Thursday 19 May 2022

ફ્યુઝન પાવર: ન્યુક્લિયર રિએક્ટરમાં કુત્રિમ સૂર્ય પેદા કરવાની વૈજ્ઞાનિક મથામણ..

             
        જુલાઈ મહિનાના અંત ભાગમાં ફ્રાન્સના પ્રમુખ ઇમેન્યુઅલ મેક્રોન દ્વારા વિજ્ઞાન જગત નો સૌથી મોટો પ્રોજેક્ટ શરૂ કરવા માટે શિલારોપણ એટલે કે શુભ શરૂઆત કરવામાં આવી છે. ફ્રાન્સમાં ઉર્જા ઉત્પાદન માટેનો એક વિશાળકાય નવો પ્રોજેક્ટ શરૂ કરવામાં આવ્યો છે. જેનું નામ “ ઇન્ટરનેશનલ થર્મો-ન્યુક્લિયર              એક્સપરિમેન્ટલ રિએક્ટર” એટલે કે ITER રાખવામાં આવ્યું છે. એક નવીન પદ્ધતિ દ્વારા, સૂર્યમાં જે પ્રકારે ઉર્જા ઉત્પન્ન થાય છે, તે પ્રકારે વૈજ્ઞાનિક પ્રક્રિયાને રીએક્ટરમાં શરૂ કરી ઉર્જા એટલે કે પાવર ઉત્પાદન કરવામાં આવશે. ટૂંકમાં એમ કહી શકાય કે રીએક્ટરમાં એક ટચુકડા સૂર્યને પેદા કરી તેમાંથી ગરમી ઉત્પન્ન કરવામાં આવશે. પેદા થયેલ ગરમીનો ઉપયોગ ત્યારબાદ ત્યારબાદ ટર્બાઇન ચલાવીને વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે કરવામાં આવશે. આ એક અનોખો પ્રયોગ છે. સાયન્સ ફિકશનમાં આવતા, વૈજ્ઞાનિક સિદ્ધાંત જેવો આ પ્રયોગ હવે સાકાર થવા જઈ રહ્યો છે. છેલ્લા ૩૫ વર્ષના આયોજન બાદ, પ્રોજેક્ટ હવે નક્કર સ્વરૂપ ધારણ કરી રહ્યો છે.આ આંતરરાષ્ટ્રીય પ્રોજેક્ટમાં ૩૦ કરતા વધારે દેશોએ ભાગ લીધો છે. જેમાં ભારતનો પણ સમાવેશ થાય છે. નવતર પ્રકારના રીએક્ટરમાં, પરમાણુની ફ્યુઝન એટલે કે સંલયન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરવામાં આવશે.

ફ્યુઝન: સંલયન પ્રક્રિયા શું છે?

                 ફ્યુઝન પ્રક્રિયામાં બે અથવા વધારે પરમાણુ નાભિ કેન્દ્ર જોડાઇને એક નાભિ કેન્દ્ર બને છે. આ પ્રક્રિયામાં નાભિ કેન્દ્રમાં રહેલા પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનને પકડી રાખનાર સ્ટ્રોંગ ફોર્સ મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. આ ઉપરાંત તેમની વચ્ચે લાગતુ કુલોમ્બ ફોર્સ,ધન વિદ્યુતભાર ધરાવતા પ્રોટોનને અપાકર્ષણ પેદા કરી એકબીજાથી દૂર રાખે છે.કુલોમ્બ ફોર્સ અને સ્ટ્રોંગ ફોર્સ નાભિ કેન્દ્રમાં ખૂબ જ ટૂંકા અંતર ઉપર લાગે છે. જ્યારે બે નાભિ કેન્દ્રના પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન જોડાઈને એક નાભિ કેન્દ્ર બનાવે છે ત્યારે તેમની વચ્ચે રહેલા સ્ટ્રોંગ ફોર્સ અનેક ગણો વધી જાય છે અને ખાસ પ્રકારની ઊર્જા મુક્ત કરે છે જે રેડિયેશન સ્વરૂપે હોય છે અને કેટલીકવાર તેમાંથી અન્ય સૂક્ષ્મ સબ એટમીક પાર્ટીકલ્સ છૂટા પડે છે. પ્રોટોનની સંખ્યા વધતા તેમની વચ્ચે લાગતુકુલોમ્બ અપાકર્ષણ માં પણ ખૂબ જ વધારો થાય છે.
                નાભિ કેન્દ્રની આજુબાજુ ફરતા ઈલેક્ટ્રોન અને તેના પ્રદક્ષિણા-માર્ગમાં રાખતા ખાસ પ્રકારના બળ કરતાં ઉપર જણાવેલ ખૂબ જ વધારે શક્તિશાળી છે. રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં પ્રદક્ષિણા માર્ગ માં ફરતા ઇલેક્ટ્રોનના પ્રદક્ષિણા માર્ગમાં બદલાવાથી ઉર્જા પેદા થાય છે. જ્યારે ફ્યુઝન નામની ભૌતિક પ્રક્રિયામાં બે કે તેથી વધારે નામ કેન્દ્ર જોડાઈને એક બનતા, સ્ટ્રોંગ ફોર્સ અને કુલોમ્બ ફોર્સમાં થયેલ વધારો ઊર્જા મુક્ત કરે છે. આ કારણે પરંપરાગત ફોસીલ ફ્યૂઅલ, જે રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા ઉર્જા ઉત્પન્ન કરે છે, તેના કરતા 1000000 ઘણી ઉર્જા, આ ભૌતિક પ્રક્રિયામાંથી મુક્ત થાય છે.
     
