New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

तारों की शक्ति को नियंत्रित करने की खोज लंबे समय से भौतिकी का एक केंद्रीय लक्ष्य रही है, जिसका उद्देश्य उस प्रक्रिया की नकल करना है जो सूर्य को ईंधन देती है: नाभिकीय संलयन (न्यूक्लियर फ्यूजन)। इस प्रक्रिया में, अत्यधिक दबाव और गर्मी के तहत हल्के परमाणुओं को भारी परमाणुओं में बदलने के लिए एक साथ लाया जाता है, जिससे विशाल मात्रा में ऊर्जा मुक्त होती है। हालांकि वैज्ञानिक प्रयोगशालाओं में सफलतापूर्वक संलयन प्रतिक्रियाएं उत्पन्न कर चुके हैं, लेकिन उस क्षणिक शक्ति के विस्फोट को हमारे ग्रिडों के लिए बिजली के एक स्थिर, विश्वसनीय स्रोत में बदलना पृथ्वी पर सबसे कठिन इंजीनियरिंग चुनौतियों में से एक बना हुआ है। प्राथमिक बाधाओं में एक छोटे ईंधन पेलेट (pellet) को पूरी तरह से संकुचित करना और फिर उस मशीन को नष्ट किए बिना परिणामी ऊर्जा को कैप्चर करना शामिल है जो इसे थामे हुए है। पारंपरिक दृष्टिकोण अक्सर संपीड़न की समरूपता (symmetry) या रिएक्टर की दीवारों के स्थायित्व के साथ संघर्ष करते हैं, जिन्हें विकिरण और गर्मी के तीव्र विस्फोटों को सहना पड़ता है।

एक नए प्रस्ताव में, मेरफोटोनिक्स (Merophotonics) के यूरी चिवेल एक अलग दृष्टिकोण की रूपरेखा तैयार करते हैं, जो एक नवीन लेजर डिजाइन को एक पूरी तरह से भिन्न रिएक्टर संरचना के साथ जोड़ता है। मुख्य विचार वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले जटिल, बहु-चरणीय लेजर सिस्टम को एक सरल, गोलाकार व्यवस्था से बदलना है जो एक एकल, विशाल ऑप्टिकल उपकरण की तरह कार्य करता है। लेजर को बाहर से अंदर की ओर दागने के बजाय, यह डिजाइन एक ऐसा रिएक्टर परिकल्पना करता है जहाँ लेजर घटक स्वयं गोले की बाहरी परत (shell) बनाते हैं, जिससे प्रकाश की एक समान तरंग उत्पन्न होती है जो केंद्र में स्थित लक्ष्य पर केंद्रित होती है। इस पद्धति का लक्ष्य ईंधन पेलेट को पूर्ण समरूपता के साथ संकुचित करना है, जो सफलता के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है जिसे प्राप्त करना ऐतिहासिक रूप से कठिन रहा है।

वर्णित रिएक्टर चार मीटर व्यास का एक गोला है, जिसमें सैकड़ों डिस्क के आकार के लेजर तत्व लगे हैं। इन तत्वों को एक संकेंद्रित परत (concentric layer) में व्यवस्थित किया गया है, जो एक बड़ी गुहा (cavity) बनाता है। संचालन के रैखिक चरण (linear phase) में, प्रकाश इस बड़े गोले के भीतर आगे-पीछे उछलता है, जिससे ऊर्जा का एक विशिष्ट पैटर्न बनता है जिसका फोकल पॉइंट बिल्कुल बीच में होता है। नवाचार इस बात में निहित है कि पल्स को कैसे ट्रिगर किया जाता है। ऊर्जा को छोड़ने के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक शटर का उपयोग करने के बजाय, यह प्रणाली स्वयं ईंधन पेलेट को एक स्विच के रूप में उपयोग करती है। जब ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मिश्रण वाला एक छोटा सा पेलेट उच्च गति से गोले के केंद्र में भेजा जाता है, तो वह भौतिक रूप से इस बड़ी गुहा को अवरुद्ध कर देता है। यह प्रकाश को लेजर डिस्क द्वारा बनाई गई बहुत छोटी, व्यक्तिगत गुहाओं में स्विच होने के लिए मजबूर करता है। यह अचानक परिवर्तन ऊर्जा को एक साथ और सिंक्रोनाइज़्ड, नैनोसेकंड-लंबे विस्फोट के रूप में जारी करता है जो पेलेट पर हर दिशा से एक साथ प्रहार करता है, जिससे उसे अत्यधिक बल के साथ कुचला जाता है।

