરતાં હલકા તમામ તત્વોનું નિર્માણ બિગ બેંગ અને તારાઓના કેન્દ્રમાં ચાલતી ફ્યુઝન પ્રક્રિયા દ્વારા જ થયું છે.

માનવજાત દાયકાઓથી પરમાણુ વિખંડન એટલે કે ન્યુક્લિયર ફિશન (nuclear fission) ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને વીજળી મેળવે છે, જેમાં યુરેનિયમ જેવા ભારે તત્વોના અણુઓને તોડવામાં આવે છે. પરંતુ ફ્યુઝન પ્રક્રિયા તેનાથી સાવ વિપરીત છે. ફ્યુઝનમાં હાઇડ્રોજનના આઇસોટોપ જેવા અતિ હલકા અણુઓને જોડવામાં આવે છે. માત્ર ૧ ગ્રામ ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમના મિશ્રણમાંથી ફ્યુઝન દ્વારા ૯૦,૦૦૦ કિલોવોટ-અવર (kWh) ઉર્જા ઉત્પન્ન કરી શકાય છે, જે આશરે ૧૧ ટન કોલસો બાળવાથી મળતી ઉર્જા બરાબર છે. સૌથી મહત્ત્વની વાત એ છે કે આ પ્રક્રિયામાં કોઈ કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું ઉત્સર્જન થતું નથી, અણુભઠ્ઠી પીગળી જવાની (meltdown) કોઈ શક્યતા રહેતી નથી અને રેડિયોએક્ટિવ કચરો પણ ખૂબ ઓછા સમય માટે જ અસરકારક રહે છે.

ફ્યુઝનની પ્રક્રિયા કેવી રીતે કામ કરે છે?

કુદરતમાં પરમાણુના નાભિક ધન વીજભાર ધરાવતા હોવાથી એકબીજાને ભારે બળથી દૂર ધકેલે છે, જેને કુલંબ અપાકર્ષણ (Coulomb repulsion) કહેવાય છે. ફ્યુઝન પ્રક્રિયા શક્ય બનાવવા માટે આ અપાકર્ષણને પાર કરીને અણુઓને એટલા નજીક લાવવા પડે છે જેથી શક્તિશાળી ન્યુક્લિયર બળ (strong nuclear force) કામ કરી શકે. આ માટે થર્મોન્યુક્લિયર ફ્યુઝન (thermonuclear fusion) પ્રક્રિયા હાથ ધરવી પડે છે, જેના માટે અત્યંત ઊંચું તાપમાન (સો મિલિયન કેલ્વિન અથવા કિલોઇલેક્ટ્રોનવોલ્ટ સ્તર), ઊંચી ઘનતા અને જરૂરી સંયમન સમય (confinement time) ના ત્રિપલ પ્રોડક્ટ (triple product) ની જરૂર પડે છે.

જ્યારે વાયુને આટલા પ્રચંડ તાપમાને ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે દ્રવ્યની ચોથી અવસ્થા એટલે કે પ્લાઝમા (plasma - આયનીકૃત વાયુ) માં રૂપાંતરિત થાય છે. આ પ્લાઝમામાં અણુઓ ક્વોન્ટમ ટનલિંગ (quantum tunneling) ની પ્રક્રિયા દ્વારા એકબીજા સાથે જોડાઈ જાય છે. ભૌતિકશાસ્ત્રી ફ્રિડરિક હુંડે ૧૯૨૭માં ક્વોન્ટમ ટનલિંગ શોધ્યું હતું અને ૧૯૨૮માં જ્યોર્જ ગેમોવે તેને પરમાણુ નાભિક પર લાગુ કર્યું હતું. ફ્યુઝન માટે સૌથી સાનુકૂળ પ્રક્રિયા ડ્યુટેરિયમ (21D) અને ટ્રિટિયમ (31T) વચ્ચેની છે, જેમાંથી હેલિયમ (42He) અને ૧૪ MeV ઉર્જા ધરાવતા ન્યુટ્રોન મુક્ત થાય છે.

