हाल ही में दक्षिण कोरियाई वैज्ञानिकों ने कोरिया सुपरकंडक्टिंग टोकामक एडवांस्ड रिसर्च (KSTAR) डिवाइस, एक “कृत्रिम सूर्य” परमाणु संलयन रिएक्टर का उपयोग करके एक नया विश्व रिकॉर्ड बनाया है। दिसंबर 2023 और फरवरी 2024 के बीच परीक्षणों के दौरान 48 सेकंड के लिए 100 मिलियन डिग्री सेल्सियस का प्लाज्मा तापमान उत्पन्न किया। यह तापमान सूर्य के कोर का सात गुना है, जो 15 मिलियन डिग्री सेल्सियस है।
कृत्रिम सूर्य क्या है?
कृत्रिम सूर्य एक विशेष प्रकार का रिएक्टर होता है जिसे टोकामक (Tokamak) कहते हैं। इसमें हाइड्रोजन के विशेष रूपों को बहुत ज्यादा गर्म करके प्लाज्मा बनाया जाता है। यह प्लाज्म बहुत गर्म और घना होता है, जो परमाणु संलयन रिएक्टरों के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है। इसे कृत्रिम सूर्य इसलिए कहते हैं क्योंकि यह असली सूर्य की तरह संलयन की प्रक्रिया को दोहराता है और बहुत अधिक ऊर्जा पैदा करता है।
सूर्य का तापमान
कोर (Core): सूर्य के केंद्र का तापमान लगभग 15 मिलियन डिग्री सेल्सियस (27 मिलियन डिग्री फ़ारेनहाइट) होता है। यह इतना गर्म है कि यह परमाणु संलयन की प्रक्रिया को चलाता है, जिसमें हाइड्रोजन के नाभिक हीलियम के नाभिक में बदल जाते हैं और ऊर्जा निकलती है।
सतह (Surface): सूर्य की सतह का तापमान 5,500 डिग्री सेल्सियस (10,000 डिग्री फ़ारेनहाइट) होता है। यह तापमान इतना गर्म है कि यह सूर्य से प्रकाश और ऊष्मा के रूप में ऊर्जा निकलने का कारण बनता है।
वायुमंडल (Atmosphere): सूर्य का वायुमंडल, जिसे कोरोना कहा जाता है, सतह से भी अधिक गर्म होता है। इसका तापमान 1 से 3 मिलियन डिग्री सेल्सियस (1.8 से 5.4 मिलियन डिग्री फ़ारेनहाइट) तक हो सकता है।
परमाणु संलयन क्या है?
- परमाणु संलयन वह प्रक्रिया है जिसमें दो हल्के परमाणुओं के केंद्र आपस में मिलकर एक भारी केंद्र बनाते हैं और इस प्रक्रिया में बहुत ज़्यादा ऊर्जा निकलती है।
- यह प्रक्रिया एक खास तरह की गैस में होती है जिसे प्लाज्मा कहते हैं। प्लाज्मा बहुत गर्म और आवेशित गैस होता है जिसमें धनात्मक आयन और स्वतंत्र रूप से घूमते इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसकी खासियत इसे ठोस, द्रव या गैस से अलग बनाती है।
- सूर्य और सभी तारे इसी प्रक्रिया से ऊर्जा प्राप्त करते हैं। सूर्य में संलयन के लिए, परमाणु केंद्रों को आपस में टकराने के लिए बहुत ज़्यादा तापमान, करीब एक करोड़ डिग्री सेल्सियस, की ज़रूरत होती है।
- यह ऊंचा तापमान उन्हें एक-दूसरे को दूर धकेलने वाले विद्युत बल को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा देता है। जब केंद्र एक-दूसरे के बहुत करीब आ जाते हैं, तो उनके बीच का आकर्षक नाभिकीय बल विद्युत बल से ज़्यादा प्रभावी हो जाता है और उन्हें आपस में मिलने देता है।
- ऐसा होने के लिए ज़रूरी है कि टक्कर की संभावना बढ़ाने के लिए केंद्रों को एक छोटे से दायरे में सीमित रखा जाए। सूर्य में यह बहुत ज़्यादा गुरुत्वाकर्षण का दबाव है जो संलयन के लिए ज़रूरी परिस्थितियां बनाता है।
परमाणु विखंडन तथा परमाणु संलयन के मध्य अंतर –
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परमाणु विखंडन |
परमाणु संलयन |
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जब किसी परमाणु का नाभिक परमाणु प्रतिक्रिया के माध्यम से हल्के नाभिक में विभाजित हो जाता है, तो इस प्रक्रिया को परमाणु विखंडन कहा जाता है। |
