न्यूक्लियर फ्यूजन आणि स्वच्छ उर्जेचे भविष्य

१९७०च्या दशकात या संबंधीच्या संकल्पनेला प्रारंभ झाल्यापासून, केंद्रकीय संमिलन अणुभट्ट्या (फ्यूजन रिअॅक्टर) हे मानवजातीकरता दीर्घकाळ मायावी लक्ष्य राहिले आहे. जीवाश्म इंधनाची सतत वाढणारी टंचाई, या इंधनामुळे हवेत विषारी वायूंचे होणारे उत्सर्जन, यांवर केंद्रकीय संमिलन अणुभट्टी तंत्रज्ञानाने एक मार्ग देऊ केला आणि स्वच्छ ऊर्जा उत्पादनासाठी त्याकडे हवीहवीशी असणारी असाध्य गोष्ट म्हणून पाहिले गेले. मात्र, या तंत्रज्ञानाला मार्गक्रमण करताना अडथळ्यांचा सामना करावा लागला. काही काळ, असे वाटले की जणू मानवजातीला यामध्ये यामध्ये प्रगती करणे अशक्यप्राय आहे. ‘नॅशनल इग्निशन फॅसिलिटी’मधील अलीकडच्या प्रगतीने हे दीर्घकाळ शोधले जाणारे उद्दिष्ट साध्य करण्याची आशा पुन्हा जिवंत केली आहे आणि ही भविष्यात स्वच्छ ऊर्जेचा एक विश्वासार्ह स्त्रोत साध्य करण्याची गुरुकिल्ली असू शकते.

न्यूक्लियर फ्यूजन म्हणजे काय?

आण्विक केंद्रकीय संमिलन ही सूर्यासारख्या तार्‍यांमधील ऊर्जा वापरण्यासाठी निसर्गाद्वारे वापरण्यात येणारी प्रक्रिया आहे. हा विश्वातील ऊर्जा उत्पादनाचा सर्वात कार्यक्षम ज्ञात प्रकार आहे, जो प्रमाणित युरेनियम-आधारित विखंडन अभिक्रियापेक्षा चारपट अधिक ऊर्जा निर्माण करतो, किरणोत्सर्गी कचरा वजा करतो. हलके केंद्रक असलेले दोन अणू एकत्र येऊन जड केंद्रकासह अणू तयार करतात तेव्हा संलयन प्रतिक्रिया घडते. परिणामी, अणूचे वस्तुमान- घटक अणूंच्या एकत्रित वस्तुमानापेक्षा किंचित कमी असते आणि हे हरवलेले वस्तुमान आइन्स्टाइनच्या वस्तुमान-ऊर्जा समतुल्य संबंधानुसार (E=mc2) ऊर्जेच्या स्वरूपात सोडले जाते. सामान्यतः, दोन हलके अणू हे हायड्रोजन अणूचे किंचित मोठे रूप (समस्थानिक) असते- जसे की- ड्युटेरियम (डी) आणि ट्रिटियम (टी), हेलियम अणू हे अंतिम उत्पादन आहे.

ऊर्जा उत्पादनासाठी केंद्रकीय संमिलनची अभिक्रिया व्यवहार्य होण्यासाठी, ती नियंत्रित आणि टिकाऊ पद्धतीने पार पाडावी लागते, जेणे करून सोडलेली ऊर्जा- टर्बाइन फिरवा, जी नंतर वीज निर्माण करेल असे म्हणण्याकरता वापरली जाऊ शकते.

केंद्रकीय संमिलन अभिक्रियेची कार्यक्षमता गेन नावाच्या परिमाणाद्वारे नमूद केली जाते ज्याची व्याख्या खालीलप्रमाणे आहे:

१ पेक्षा अधिक लाभ मिळवणे हे उद्दिष्ट आहे. मात्र, हे व्यावहारिकरित्या अंमलात आणणे अत्यंत कठीण आहे. हे प्रामुख्याने असे आहे, कारण केंद्रकीय संमिलन साध्य करण्यासाठी, दोन घटक केंद्रकांना प्रथम एकत्र करणे आवश्यक आहे, ज्यासाठी त्यांच्या परस्पर इलेक्ट्रोस्टॅटिक दूर जाण्यावर मात करणे आवश्यक आहे, कारण ते दोन्ही धन विद्युतभार केलेले आहेत. यामुळे संलयन साध्य करण्यासाठी विविध दृष्टिकोन निर्माण झाले आहेत.