ડ્યુટેરિયમ દરિયાના પાણીમાંથી વિપુલ પ્રમાણમાં મળી રહે છે, જ્યારે ટ્રિટિયમ પ્રકૃતિમાં અતિ અલ્પ માત્રામાં હોય છે. વિશ્વમાં કેન્ડુ (CANDU) નાભિકિય રિએક્ટરો દ્વારા વાર્ષિક માત્ર ૨૦ કિલોગ્રામ ટ્રિટિયમ ઉત્પન્ન થાય છે. આથી ભવિષ્યના ફ્યુઝન રિએક્ટરોમાં લિથિયમ બ્લેન્કેટનો ઉપયોગ કરીને રિએક્ટરની અંદર જ ટ્રિટિયમ ઉત્પન્ન કરવાની ટેકનોલોજી વિકસાવવામાં આવી રહી છે, જેને જેટર સાયકલ (Jetter cycle) કહેવામાં આવે છે.

વૈજ્ઞાનિક શોધથી લશ્કરી શસ્ત્રો અને શાંતિપૂર્ણ ઉર્જા સુધીનો પ્રવાસ

અમેરિકન રસાયણશાસ્ત્રી વિલિયમ ડ્રેપર હાર્કિન્સે ૧૯૧૫માં સૌપ્રથમ ન્યુક્લિયર ફ્યુઝનનો ખ્યાલ રજૂ કર્યો હતો. ૧૯૧૯માં ફ્રાન્સિસ વિલિયમ એસ્ટને માસ સ્પેક્ટ્રોમીટરની શોધ કરી, જેનાથી ખબર પડી કે ચાર હાઇડ્રોજન પરમાણુનું વજન એક હેલિયમ પરમાણુ કરતાં વધુ હોય છે. આના આધારે ૧૯૨૦માં આર્થર એડિંગટને આગાહી કરી કે તારાઓની ઉર્જાનો મુખ્ય સ્ત્રોત હાઇડ્રોજનનું હેલિયમમાં ફ્યુઝન જ છે. ૧૯૩૮-૩૯માં હાન્સ બેથે પ્રોટોન-પ્રોટોન ચેઇન અને CNO સાયકલની શોધ કરી દર્શાવ્યું કે સૂર્ય અને અન્ય તારાઓમાં ફ્યુઝન કેવી રીતે ચાલે છે.

પ્રયોગશાળામાં ૧૯૩૨માં જોન કોકક્રોફ્ટ અને અર્નેસ્ટ વોલ્ટને લિથિયમ પર પ્રોટોનનો મારો ચલાવીને પ્રથમ કૃત્રિમ અણુ વિઘટન કર્યું. ૧૯૩૩માં યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા ખાતે અર્નેસ્ટ લોરેન્સે સાયક્લોટ્રોન પ્રયોગો દરમિયાન આકસ્મિક રીતે પ્રથમ ડ્યુટેરિયમ-ડ્યુટેરિયમ ફ્યુઝન મેળવ્યું. મે ૧૯૩૪માં માર્ક ઓલિફન્ટ, પોલ હાર્ટેક અને અર્નેસ્ટ રધરફોર્ડે હેતુપૂર્વક ડ્યુટેરિયમ ફ્યુઝન કરીને ટ્રિટિયમ અને હેલિયમ-૩ ની શોધ કરી, જેને ફ્યુઝનનું પ્રથમ સફળ પ્રાયોગિક પ્રાકટ્ય માનવામાં આવે છે. ૧૯૩૮માં આર્થર રૂહલિગે પ્રથમ વખત ડ્યુટેરિયમ-ટ્રિટિયમ (D-T) પ્રક્રિયા જોઈ.

બીજા વિશ્વયુદ્ધ દરમિયાન મેનહટન પ્રોજેક્ટ હેઠળ ફ્યુઝનના લશ્કરી ઉપયોગ પર સંશોધન શરૂ થયું. એન્રિકો ફર્મી અને એડવર્ડ ટેલરે ફિશન બોમ્બની ગરમીથી ફ્યુઝન શરૂ કરવાનો વિચાર કર્યો. ૧૯૫૨માં અમેરિકાએ આઇવી માઇક (Ivy Mike) નામના પ્રથમ થર્મોન્યુક્લિયર પ્રયોગમાં ૧૦ મેગાટન ટીએનટી સમાન વિસ્ફોટ કર્યો. ત્યારબાદ ૧૯૫૪માં કાસ્ટેલ બ્રાવો (Castle Bravo) ટેસ્ટમાં ૧૫ મેગાટનનો વિસ્ફોટ કરાયો. સોવિયેત યુનિયને ૧૯૫૩માં RDS-6s અને ૧૯૫૫માં RDS-37 હાઇડ્રોજન બોમ્બના સફળ પરીક્ષણો કર્યા.

