Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

तारों के कोर और बृहस्पति जैसे विशाल ग्रहों के आंतरिक भाग में, परमाणुओं को इतनी तीव्रता से एक साथ लाया जाता है कि वे आपस में जुड़ (फ्यूज) जाते हैं, जिससे वह ऊर्जा निकलती है जो इन खगोलीय पिंडों को चमकाती और गर्म रखती है। पृथ्वी पर, वैज्ञानिक लंबे समय से प्रयोगशाला में इस प्रक्रिया को दोहराने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह कार्य अत्यंत कठिन है। परमाणु नाभिक धनावेशित होते हैं और स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे को धकेलते हैं, जैसे दो शक्तिशाली चुंबक एक-दूसरे को दूर धकेलते हैं। उन्हें फ्यूज करने के लिए, उन्हें अत्यधिक उच्च गति से टकराना पड़ता है ताकि इस प्रतिकर्षण को पार किया जा सके, एक ऐसा अवरोध जिसके लिए आमतौर पर लाखों डिग्री तापमान की आवश्यकता होती है। हालांकि, ग्रहों के भीतर पाए जाने वाले घने, ठंडे वातावरण में, परमाणु बहुत धीमी गति से चलते हैं, और वहां फ्यूजन असंभव होना चाहिए। फिर भी, भौतिक जगत में एक सूक्ष्म बल मौजूद है जो इस तस्वीर को बदल सकता है: एक धातु में आसपास के इलेक्ट्रॉन एक ढाल (शील्ड) के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो नाभिकों के बीच के प्रतिकर्षण को कमजोर कर देते हैं और उन्हें अपेक्षाकृत कम तापमान पर भी फ्यूज होने के लिए पर्याप्त करीब आने की अनुमति देते हैं।

द दशकों से, शोधकर्ताओं ने ड्यूटेरियम—हाइड्रोजन का एक भारी रूप—की बीमों को धातु के लक्ष्यों (टारगेट्स) में दागकर इस घटना को देखने की कोशिश की है, जिसे इलेक्ट्रॉन स्क्रीनिंग कहा जाता है। जबकि पिछले प्रयोगों ने दिखाया था कि जैसे-जैसे बीम धीमी होती थी, प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती थी, लेकिन किसी ने भी इस फ्यूजन प्रतिक्रिया को वास्तव में थर्मल ऊर्जाओं पर होते हुए सफलतापूर्वक नहीं देखा था, जहाँ परमाणु उतने ही धीमे चलते हैं जितने कि एक गर्म कमरे में होते हैं। पोलैंड के भौतिकविदों की एक टीम ने अब एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाया है, और थर्मल गति पर होने वाले ड्यूटेरॉन-ड्यूटेरॉन फ्यूजन के पहले प्रत्यक्ष अवलोकन की रिपोर्ट दी है। जिरकोनियम, टाइटेनियम और पैलेडियम के ब्लॉकों में ड्यूटेरियम आयनों को दागकर, उन्होंने एक आश्चर्यजनक नया व्यवहार खोजा: सबसे कम ऊर्जा पर, प्रतिक्रिया उम्मीद के मुताबिक केवल धीमी होकर रुक नहीं गई। इसके बजाय, यह एक स्थिर, निरंतर दर पर टिक गई जो इस बात पर निर्भर नहीं थी कि बीम कितनी धीमी हो जाती है।

शोधकर्ताओं ने एक अत्यधिक परिष्कृत त्वरक प्रणाली (एक्सेलेरेटर सिस्टम) का उपयोग करके इसे हासिल किया, जो ड्यूटेरियम बीम को 625 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट जितनी कम ऊर्जा तक धीमा करने में सक्षम है, जो इस प्रकार के प्रयोग के लिए पहले अप्राप्य सटीकता का स्तर था। उन्होंने धातु के उन लक्ष्यों पर बमबारी की जो ड्यूटेमियम परमाणुओं से संतृप्त थे और नाभिकों के फ्यूज होने पर उत्पन्न होने वाले प्रोटॉन को मापा। जैसे ही उन्होंने बीम की ऊर्जा को कम किया, फ्यूजन की घटनाओं की संख्या नाटकीय रूप से गिर गई, जो परमाणु प्रतिकर्षण को पार करने की बढ़ती कठिनाई के कारण एक अनुमानित वक्र (कर्व) का अनुसरण कर रही थी। हालांकि, एक बार जब ऊर्जा एक निश्चित सीमा से नीचे गिर गई, तो प्रतिक्रिया की उपज गिरना बंद हो गई। यह एक पठार (प्लेटो) के रूप में स्थिर हो गई, जो फ्यूजन की घटनाओं की एक निरंतर धारा थी जो तब भी जारी रही जब आने वाले कण बहुत धीमी गति से चल रहे थे।

