आणविक फ्युजन विश्वको ऊर्जा संकटको समाधान बन्नसक्ला ?

नेपाल डेस्क

---

प्रकाशित मिति : भाद्र २०, २०७९ सोमबार

सूर्यको चमक हजारौं वर्षदेखि मानिसका लागि आश्चर्यको विषय बनेको छ। तर लगभग एक सय वर्ष पहिले यो पत्ता लागेको थियो कि सूर्यको विशाल ऊर्जाको कारण एक परमाणु प्रतिक्रिया हो, जसलाई फ्यूजन भनिन्छ।

पृथ्वीमा यस्तै प्रकारको फ्युजन गर्न सकियो भने धेरै कुरा परिवर्तन हुन सक्छ। संसारभरका मानिसहरूले ठूलो ऊर्जा प्राप्त गर्न सक्छन्। विगत १०० वर्षदेखि फ्युजन गर्ने प्रयास भइरहेको छ । करिब पचास वर्षदेखि यो लक्ष्य अबको केही दशकमा पूरा हुने दाबी भइरहेको छ ।

यस वर्ष फेब्रुअरीमा इङ्गल्याण्डका वैज्ञानिकहरूले पाँच सेकेन्डसम्म यो गर्न सक्षम भएका दावी गरेका थिए ।  के आणविक फ्युजनले विश्वको ऊर्जा संकटको स्थायी समाधान दिन सक्छ?

फ्युजन भनेको के हो?

सरल शब्दहरूमा परमाणु फ्यूजन यस्तो  प्रक्रिया हो, जहाँ दुई वा बढी परमाणुहरू एक परमाणु बनाउनको लागि एकसाथ आउँछन्। यस प्रक्रियामा ठूलो मात्रामा ऊर्जा निस्कन्छ।

“फ्युजनमा त्यस्तै हुन्छ। हामी परमाणुहरू लिन्छौं। तिनीहरूलाई एकसाथ राखेर द्रव्यमान घटाइन्छ र थप ऊर्जा थपिन्छ,” साउथईस्टर्न लुजियाना विश्वविद्यालयका भौतिकशास्त्रका सहयोगी प्रोफेसर रेट एलेन भन्छन्।

यो एक साधारण प्रक्रिया जस्तो देखिन्छ, त्यसोभए हामीले किन धेरै पहिले प्रयास गरेनौं? कारण यो प्रक्रिया संग सम्बन्धित समस्या हो।

परमाणुहरू हाम्रो संसारको सबैभन्दा सानो भाग हो। तिनीहरू अणुहरू बनाउन एक अर्कामा जोडिन्छन्। उदाहरणका लागि दुई हाइड्रोजन परमाणुहरू र एक अक्सिजन परमाणुहरू मिलाएर पानीको अणु बनाउँछन्। यो एक अणु तीन परमाणुहरु मिलेर बनेको छ।

तर फ्युजनमा तपाईले दुई परमाणु लिनुहुन्छ र त्यहाँ तपाईले अणु बनाउनु पर्दैन तर तपाईले दुईलाई मिलाएर एउटा परमाणु बनाउनु हुन्छ। धेरै बल दिएर नजिक ल्याएपछि जोडिन्छन्।

रेट एलेन भन्छन्, “यो सम्पर्क धेरै बलियो छ। दूरी धेरै छोटो छ। यदि तपाईंले दुई प्रोटोनहरूलाई एकअर्काको धेरै नजिक ल्याउनुभयो भने, एकअर्कालाई तानेको परमाणु बलले एकअर्कालाई टाढा धकेल्नेछ। त्यहाँ विद्युत बल भन्दा बढी छ र तिनीहरू एक अर्कामा संलग्न हुन्छन्।”

र, जब यो हुन्छ, ऊर्जा को एक ठूलो मात्रा बाहिर आउँछ। यसको पछाडिको कारण एक ज्ञात सूत्रबाट बुझ्न सकिन्छ:  E = mc² ।  सन् १९०५ मा अल्बर्ट आइन्स्टाइनले यो समीकरणलाई अगाडि बढाए र तारा र आणविक विस्फोटमा ऊर्जा कसरी निस्कन्छ भन्ने कुरा बताए। यो समीकरणले बताउँछ कि, परमाणुको वजनमा कमीलाई ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ।

रेट एलेन भन्छन्, “यदि मैले कम द्रव्यमानको परमाणुहरू लिएँ र तिनीहरूलाई एकसाथ जोडें भने, तयार उत्पादनको द्रव्यमान सुरुमा भएको भन्दा कम हुनेछ। हामी परमाणु फ्युजनमा यही गर्छौं। हामी ऊर्जा प्राप्त गर्न चीजहरू जोड्छौं।” विद्यमान परमाणु ऊर्जा संयन्त्रहरूले यसरी अर्थात् परमाणुहरू जोडेर ऊर्जा प्राप्त गर्दैनन्। तिनीहरूले परमाणुहरू अलग गर्छन्।

परमाणुहरू अलग गर्ने प्रक्रियालाई विखंडन भनिन्छ। यसमा पनि द्रव्यमान घटेको छ र आइन्स्टाइनको सूत्र यहाँ पनि लागू हुन्छ। आणविक उर्जा प्लान्टमा विखंडन फ्युजन भन्दा सजिलो छ। तर केही चुनौती पनि छन् ।

रेट एलेन बताउँछन्, “आणविक विखंडनसँग सम्बन्धित केही समस्याहरू छन्।  जब तपाइँ उच्च द्रव्यमानको साथ एक परमाणु लिनुहुन्छ र यसलाई तोड्न सक्नुहुन्छ, तपाइँसँग बचेका टुक्राहरू छन् जुन रेडियोधर्मी मात्र होइन, तिनीहरू रासायनिक रूपमा सक्रिय पनि हुन सक्छन्। हामी यसलाई परमाणु फोहोर भन्छौं।”

फ्युजनको साथमा सबैभन्दा ठूलो चुनौती भनेको प्रक्रियालाई निरन्तरता दिनु हो। यसको फोहोर रेडियोधर्मी छैन वा रेडियोधर्मीमा सीमित छ। फ्युजनमा आवश्यक इन्धन पनि सजिलै उपलब्ध हुन्छ ।

अब बुझौं फ्युजनको कथा कहाँबाट सुरु भयो ?

ताराको शक्ति

सन् १९२० मा ब्रिटिश खगोल भौतिकशास्त्री आर्थर एडिंगटनले कार्डिफमा लगभग एक हजार वैज्ञानिकहरूको अगाडि भाषण दिए। आर्थर एडिङ्टनले त्यहाँ भेला भएका वैज्ञानिकहरूलाई पूर्णतया नयाँ कुरा भने। उनले सूर्यको उर्जा नै फ्युजनको कारण भएको दाबी गरे ।

प्रिन्सटन प्लाज्मा फिजिक्स ल्याबोरेटरी र प्रिन्सटन युनिभर्सिटीका प्रमुख अनुसन्धानकर्ता फातिमा इब्राहिमीका अनुसार, “उनले ताराहरूमा रहेका प्रकाश परमाणुहरूले एकअर्कासँग अन्तरक्रिया गर्ने कुरा बताए। फ्युजन प्रतिक्रियाहरू मार्फत धेरै ऊर्जा उत्पादन गर्न सकिन्छ। १९२० को दशकको प्रारम्भमा धेरै वर्षहरूमा यो ताराहरूले कसरी ऊर्जा उत्पादन गर्छन् भन्ने कुरा बाहिर आएको छ।”

आर्थर एडिङ्टनले भनेका छन् – ‘सूर्य भित्र हाइड्रोजन परमाणुहरू यति गतिमा टकराउँछन् कि तिनीहरू एक नयाँ तत्व, हेलियमको परमाणु बन्न मिल्छ।’

यस प्रक्रियामा क्षय भएको द्रव्यमान ऊर्जामा परिणत हुन्छ। लगभग एक दशक पछि, बेलायती वैज्ञानिक अर्नेस्ट रदरफोर्डले प्रयोगशालामा सूर्य भित्र प्रतिक्रियाको प्रयास गरे। यसका लागि उनले दुई फरक प्रकारका हाइड्रोजन एटमहरू ट्रिटियम र ड्युटेरियम प्रयोग गरे।

फातिमा इब्राहिमी भन्छिन्, “फ्युजनलाई प्रयोगको रूपमा प्रदर्शन गरिएको थियो। उनले हाइड्रोजनका भारी नमूनाहरू प्रयोग गरे। उनले यी नमूनाहरूलाई ठूलो ऊर्जाले बमबारी गरे। यसरी फ्यूजन भयो। उनी र उनका सहकर्मीहरूले प्रयोगशालामा हेलियम प्रयोग गरे।” र ऊर्जा सिर्जना गरे।”

त्यसबेला जनताको उपयोगका लागि फ्युजनमार्फत ऊर्जा उत्पादन गर्ने सोच कसैले पनि गरेन । तर सन् १९५० मा सोच परिवर्तन भयो।

“वैज्ञानिकहरूले फ्युजन प्रतिक्रियाहरू मार्फत ऊर्जा उत्पादन गर्ने बारे सोच्न थाले। यो एक रोमाञ्चक समय थियो। सन् १९५० र १९६० को दशकमा, फ्यूजनको दिशामा धेरै प्रगति भएको थियो,” फातिमा भन्छिन्।

यस प्रक्रियामा दुई भागहरू छन्। कसरी मेसिन डिजाइन गर्ने र फ्यूजन हुनको लागि हाइड्रोजन प्लाज्मा तयार गर्ने।

प्लाज्मा हाइड्रोजन परमाणुहरूको मिश्रण हो जुन फ्यूज हुन्छ। रिएक्टर भित्र तिनीहरू जंगली रूपमा तात्छन् र चारैतिर छरिएका छन्। परमाणुहरू एकअर्काबाट भाग्दैनन्। तिनीहरू टक्कर गर्छन्। तिनीहरूलाई फ्यूज गर्न र ऊर्जा प्राप्त गर्नको लागि, उपकरणमा पूर्ण नियन्त्रण हुनु आवश्यक छ।

यसो गर्ने तरिका भनेको ठूला चुम्बकको सहायताले परमाणुहरूलाई दिशा दिनु र उनीहरूलाई रिंगमा द्रुत गतिमा घुमाउने बनाउनु हो। सन् १९५० मा, तत्कालीन सोभियत संघका दुई वैज्ञानिकहरू, आन्द्रेई सखारोभ र इगोर तामले एक डिजाइन डिजाइन गरे जसले समान परिणामहरू दिए। यसलाई टोकोमाक नाम दिइएको थियो।

फातिमा इब्राहिमी बताउँछिन्, “तपाईले चुम्बक प्रयोग गरेर फ्युजन गर्न सक्नुहुन्छ भनेर उहाँले यो सिद्धान्त प्रस्ताव गर्नुभयो। टोकोमाक विचार अन्तर्गत, तपाईंले चुम्बकीय सर्कल बनाउनुहुन्छ ताकि तातो आयनीकृत ग्यास प्लाज्मा यस सर्कलमा बाँधियोस्।”

टोकोमाक रिएक्टर को डिजाइन परमाणु संलयन मा अनुसन्धान को लागि आधार भयो।

५ करोड डिग्री तापमान

फ्रान्सको दक्षिणमा विश्वको पहिलो आणविक फ्युजन पावर स्टेशन निर्माण गर्ने काम भइरहेको छ। यसलाई अन्तर्राष्ट्रिय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर नाम दिइएको छ। हालसम्म ३० भन्दा बढी देशले यसमा करिब २० अर्ब युरो लगानी गरेका छन् ।

सेन्टर फर डक्टरल ट्रेनिङ इन न्यूक्लियर एनर्जी फ्युचर्सका निर्देशक मार्क वेनम्यान भन्छन्, “यो ठूलो परियोजना हो। विश्वका सबै ठूला शक्तिहरूले यसमा लगानी गरेका छन् । यो पहिलो परियोजना हो जसको रिएक्टरले प्रमाणित गर्नेछ कि आणविक फ्युजन मार्फत तपाईले प्रयोग गर्नुभन्दा धेरै ऊर्जा प्राप्त गर्नुहुन्छ। यो आशा गरिएको छ कि जारी ऊर्जा को मात्रा १० गुणा हुनेछ।”

यो धेरै जटिल परियोजना हो। यसमा लाखौं भागहरू छन्। यो टोकोमाक डिजाइन मा आधारित छ। मार्क बताउँछन् – ‘प्लाज्मा भ्याकुम पोतमा रहन्छ। यसको आकार डोनट जस्तै छ। यसको वरिपरि एक विशेष प्रक्रिया द्वारा चिसो एक धेरै ठूलो चुम्बक छ।’ हाइड्रोजन प्लाज्मालाई ५ करोड डिग्री सेन्टिग्रेडको तापक्रममा राख्नुपर्छ । यो सूर्यको तापक्रमको दश गुणा हो।

मार्क बताउँछन् -‘जब तताइन्छ, ग्यास र जेली जस्ता चीजहरू अगाडि देखिन्छन्। त्यहाँ कुनै परमाणुहरू छैनन्। त्यहाँ एक सकारात्मक चार्ज केन्द्र र नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रोन छ। यो सूप जस्तै हो जुन डोनटको आकारमा बग्न थाल्छ। हाइड्रोजन परमाणुहरू टक्कर र हेलियम बनाउँछन्। प्रतिक्रिया जारी राख्नको लागि, यो महत्त्वपूर्ण छ कि तिनीहरू बाहिर आउन सक्छन्।’

मार्क वेनम्यान बताउँछन्, “यसको तल्लो भागमा डाइभर्टर छ। यो तपाईंको कारको एक्स्टस्टर जस्तै हो। मानौं तपाईंले आफ्नो कारमा इन्धन जलाउनुभए जस्तै प्लाज्मा जलाउनुहुन्छ, त्यसपछि केही उप-उत्पादनहरू निस्कन्छन्। यसमा एउटा समावेश छ। तिनीहरू हेलियम परमाणुहरू हुन्। हामीले तिनीहरूलाई बाहिर निकाल्नुपर्छ। अन्यथा तिनीहरूले प्लाज्मा दूषित गरेर सम्पूर्ण प्रक्रियालाई रोक्नेछन्।”

रिएक्टर भित्र फ्युजन चलाउनको लागि आवश्यक तापक्रम धेरै समस्याहरूको कारण बन्छ। तर यसरी प्राप्त परमाणु ऊर्जाका फाइदाहरू पनि छन्।

मार्क वेनम्यान भन्छन्, “एकचोटि तपाईंले यसलाई अन गर्नुभयो भने, यो आत्मनिर्भर हुनेछ। फ्युजन प्रतिक्रिया द्वारा उत्पादित हीलियम पर्याप्त ऊर्जा संग बाहिर आउँछ। यसले प्लाज्मालाई पनि तताउनेछ। त्यसपछि यो आफैमा निर्भर हुनेछ। हामीलाई चाहिने भनेको रिएक्टरमा इन्धन थपिराख्नु र प्लाज्मा चुम्बकले घेरिएको छ भनी सुनिश्चित गर्नु हो।”

मार्क भन्छन् – ‘प्लाज्मालाई न्यानो राख्न र अन्य सबै चिसो राख्नको लागि आवश्यक ऊर्जा, हामी अझै त्यो प्राप्त गर्न टाढा छौं।’

मार्क वेनम्यान भन्छन्, “वास्तवमा, भविष्यमा परमाणु ऊर्जा प्लान्टहरूका लागि मेसिन कौशल महत्त्वपूर्ण हुन गइरहेको छ। यदि हामी १० गुणा वा बढी ऊर्जा प्राप्त गर्न चाहन्छौं भने, यो प्रक्रिया जारी रहनु महत्त्वपूर्ण छ। यसका लागि हामीले केही ऊर्जा फिर्ता गर्नुपर्छ। त्यसपछि पनि हामीसँग पर्याप्त ऊर्जा हुनुपर्छ। जसलाई हामीले टर्बाइनबाट बिजुलीमा परिणत गर्न सक्छौं। इन्जिनियरिङसँग अर्थशास्त्र पनि जोडिएको छ।”

बेलायतमा भर्खरै गरिएको एक प्रयोगमा, फ्युजन मात्र पाँच सेकेन्ड टिक्यो। त्यहाँ प्रयोग गरिएको ऊर्जाको दुई तिहाइ मात्र बाहिर आयो। हामीले रिएक्टर बनाउन के प्रयोग गर्छौं, यसले यो पनि निर्धारण गर्छ कि भित्रको ताप कसरी कायम रहनेछ।

सामग्रीसँग जोडिएको चुनौती

शेफिल्ड विश्वविद्यालयका वरिष्ठ लेक्चरर डा एमी गान्डी भन्छिन्, “मलाई लाग्छ कि फ्युजन टेक्नोलोजी र फ्यूजन ऊर्जाले विश्वलाई राम्रो मात्रामा ऊर्जा प्रदान गर्न सक्छ। त्यो पनि कार्बन डाइअक्साइड र आणविक रेडियोधर्मी फोहोर उत्पादन नगरी। यो हाम्रो ग्रह बचाउने दिशामा खेल परिवर्तनकर्ता साबित हुन सक्छ।”

आफ्नो विभागले न्यूक्लियर फ्युजन रिएक्टर भित्रको भारी तातो सहन सक्ने र लामो समयसम्म काम गर्न सक्ने सामग्री विकास गर्ने काम गरिरहेको उनी बताउँछिन् ।