જ્યારે પરમાણુનું નાભિ કેન્દ્ર તોડવામાં આવે છે, ત્યારે પણ પુષ્કળ ઊર્જા પેદા થાય છે. જેના વિખંડન/ ફીશન પ્રક્રિયા કહે છે. પરમાણુ ઊર્જા પેદા કરનાર ન્યુક્લિયર રિએક્ટરમાં આ પ્રક્રિયા નિયંત્રિત સ્વરૂપમાં કરવામાં આવે છે. જ્યારે પરમાણુ બોમ્બ આ પ્રક્રિયા અનિયંત્રિત હોય છે તેથી મોટો વિસ્ફોટ કરે છે અને ખૂબ જ મોટી જાનહાનિ પણ કરે છે. આ પ્રક્રિયાથી ઉલટી પ્રક્રિયામાં, જ્યારે બે પરમાણુના નાભી કેન્દ્રને જોડીને એક કરવામાં આવે ત્યારે પણ પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઉર્જા પેદા થાય છે. તેને સંલયન/ ફ્યુઝન પ્રક્રિયા કહે છે.

ફ્યુઝન પાવર: સાયન્સ ફિક્શન અને સાયન્સ ફેક્ટ.

         ધ ડાર્ક નાઈટ રાઈઝીસ", "બેક ટુ ફ્યુચર", "ઑબ્લિવિયન અને ઈન્ટરસ્ટેલર" જેવી હોલિવૂડની ફિલ્મોમાં કઈ સમાનતા છે? આ ફિલ્મ એક પ્રકારનું સાયન્સ ફિકશન છે. સાયન્સ ફિક્શનના કેન્દ્રમાં. વિજ્ઞાન જગત નો ઉર્જા પેદા કરવાનો ખાસ સિદ્ધાંત એટલે કે ફ્યુઝન એનર્જી અને ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન રિએક્ટર કેન્દ્ર સ્થાને છે.૧૯૨૦ના દાયકામાં બ્રિટિશ ભૌતિકશાસ્ત્રી આર્થર સ્ટેનલી એડિંગ્ટને પ્રથમ સૂર્યની ભીતરમાં ચાલતી રાહ તિક પ્રક્રિયાની માહિતી આપી હતી. તેમણે જણાવ્યું હતું કે આપણા સૂર્ય અને બ્રહ્માંડના અન્ય તારાઓમાં હાઇડ્રોજનનું હિલીયમ વાયુ માં રૂપાંતર થતાં પુષ્કળ ગરમી અને ઊર્જા પેદા થાય છે. 1950ના દાયકાથી વૈજ્ઞાનિકો સાયન્સ ફિક્શન ફિલ્મના ચાહકો અને ઉર્જા ઉત્પાદન કરવા મનારા ઔદ્યોગિક સાહસિકો, સૂર્યના સ્વરૂપ જેવા મિનિએચર સૂર્યને પેદા કરી તેમાંથી ઊર્જા મેળવવાના સપના જોતા હતા.
                