फ्यूजन अणुभट्ट्यांचे प्रकार

सूर्याच्या बाबतीत, अणूंचे इलेक्ट्रॉन काढून टाकले जातात आणि अत्यंत उच्च तापमानामुळे ते धनात्मक विद्युतभार असलेल्या परमाणूमध्ये रूपांतरित होतात, परिणामी परमाणु आणि इलेक्ट्रॉन्सचे दाट सूप तयार होते ज्याला प्लाझ्मा म्हणतात. या परिस्थितीत, परमाणूंना त्यांच्या इलेक्ट्रोस्टॅटिक दूर जाण्यावर मात करण्यासाठी आणि केंद्रकीय संमिलन होऊ देण्यासाठी पुरेसा उच्च वेग (गतिज ऊर्जा) प्राप्त करणे शक्य आहे. ही मूलत: केंद्रकीय संमिलन अणुभट्ट्यांमध्ये वापरली जाणारी प्रक्रिया आहे, फरक असा आहे की, आता कमालीचे तापमान कृत्रिमरित्या तयार केले जाणे आवश्यक आहे. हे साध्य करण्याचे दोन प्राथमिक मार्ग आहेत.

१.      चुंबकीय बंदिस्तपणा

चुंबकीय बंदिस्त केंद्रकीय संमिलन (एमसीएफ) प्लाझ्मा समाविष्ट करण्यासाठी चुंबकीय क्षेत्र वापरते, जे कणांना अणुभट्टीच्या भिंतींवर आदळण्यापासून प्रतिबंधित करते, ज्यामुळे अन्यथा त्यांचा वेग कमी होतो. अशा अणुभट्ट्यांसाठी सर्वात प्रभावी आकार डोनट किंवा टॉरॉइडचा बनतो. टोकमाक्स आणि स्टेलारेटर्स ही अशा टॉरोइडल अणुभट्ट्यांची काही उदाहरणे आहेत. पूर्वीच्या बहुतांश अणुभट्ट्या या तंत्रज्ञानावर आधारित होत्या.

२.    जडत्व बंदिस्त

जडत्व बंदिस्त केंद्रकीय संमिलनात, लेसरपासून तयार होणारा किरणोत्सर्ग उच्च-ऊर्जा किरण इंधनाच्या गोळ्यावर (डी- टी) केंद्रित केला जातो, ज्यामुळे त्याच्या आत केंद्रकीय संमिलनासाठी आवश्यक कमाल तापमान निर्माण होते. ‘एमसीएफ’च्या बाबतीत चुंबकीय क्षेत्राच्या जागी, गोळ्याच्या बाह्य वस्तुमानाचा स्फोट होतो आणि अभिक्रिया मर्यादित करण्याकरता तो जबाबदार असतो.

अणुभट्ट्यांची काही इतर रूपेदेखील अस्तित्वात आहेत. जसे की, जे या दोन पद्धतींचे मिश्रण वापरतात- (चुंबकीय लक्ष्य केंद्रकीय संमिलन) आणि जे विखंडन- केंद्रकीय संमिलन एकत्र करतात (हायब्रिड केंद्रकीय संमिलन).

