पृथ्वी पर कृत्रिम सूर्य का सृजन: ITER न्यूक्लियर फ्यूजन रिएक्टर की संपूर्ण तकनीकी व्याख्या

नुकलेयर फ्यूजन (nuclear fusion): परमाणुओं के केंद्र को आपस में जोड़ने की प्रक्रिया को मानव जाति के लिए असीम और स्वच्छ ऊर्जा का सर्वोच्च स्रोत माना जाता है। सूर्य और तारों के केंद्र में जिस अणु-संमिश्रण (फ्यूजन) की प्रक्रिया से करोड़ों वर्षों से प्रकाश और गर्मी पैदा होती है, उसे पृथ्वी पर प्रयोगशाला में दोहराने का सबसे बड़ा अंतरराष्ट्रीय प्रयास यानी ITER (इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर) है। दक्षिण फ्रांस के कदाच (Cadarache) रिसर्च सेंटर के पास निर्माणाधीन यह सुपर-प्रोजेक्ट मानव इतिहास का सबसे जटिल और महंगा वैज्ञानिक प्रयोग है। ITER शब्द का लैटिन भाषा में अर्थ "रास्ता" या "मार्ग" होता है, जो भविष्य की ऊर्जा सक्षमता की तरफ का मार्ग दर्शाता है।

ITER का निर्माण कार्य ई.स. २०१३ से शुरू हुआ था और उसके मुख्य टोकाмак (tokamak): प्लाज्मा को चुंबकीय क्षेत्र द्वारा कैद रखने वाली डोनट आकार की चैंबर - के असेंबली की शुरुआत २०२० में हुई थी। इस प्रोजेक्ट का मुख्य उद्देश्य बिजली उत्पन्न करना नहीं है, बल्कि एक विशाल फ्यूजन रिएक्टर की तकनीकी और वैज्ञानिक क्षमता साबित करना है। २०३३-२०३४ की समयावधि में रिएक्टर अपना पहला प्लाज्मा (plasma): अत्यधिक ऊंचे तापमान पर इलेक्ट्रॉन और न्यूक्लियस मुक्त होकर बनने वाली पदार्थ की चौथी अवस्था - प्राप्त करेगा। जब यह रिएक्टर पूर्ण रूप से कार्यरत होगा तब इसका प्लाज्मा वॉल्यूम (परिमाण) जापान के JT-60SA रिएक्टर से भी ६ गुना बड़ा होगा, जो हाल में दुनिया का सबसे बड़ा टोकाмак है।

नुकलेयर फ्यूजन विरुद्ध फिशन: अंतर और फायदे

नुकलेयर ऊर्जा प्राप्त करने के लिए वर्तमान समय में उपयोग की जाने वाली फिशन (fission): परमाणु के केंद्र को तोड़कर ऊर्जा प्राप्त करने की पद्धति की तुलना में फ्यूजन तकनीक एकदम अलग और सुरक्षित है। मौजूदा परमाणु संयंत्रों में यूरेनियम जैसे भारी परमाणु के केंद्र को तोड़कर ऊर्जा मुक्त की जाती है, जिसमें रेडियोएक्टिव कचरा लंबे समय तक खतरनाक रहता है। इसके विपरीत, फ्यूजन प्रक्रिया में ड्यूटरियम (deuterium): हाइड्रोजन का भारी आइसोटोप और ट्रिटियम (tritium): हाइड्रोजन का रेडियोएक्टिव आइसोटोप जैसे हल्के आइसोटोप के न्यूक्लियस को अत्यधिक तापमान पर जोड़कर हीलियम परमाणु बनाया जाता है। इस प्रक्रिया में केवल १ ग्राम ड्यूटरियम-ट्रिटियम का ईंधन मिश्रण ९०,००० किलोवाट-अवर (kWh) ऊर्जा पैदा कर सकता है, जो लगभग ११ टन कोयला जलाने से मिलने वाली ऊर्जा के बराबर है।

