China Artificial Sun: चीनच्या ‘कृत्रिम सूर्या’तून वीज कधी मिळणार? १० कोटी अंशांचा प्लाझ्मा नियंत्रित ठेवणारा ५८२ टनांचा चुंबक!

इंग्रजीतील ‘D’ अक्षराच्या आकाराचा हा चुंबक २१ मीटर लांब, १२ मीटर रुंद आणि ३.३ मीटर उंच आहे. एका मोठ्या हत्तीचे सरासरी वजन पाच ते सहा टन मानल्यास या चुंबकाचे वजन जवळपास १०० हत्तींच्या एकत्रित वजनाएवढे भरते. संशोधकांच्या माहितीनुसार, ITER प्रकल्पासाठी तयार केलेल्या अशाच प्रकारच्या चुंबकाच्या तुलनेत त्याचे आकारमान १.३ पट अधिक असून त्यात तीनपट अधिक चुंबकीय ऊर्जा साठवता येऊ शकते.

मात्र या चाचणीचा अर्थ चीनने फ्यूजनद्वारे व्यावसायिक वीज निर्माण केली, असा होत नाही. मग ही कामगिरी नेमकी किती मोठी आहे आणि ‘कृत्रिम सूर्या’पासून प्रत्यक्ष वीज मिळण्यास आणखी किती काळ लागेल? याचाच हा आढावा.

उणे २६९ अंशांचा चुंबक अन् १० कोटी अंशांचा प्लाझ्मा

सध्या संपूर्ण जग हवामान बदल आणि कोळसा, खनिज तेल व नैसर्गिक वायूसारख्या जीवाश्म इंधनांवरील अवलंबित्वाचा सामना करत आहे. अशा वेळी स्वच्छ आणि मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी जगभरात फ्यूजन तंत्रज्ञानावर संशोधन सुरू आहे. चीनने तयार केलेला महाकाय चुंबक हा याच प्रयत्नांतील महत्त्वाचा अभियांत्रिकी टप्पा आहे.

चायनीज अकॅडमी ऑफ सायन्सेसअंतर्गत कार्यरत असलेल्या इन्स्टिट्यूट ऑफ प्लाझ्मा फिजिक्सच्या संशोधकांनी हा चुंबक विकसित केला आहे. तो चीनच्या ‘कॉम्प्रिहेन्सिव्ह रिसर्च फॅसिलिटी फॉर फ्युजन टेक्नॉलॉजी’ अर्थात CRAFT या संशोधन कार्यक्रमाचा भाग आहे. या सुविधेमध्ये भविष्यातील फ्यूजन रिअॅक्टरसाठी आवश्यक चुंबक, प्लाझ्मा गरम करणारी उपकरणे, शीतकरण व्यवस्था आणि ट्रिटियम हाताळणीसारख्या महत्त्वाच्या प्रणालींची चाचणी केली जाते.

चीनने २०३०च्या आसपास प्रायोगिक फ्यूजन वीज निर्मितीकडे वाटचाल करण्याचे उद्दिष्ट ठेवले आहे. याचा अर्थ त्या कालावधीत फ्यूजन वीज व्यावसायिक तत्त्वावर सर्वसामान्यांसाठी उपलब्ध होईल, असा नाही. फ्यूजन प्रक्रियेत प्रत्यक्ष कार्बन डायऑक्साइड किंवा अन्य हरितगृह वायू उत्सर्जित होत नाहीत आणि तुलनेने अत्यल्प इंधनातून मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा मिळवण्याची क्षमता असते.

असे असले तरी फ्यूजन ऊर्जा पूर्णपणे जोखीममुक्त नाही. ट्रिटियमची हाताळणी, उच्च-ऊर्जेच्या न्यूट्रॉनचा मारा आणि रिअॅक्टरमधील काही घटक किरणोत्सर्गी बनण्याची शक्यता ही आव्हाने कायम राहतात.

जगातील सर्वांत मोठा फ्यूजन चुंबक काय करणार?

नव्याने चाचणी पूर्ण झालेला हा ‘टोरोइडल फील्ड सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेट’ म्हणजेच टोरोइडल चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करणारा अतिवाहक चुंबक आहे. टोकामाक नावाच्या वर्तुळाकार रिअॅक्टरमध्ये प्लाझ्मा नियंत्रित करण्यासाठी आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करणे हे त्याचे प्रमुख काम आहे. त्याला इंग्रजीतील ‘D’ अक्षरासारखा आकार देण्यामागेही रिअॅक्टरची वर्तुळाकार रचना हेच कारण आहे.

संशोधकांच्या माहितीनुसार, भविष्यात अशा १६ D-आकाराच्या चुंबकीय कॉइल्स वर्तुळाकार पद्धतीने जोडल्या जातील. त्यातून प्लाझ्म्याभोवती सुमारे ६.५ टेस्लाचे शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र तयार करण्याचे नियोजन आहे. तुलना करायची झाल्यास वैद्यकीय तपासणीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या बहुतांश एमआरआय यंत्रांचे चुंबकीय क्षेत्र साधारणपणे १.५ ते ३ टेस्ला असते.