ફ્યુઝન દ્વારા ઉર્જા પેદા કરનાર ન્યુક્લિયર રિએક્ટર ની અનેક ડિઝાઇન સંભવ છે. પરંતુ પ્રોટોનથી પ્રોટોનનું જોડાણ થાય, તેવી સંલયન પ્રક્રિયા આધારિત રિએક્ટર વૈજ્ઞાનિકોમાં ખૂબ જ પ્રચલિત છે. હાલમાં સૂર્યમાં ચાલતી પ્રક્રિયાનું, પ્રયોગશાળામાં પુનરાવર્તન કરી ઉર્જા મેળવવાના પ્રયાસો થઈ ચૂક્યા છે. ડ્યુટેરિયમ-ટ્રિટિયમ (ડીટી)નાભિ કેન્દ્રને જોડીને ભૌતિક સંલયન પ્રક્રિયા દ્વારા ઊર્જા પેદા કરવાનો વૈજ્ઞાનિક સિદ્ધાંત વૈજ્ઞાનિકોને વધારે અનુકૂળ આવે છે. ખાસ પ્રકારના રીએક્ટરના કેન્દ્ર સ્થાનમાં આવેલ ચેમ્બર જેને તોકમાક કહે છે. તેમાં સંલયન પ્રક્રિયા શરૂ કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા શરૂ કરવા માટે વાયુને પ્લાઝમા સ્વરૂપમાં ફેરવવામાં આવે છે જે માટે ખુબ જ ઊંચું તાપમાન અહીં પેદા કરવામાં આવે છે.
                1932માં કેમ્બ્રિજ યુનિવર્સિટીમાં ઓસ્ટ્રેલિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી માર્ક ઓલિફંત દ્વારા ફ્યુઝન પ્રતિક્રિયાને સફળતાપૂર્વક શરૂ કરી શકાય હતી. મોટાભાગના ફ્યુઝન આધારિત રિસર્ચ કેન્દ્રના તોકમાકમાં સુપર કન્ડક્ટીગ મેગ્નેટ નો ઉપયોગ કરી, ફ્યુઝન પ્રક્રિયાને નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે. ૧૯૫૦ના દાયકામાં રશિયન ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ આન્દ્રે સખારોવ અને ઇગોર તમ્મ દ્વારા ખાસ પ્રકારનું તોકમાક વિકસાવવામાં આવ્યું હતું. તોકમાક ચેમ્બરમાં ખુબ જ ઉચ્ચ કક્ષાનો ચુંબકીય ક્ષેત્ર પેદા કરવું અઘરું કામ છે.

કુત્રિમ સૂર્ય: પ્રયોગાત્મક ફ્યુઝન રિએક્ટર

       હાલમાં કેટલીક વૈજ્ઞાનિક સંસ્થાઓ અને પ્રયોગાત્મક રીએક્ટરમાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર આધારિત તોકમાક કાર્યરત છે. પ્રિન્સટોન પ્લાઝમા ફિઝિકલ લેબોરેટરી દ્વારા પ્રથમ ફ્યુઝન ટેસ્ટ રિએક્ટર શરૂ કરવામાં આવ્યું હતું. જેની ક્ષમતા 10 મેગાવોટ પાવર ની હતી. હાલમાં બ્રિટનમાં વિશ્વનું સૌથી વિશાળ તોકમાક, જોઈન્ટ યુરોપિયન ટોરસ પ્રયોગશાળામાં છે. જેનો વ્યાસ 3 મીટર છે અને તે 16 મેગાવોટ ફ્યુઝન પાવર પેદા કરે છે.હાલમાં પાવર વિશે વધારે વૈજ્ઞાનિક સંશોધન કરવા માટે, અમેરિકાનું ડિપાર્ટમેન્ટ એનર્જી, સાન ડિયાગો ખાતે આવેલ જનરલ એટોમિક પ્રયોગશાળાના તોકમાક દ્વારા પોતાના પ્રયોગો આગળ વધારી રહ્યું છે. જર્મનીમાં વેન્ડેલસ્ટેઇન 7-એક્સ,પ્રયોગશાળામાં ફ્યુઝન પ્રક્રિયા ઉપર સંશોધન ચાલી રહ્યા છે. નવા બંધાઈ રહેલા ITER માં નીચેની

ભૌતિક પ્રક્રિયા દ્વારા વિદ્યુત ઉત્પાદન કરવાના પ્રયોગ કરવામાં આવશે.

  1. તોકમાક તરીકે ઓળખાતા ચેમ્બરમાં, સૌપ્રથમ ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમને ધકેલવામાં આવશે. ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમ એક પ્રકારના હાઈડ્રોજન વાયુના જ પરમાણુ છે.
  2. હાઈડ્રોજન વાયુ જ્યાં સુધી વાયુના પ્લાઝમા સ્વરૃપમાં ના ફેરવાય ત્યાં સુધી તેને ગરમ કરવામાં આવશે.
  3. પેદા થયેલ પ્લાઝમા વાયુના વાદળને ૧૦,૦૦૦ ટન વજન ધરાવનાર સુપર કન્ડક્ટીગ મેગ્નેટ દ્વારા નિયંત્રિત કરવામાં આવશે.
  4. જ્યારે પ્લાઝમા નુ તાપમાન 15 કરોડ ડિગ્રી સેલ્સિયસ પહોંચશે ત્યારે હાઈડ્રોજન વાયુના નાભિ કેન્દ્ર એકબીજા સાથે જોડાઈ જશે અને હિલીયમ વાયુના કેન્દ્રમાં ફેરવાશે.
  5. આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનના સૂત્ર મુજબ નજીવા દર ધરાવતા પદાર્થ માંથી પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઉર્જા પેદા કરવામાં આવશે.
  6. ફ્યુઝન પ્રક્રિયામાં પેદા થતાં ખૂબ જ ખૂબ જ ઉચ્ચ ઉર્જા ધરાવનારા ન્યુટ્રોન કણ ચુંબક ક્ષેત્ર માંથી ભાગી ને બહાર નીકળશે અને તે ગરમી સ્વરૂપે ઉર્જા મુક્ત કરશે.
  7. તોકમાક ચેમ્બરની દિવાલમાં ફરતું પાણી આ ગરમીને ચૂસી લઈ, પાણી અને વરાળમાં ફેરવી નાખશે.
  8. પાણીની વરાળ, ખાસ પ્રકારના સ્ટીમ્બ ટર્બાઈન ચલાવીને વીજળીનું ઉત્પાદન કરશે.

