नाभिकीय विखंडन और संलयन

नाभिकीय विखंडन

जब एक धीमा न्यूट्रॉन यूरेनियम-235 के नाभिक से टकराता है, तो वह दो मध्यम-भार वाले टुकड़ों में बिखर सकता है — साथ ही दो से तीन नए न्यूट्रॉन और भारी मात्रा में ऊर्जा मुक्त होती है। चूँकि ²³⁵U बंधन-ऊर्जा वक्र के लोहे वाले शिखर से आगे स्थित है, इसलिए बनने वाले टुकड़े मूल नाभिक की तुलना में अधिक मजबूती से बँधे होते हैं — यह अंतर ही ऊर्जा के रूप में मुक्त होता है।

चूँकि हर विखंडन में कई नए न्यूट्रॉन बनते हैं, जो आगे और नाभिकों को विखंडित कर सकते हैं, इससे एक स्वयं-चलित श्रृंखला अभिक्रिया उत्पन्न हो सकती है — नियंत्रित रूप में किसी नाभिकीय रिएक्टर में, और अनियंत्रित रूप में किसी नाभिकीय हथियार में। अभिक्रिया रुके न, इसके लिए विखंडनीय पदार्थ की एक निश्चित न्यूनतम मात्रा आवश्यक होती है: क्रांतिक द्रव्यमान।

नाभिकीय संलयन

बंधन-ऊर्जा वक्र के दूसरे छोर पर संलयन है: जब ड्यूटेरियम (²H) और ट्रिटियम (³H) जैसे दो हल्के नाभिक मिलकर हीलियम बनाते हैं, तो बनने वाला नाभिक दोनों मूल नाभिकों की तुलना में कहीं अधिक मजबूती से बँधा होता है — फिर से यह अंतर ऊर्जा के रूप में मुक्त होता है, और प्रति न्यूक्लिऑन यह मात्रा विखंडन से भी काफी अधिक होती है।

समस्या यह है कि दोनों नाभिक धनावेशित होते हैं और एक-दूसरे को वैद्युत रूप से प्रतिकर्षित करते हैं। केवल कई करोड़ डिग्री तापमान पर — जैसे सूर्य के अंदर या किसी संलयन रिएक्टर में — नाभिक इतनी तेज़ी से गति करते हैं कि उनमें से कुछ कूलॉम अवरोध को पार कर पाते हैं (क्वांटम-यांत्रिक टनल प्रभाव की थोड़ी मदद से)। इस समस्या पर नियंत्रण पाना ही वह कारण है कि पृथ्वी पर नियंत्रित नाभिकीय संलयन आज तक व्यावसायिक रूप से उपयोग में नहीं लाया जा सका है।

तुलना में E = mc²

विखंडन और संलयन दोनों ही एक अत्यंत छोटे द्रव्यमान-ह्रास को ऊर्जा के रूप में मुक्त करते हैं — लेकिन इतने बड़े परिमाण-क्रम में कि इसके सामने हर रासायनिक अभिक्रिया फीकी पड़ जाती है: एक किलोग्राम यूरेनियम-235 के पूर्ण विखंडन से लगभग उतनी ही ऊर्जा मिलती है जितनी बीस से तीस लाख किलोग्राम कोयले को जलाने से मिलती है।

पावर प्लांट बनाम संलयन रिएक्टर

10 करोड़ डिग्री से अधिक तापमान पर कोई ठोस या तरल ईंधन नहीं बचता, बल्कि केवल प्लाज़्मा रहता है — स्वतंत्र, विद्युत आवेशित परमाणु नाभिकों और इलेक्ट्रॉनों से बनी एक गैस। कोई भी ज्ञात पदार्थ ऐसी दीवार नहीं बना सकता जो बिना स्पर्श किए इस तापमान को झेल सके; कोई भी सीधा संपर्क प्लाज़्मा को तुरंत ठंडा कर देगा और दीवार को वाष्पित कर देगा। इसका समाधान प्लाज़्मा के विद्युत आवेश का ही उपयोग करता है: आवेशित कण चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के साथ-साथ लगभग स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं, लेकिन उनके आर-पार जाना उनके लिए अत्यंत कठिन होता है — लॉरेंत्ज़ बल उन्हें क्षेत्र रेखाओं के इर्द-गिर्द संकरे सर्पिल पथ पर चलने के लिए मजबूर करता है। यदि इन क्षेत्र रेखाओं को इस तरह मोड़ दिया जाए कि वे स्वयं में बंद वलय बनाएँ — जैसे टोरस (डोनट आकार) में — तो प्लाज़्मा किसी दीवार को छुए बिना इन्हीं पथों पर चक्कर लगा सकता है — यानी एक अदृश्य "चुंबकीय बोतल"। इसके लिए विशाल, प्रायः अतिचालक चुंबकीय कुंडलियाँ चाहिए होती हैं, जो निर्वात पात्र के चारों ओर लगाई जाती हैं और कई टेस्ला की क्षेत्र-शक्ति उत्पन्न करती हैं — पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र से दस हज़ार से एक लाख गुना अधिक।

इस चुंबकीय परिरोध के लिए तकनीकी रूप से दो अलग-अलग डिज़ाइन प्रचलित हुए हैं: टोकामाक में — रूसी भाषा में "चुंबकीय कुंडलियों वाला टॉरॉयडल कक्ष" — वलय के आकार में लगी कुंडलियाँ प्लाज़्मा में ही प्रेरित एक विद्युत धारा के साथ मिलकर आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं; इसका ढाँचा अपेक्षाकृत सरल और सममित होता है, लेकिन इसके लिए एक प्लाज़्मा धारा चाहिए जिसे केवल स्पंदित (पल्स) रूप में बनाए रखा जा सकता है। दक्षिणी फ्रांस में स्थित अंतरराष्ट्रीय शोध रिएक्टर ITER, जो फिलहाल दुनिया का सबसे बड़ा प्रायोगिक संलयन रिएक्टर है, इसी सिद्धांत पर आधारित है।

इसके विपरीत स्टेलरेटर किसी प्रेरित प्लाज़्मा धारा के बिना काम चलाता है और आवश्यक मुड़ा हुआ चुंबकीय क्षेत्र केवल जटिल आकार वाली, त्रिआयामी रूप से घुमावदार कुंडलियों के ज़रिए उत्पन्न करता है — इसका निर्माण और गणना तकनीकी रूप से कहीं अधिक चुनौतीपूर्ण है, लेकिन यह सिद्धांततः निरंतर संचालन के लिए उपयुक्त है। जर्मनी का मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट ग्रीफ्सवाल्ड में वेंडेलस्टाइन 7-X के साथ दुनिया का सबसे बड़ा स्टेलरेटर संचालित करता है।

एक टोकामाक का ऊपरी दृश्य: प्लाज़्मा टोरस के अंदर चक्कर लगाता है, जिसे चुंबकीय कुंडलियाँ थामे रखती हैं; आवेशित कण क्षेत्र रेखाओं को लगभग छोड़ नहीं पाते, बल्कि उनके इर्द-गिर्द सर्पिल गति करते हैं।

जड़त्वीय संलयन बिल्कुल अलग रास्ता अपनाता है: चुंबकीय क्षेत्रों की जगह यहाँ अत्यंत शक्तिशाली लेज़र — जैसे अमेरिका की नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (NIF) में — कुछ ही नैनोसेकंड के भीतर अपनी ऊर्जा एक छोटे-से ईंधन-गोले पर केंद्रित करते हैं, उसे चारों ओर से तुरंत संपीड़ित और गर्म कर देते हैं, ताकि पदार्थ के बिखरने से पहले ही संलयन प्रज्वलित हो जाए — इसी तरीके से NIF ने 2022 में पहली बार स्वयं संलयन अभिक्रिया से — लेज़र द्वारा लक्ष्य तक पहुँचाई गई ऊर्जा की तुलना में — शुद्ध ऊर्जा लाभ हासिल किया। इसके अलावा कॉमनवेल्थ फ्यूजन सिस्टम्स (उच्च-तापमान अतिचालकों वाले कॉम्पैक्ट उच्च-क्षेत्र टोकामाक) या हीलियन एनर्जी (स्पंदित, चुंबकित जड़त्वीय संलयन) जैसी निजी तौर पर वित्तपोषित कंपनियाँ भी अपने-अपने, कहीं-कहीं मिश्रित तकनीकी दृष्टिकोण अपना रही हैं, ताकि सरकारी शोध से पहले व्यावसायिक संलयन ऊर्जा संयंत्र साकार किए जा सकें।