महाकाय आकार असला तरी हा चुंबक स्वतः फ्यूजन घडवून आणत नाही किंवा वीज निर्माण करत नाही. अतिउष्ण प्लाझ्मा नियंत्रित ठेवण्यासाठी आवश्यक ‘अदृश्य चुंबकीय पिंजरा’ तयार करणे हे त्याचे काम आहे. प्लाझ्मा जितका अधिक स्थिर आणि दीर्घकाळ नियंत्रित राहील, तितकी फ्यूजन प्रक्रिया टिकवून ठेवण्याची शक्यता वाढते.

‘कृत्रिम सूर्य’ म्हणजे नेमके काय?

सूर्याच्या केंद्रात प्रचंड तापमान आणि गुरुत्वीय दाबामुळे हायड्रोजनच्या केंद्रकांचे फ्यूजन होऊन हेलियम तयार होते. या प्रक्रियेत मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा मुक्त होते. यालाच अणुसंलयन किंवा ‘न्यूक्लिअर फ्युजन’ म्हणतात.

पृथ्वीवर सूर्याएवढा गुरुत्वीय दाब निर्माण करणे शक्य नाही. त्यामुळे हायड्रोजनच्या ड्युटेरियम आणि ट्रिटियम या समस्थानिकांना अत्यंत उच्च तापमानापर्यंत गरम केले जाते. तापमान वाढल्यानंतर पदार्थ घन, द्रव आणि वायू या अवस्थांच्या पलीकडे जाऊन प्लाझ्मा अवस्थेत प्रवेश करतो. या अवस्थेत अणूंचे इलेक्ट्रॉन त्यांच्या केंद्रकांपासून वेगळे झालेले असतात.

ड्युटेरियम आणि ट्रिटियमच्या केंद्रकांनी त्यांच्यातील नैसर्गिक विद्युत प्रतिकर्षणावर मात करून एकमेकांशी फ्यूजन साधण्यासाठी पृथ्वीवरील प्रयोगांत दहा कोटी अंशांहून अधिक तापमान आवश्यक ठरते. हे तापमान सूर्याच्या केंद्रापेक्षा सहापटीहून अधिक आहे. त्यामुळे पृथ्वीवरील फ्यूजन प्रयोग सूर्याची हुबेहूब नक्कल करत नाहीत; ते सूर्यामध्ये घडणारी मूलभूत फ्यूजन प्रक्रिया वेगळ्या परिस्थितीत घडवण्याचा प्रयत्न करतात.

सेंट्रल सोलिनॉइडला रिअॅक्टरचे ‘हृदय’ का म्हणतात?

टोरोइडल फील्ड मॅग्नेटबरोबरच चीनने ‘हाय-टेम्परेचर सुपरकंडक्टिंग सेंट्रल सोलिनॉइड कॉइल’चीही पूर्ण क्षमतेने चाचणी घेतली आहे. मराठीत त्याचे वर्णन उच्च-तापमान अतिवाहक सेंट्रल सोलिनॉइड कॉइल असे करता येईल. या प्रणालीला अनेकदा टोकामाकचे ‘हृदय’ म्हटले जाते.

सेंट्रल सोलिनॉइड ट्रान्सफॉर्मरप्रमाणे काम करून प्लाझ्मामध्ये विद्युतप्रवाह निर्माण करतो. हा प्रवाह प्लाझ्मा गरम करण्यास, त्याचा आकार नियंत्रित करण्यास आणि त्याला स्थिर ठेवण्यास मदत करतो. त्याचे कार्य कारच्या स्पार्क प्लगशी तुलना करून समजावले जात असले, तरी तो प्रत्यक्षात प्लाझ्माला ठिणगीने प्रज्वलित करत नाही.

चीनच्या संशोधकांच्या माहितीनुसार, नव्या सेंट्रल सोलिनॉइडने ६० किलोअँपिअर विद्युतप्रवाहावर स्थिर कामगिरी केली आणि ६.०३ मेगाज्यूल ऊर्जा साठवली. या प्रणालीसाठी आवश्यक महत्त्वाचे साहित्य, अतिवाहक तारा आणि उत्पादन तंत्रज्ञान देशांतर्गत विकसित केल्याचा चीनचा दावा आहे.

चुंबकाला उणे २६९ अंशांवर का ठेवावे लागते?

प्लाझ्माचे तापमान दहा कोटी अंशांपेक्षा जास्त असताना त्याला नियंत्रित करणाऱ्या चुंबकाला सुमारे उणे २६९ अंश सेल्सिअसच्या क्रायोजेनिक तापमानावर ठेवावे लागते. तापमानातील हा प्रचंड विरोधाभास फ्यूजन रिअॅक्टर उभारण्यातील सर्वांत मोठ्या अभियांत्रिकी आव्हानांपैकी एक आहे.