परमाणु संलयन एक प्रतिक्रिया है जिसके माध्यम से दो या दो से अधिक हल्के नाभिक एक दूसरे से टकराकर एक भारी नाभिक बनाते हैं। |
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जब प्रत्येक परमाणु विभाजित होता है, तो जबरदस्त मात्रा में ऊर्जा निकलती है |
परमाणु संलयन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा परमाणु विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा से कई गुना अधिक होती है। |
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विखण्डन अभिक्रियाएँ प्रकृति में स्वाभाविक रूप से नहीं होती हैं |
तारों और सूर्य में संलयन अभिक्रियाएँ होती हैं |
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तुलनात्मक रूप से, विखंडन प्रतिक्रिया में एक परमाणु को विभाजित करने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है |
संलयन प्रतिक्रिया में दो या दो से अधिक परमाणुओं को एक साथ मिलाने के लिए उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है |
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परमाणु बम परमाणु विखंडन के सिद्धांत पर कार्य करता है। |
हाइड्रोजन बम परमाणु संलयन के सिद्धांत पर कार्य करता है। |
टोकामक क्या हैं?
टोकामक एक प्रयोगात्मक मशीन है जिसे फ्यूजन से निकलने वाली ऊर्जा का इस्तेमाल करने के लिए बनाया गया है। टोकामक के अंदर फ्यूजन से निकली ऊष्मा इसकी दीवारों में समा जाती है। भविष्य के फ्यूजन ऊर्जा संयंत्र भी इसी तरह काम करेंगे, जहां गर्मी से भाप बनाई जाएगी और फिर उसी भाप से टरबाइन और जनरेटर की मदद से बिजली बनाई जाएगी।
यह कैसे काम करता है?
- टोकामक का दिल एक डोनट के आकार का वैक्यूम चेंबर होता है।
- इसके अंदर, बहुत ज्यादा गर्मी और दबाव के कारण हाइड्रोजन गैस प्लाज्मा में बदल जाती है। प्लाज्मा एक गर्म और बिजली से चार्ज्ड गैस होता है। सूर्य में और फ्यूजन रिएक्टर में भी, प्लाज्मा ही वो माध्यम है जहां हल्के तत्व मिलकर ऊर्जा पैदा कर सकते हैं।
- प्लाज्मा के चार्ज्ड कणों को वैक्यूम चेंबर के चारों ओर लगे हुए बड़े चुंबकीय कुंडली द्वारा नियंत्रित किया जाता है। वैज्ञानिक इसी खासियत का इस्तेमाल करके गर्म प्लाज्मा को चेंबर की दीवारों से दूर रखते हैं। “टोकामक” शब्द रूसी भाषा के संक्षिप्त नाम से आया है जिसका मतलब है “चुंबकीय कुंडली वाली टॉरॉयडल चेंबर”।
- प्रक्रिया शुरू करने के लिए, पहले वैक्यूम चेंबर से हवा और गंदी चीजों को निकाला जाता है। फिर, प्लाज्मा को नियंत्रित करने वाले चुंबक को चालू किया जाता है और गैसीय हाइड्रोजन को चेंबर में डाला जाता है। जब एक ताकतवर करंट को चेंबर में से गुजारा जाता है, तो गैस टूट जाती है, आयनीकृत हो जाती है (इलेक्ट्रॉन नाभिक से अलग हो जाते हैं) और प्लाज्मा बन जाती है।
- जैसे ही प्लाज्मा के कण ऊर्जावान बनते हैं और आपस में टकराते हैं, वे गर्म होने लगते हैं। अतिरिक्त तरीकों का इस्तेमाल करके प्लाज्मा को फ्यूजन के लिए जरूरी तापमान (150 से 300 करोड़ डिग्री सेल्सियस) तक पहुंचाया जाता है। इतना तेज गति पाने वाले कण टकराने पर अपने प्राकृतिक विद्युत चुम्बकीय बल को पार कर के मिल सकते हैं और बहुत ज्यादा मात्रा में ऊर्जा छोड़ सकते हैं।
प्लाज्मा क्या है?
- प्लाज्मा ठोस, तरल और गैसों के साथ-साथ पदार्थ की एक अवस्था है। जब किसी तटस्थ गैस को इस प्रकार गर्म किया जाता है कि कुछ इलेक्ट्रॉन परमाणुओं या अणुओं से मुक्त हो जाते हैं, तो यह अवस्था बदल लेती है और प्लाज्मा बन जाती है। इसमें आंशिक रूप से आयनित गैस होती है, जिसमें आयन, इलेक्ट्रॉन और तटस्थ परमाणु होते हैं।
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प्लाज़्मा के कुछ उदाहरण क्या हैं?
- बिजली चमकना!
- फ्लोरोसेंट लाइट बल्ब में पारा प्लाज्मा होता है।
- सूर्य जैसे तारे प्लाज्मा की गर्म गेंदें हैं।
- ऑरोरा बोरेलिस और ऑरोरा ऑस्ट्रेलिस
- एनएसटीएक्स-यू जैसे फ्यूजन रिएक्टर, ऊर्जा बनाने के लिए परमाणुओं को फ्यूज करने के लिए प्लाज्मा का उपयोग करते हैं।
- प्लाज्मा डिस्प्ले छवियों को रोशन करने के लिए प्लाज्मा की छोटी कोशिकाओं का उपयोग करता है।
अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर (ITER)
- इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर (ITER) 1985 में लॉन्च किया गया 35 देशों का एक सहयोग है।
- यह फ्रांस में स्थित है।
- इसका उद्देश्य ऊर्जा के बड़े पैमाने पर और कार्बन मुक्त स्रोत के रूप में संलयन की व्यवहार्यता साबित करने के लिए दुनिया का सबसे बड़ा टोकामक बनाना है ।
- ITER पहला फ्यूजन उपकरण होगा जो लंबे समय तक फ्यूजन बनाए रखेगा और फ्यूजन-आधारित बिजली के व्यावसायिक उत्पादन के लिए आवश्यक एकीकृत प्रौद्योगिकियों, सामग्रियों और भौतिकी व्यवस्थाओं का परीक्षण भी करेगा।
- ITER के सदस्यों में चीन, यूरोपीय संघ, भारत, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस और संयुक्त राज्य अमेरिका शामिल हैं।
- आईटीईआर समझौते (2006) के अनुसार, उपरोक्त सात सदस्य परियोजना निर्माण, संचालन और डीकमीशनिंग की लागत साझा करेंगे।
- वे प्रयोगात्मक परिणामों और निर्माण, निर्माण और संचालन चरणों द्वारा उत्पन्न किसी भी बौद्धिक संपदा को भी साझा करते हैं।
ITER में भारत का योगदान:
- ITER क्रायोस्टेट का निर्माण भारत (लार्सन एंड टूरबो) द्वारा किया जाता है। क्रायोस्टेट एक कक्ष है जो बहुत कम तापमान बनाए रख सकता है।
- यह अब तक निर्मित सबसे बड़ा स्टेनलेस स्टील उच्च-वैक्यूम दबाव कक्ष (16,000 मीटर 3) है जो आईटीईआर वैक्यूम पोत और सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के लिए उच्च वैक्यूम, अल्ट्रा कूल वातावरण प्रदान करता है।
- पहले प्लाज्मा का लक्ष्य 2025 है। अत्यधिक तापमान पर, इलेक्ट्रॉन नाभिक से अलग हो जाते हैं और एक गैस प्लाज्मा बन जाती है – गैस के समान पदार्थ की एक आयनित अवस्था।
- यूरोपीय संघ (ईयू) निर्माण लागत के सबसे बड़े हिस्से (45.6%) के लिए जिम्मेदार है ; शेष को भारत सहित चीन, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस, संयुक्त राज्य अमेरिका (प्रत्येक 9.1%) द्वारा समान रूप से साझा किया जाता है।
भारत में टोकामक शोध
- भारत टोकामक शोध में सक्रिय रूप से लगा हुआ है। भारत एक तरफ तो अंतरराष्ट्रीय ITER परियोजना में भाग ले रहा है, वहीं दूसरी तरफ स्वदेशी तकनीक भी विकसित कर रहा है।
