परमाणु संलयन ‘सफलता’: संलयन को स्वच्छ ऊर्जा के रूप में उपयोग करने से पहले अभी भी दशकों के शोध की आवश्यकता है

अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने दिसंबर 2022 में परमाणु संलयन विज्ञान में एक बड़ी वैज्ञानिक सफलता की घोषणा की। पहली बार, इसे ईंधन देने के लिए उपयोग की जाने वाली संलयन प्रतिक्रियाओं से अधिक ऊर्जा जारी की गई थी।

हालांकि यह उपलब्धि वास्तव में ऐतिहासिक है, लेकिन फ्यूज़न एनर्जी के लिए रुकना और आगे के रास्ते पर विचार करना महत्वपूर्ण है।

हम कार्लटन विश्वविद्यालय में सतत और नवीकरणीय ऊर्जा इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हैं, जहां हम वैकल्पिक ऊर्जा प्रौद्योगिकियों और प्रणालियों पर शोध करते हैं जो हमें कम कार्बन वाले भविष्य की ओर ले जा सकते हैं।

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हम अपने छात्रों को प्रयोगशाला-आधारित अन्वेषण से लेकर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों तक कठिन इलाकों में कैसे नेविगेट करना सिखाते हैं।

सिस्टम सीमाओं का निर्धारण

संभावित संलयन ऊर्जा बिजली संयंत्र की व्यवहार्यता देखी जानी बाकी है। रिपोर्ट किए गए फ़्यूज़न शुद्ध लाभ के लिए वास्तव में लगभग 300 मेगाजूल के ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है, जिसे ऊर्जा लाभ गणना में शामिल नहीं किया गया था। 192 लेज़रों को बिजली देने के लिए आवश्यक यह ऊर्जा इनपुट विद्युत पावर ग्रिड से आता है।

दूसरे शब्दों में, परीक्षण में दो दिनों में सामान्य कनाडाई घर जितनी ऊर्जा का उपयोग होता है। ऐसा करने से, संलयन प्रतिक्रिया एक घंटे के लिए केवल 14 तापदीप्त बल्बों को जलाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उत्पन्न करती है।

यही बात परमाणु विखंडन के बारे में भी सच है, जो वर्तमान परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में होने वाली प्रतिक्रिया है। एक किलोग्राम यूरेनियम-235 का पूर्ण विखंडन – परमाणु ईंधन का विखंडनीय तत्व – लगभग 77 टेराजूल का उत्पादन कर सकता है। लेकिन हम उस सारी ऊर्जा को ऊष्मा और विद्युत ऊर्जा जैसे उपयोगी रूपों में परिवर्तित नहीं कर सकते।

व्याख्या की क्यों संलयन एक स्वच्छ-ऊर्जा सफलता हो सकता है?

इसके बजाय, हमें एक जटिल प्रणाली को इंजीनियर करने की आवश्यकता है जो परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित कर सके और उत्पन्न ऊर्जा को अधिक उपयोगी रूपों में परिवर्तित कर सके।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र यही करते हैं – वे भाप बनाने के लिए परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं के दौरान उत्पन्न गर्मी का उपयोग करते हैं। यह भाप विद्युत ऊर्जा जनरेटर से जुड़ी एक टरबाइन को चलाती है, जो बिजली का उत्पादन करती है। चक्र की कुल दक्षता 40 प्रतिशत से कम है।

इसके अतिरिक्त, ईंधन में मौजूद सारा यूरेनियम नहीं जलाया जाता है। प्रयुक्त ईंधन में अभी भी कुल यूरेनियम का लगभग 96 प्रतिशत और विखंडनीय यूरेनियम-235 सामग्री का लगभग पांचवां हिस्सा शामिल है।

हमारे वर्तमान बेड़े में प्रयुक्त यूरेनियम की मात्रा बढ़ाना संभव है – यह कार्य का एक सतत क्षेत्र है – लेकिन इससे बड़ी इंजीनियरिंग चुनौतियाँ पैदा होती हैं। परमाणु ईंधन की विशाल ऊर्जा क्षमता वर्तमान में उस ऊर्जा को उपयोगी रूप में परिवर्तित करने की इंजीनियरिंग चुनौतियों से प्रभावित है।