अतिवाहक पदार्थ विशिष्ट कमी तापमानावर विद्युतप्रवाहाला होणारा प्रतिरोध जवळजवळ पूर्णपणे गमावतात. त्यामुळे तुलनेने कमी ऊर्जा खर्चात मोठा विद्युतप्रवाह वाहून नेणे आणि शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र तयार करणे शक्य होते. मात्र चुंबकाचा एखादा भाग अचानक सामान्य प्रतिरोधक अवस्थेत गेला, तर त्यात साठवलेली प्रचंड ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपात बाहेर पडू शकते. या स्थितीला ‘क्वेन्च’ म्हटले जाते.

EASTच्या १,०६६ सेकंदांच्या विक्रमाचा अर्थ काय?

जानेवारी २०२५ मध्ये EASTने उच्च-नियंत्रित अवस्थेतील प्लाझ्मा सलग १,०६६ सेकंद, म्हणजेच १७ मिनिटे ४६ सेकंद टिकवून ठेवण्याचा विक्रम केला. भविष्यातील फ्यूजन प्रकल्पातून सातत्याने वीज निर्माण करण्यासाठी प्लाझ्मा दीर्घकाळ स्थिर ठेवणे आवश्यक आहे. त्या दृष्टीने हा प्रयोग महत्त्वाचा मानला जातो.

मात्र EASTने १,०६६ सेकंद दहा कोटी अंश तापमानाचा प्लाझ्मा कायम राखला किंवा त्यातून निव्वळ वीज निर्माण केली, असा त्याचा अर्थ नाही. या प्रयोगात नोंदवलेला विक्रम ‘स्टेडी-स्टेट हाय-कन्फाइनमेंट प्लाझ्मा ऑपरेशन’चा होता. प्लाझ्मा नियंत्रित ठेवण्यासाठी यंत्रणेने खर्च केलेली एकूण ऊर्जा आणि फ्यूजनमधून मिळालेली ऊर्जा यांची तुलना स्वतंत्रपणे करावी लागते.

२०३०पर्यंत फ्यूजन वीज मिळणार?

चीनने BEST प्रकल्पाचे काम या दशकाच्या अखेरपर्यंत पुढे नेण्याचे आणि २०३०च्या आसपास प्रायोगिक फ्यूजन वीज निर्मितीकडे जाण्याचे लक्ष्य ठेवले आहे. त्यानंतर चीन फ्युजन इंजिनिअरिंग टेस्ट रिअॅक्टरसारख्या मोठ्या प्रकल्पांचा विचार केला जात आहे. मात्र हे वेळापत्रक अत्यंत महत्त्वाकांक्षी आहे.

टोकामाकमधील प्लाझ्माने त्याला गरम करण्यासाठी पुरवलेल्या ऊर्जेपेक्षा अधिक फ्यूजन ऊर्जा निर्माण करणे हा महत्त्वाचा टप्पा आहे; पण तेवढ्यावर वीज प्रकल्प तयार होत नाही. चुंबक, प्लाझ्मा गरम करणारी साधने, क्रायोजेनिक व्यवस्था, पंप आणि इतर उपकरणांसाठी वापरलेल्या एकूण विजेपेक्षा अधिक वापरण्यायोग्य वीज ग्रीडला पुरवणे आवश्यक असते.

त्याशिवाय फ्यूजनमधून निर्माण झालेल्या न्यूट्रॉनची ऊर्जा उष्णतेत बदलणे, त्या उष्णतेपासून वीज तयार करणे, रिअॅक्टरमध्येच आवश्यक ट्रिटियमचे उत्पादन करणे आणि न्यूट्रॉनच्या माऱ्याला अनेक वर्षे तोंड देणारे साहित्य विकसित करणे ही आव्हाने बाकी आहेत.

चीनने तयार केलेला महाकाय चुंबक हा तयार वीज प्रकल्प नसून भविष्यातील फ्यूजन रिअॅक्टरसाठी आवश्यक असलेल्या सर्वांत गुंतागुंतीच्या घटकांपैकी एक आहे. त्याने पूर्ण क्षमतेची चाचणी पार करणे ही महत्त्वाची अभियांत्रिकी कामगिरी आहे. मात्र नियंत्रित ‘बर्निंग प्लाझ्मा’ निर्माण करणे, संपूर्ण प्रकल्पाने वापरलेल्या ऊर्जेपेक्षा अधिक वीज मिळवणे, ट्रिटियमचे उत्पादन करणे, रिअॅक्टरमधील उष्णतेचे विजेत रूपांतर करणे आणि संपूर्ण व्यवस्था आर्थिकदृष्ट्या परवडणारी बनवणे ही आव्हाने अद्याप शिल्लक आहेत.

त्यामुळे या एका चुंबकामुळे जगाचे ऊर्जा संकट लगेच संपणार नाही. मात्र फ्यूजन ऊर्जा प्रयोगशाळेतील मर्यादित प्रयोगांपासून प्रत्यक्ष वीज प्रकल्पापर्यंत नेण्यासाठी आवश्यक असलेला एक महत्त्वाचा तांत्रिक टप्पा चीनने पार केला आहे.