‘एनआयएफ’मध्ये प्रगती

केंद्रकीय संमिलन साध्य करण्याच्या व्यावहारिक मर्यादांवर मात करण्यासाठी काही कल्पक पद्धती शोधूनही, निव्वळ नफा मिळविण्याच्या आशा क्षणभंगुर राहिल्या. डिसेंबर २०२२ मध्ये, मात्र, ‘लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी’तील ‘एनआयएफ’ प्रयोग अखेरीस  निव्वळ सकारात्मक ऊर्जा मिळवण्यात सक्षम झाला. त्यानंतर जुलै २०२३ मध्ये, तो आता आणखी मोठ्या प्राप्तीसह, प्रयत्नांची पुनरावृत्ती करण्यास सक्षम झाला. दोन्ही प्रकरणांमध्ये, जडत्व बंदिस्त वापरण्यात आले होते, ज्यामध्ये डी-टी गोळ्यांवर लेसर किरणांचा मारा करण्यात आला होता. ही खरोखरच एक महत्त्वाची उपलब्धी ठरली आहे आणि यामुळे दीर्घकाळापासून कुंठित झाल्याचे मानल्या गेलेल्या तंत्रज्ञानाला नवे बळ मिळाले आहे.

‘केंद्रकीय संमिलन इंडस्ट्री असोसिएशन’च्या २०२३ ‘ग्लोबल केंद्रकीय संमिलन इंडस्ट्री रिपोर्ट’नुसार, केंद्रकीय संमिलन उद्योगातील जागतिक गुंतवणूक ६.२ अब्ज अमेरिकी डॉलर्स झाली आहे, जी मागील वर्षाच्या तुलनेत १.४ अब्ज अमेरिकी डॉलर्सने अधिक आहे.

अमेरिकेच्या ऊर्जा मंत्रालयाने अलीकडेच आण्विक केंद्रकीय संमिलन ऊर्जा प्रकल्प विकसित करणाऱ्या आठ स्टार्टअप्समध्ये ४६ दशलक्ष अमेरिकी डॉलर्स गुंतवणुकीची घोषणा केली आहे. त्यामुळे ‘एनआयएफ’मधील विकासामुळे या क्षेत्रातील गुंतवणुकीला चालना मिळाली आहे, असा निष्कर्ष काढता येईल.

हे नक्कीच साजरे करण्यासारखे कारण असले तरी, त्यासोबत एक सावधगिरीची सूचनाही येते. येथे उद्धृत केलेला ऊर्जा लाभ केवळ अभिक्रियेतूनच काटेकोरपणे प्राप्त झालेल्या लाभाचा संदर्भ देते. हे लेसर चालवण्यासाठी आवश्यक यंत्रात ठेवलेल्या ऊर्जेच्या प्रमाणासाठी किंवा अभिक्रिया पार पाडण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या इतर उपकरणांसाठी नाही. जेव्हा या सर्व घटकांचा हिशेब केला जातो, तेव्हा आपल्याला ‘एकूण प्राप्ती’ होते, जी १ पेक्षा अजूनही लक्षणीयरीत्या कमी आहे. व्यावसायिक कामकाजासाठी व्यवहार्य ठरण्यासाठी, ‘एनआयएफ’ला त्याचे उत्पादन किमान १ लाख टक्क्यांनी वाढवणे आवश्यक आहे. त्यामुळे, केंद्रकीय संमिलन अणुभट्ट्या तंत्रज्ञानातील ही एक निश्चितच प्रगती असली तरी, व्यावसायिकदृष्ट्या व्यवहार्य वीजनिर्मितीच्या मार्गात अजूनही महत्त्वपूर्ण व्यावहारिक अडथळे आहेत.

भारतीय परिस्थिती

भारत केंद्रकीय संमिलन तंत्रज्ञानातील एक प्रमुख देश म्हणून उदयास आला आहे आणि त्या संदर्भातील विकासात अग्रगण्य देशांपैकी एक आहे. ‘एमसीएफ’वर संशोधन करण्यासाठी भारत सरकारने १९८२ मध्ये ‘प्लाझ्मा फिजिक्स प्रोग्राम’ सुरू केला होता, जो नंतर १९८६ मध्ये इन्स्टिट्यूट फॉर प्लाझ्मा रिसर्च (आयपीआर) मध्ये विकसित झाला आणि १९८९ मध्ये भारताचा स्वतःचा स्वदेशी टोकमाक^[१]– ‘आदित्य’ची निर्मिती झाली. त्यानंतर, त्याने स्टेडी स्टेट सुपरकंडक्टिंग टोकमाक (एसएसटी-१) नावाचा एक मोठा अर्ध-स्वदेशी टोकमाकही विकसित केला, जो २०१३ मध्ये पूर्णपणे कार्यान्वित झाला होता. ‘आयपीआर’ने २०२७ मध्ये येणार्‍या ‘एसएसटी-२’च्या उत्तराधिकाऱ्यासाठी आपल्या योजनाही उघड केल्या आहेत.