यह पठार केवल एक सपाट रेखा नहीं था; इसके साथ एक विशिष्ट संकेत (सिग्नेचर) जुड़ा था जिसने घटना की प्रकृति को प्रकट किया। एक मानक फ्यूजन प्रतिक्रिया में, परिणामी प्रोटॉन टक्कर की ऊर्जा द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट गति से बाहर निकलते हैं। लेकिन इस कम-ऊर्जा वाले पठार में, पता लगाए गए प्रोटॉन की ऊर्जा उस धीमी गति वाली बीम से काफी अधिक थी जो उन्हें उत्पन्न करनी चाहिए थी। इससे यह संकेत मिला कि फ्यूजन तेज गति वाली बीम और स्थिर लक्ष्य के बीच नहीं हो रहा था, बल्कि उन ड्यूटेरियम परमाणुओं के बीच हो रहा था जो एक-दूसरे के सापेक्ष अनिवार्य रूप से स्थिर थे। यह प्रतिक्रिया थर्मल इक्विलिब्रियम (तापीय संतुलन) की स्थिति में हो रही थी, जहाँ नाभिक धातु के भीतर उत्पन्न गर्मी के कारण फ्यूज हो रहे थे, न कि आने वाले कणों की गति के कारण।

यह कैसे संभव हुआ, इसे समझाने के लिए, टीम ने बीम द्वारा किए गए सूक्ष्म नुकसान से जुड़े एक मॉडल की ओर रुख किया। जब एक उच्च-ऊर्जा आयन धातु से टकराता है, तो वह तीव्र ऊष्मा का एक छोटा, बेलनाकार पथ बनाता है, जिसे आयन ट्रैक कहा जाता है। इस सूक्ष्म ट्रैक के भीतर, तापमान इतना बढ़ जाता है कि वह क्षण भर के लिए धातु के जालीदार ढांचे (लैटिस) को पिघला देता है, जिससे अत्यधिक तापीय उत्तेजना वाला क्षेत्र बन जाता है। इस पिघली हुई, अत्यधिक उत्तेजित अवस्था में, धातु के भीतर फंसे ड्यूटेरियम परमाणु अविश्वसनीय रूप से गतिशील हो जाते हैं, और तेजी से विसरित (डिफ्यूज) होकर एक-दूसरे से टकराते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि धातु के गुण इसमें महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं: पैलेडियम, जो हाइड्रोजन को अपने माध्यम से बहुत आसानी से गुजरने देता है, ने जिरकोनियम या टाइटेनियम की तुलना में बहुत अधिक मजबूत प्रभाव दिखाया। इसने इस बात की पुष्टि की कि गर्म ट्रैक्स के माध्यम से ड्यूटेरियम परमाणुओं के गुजरने की सहजता ही फ्यूजन प्रतिक्रिया को चलाने में एक प्रमुख कारक है।

अध्ययन ने सामग्री की आंतरिक संरचना के महत्व पर भी प्रकाश डाला। उपयोग की गई धातुओं में सूक्ष्म खामियां और अशुद्धियाँ थीं जिन्होंने इलेक्ट्रॉनों को फँसाने में मदद की, जिससे शील्डिंग प्रभाव और बढ़ गया जिसने नाभिकों को फ्यूज होने के लिए पर्याप्त करीब आने की अनुमति दी। टाइटेनियम के मामले में, यह प्रभाव इतना स्पष्ट था कि प्रतिक्रिया की दर इन प्रभावों के बिना अपेक्षित दर की तुलना में दस हजार गुना बढ़ गई। टीम ने गणना की कि इस इलेक्ट्रॉन शील्डिंग, हीलियम नाभिक में एक विशिष्ट रेजोनेंस (जो प्रतिक्रिया के लिए एक अस्थायी सेतु के रूप में कार्य करता है), और आयन ट्रैक्स के भीतर उच्च तापमान का संयोजन फ्यूजन दर को कई गुना बढ़ा सकता है।

इस खोज का अर्थ यह नहीं है कि कल ही एक नया पावर प्लांट बनाने के लिए तैयार है, लेकिन यह इस बारे में हमारी समझ को मौलिक रूप से बदल देती है कि प्राकृतिक दुनिया में परमाणु संलयन (न्यूक्लियर फ्यूजन) कैसे हो सकता है। यह सुझाव देता है कि विशाल ग्रहों के घने, ठंडे आंतरिक भागों में, जहाँ पारंपरिक फ्यूजन के लिए तापमान बहुत कम है, इलेक्ट्रॉन शील्डिंग और स्थानीय तापन जैसी समान प्रक्रियाएं ऊर्जा उत्पन्न कर सकती हैं। ये निष्कर्ष प्रयोगशाला अनुसंधान के लिए एक नया द्वार खोलते हैं, यह दिखाते हैं कि सामग्रियों का सावधानीपूर्वक चयन करके और उनके सूक्ष्म व्यवहार को समझकर, वैज्ञानिक ऐसी स्थितियाँ बना सकते हैं जहाँ थर्मल ऊर्जा पर फ्यूजन होता है। यह कार्य एक ऐसी घटना के लिए ठोस स्पष्टीकरण प्रदान करता है जिसे कभी असंभव माना जाता था, जो धातु के ठंडे, धीमे परमाणुओं और एक तारे के दहकते हृदय के बीच के अंतर को पाटता है।