- गांधीनगर में स्थित प्लाज्मा रिसर्च संस्थान (IPR) फ्यूजन रिसर्च के लिए आदित्य और SST-1 जैसे कई चालू टोकामक का संचालन करता है।
- आदित्य-अपग्रेड (ADITYA-U): यह 1989 से चल रहे आदित्य टोकामक का उन्नत संस्करण है।
- यह 5 टेस्ला के अधिकतम टॉरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र वाला एक मध्यम आकार का टोकामक है।
- इसे लगभग 150-250 kA के करंट और 250-350 मिलीसेकंड की प्लाज्मा अवधि के साथ गोलाकार प्लाज्मा बनाने के लिए डिजाइन किया गया है।
- स्थिर अवस्था टोकामक (SST)-1: 1.5 टेस्ला के टॉरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र वाला यह मध्यम आकार का टोकामक लगभग 100 kA का प्लाज्मा करंट उत्पन्न करता है और प्लाज्मा को लगभग 450 मिलीसेकंड तक सीमित रखता है।
- SST-2: IPR 1000 से अधिक प्लाज्मा स्पंद और 1 मिलियन एम्पीयर से अधिक धाराओं को संभालने के लिए सुचालक SST-2 टोकामक का निर्माण कर रहा है। यह उच्च धाराओं पर स्थिरता का अध्ययन करेगा।
- SST-3: संस्थान एक नए स्थिर अवस्था सुचालक टोकामक (SST-3) को विकसित कर रहा है जो उच्च-तापमान सुचालकों का उपयोग करके SST-2 और ITER की विशेषताओं को एकीकृत करेगा।
- भारत सबसे महत्वाकांक्षी रूप से 2030 तक फ्यूजन से शुद्ध ऊर्जा प्राप्त करने के लिए IN-SPARC प्रदर्शन रिएक्टर की योजना बना रहा है। यह उन्नत स्वदेशी तकनीकों को नियोजित करेगा।
वैज्ञानिक नकली सूरज क्यों बना रहे हैं?
- वर्तमान में पारंपरिक न्यूक्लियर प्लांट विखंडन से ऊर्जा प्राप्त करते हैं। अर्थात परमाणुओं को तोड़कर।
- चेन रिएक्शन को शुरू करने के लिए यूरेनियम का इस्तेमाल किया जाता है। इस तरह के प्लांट आधी सदी से ज्यादा समय से चल रहे हैं।
- 1954 में यूएसएसआर ने अपना पहला परमाणु प्लांट बिजली ग्रिड से जोड़ा था। लेकिन इसके खतरे हैं, जो चेरनोबिल आपदा में देखा गया है।
- परमाणु विखंडन की सबसे बड़ी समस्या इससे पैदा होने वाला कचरा है, जो सदियों तक खतरनाक रेडियोएक्टिव लेवल को बनाए रख सकता है।
- इसके विपरीत न्यूक्लियर फ्यूजन या नकली सूर्य सुरक्षित है और लगभग किसी भी तरह का कचरा नहीं फैलाता।
क्या होगा फायदा
- फ्यूजन रिएक्शन से न्यूनतम रेडियोएक्टिव कचरा निकलता है। वहीं असीमित ईंधन स्रोत होता है, जो इसे टिकाऊ और पर्यावरण के अनुकूल बनाता है
- फ्यूजन रिएक्शन जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता को कम कर सकता है। इस कारण ऊर्जा से जुड़े जियोपॉलिटिकल तनाव कम हो सकते हैं। क्योंकि फ्यूजन में काम आने वाला ईंधन प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है।
- फ्यूजन एनर्जी ग्रीनहाउस गैस का उत्सर्जन नहीं करता। इस कारण यह जलवायु परिवर्तन से निपटने और वैश्विक कार्बन उत्सर्जन को कम करने में महत्वपूर्ण बन जाता है।
- अंतरिक्ष खोज में फ्यूजन एनर्जी महत्वपूर्ण हो सकती है। इससे मंगल ग्रह या उससे आगे के मिशन में ऊर्जा आसानी से उपलब्ध हो सकेगी।
- इससे दुनिया में गहराता ऊर्जा संकट खत्म हो सकेगा। वैज्ञानिकों का लक्ष्य 2026 तक कम से कम 300 सेकंड के लिए प्लाज्मा का तापमान 10 करोड़ डिग्री तक बनाए रखना है।