ઇન્ટરનેશનલ થર્મો-ન્યુક્લિયર એક્સપરિમેન્ટલ રિએક્ટર” : કેટલીક વિશેષતાઓ             

         
ITERના બાંધકામમાં વપરાતા વિવિધ ભાગનું ઉત્પાદન આ પ્રોજેક્ટમાં ભાગ લેનારા વિવિધ દેશ કરવાના છે. પરમાણુના નાભિ કેન્દ્રને આયન સ્વરૂપમાં લાવવા માટે ખાસ પ્રકારના કેન્દ્ર ભાગ બનાવવામાં આવશે. જેની રચના અમેરિકા કરવાનું છે. અમેરિકા પાવરફુલ મેગ્નેટિક ફિલ્ડ ઉત્પન્ન થાય તેવી રચના કરશે. ITERના તોકમાક ખાસ પ્રકારના ચુંબક વડે બનાવવામાં આવેલ છે. જે સેન્ટ્રલ સોલેનોઇડતરીકે ઓળખાય છે. સેન્ટ્રલ સોલેનોઇડની રચના છ ભાગમાં કરવામાં આવશે. દરેક ભાગને જોડીને જ્યારે એક વિશાળ બાંધકામ કરવામાં આવશે ત્યારે, તેની ઊંચાઈ ૧૩થી ૧૮ મીટર જેટલી હશે. આ ચુંબક એટલા પાવરફુલ હશે કે, અમેરિકાના નૌકાદળના વિશાળકાય વિમાનવાહક જહાજને એકલા હાથે ઊંચકી શકે તેટલી તેની તાકાત હશે. 2020 ના અંત ભાગમાં અમેરિકા મેગ્નેટ ના ભાગ ફ્રાન્સમાં મોકલવાની શરૂઆત કરશે.
              
                 ફ્યુઝન પ્લાન્ટના બાંધકામ માટે જરૂરીવિશાળ કદના વિવિધ ભાગ વિવિધ દેશમાંથી હવે ફ્રાન્સમાં પહોંચી રહ્યા છે દરેક ભાગ 15 મીટર કરતા વધારે લાંબો અને સેંકડો ટન વજન છે. જેના બાંધકામમાં પાંચ વર્ષ કરતાં વધારે સમય લાગેલો છે.આ પ્રોજેક્ટમાં ફ્રાંસ યુરોપિયન યુનિયન યુનાઇટેડ કિંગડમ અને સ્વીઝરલેન્ડ યજમાન દેશ છે તેથી તેઓ પ્રોજેક્ટ નો ૪૫ ટકા જેટલો ખર્ચ ઉઠાવશે જ્યારે, બાકીના દેશ એટલે કે અમેરિકા ચીન જાપાન રશિયા ભારત અને કોરિયા નવ ટકા જેટલો ખર્ચ ઉઠાવશે. આ પ્રોજેક્ટ માંથી મળનારા લાભ અને નવી ટેકનોલોજીના વિકાસ નો લાભ આ પ્રોજેક્ટમાં જોડાયેલ દેશને મળશે
             
   ITERમાં વપરાતું બળતણ દરિયાઈ પાણીમાંથી મળે છે અને સાથે લિથિયમ વાપરવામાં આવે છે. ફ્યુઝન રીએક્ટરમાં પાઈનેપલના કદના બળતણથી, કોલસાના ૧૦,૦૦૦ ટન જેટલા બળતણમાં થી પેદા થતી વીજળી, જેટલી વીજળી પેદા કરી શકાશે. ફ્યુઝન પ્લાન્ટ બાંધવાનો ખર્ચ, પરંપરાગત ન્યુક્લિયર રિએક્ટર બાંધવાના ખર્ચ જેટલો જ છે. 1950ના દાયકાથી ફ્યુઝન દ્વારા ઉર્જા ઉત્પન્ન થવાના પ્રયોગો થઈ રહ્યા છે.

No comments: