न्यूक्लियर फ्यूजन: विश्व ऊर्जा संकटको समाधान बन्न सक्छ ?

एजेन्सी । सूर्यको चमक मानिसका लागि हजारौं वर्षदेखि आश्चर्यको कारण बनेको छ । तर करीब सय वर्ष पहिला खोज भयो कि यो उर्जाको कारण न्यूक्लियर प्रतिक्रिया हो, जसलाई फ्यूजन भनिन्छ ।

यदी पृथ्वीमा त्यस्तै प्रकारको फ्यूजन गराउन सकियो भने निकै परिवर्तन गर्न सकिन्छ । विश्वभरका मानिसलाई बेहिसाब उर्जा प्राप्त हुन सक्छ ।

बिगत करिब १ सय वर्षदेखि फ्यूजन गराउने प्रयास जारी छ । करिब ५० वर्षादेखि आगामी केही दशकमा यस्तो हासिल गरिने दाबी गरिएको छ ।
यस वर्ष फेब्रुअरीमा इग्ल्याण्डका वैज्ञानिकले करिब ५ सेकेण्डसम्म यस्तो गर्न सकिएको दाबी गरेका छन् ।

अब प्रश्न उठ्छ, के न्यूक्लियर फ्यूजनबाट विश्वको उर्जा संकटको स्थायी समाधान मिल्न सक्छ ?

के हो फ्यूजन ?

सरल शब्दमा भन्ने हो भने न्यूक्लियर फ्यूजन त्यो प्रक्रिया हो जहाँ दुई या त्यसभन्दा धेरै परमाणुहरु साथ मिल्दा एक परमाणु बन्छ । यस प्रक्रियाबाट ठूलो मात्रमा ऊर्जा निस्कन्छ ।

साउथईस्टर्न लुइजियाना विश्वविद्यालयमा भौतिक विज्ञानका एसोसिएट प्राध्यापक रेट एलेन भन्छन्, ‘फ्यूजनमा यस्तै हुन्छ । हामी परमाणुलाई लिन्छौं। उनीहरुलाई एकसाथ जोड्छौं र यस प्रक्रियामा द्रव्यमान घट्न जान्छ र अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त हुन्छ।’ यो सोझो प्रक्रिया जानकारी हुँदा फेरि हामीले यसलाई पहिला किन प्रयोग गरेनौं ? कारण हो यस प्रक्रियासँग जोडिएको समस्या ।

परमाणु विश्वको सबैभन्दा छोटो हिस्सा हो । यो एक अर्कासँग जोडिएर मालिक्यूल अर्थात अणु बनाउँछ । हाइड्रोजनको दुई परमाणु र अक्सिजनको एक परमाणु मिलेर पानीलाई एक अणु बनाउँछ । यो एक अणु तीन परमाणु मिलेर बन्छ । तर फ्यूजनमा तपाईं दुई परमाणु लिनुहुन्छ र त्यहाँ तपाईंलाई एकअणु बनाउनु छैन किनकी दुई मिलाएर एक परमाणु बनाइरहनु भएको हुन्छ । निकै शक्तिका साथ नजिक लैजादाँ त्यो जोडिन जान्छ ।

रेट एलेन भन्छन्, ‘यो सम्पर्क निकै जोडदार हुन्छ । दोस्रो निकै कम हुन्छ । यदी तपाईं दुई प्रोटोनलाई एक अर्काको निकै नजिक लैजानु हुन्छ भने एक अर्कोलाई तान्ने परमाणविक बल एक अर्कालाई पर धकेल्ने विद्युतीय बल भन्दा धेरै हुन्छ र त्यो आपसमा जोडिन्छ ।’

र जब यस्तो हुन्छ तब ठूलो मात्रामा उर्जा बाहिर आउँछ । यसको पछिको कारण एक चर्चित सूत्रलाई सम्झनु पर्ने हुन्छ । ‘ई ईक्वल्स एमसी स्क्वायर’ (E =mc2)।

सन् १९०५ मा अल्बर्ट आइन्स्टाइनले यो समीकरण निकाले र सम्झाए । तारा र परमाणु विस्फोटमा उर्जा कसरी बाहिर आउँछ भनेर ।

यो समीकरणले परमाणुको वजनमा भएको कमी ऊर्जामा परिवर्तन हुन जान्छ ।

रेट एलेन भन्छन्, ‘यसलाई यसरी बुझ्नुस् कि यदी म कम द्रव्यमान भएको परमाणु लिन्छु र त्यसलाई एकसाथ जोड्छु भने तयार प्रोडक्टको द्रव्यमान शुरुआतको तुलनामा कम हुनेछ । न्यूक्लियर फ्यूजनमा हामी यस्तै गर्छौं । हामी ऊर्जा पाउनका लागि चिजका साथमा जोड्छौं ।’

मौजुदा न्यूक्लियर पावर प्लाट यस प्रकारले अर्थात् परमाणुलाई जोडेर ऊर्जा हासिल गर्दैन । त्यसले परमाणुलाई अलग अलग गर्छ ।

परमाणुलाई अलग गर्ने प्रक्रियालाई विखण्डन भनिन्छ । यसमा पनि द्रव्यमानमा कमी आउँछ र आइन्स्टाइनको फर्मूला यहाँ पनि लागू हुन्छ ।

न्यूक्लियर पावर प्लान्टमा विखण्डन गर्नु फ्यूजनको तुलनामा सजिलो छ । तर केही चुनौति पनि छन् ।

रेट एलेन भन्छन्, ‘न्यूक्लियर फ्यूजनका साथ केही समस्या जोडिएका छन् । हामीसँग जो न्यूक्लियर पावर प्लान्ट छन्, त्यसबाट निकै ऊर्जा हासिल हुन्छ । तर जब तपाईं धेरै द्रव्यमान युक्त परमाणु लिनुहुन्छ र त्यसाई तोड्नुहुन्छ तब तपाईंसँग टुक्रा बचेको हुन्छ त्यो मात्र रेडियोएक्टिव हुने छैन । त्यो रासायनिक रूपमा पनि सक्रिय हुन सक्छ । त्यसलाई हामी परमाणु फोहर भन्छौं ।’

फ्यूजनका साथ सबैभन्दा ठूलो चुनौती यस प्रक्रियालाई सञ्चालन गरिरहनु हो । यस फोहर रेडियोएक्टिव नहुँदा सीमित रेडियोएक्टिव हुन्छ । फ्यूजनमा जुन इन्धन आवश्यक हुन्छ त्यो पनि सहज रुपमा मिल्छ ।

ताराको शक्ति

साल १९२० मा बेलायतको एस्ट्रोफिजिसिस्ट आर्थर एडिंगटनले कार्डिफमा करीब हजार वैज्ञानिकहरुको अगाडि भाषण दिए । आर्थर एडिंगटनले त्यहाँ जुटेका वैज्ञानिकसँग विल्कुल नयाँ कुरा भने । उनले दाबा गरे, सूर्यको ऊर्जाको कारण फ्यूजन हो ।

प्रिंसटन प्लाज्मा फिजिक्स ल्याबोरेटरीसँग जोडिएको र प्रिंसटन यूनिवर्सिटीका प्रिन्सिपल रिसर्चर फातिमा इब्राहिमी भन्छिन्, ‘उनले बताएकी तारामा हल्का परमाणुको आपसमा सम्पर्क हुन्छ । फ्यूजन रिएक्शनको कारण बहुत धेरै ऊर्जा पैदा हुन सक्छ । १९२० को दशकको शुरुआती सालमा यो कुरा आएको थियो कि तारले आफ्नो उर्जा कसरी उत्पन्न गर्न सक्छन् ।’

आर्थर एडिंगटनले सूर्यमा रहेको हाइड्रोजन परमाणु रफ्तारसँग ठोकिन्छ र त्यो आपसमा जोडिएर एक नयाँ तत्व हिलियम परमाणु बनाइदिने बताए ।

यस प्रक्रियामा क्षय हुने द्रव्यमान ऊर्जामा परिवर्तन हुन्छ । करीब एक दशकपछि बेलायतका वैज्ञानिक अर्नेस्ट रदरफोर्डले सूर्यमा हुने प्रतिक्रियालाई एक प्रयोगशाला प्रयोग गरे । उनले यसका लागि हाइड्रोजनको दुई अलग खालको परमाणु ट्रिटियम र ड्यूटेरियमको प्रयोग गरे ।

फातिमा इब्राहिमी भन्छिन्, ‘फ्यूजनको प्रयोगको रुपमा प्रदर्शन गरियो । उनले हाइड्रोजनको ठूलो स्याम्पलको प्रयोग गरे । उनले जबरजस्त ऊर्जाका साथ यी स्याम्पललाई छर्किए । यसले फ्यूजन भयो । उनले र उनका साथीले प्रयोगशालामा हिलियम र ऊर्जा पैदा गरे ।’

मानिसहरुको प्रयोगका लागि फ्यूजनबाट ऊर्जा उत्पादन गर्नेबारे तबसम्म कसैले सोचेका थिएनन् । तर १९५० को दशकमा सोचमा परिवर्तन आयो ।

फातिमा बताउँछिन्, ‘वैज्ञानिक फ्यूजन रिएक्शनको माध्यमबाट ऊर्जा पैदा गर्नेबारे सोच्न थाले । यो उत्साह बढाउने कुरा थियो । १९५० र ६०को दशकमा फ्यूजनको दिशामा निकै प्रगति भयो ।’

यस प्रक्रियामा दुई हिस्सा छ । मेसिनको डिजाइन कस्तो हुनेछ र फ्यूजन हुन सकोस् भन्नका लागि हाइड्रोजन प्लाज्मालाई तयार गर्नु ।

प्लाज्मा हाइड्रोजन परमाणुको मिश्रण हो जसलाई फ्यूजन गराइन्छ । रिएक्टर भित्र त्यो निकै तातो हुन्छ र चारैतर्फ फैलिएको हुन्छ । परमाणु एक अर्कोबाट बचेर न निस्कियोस् र टकराओस् । उनीहरुको फ्यूजन होस् र ऊर्जा प्राप्त होस्, यसका लागि डिभाइसमा पूर्णरुपमा नियन्त्रण जरूरी हुन्छ ।

यो कार्यका लागि ठूला चुम्बकको साहरा परमाणुहरुलाई दिशा दिइन्छ र त्यो एक रिंगमा तिव्र रुपमा चक्कर लगाउँछ ।
१९५० मा तत्कालीन सोभियत संघका दुई वैज्ञानिक आन्द्रेई सखारोव र इगोर टमले एक डिजाइन तयार गरे । जिसले यस्तै नतिजा दिएको थियो । यसलाई टोकोमाक नाम दिइएको थियो ।

फातिमा इब्राहिमीले भनिन्, ‘यो सिद्धान्त पेस गर्दै भनियो कि तपाईं चुम्बकको प्रयोगले फ्यूजन गराउन सक्नुहुन्छ । टोकोमाक आइडियाको माध्यमले चुम्बकीय घेरा बनाउँछन् ताकि गर्मी आयनीकृत ग्यास प्लाजमाको यस दायरामा बाधिएको हुने छ ।’

टोकोमाक रिएक्टरको डिजाइन न्यूक्लियर फ्यूजन हुने शोधको आधार बन्यो ।

५ करोड डिग्री तापमान

फ्रान्सको दक्षिणमा विश्वको पहिलो न्यूक्लियर फ्यूजन पावर स्टेशन बनाउने परियोजनामाथि काम जारी छ । इन्टरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर नाम दिइएको परियोजनामा तीस भन्दा धेरै देशले अहिलेसम्म करिब २० अर्ब युरो लगानी गरिसकेका छन् ।

सेन्टर फर डक्टोरल ट्रेनिंग इन न्यूक्लियर एनर्जी फ्यूचर्सका डायरेक्टर मार्क वेनमैन भन्छन्, ‘यो एक निकै ठूलो परियोजना हो । विश्वका सबै प्रमुख शक्ति राष्ट्रहरुले यसमा लगानी गरेका छन् । यो पहलो परियोजना हो जसको रिएक्टरबाट साबित हुने छ कि न्यूक्लियर फ्यूजनको माध्यमबाट तपाईं जति ऊर्जाको प्रयोग गर्नुहुन्छ, त्यसभन्दा केही धेरै हासिल गर्न सक्नु हुन्छ । आशा गरिएको छ कि बाहिर निस्कने उर्जाको मात्र १० गुणा हुनेछ ।’

यो निकै जटिल प्रोजेक्ट हो । यसमा लाखौं सामग्री लागेको छ । यो टोकोमाक डिजाइनमा आधारित छ ।

मार्क बताउँछन् कि प्लाज्मा भ्याकुम वेसलमा रहन्छ । त्यसको आकार दुनोट जस्तो हुन्छ । यसको चारैतिर खास प्रक्रियासँग चिसो बनाइएको निकै ठूलो चुम्बक हुन्छ ।

हाइड्रोजन प्लाज्मालाई पाँच करोड डिग्री सेन्टिग्रेडको तापमानमा राख्न जरुरत हुन्छ । यो सूर्यको तापमानको दश गुणा हो ।

तातो बनाएपछि ग्यास र जेली जस्तो चीज अगाडि हुने मार्क बताउँछन् । त्यहाँ कुनै परमाणु हुँदैन । त्यहाँ पोजेटिभ चार्ज वाला केन्द्र हुन्छ र नेगेटिभ चार्ज वाला इलेक्ट्रोन हुन्छ । यो सूप जस्तो हुन्छ जो दुनोटको आकारमा बग्न थाल्छ । हाइड्रोजन परमाणु ठोकिन्छ र हिलियम बनाउँछ । प्रतिक्रिया जारी रहन आवश्यक छ जसबाट यो बाहिर निस्कन सकोस् ।

मार्क भन्छन्, ‘वास्तवमा, भविष्यमा न्यूक्लियर पावर पन्लान्टको लागि मेसिनको कौशल महत्वपूर्ण बन्ने छ । यदी हामी १० गुणा या त्यसभन्दा धेरै उर्जा हासिल गर्न चाहन्छौं भने यो प्रक्रिया चल्न जरुरी छ । यसका लागि हामीलाई केही उर्जा फिर्ता राख्नु हुनेछ । यसपछि पनि हामीसँग पर्याप्त उर्जा हुन आवश्यक छ ।

जसलाई हामी टर्बाइनको माध्यमबाट बिजुलीमा बदल्न सक्छौं । यसमा इन्जिनिरिङका साथ अर्थशास्त्र पनि जोडिएको छ ।’

बेलायतमा हालमा भएको प्रयोगमा फ्यूजन मात्र पाँच सेकेण्डसम्म भएको थियो । त्यहाँ जति उर्जा प्रयोग गरिएको थियो त्यसको दुई तिहाइ बाहिर आयो । रिएक्टर बनाउन के प्रयोग गरिन्छ यसले यो तय हुन्छ कि यसभित्रको तापक्रम कसरी बनिरहेको छ ।

शेफिल्ड यूनिवर्सिटीका सिनियर लेक्चरर डा. एमी गैंडी फ्यूजन प्रविधि र फ्यूजन ऊर्जाको माध्यमबाट विश्वको राम्रो मात्रामा उर्जा उपलब्ध गराउन सकिने बताउँछन् । त्यो पनि बिना कार्बनडाइअक्साइड र न्यूक्लियर रेडियोएक्टिव फोहर उत्पादन गर्दै । पृथिवीलाई बचाउने दिशामा यो गेमचेन्जर साबित हुनसक्ने उनी बताउँछन् ।

उनको विभाग यस्तो सामग्री विकसित गर्नका लागि काम गरिरहेको छ जसको सहयोगमा न्यूक्लियर फ्यूजन रिएक्टर भित्रको भारी ताप सहन गर्न सक्ने छ र लामो समयसम्म काम गर्न सक्नेछ ।

फ्रान्सको रिएक्टर अहिले पनि पूर्णरुपमा तयार भएको छैन । एक पटक यो सफल भए मानिसमा सप्लाई गर्नका लागि ऊर्जा उत्पादनको उदेश्यबाट दोस्रो रिएक्टर बनानु पर्ने छ।

अहिलेसम्म कोइला र तेल जस्ता स्रोतबाट ऊर्जा हासिल गर्दै कार्बन उत्सर्जन घटाउने जरुरतलाई लिएर चिन्ता भइरहने छ । तर अब फेरि पनि एक वास्तविक आशा देखिएको छ कि यसै शताब्दीको अर्को हिस्सामा ऊर्जा उत्पादनको एक नयाँ युगको शुरुआत हुनेछ । जसले हाम्रो केयौं समस्यालाई सधैंका लागि हल गर्नेछ ।

बीबीसीबाट