FAQ’s
Q. क्या है टोकामक?
Ans. टोकामक एक डोनट के आकार का उपकरण है। यह चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके गर्म प्लाज्मा को नियंत्रित करता है। (प्लाज्मा एक विशेष गैस की अवस्था है) इसी प्लाज्मा के अंदर हाइड्रोजन के दो समस्थानिकों (ड्यूटेरियम और ट्रिटियम) को मिलाकर ऊर्जा बनाई जाती है।
Q. टोकामक का आकार क्यों खास है?
Ans. डोनट का आकार प्लाज्मा को अच्छी तरह से समेटने में मदद करता है। चुंबकीय क्षेत्र डोनट के छल्लों की तरह घूमते हुए प्लाज्मा के कणों को नियंत्रित रखते हैं।
Q. टोकामक से ऊर्जा कैसे मिलती है?
Ans. जब हाइड्रोजन के सम्मिलन से न्यूट्रॉन बनते हैं, तब वे बहुत गर्म होते हैं। ये न्यूट्रॉन टोकामक की दीवारों से टकराकर गर्मी पैदा करते हैं। इस गर्मी से पानी गर्म किया जाता है, जो फिर से टरबाइन चलाकर बिजली बनाता है।
Q. टोकामक में प्लाज्मा को गर्म करना क्यों जरूरी है?
Ans. संलयन प्रक्रिया के लिए प्लाज्मा का तापमान बहुत ज़्यादा (150 करोड़ डिग्री सेल्सियस से अधिक) होना चाहिए। इतना गर्म करने पर ही हाइड्रोजन के नाभिक आपस में मिलकर ऊर्जा छोड़ पाते हैं।
Q. टोकामक से मिलने वाली ऊर्जा के फायदे क्या हैं?
Ans. ईंधन आसानी से मिलने वाला (हाइड्रोजन) और अक्षय है। बहुत कम मात्रा में ही ग्रीनहाउस गैस निकलती है। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की तरह कोई खतरनाक कचरा नहीं बनता। भविष्य में लगातार चलने वाली स्वच्छ ऊर्जा का जरिया बन सकता है।
PYQ’s
Q. भारत अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर का एक महत्वपूर्ण सदस्य है। अगर यह प्रयोग सफल हुआ तो भारत को इसका तात्कालिक फायदा क्या होगा? (यूपीएससी प्रीलिम्स 2016)
(A) यह बिजली उत्पादन के लिए यूरेनियम के स्थान पर थोरियम का उपयोग कर सकता है
(B) यह सैटेलाइट नेविगेशन में वैश्विक भूमिका हासिल कर सकता है
(C) यह बिजली उत्पादन में अपने विखंडन रिएक्टरों की दक्षता में काफी सुधार कर सकता है
(D) यह बिजली उत्पादन के लिए फ्यूजन रिएक्टर बना सकता है
उत्तर : (D) यह बिजली उत्पादन के लिए फ्यूजन रिएक्टर बना सकता है
Q. अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर (ITER) के संदर्भ में, निम्नलिखित कथनों पर विचार करें:
1.आईटीईआर हाइड्रोजन के आइसोटोप जिन्हें ड्यूटेरियम और ट्रिटियम कहा जाता है, का उपयोग करेगा।
2.भारत आईटीईआर का भागीदार देश नहीं है।
3.हालांकि दुनिया भर में कई प्रायोगिक टोकामक हैं, लेकिन किसी ने भी इनपुट से अधिक शुद्ध ऊर्जा उत्पादन का प्रदर्शन नहीं किया है।
ऊपर दिए गए कथनों में से कौन सा/से सही है/हैं?
(A) केवल 1 और 2
(B) केवल 1
(C) केवल 1, 2 और 3
(D) केवल 1 और 3
उत्तर : (D) केवल 1 और 3