પરંતુ શાંતિપૂર્ણ ઉર્જા માટે નિયંત્રિત ફ્યુઝન મેળવવાનો પ્રયાસ ૧૯૩૦ના દાયકાથી ચાલી રહ્યો છે. ૧૯૫૮માં લોસ એલામોસના સાયલા-૧ (Scylla I) ઉપકરણમાં પ્રયોગશાળા સ્તરે પ્રથમ થર્મોન્યુક્લિયર ફ્યુઝન થયું. ૧૯૯૩-૧૯૯૬ દરમિયાન પ્રિન્સટન યુનિવર્સિટીના TFTR રિએક્ટરે ૧૦.૩ મેગાવોટ (MW) પીક પાવર અને ૧.૬ ગિગાજોલ (GJ) ઉર્જા ઉત્પન્ન કરી. ૧૯૯૭માં બ્રિટનના જેઇટી (JET) ટોકમેકે ૧૬ મેગાવોટ પીક પાવર અને ૧.૩ નો કોર Q-ફેક્ટર મેળવ્યો. ફેબ્રુઆરી ૨૦૨૪માં જાહેર કરાયેલા પરિણામ મુજબ, JET એ માત્ર ૦.૨ મિલિગ્રામ D-T બળતણનો ઉપયોગ કરીને ૬૯ મેગાજોલ (MJ) ઉર્જા ઉત્પન્ન કરવાનો રેકોર્ડ બનાવ્યો હતો.

લેઝર આધારિત ઇનર્શિયલ કન્ફાઇનમેન્ટ ફ્યુઝનમાં યુએસ નેશનલ ઇગ્નિશન ફેસિલિટી (NIF) એ ૫ ડિસેમ્બર ૨૦૨૨ના રોજ ઐતિહાસિક સફળતા મેળવી. તેમણે ટાર્ગેટ પર ૨.૦૫ મેગાજોલ ઉર્જા આપીને ૩.૧૫ મેગાજોલ ફ્યુઝન ઉર્જા મેળવી, એટલે કે પ્રથમ વખત આપેલ ઉર્જા કરતાં વધુ ઉર્જા (net energy gain) મેળવી. એપ્રિલ ૨૦૨૫માં NIF એ ૪.૧૩ નો Q-ફેક્ટર હાંસલ કર્યો. ફ્રાન્સના WEST ટોકમેક રિએક્ટરે ૯૦ મિલિયન ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને પ્લાઝમાને સતત ૬ મિનિટ સુધી જાળવી રાખવાનો રેકોર્ડ બનાવ્યો છે.

ITER: માનવ ઇતિહાસનો સૌથી જટિલ વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગ

નિયંત્રિત ફ્યુઝનમાંથી વાણિજ્યિક વીજળી ઉત્પન્ન કરવાના હેતુથી વિશ્વનો સૌથી મોટો પ્રયોગ ITER (અગાઉ ઇન્ટરનેશનલ થર્મોન્યુક્લિયર એક્સપેરિમેન્ટલ રિએક્ટર) ફ્રાન્સના કાડારાશ (Cadarache) ખાતે આકાર લઈ રહ્યો છે. લ્યુટિન ભાષામાં ITER નો અર્થ 'માર્ગ' અથવા 'રસ્તો' થાય છે. આ પ્રોજેક્ટની સ્થાપના પાછળ એક રસપ્રદ રાજદ્વારી ઇતિહાસ છે. ૧૯૭૮માં INTOR પ્રોજેક્ટથી શરૂ થયેલી ચર્ચાને ૧૯૮૫માં સોવિયેત યુનિયનના જનરલ સેક્રેટરી મિખાઇલ ગોર્બાચોવ અને અમેરિકી પ્રમુખ રોનાલ્ડ રેગન વચ્ચે જેનેવા સમિટમાં આખરી ઓપ આપવામાં આવ્યો હતો. અમેરિકાના એલ્વિન ટ્રાઇવેલપીસ અને રશિયાના યેવગેની વેલિખોવ જેવા વૈજ્ઞાનિકોએ આ સાયન્સ ડિપ્લોમસીમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવી હતી. ટોકમેક (tokamak) નો મૂળ ખ્યાલ નોબેલ પુરસ્કાર વિજેતા આંદ્રેઈ સાખારોવ અને ઇગોર ટામ દ્વારા આપવામાં આવ્યો હતો.

ITER પ્રોજેક્ટમાં સાત મુખ્ય ભાગીદારો છે: ચીન, યુરોપિયન યુનિયન (EU), ભારત, જાપાન, રશિયા, દક્ષિણ કોરિયા અને યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ. તે વિશ્વનું સૌથી મોટું ટોકમેક રિએક્ટર હશે, જેનો પ્લાઝમા વોલ્યુમ જાપાનના JT-60SA રિએક્ટર કરતાં પણ છ ગણો મોટો હશે. ટોકમેક એ ડોનટ (donut) આકારની એક શક્તિશાળી ચુંબકીય ચેમ્બર છે જેમાં અતિ ગરમ પ્લાઝમાને સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ વડે હવામાં તરતો રાખવામાં આવે છે જેથી તે ચેમ્બરની દીવાલોને સ્પર્શે નહીં.

ITER નો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય વીજળી ઉત્પન્ન કરવાનો નથી, પરંતુ સાયન્ટિફિક ડેમોન્સ્ટ્રેશન કરવાનો છે. તેનો લક્ષ્યાંક Q = ૧૦ હાંસલ કરવાનો છે. Q-ફેક્ટર એટલે પ્લાઝમાને આપેલી હીટિંગ ઉર્જા અને ફ્યુઝનમાંથી મળતી થર્મલ ઉર્જાનો ગુણોત્તર. ITER માં ૫૦ મેગાવોટ (MW) થર્મલ પાવર આપવાથી ૫૦૦ મેગાવોટ ફ્યુઝન હીટ ઉત્પન્ન થશે, જે ૪૦૦ થી ૬૦૦ સેકન્ડ સુધી સતત જળવાઈ રહેશે. આ ઉપરાંત તે 'બર્નિંગ પ્લાઝમા' (burning plasma) ની સ્થિતિ મેળવશે, જેમાં પ્લાઝમાને ગરમ રાખવા માટે પચાસ ટકાથી વધુ ઉર્જા બાહ્ય હીટિંગને બદલે અંદર ચાલતી ફ્યુઝન પ્રક્રિયામાંથી જ મળે છે.

આંકડાઓ, સુધારેલું સમયપત્રક અને ખર્ચ

ITER પ્રોજેક્ટ એ માનવ ઇતિહાસનું સૌથી જટિલ એન્જિનિયરિંગ સાહસ છે. પ્રોજેક્ટની શરૂઆતમાં ૨૦૦૬માં તેનો અંદાજિત ખર્ચ આશરે €૫ થી €૬ અબજ (બિલિયન યુરો) હતો. પરંતુ ડિઝાઇનમાં ફેરફારો, કાચા માલના વધતા ભાવ અને ટેકનિકલ પડકારોના કારણે હવે તેનો કુલ નિર્માણ અને કામગીરી ખર્ચ €૧૮ થી €૨૨ અબજ સુધી પહોંચ્યો છે (કેટલાક સ્વતંત્ર અંદાજો મુજબ આ ખર્ચ $૪૫ થી $૬૫ અબજ હોઈ શકે છે). આંતરરાષ્ટ્રીય સ્પેસ સ્ટેશન ($૧૫૦ અબજ) પછી આ માનવજાતનો સૌથી મોંઘો વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગ છે.