२००५ मध्ये, भारत आंतरराष्ट्रीय औष्णिक-आण्विक प्रायोगिक अणुभट्टी (आयटीइआर) प्रकल्पात सामील होणारा सातवा सदस्य बनला, जो जगातील सर्वात मोठा टोकमाक अणुभट्टी तयार करण्याचा प्रयत्न करणारा जागतिक उपक्रम आहे. ‘आयटीइआर-इंडिया’ची स्थापना ‘आयपीआर’च्या देखरेखीखाली करण्यात आली आहे आणि तो प्रकल्पासाठी भारताच्या वचनबद्धतेची पूर्तता करण्यासाठी जबाबदार आहे. त्याने अणुभट्टी ठेवण्यासाठी इतर उपकरणांसह जगातील सर्वात मोठे क्रायोस्टॅट- व्हॅक्यूम अॅप्लिकेशन स्टेनलेस स्टीलचे भांडे आधीच पुरवले आहे.

१९६२च्या अणुऊर्जा कायद्यामुळे भारतात मागे पडलेली खासगी गुंतवणूक हे महत्त्वाचे क्षेत्र आहे, ज्यामुळे सरकारला अणुऊर्जा केंद्रे विकसित करण्याचा आणि चालविण्याचा फटका बसतो. देशांतर्गत खासगी कंपन्यांना फक्त ‘कनिष्ठ भागभांडवल भागीदार’ म्हणून परवानगी आहे, त्यांची भूमिका घटक आणि बांधकाम पुरवण्यापुरती मर्यादित आहे. मात्र, अलीकडेच नीति आयोगाने बोलावलेल्या एका सरकारी पॅनेलने अणुऊर्जा उद्योगातील विदेशी गुंतवणुकीवरील बंदी मागे घेण्याची आणि देशांतर्गत खासगी कंपन्यांना अधिक सहभागाची परवानगी देण्याची शिफारस केली आहे.

भारतासाठी सुवर्णसंधी

केंद्रकीय संमिलन अणुभट्ट्यांद्वारे ऊर्जेचे व्यावसायिक उत्पादन किमान एक दशक कमी असू शकते, मात्र, याद्वारे परिस्थितीच्या नवीनतेचा लाभ घेण्याची सुवर्ण संधी भारताला मिळाली आहे. ‘एनआयएफ’ प्रयोगाने जडत्व बंदिस्ततेच्या माध्यमातून आण्विक संलयन साध्य करण्यासाठी एक नवीन मार्ग खुला केला आहे आणि भारताकरता या तंत्रज्ञानाची दखल घेणे आणि गुंतवणूक करणे फायदेशीर ठरेल, कारण हे स्पष्ट आहे की, यातच त्यांचे भविष्य आहे. भविष्यात जीवाश्म इंधनासाठी तर हा एक विश्वासार्ह पर्याय ठरतोच, त्याचबरोबर याच्या सहाय्याने २०७० सालापर्यंत निव्वळ-शून्य कार्बन उत्सर्जन साध्य करण्याचे उद्दिष्ट वेळेच्या अगोदर निश्चितच गाठता येईल.

प्रतिक त्रिपाठी हे ऑब्झर्व्हर रिसर्च फाउंडेशन येथे प्रोबेशनरी रिसर्च असिस्टंट, सेंटर फॉर सिक्युरिटी, स्ट्रॅटेजी अँड टेक्नॉलॉजी आहेत.

• Great Power Dynamics
• Energy
• India

The views expressed above belong to the author(s). ORF research and analyses now available on Telegram! Click here to access our curated content — blogs, longforms and interviews.