विज्ञान से इंजीनियरिंग तक

हाल तक, फ़्यूज़न को मुख्य रूप से एक वैज्ञानिक प्रयोग के रूप में देखा जाता रहा है, इंजीनियरिंग चुनौती के रूप में नहीं। यह तेजी से बदल रहा है, और नियामक अब जांच कर रहे हैं कि वास्तविक दुनिया में तैनाती कैसे हो सकती है।

भविष्य के संलयन बिजली संयंत्रों के प्रदर्शन के बावजूद, ऊर्जा को बुनियादी विज्ञान से वास्तविक दुनिया में स्थानांतरित करने के लिए कई चुनौतियों को दूर करना होगा।

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चूँकि विखंडन को भी अब संलयन जैसी ही चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है, हम इसके इतिहास से बहुत कुछ सीख सकते हैं। वाणिज्यिक उद्योग बनने से पहले विखंडन को भी विज्ञान से इंजीनियरिंग की ओर बढ़ना पड़ा।

परमाणु विखंडन की तरह संलयन ऊर्जा का विज्ञान, परमाणु हथियार विकसित करने के प्रयासों में निहित है। विशेष रूप से, परमाणु बम विकसित करने में मदद करने वाले कई परमाणु भौतिक विज्ञानी “यह साबित करना चाहते थे कि यह आविष्कार सिर्फ एक हथियार नहीं था।”

परमाणु ऊर्जा का प्रारंभिक इतिहास आशावाद का था – इस उद्घोषणा का कि प्रौद्योगिकी आगे बढ़ेगी और हमारी बढ़ती ऊर्जा की जरूरतों को पूरा करने में सक्षम होगी। अंततः, बिजली के साथ फ़्यूज़न आएगा और बिजली “मीटर पर बहुत सस्ती” हो जाएगी।

सबक सीखा

परमाणु ऊर्जा की स्थापना के बाद से पिछले 70 वर्षों में हमने क्या सीखा है? सबसे पहले, हमने टेक्नोलॉजी लॉक-इन के संभावित विनाशकारी जोखिम के बारे में सीखा, जो तब होता है जब कोई उद्योग किसी विशेष उत्पाद या सिस्टम पर निर्भर हो जाता है।

आज के प्रकाश-जल विखंडन रिएक्टर-ऐसे रिएक्टर जो हाइड्रोजन आइसोटोप से समृद्ध पानी के बजाय साधारण पानी का उपयोग करते हैं-एक उदाहरण हैं। उन्हें इसलिए नहीं चुना गया क्योंकि वे सर्वाधिक वांछनीय थे, बल्कि अन्य कारणों से चुने गए थे।

इन कारकों में सरकारी सब्सिडी शामिल है जिसने इन डिज़ाइनों का समर्थन किया; पनडुब्बियों और सतही युद्धपोतों के लिए छोटे पैमाने के दबावयुक्त जल रिएक्टर विकसित करने में अमेरिकी नौसेना की रुचि; अमेरिकी परमाणु हथियार कार्यक्रम के परिणामस्वरूप यूरेनियम संवर्धन प्रौद्योगिकी में प्रगति; परमाणु लागत के बारे में अनिश्चितता के कारण यह विचार उत्पन्न हुआ कि बड़े प्रकाश जल रिएक्टर छोटे रिएक्टरों के बड़े पैमाने पर संस्करण हैं; और परमाणु ऊर्जा विकास से जुड़ी उच्च लागत और जोखिमों के कारण डिजाइन विकल्पों के संबंध में रूढ़िवादिता।

हम तब से अन्य प्रौद्योगिकियों की ओर बढ़ने के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

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दूसरा, हमने सीखा कि आकार मायने रखता है। छोटी इकाइयों की तुलना में बड़े रिएक्टरों की प्रति इकाई क्षमता बनाने में अधिक लागत आती है। दूसरे शब्दों में, इंजीनियर पैमाने की अर्थव्यवस्थाओं की अवधारणा को गलत समझते हैं और इस प्रक्रिया में अपने उद्योग को नष्ट कर देते हैं।