આ રિએક્ટર ચલાવવા માટે પ્રારંભિક તબક્કે ૧૧૦ મેગાવોટથી લઈને પ્લાઝમા ઓપરેશન દરમિયાન ૩૦ સેકન્ડના સમયગાળા માટે ૬૨૦ મેગાવોટ જેટલી પ્રચંડ વીજળીની જરૂર પડશે. પરંતુ સંશોધન રિએક્ટર હોવાથી આમાંથી મળતી ઉર્જામાંથી વીજળી બનાવવાને બદલે તેને વરાળ સ્વરૂપે વાતાવરણમાં છોડી દેવાશે.

વર્ષ ૨૦૧૩થી ફ્રાન્સમાં શરૂ થયેલા બાંધકામ બાદ ૨૦૨૦માં ટોકમેકના એસેમ્બલી તબક્કાનો પ્રારંભ ફ્રેન્ચ પ્રમુખ ઇમેન્યુઅલ મેક્રોન દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો. જુલાઈ ૨૦૨૪ના સુધારેલા સમયપત્રક મુજબ, ITER ૨૦૩૩-૨૦૩૪માં પ્રથમ પ્લાઝમા મેળવશે અને ૨૦૩૫માં ડ્યુટેરિયમ-ડ્યુટેરિયમ પ્રયોગો શરૂ કરશે. પૂર્ણ કક્ષાનું ડ્યુટેરિયમ-ટ્રિટિયમ (D-T) ફ્યુઝન ૨૦૩૯થી શરૂ થવાની અપેક્ષા છે.

સરકારી પ્રયોગો ઉપરાંત ખાનગી ક્ષેત્ર પણ ફ્યુઝનમાં મોટું રોકાણ કરી રહ્યું છે. માત્ર ૨૦૨૧ના વર્ષમાં જ ખાનગી ફ્યુઝન સ્ટાર્ટઅપ્સ જેવા કે Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, General Fusion, TAE Technologies અને Zap Energy ને $૨.૬ અબજનું પ્રાઇવેટ ફંડિંગ મળ્યું હતું.

ભારત અને વિશ્વ માટે ફ્યુઝનનું ભવિષ્ય

ભારત ITER પ્રોજેક્ટનો ૧૦% થી વધુ હિસ્સો ધરાવતો સક્રિય ભાગીદાર દેશ છે. ભારતે ITER માટે વિશ્વનું સૌથી મોટું સ્ટેનલેસ સ્ટીલ વેક્યુમ પાત્ર (Cryostat), ઇન-વાસેલ શિલ્ડિંગ અને ક્રાયોજેનિક સિસ્ટમ્સ બનાવીને મોકલી આપી છે, જે પ્લાઝમાને માઇનસ ૧૯૩ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને ઠંડુ રાખવામાં મદદ કરે છે.

ITER ના પ્રયોગો સફળ થયા પછી EUROfusion દ્વારા DEMO (Demonstration Power Plant) નામના રિએક્ટરનું નિર્માણ કરવામાં આવશે. DEMO એ વિશ્વની પ્રથમ એવી ફ્યુઝન ભઠ્ઠી હશે જે ખરેખર પાવર ગ્રીડ માટે વીજળી ઉત્પન્ન કરશે. વાણિજ્યિક પાવર પ્લાન્ટ્સ માટે ઇજનેરો ગણતરી કરે છે કે Q-ફેક્ટર ૧૦૦ જેટલો હોવો જોઈએ જેથી પ્લાઝમા હીટિંગ, ચુંબકો અને ક્રાયોજેનિક્સનો તમામ બાહ્ય વીજ વપરાશ બાદ કર્યા પછી પણ ચોખ્ખી નફાકારક વીજળી મેળવી શકાય.

હવામાન પરિવર્તન અને ઉર્જા સંકટના આ યુગમાં, જો માનવજાત ન્યુક્લિયર ફ્યુઝનને સફળતાપૂર્વક પૃથ્વી પર ઉતારી શકશે, તો તે માનવ સભ્યતાના ઇતિહાસની સૌથી મોટી વૈજ્ઞાનિક ક્રાંતિ સાબિત થશે—એક એવી ઉર્જા જે ક્યારેય ખૂટશે નહીં અને પૃથ્વીના પર્યાવરણને સહેજ પણ નુકસાન પહોંચાડશે નહીં.