डा. एमी गान्डी भन्छिन्, “हामी ती अवस्थाहरूमा सामग्रीलाई लामो समयसम्म टिकाउने प्रयास गर्दैछौं ताकि तपाईंले फ्युजन उपकरणमा विभिन्न प्रकारका सामग्रीहरू राख्न सक्नुहुन्छ र त्यो यन्त्र जीवनभर चल्न सक्छ। तपाईंले सामग्रीहरू प्रतिस्थापन गर्ने जस्ता लागतहरू तिर्नु पर्दैन।”

रिएक्टरहरूमा इन्धनको रूपमा प्रयोग हुने हाइड्रोजनको एक प्रकार ट्रिटियम हो। यसको उपलब्धता कम छ। तर अर्को प्रकारको हाइड्रोजन फ्युजन रिएक्टरहरूमा प्रयोग गरिन्छ। यो ड्युटेरियम हो। यस बारेमा राम्रो खबर छ।

डा. एमी गान्डी भन्छिन्, “रिएक्टरमा इन्धनको रूपमा प्रयोग हुने हाइड्रोजनको प्रकार ड्युटेरियम सजिलै उपलब्ध छ। हामी समुद्रको पानीबाट ड्युटेरियम निकाल्ने प्रविधिमा काम गरिरहेका छौं। वैज्ञानिक र इन्जिनियरहरूले यसको प्रयोग गरिरहेका छन्। चिकित्सा उपकरणहरूमा पनि यसको प्रयोग गरिन्छ। यसको प्रक्रिया सबैलाई थाहा छ। ”

तर फ्युजन गाह्रो छ। बेलायतमा फ्युजन रिएक्टर मात्र पाँच सेकेन्ड टिक्यो। तर एमी बताउँछिन् कि फ्रान्सेली रिएक्टरको डिजाइनमा महत्त्वपूर्ण सुधारहरू गरिएको छ।

डा. एमी गान्डी भन्छिन्, “उनीहरू केवल पाँच सेकेन्ड टिक्नको कारण तिनीहरूले साधारण तामाबाट बनेको चुम्बक प्रयोग गरिरहेका थिए। यो पाँच सेकेन्ड पछि धेरै तातो भयो। सुपरकन्डक्टिङ म्याग्नेटहरू भविष्यमा फ्यूजन उपकरणहरूमा प्रयोग गरिनेछ। यसले चुम्बकीय शक्ति बढाउन सक्छ र तीन सय देखि पाँच सय सेकेन्ड सम्म फ्युजन त्यहाँ हुन सक्छ।”

पाँच सय सेकेन्ड छोटो अवधि जस्तो लाग्न सक्छ। तर यो परमाणु भौतिकीमा राम्रो समय हो। यो फ्युजन मार्फत ऊर्जा प्राप्त गर्ने दिशामा एक प्रमुख सफलता हो।  एउटै प्रश्नमा फर्केर, के परमाणु फ्युजनले विश्वको ऊर्जा संकटको स्थायी समाधान प्रदान गर्न सक्छ?

हाम्रा विज्ञहरूका अनुसार यसको बाटोमा अझै धेरै अवरोधहरू छन् जसलाई पार गर्न आवश्यक छ। समस्याहरू डिजाइनसँग सम्बन्धित छन्। उच्च तापक्रम सहन सक्ने र फ्युजनको प्रक्रिया जारी राख्न सक्ने रिएक्टर बनाउन आवश्यक छ।

यस्तो देखिन्छ कि आधुनिक प्रविधि यी समस्याहरू समाधान गर्न धेरै नजिक छ, तर हामीले सम्झनुपर्छ कि फ्रान्सको रिएक्टर अझै पूर्ण रूपमा तयार छैन। यो प्रभावकारी साबित भएपछि जनतालाई आपूर्ति गर्न ऊर्जा उत्पादन गर्ने उद्देश्यले अन्य रिएक्टरहरू निर्माण गर्नुपर्नेछ।

त्यतिन्जेल, कोइला र तेल जस्ता स्रोतहरूबाट ऊर्जा प्राप्त गर्दा कार्बन उत्सर्जन घटाउने आवश्यकताको बारेमा चिन्ता रहिरहन्छ। तर अझै पनि वर्तमान शताब्दीको दोस्रो आधामा ऊर्जा उत्पादनको नयाँ युग सुरु हुनेछ भन्ने वास्तविक आशा देखिन्छ। जसले हाम्रा धेरै समस्याहरू सदाका लागि समाधान गर्नेछ।