इस ईंधन का सबसे बड़ा फायदा इसकी उपलब्धता है। ड्यूटरियम को समुद्र के पानी से आसानी से अलग किया जा सकता है, जो एक अछूता स्रोत है। जबकि ट्रिटियम प्रकृति में बहुत कम मात्रा में (वार्षिक केवल २० किलोग्राम, जो ज्यादातर CANDU नामक हेवी-वाटर फिशन रिएक्टर्स से मिलता है) मिलता है। इस जटिलता से निपटने के लिए ITER में ट्रिटियम ब्रीडिंग ब्लैंकेट (tritium breeding blanket) टेक्नोलॉजी का परीक्षण किया जाएगा, जिससे भविष्य के फ्यूजन रिएक्टर्स रिएक्टर के अंदर ही अपना ट्रिटियम बना सकेंगे। इसके अलावा, फ्यूजन रिएक्टर में किसी भी प्रकार का कार्बन उत्सर्जन नहीं होता है, मेलडाउन का कोई भय नहीं होता है और उसका रेडियोएक्टिव कचरा बहुत ही कम समय में निष्क्रिय हो जाता है।

टोकाмак डिज़ाइन और कार्यप्रणाली की प्रक्रिया

कंट्रोल्ड थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन प्राप्त करने के लिए अतिशय उच्च तापमान (लगभग १५ करोड़ डिग्री सेल्सियस), उचित घनत्व और प्लाज्मा को कैद रखने का समय - इन तीनों बातों का ट्रिपल प्रोडक्ट जरूरी है। इतने अत्यधिक तापमान पर कोई भी भौतिक पदार्थ पिघल जाता है, इसलिए भौतिक दीवारों को छुए बिना प्लाज्मा को स्थिर रखना सबसे बड़ी चुनौती है। इसके लिए ITER में सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट (superconducting magnets): शून्य प्रतिरोध पर काम करने वाले अति-शक्तिशाली चुंबकों का उपयोग किया जाता है। यह चुंबकीय क्षेत्र प्लाज्मा को चैंबर के मध्य में हवा में अधर कैद रखता है।

ITER की मुख्य ध्येय रेखा क्यू-फैक्टर (Q-factor / fusion energy gain): प्लाज्मा को दी गई ऊष्मा और फ्यूजन से उत्पन्न हुई ऊष्मा का अनुपात १० प्राप्त करने की है। यदि Q = १ हो जाए तो उसे ब्रेक-इवन (breakeven) कहा जाता है। ITER का आयोजन ऐसा है कि वह ३०० MW से अधिक बिजली का उपयोग करके प्लाज्मा में ५० MW थर्मल पावर शोषित करेगा और बदले में ४०० से ६०० सेकंड तक ५०० MW फ्यूजन ऊष्मा ऊर्जा उत्पन्न करेगा। इस तरह Q ≥ १० का अनुपात प्राप्त होगा। इसके साथ रिएक्टर बर्निंग प्लाज्मा (burning plasma): प्लाज्मा की ऐसी स्थिति जहाँ बाहर से गर्मी दिए बिना फ्यूजन प्रक्रिया खुद ही प्लाज्मा को गर्म रखती है, वह प्राप्त करेगा।

मुख्य स्पेसिफिकेशन्स और ऊर्जा के आंकड़े

अब तक के टोकामक रिएक्टर्स में ब्रिटेन के JET (जॉइंट यूरोपियन टोरस) रिएक्टर ने १९९७ में १६ MW की पीक फ्यूजन शक्ति प्राप्त की थी और Q-मूल्य ०.६७ प्राप्त किया था। २०२३ में JET ने ६९ Megajoules (MJ) फ्यूजन ऊर्जा उत्पन्न करने का रिकॉर्ड बनाया था। दूसरी तरफ, अमेरिका की National Ignition Facility (NIF) ने लेजर आधारित इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूजन द्वारा अगस्त २०२१ में पहली बार बर्निंग प्लाज्मा प्राप्त किया और दिसंबर २०२२ में ब्रेक-इवन हासिल करके २.०५ MJ ऊर्जा के सामने ३.१५ MJ ऊर्जा पैदा की थी। NIF ने अप्रैल २०२५ में क्यू-मूल्य ४.१३ तक पहुँचने का रिकॉर्ड बनाया था। ITER का लक्ष्य Q = १० प्राप्त करके इस क्षेत्र में नया इतिहास रचने का है।

रिएक्टर के संचालन के लिए अति-विशाल क्रायोजेनिक्स (cryogenics): अतिशय कम तापमान पर ठंडक देने की तकनीक सिस्टम, रिमोट हैंडलिंग टूल्स, डायग्नोस्टिक्स और गर्मी कंट्रोल की जरूरत पड़ती है। प्लाज्मा ऑपरेशन के दौरान रिएक्टर का बिजली उपयोग ११० MW से शुरू करके ३० सेकंड की अवधि के लिए ६२० MW की पीक लिमिट तक पहुँच सकता है। यह रिएक्टर प्रायोगिक होने के कारण उसमें से मिलने वाली गर्मी से बिजली नहीं बनाई जाएगी, बल्कि गर्मी को कूलिंग टावर्स द्वारा बाहर फेंक दिया जाएगा। ITER की सफलता के बाद EUROfusion के नेतृत्व में उसका उत्तराधिकारी DEMO रिएक्टर बनेगा, जो ग्रिड में बिजली सप्लाई करने वाला पहला फ्यूजन पावर प्लांट बनेगा।

अंतर्राष्ट्रीय सहयोग और भारत का स्थान

ITER की स्थापना के पीछे एक खास अंतरराष्ट्रीय विज्ञान कूटनीति का इतिहास है। ई.स. १९७८ के INTOR प्रोजेक्ट के बाद, नवंबर १९८५ के जिनेवा समिट में सोवियत यूनियन के जनरल सेक्रेटरी मिखाइल गोर्बाचोव और यूएस राष्ट्रपति रोनाल्ड रीगन के बीच अंतरराष्ट्रीय फ्यूजन प्रोजेक्ट हाथ में लेने को लेकर ऐतिहासिक सहमति बनी थी। अमेरिकी भौतिकशास्त्री आल्विन ट्राइवेलपीस और रूसी वैज्ञानिक एवजेनी वेलिखोव के प्रयासों की वजह से यह विशाल प्रोजेक्ट आकार ले पाया। इस प्रोजेक्ट में आंद्रेई सखारोव और इगोर ताम द्वारा खोजी गई टोकामक डिजाइन को ही आधार बनाया गया था.

आज ITER प्रोजेक्ट में सात मुख्य भागीदार शामिल हैं: चीन, यूरोपीय यूनियन (EU), भारत, जापान, रूस, दक्षिण कोरिया और यूनाइटेड स्टेट्स (USA)। इस प्रोजेक्ट का शुरुआती बजट अनुमान ५ से ६ अरब यूरो था, लेकिन डिजाइन बदलावों और देरी के कारण फिलहाल इसका निर्माण और संचालन खर्च १८ से २२ अरब यूरो (कुछ अनुमानों के अनुसार $४५ से $६५ अरब) तक पहुंच गया है। इस खर्च की दृष्टि से ITER अंतरराष्ट्रीय स्पेस स्टेशन ($१५० अरब) के बाद मानवजाति का सबसे महंगा वैज्ञानिक प्रयोग है.

भारत ITER प्रोजेक्ट का पूर्ण भागीदार देश है। भारत ने रियेक्टर के सबसे बड़े और जटिल घटकों में से एक ऐसे क्रायोस्टेट (cryostat) - जो रियेक्टर को अत्यंत कम तापमान पर ठंडा रखने वाला सबसे बड़ा वैक्यूम वेसल है - उसका निर्माण और सप्लाई करके विश्व स्तर पर अपनी श्रेष्ठ इंजीनियरिंग क्षमता साबित की है। इसके अलावा भारतीय वैज्ञानिक इन-वॉल शील्डिंग, रेडियो फ्रिक्वेंसी हीटिंग सिस्टम्स और कूलिंग वाटर सिस्टम्स के निर्माण में महत्वपूर्ण योगदान दे रहे हैं। अगर २०३५ के बाद ITER में Q = १० का लक्ष्य सफलतापूर्वक सिद्ध हो जाएगा, तो वह मानवजाति को पारंपरिक ईंधन पर की निर्भरता से मुक्ति दिलाकर स्वच्छ ऊर्जा के नए युग की शुरुआत करेगा।