बड़ी बुनियादी ढांचा परियोजनाएं अत्यधिक जटिल प्रणालियाँ हैं जो बड़ी जनशक्ति और समन्वय पर निर्भर करती हैं। इन्हें प्रबंधित किया जा सकता है, लेकिन ये आम तौर पर बजट से अधिक और समय से पीछे हो जाते हैं। मॉड्यूलर प्रौद्योगिकियां बेहतर सामर्थ्य, लागत नियंत्रण और अर्थव्यवस्था का प्रदर्शन करती हैं, लेकिन सूक्ष्म और छोटे परमाणु रिएक्टरों को भी आर्थिक रूप से चुनौती दी जाएगी।

तीसरा, फ़्यूज़न के लिए नियामक व्यवस्था विकसित करने की आवश्यकता है। यदि उद्योग पहली पीढ़ी के डिजाइन के आसपास बहुत तेजी से जुटता है, तो भविष्य के रिएक्टरों के विनियमन के परिणाम गंभीर हो सकते हैं।

चौथा, नए बिजली संयंत्रों के लिए स्थल चयन और सामाजिक स्वीकृति महत्वपूर्ण है। फ़्यूज़न का एक फायदा यह है कि जब जनता की राय की बात आती है तो इसकी तकनीक विखंडन की तुलना में कोरी स्लेट की तरह अधिक होती है। फ्यूजन के साथ जनता का जो सकारात्मक जुड़ाव है, उसे विवेकपूर्ण डिजाइन निर्णयों और सामुदायिक जुड़ाव के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं को अपनाने के माध्यम से बनाए रखा जाना चाहिए।

यही बात इस बारे में भी सच है कि उद्योग अपशिष्ट चुनौती का प्रबंधन कैसे करता है। फ़्यूज़न रिएक्टर बड़ी मात्रा में अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं, हालाँकि उसी प्रकार का विखंडन नहीं होता है।

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कार्रवाई के लिए आह्वान

परमाणु ऊर्जा नवाचार पर हमारे शोध से पता चलता है कि परमाणु संलयन के सामने आने वाली चुनौतियाँ पार करने योग्य हैं, लेकिन उनके लिए विवेकपूर्ण नेतृत्व, दशकों के शोध, महत्वपूर्ण धन और प्रौद्योगिकी विकास पर ध्यान देने की आवश्यकता है।

परमाणु विखंडन प्रौद्योगिकी में प्रगति के लिए अरबों डॉलर की आवश्यकता होती है, और हमारे पास संलयन की तुलना में विखंडन का कहीं अधिक अनुभव है। सरकारों, विद्युत उपयोगिता कंपनियों और उद्यमियों द्वारा वित्त पोषण की भूख प्रदर्शित की जानी चाहिए।

फ़्यूज़न का वादा बहुत बड़ा है और इसे हाल की सफलताओं से आगे बढ़ाने के लिए निजी कंपनियों सहित रोमांचक काम किया जा रहा है। इससे पहले कि फ्यूज़न हमारी ऊर्जा प्रणाली में सार्थक योगदान दे सके, दशकों के अनुसंधान और विकास की आवश्यकता है।

हमारा केंद्रीय संदेश कार्रवाई का आह्वान है: फ्यूजन इंजीनियरों, शोधकर्ताओं, उद्योग और सरकार को पहली पीढ़ी के बिजली संयंत्रों के डिजाइन सहित फ्यूजन के सामने आने वाली चुनौतियों की जांच करने और उन्हें कम करने के लिए जुटना चाहिए।

यदि हमें अपने ग्रह को जलवायु आपदा से बचाना है, तो ऊर्जा प्रणाली के गहरे और तेजी से डीकार्बोनाइजेशन के अलावा कोई विकल्प नहीं है। हमें नए और बेहतर ऊर्जा समाधान डिजाइन करने के लिए अगली पीढ़ी के ऊर्जा इंजीनियरों को प्रशिक्षित करने पर गर्व है।

क्रिस्टन शेल, सहायक प्रोफेसर, मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग, कार्लटन विश्वविद्यालय और अहमद अब्दुल्ला, सहायक प्रोफेसर, मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग, कार्लटन विश्वविद्यालय

यह लेख क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत द कन्वर्सेशन से पुनः प्रकाशित किया गया है। मूल लेख पढ़ें.