एक बार पेलेट संकुचित हो जाने के बाद, इसे संलयन प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए प्रज्वलित (ignite) किया जाना चाहिए। शोध पत्र एक "फास्ट इग्निशन" रणनीति का सुझाव देता है जो संपीड़न चरण को हीटिंग चरण से अलग करती है। संकुचित ईंधन को गर्म करने के लिए एक एकल, विशाल लेजर बीम पर निर्भर रहने के बजाय, यह डिजाइन छह से दस छोटे, अत्यंत तीव्र (ultra-fast) लेजर पल्स का उपयोग करता है। ये पल्स संकुचित पेलेट की सतह पर प्रहार करते हैं, जिससे आवेशित कणों की शक्तिशाली किरणें—विशेष रूप से ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के आयन—उत्पन्न होती हैं। ये आयन बीम संकुचित पेलेट के चारों ओर स्थित प्लाज्मा कोरोना में सीधे उत्तेजित होने वाले 'कोलिजनलेस शॉक्स' (collisionless shocks) के माध्यम से उत्पन्न होते हैं। इसके बाद ये बीम पेलेट के केंद्र में टकराते हैं, जिससे ऊर्जा सीधे ईंधन में स्थानांतरित होती है और तापमान इतना बढ़ जाता है कि संलयन प्रतिक्रिया शुरू हो सके। यह विधि पिछले प्रयासों की तुलना में अधिक कुशल होने का प्रस्ताव देती है क्योंकि आयन सीधे संकुचित पेलेट के प्लाज्मा कोरोना में उत्पन्न होते हैं, जिससे ऊर्जा की हानि कम होती है और अधिक कॉम्पैक्ट इग्निशन सिस्टम संभव होता है।

मानक डिजाइनों से सबसे महत्वपूर्ण विचलन रिएक्टर की आंतरिक दीवार के उपचार में है। अधिकांश संलयन अवधारणाओं में, पहली दीवार धातु या कार्बन से बनी एक ठोस बाधा होती है जो गर्मी और विकिरण को अवशोषित करती है, जिससे अंततः उसे नुकसान पहुँचता है और उसे बार-बार बदलने की आवश्यकता होती है। चिवेल एक पारदर्शी पहली दीवार के रूप में फ्यूज्ड सिलिका ग्लास (fused silica glass) का प्रस्ताव करते हैं। यह कांच इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि यह संलयन प्रतिक्रिया से निकलने वाले तीव्र न्यूट्रॉन फ्लक्स और गामा किरणों को बिना अवशोषित किए गुजरने दे। इस कांच की दीवार के पीछे पानी की एक मोटी परत बहती है, जो वास्तविक अवशोषक के रूप में कार्य करती है। न्यूट्रॉन पानी में धीमे हो जाते हैं, जिससे वे ऊष्मा के रूप में अपनी ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं, जिसका उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। यह डिजाइन संरचनात्मक कांच को सीधे थर्मल शॉक और विकिरण क्षति से बचाता है, जो आमतौर पर ठोस दीवारों को नष्ट कर देते हैं, जबकि पानी ऊर्जा को कुशलतापूर्वक कैप्चर करता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रतिक्रिया के दौरान उत्पन्न उच्च-गति वाले आयन कांच की दीवार से टकराकर उसे नुकसान न पहुँचाएँ, शोध पत्र में प्रकाश द्वारा निर्मित एक अद्वितीय चुंबकीय ढाल (magnetic shield) का परिचय दिया गया है। दो परस्पर लंबवत ऑप्टिकल एन्हांसमेंट कैविटीज़ में दो एनुलर (annular) बीमों को रखकर, सिस्टम एक लेजर मैग्नेटिक ट्रैप बनाता है जहाँ बीम एक दूसरे को काटते हैं। यह प्रतिच्छेदन (intersection) एक ऐसा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है जो आवेशित कणों को दीवार से दूर धकेलने और उन्हें रिएक्टर के केंद्र के भीतर रखने के लिए पर्याप्त मजबूत होता है। यह "लेजर मैग्नेटिक कन्फाइनमेंट" एक अदृश्य बाधा के रूप में कार्य करता है, जो फ्यूजन इवेंट के हिंसक प्लाज्मा से नाजुक कांच की संरचना की रक्षा करता है। संपूर्ण प्रणाली को एक लो-टेम्परेचर थर्मोडायनामिक चक्र के साथ संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें गर्म पानी का उपयोग टर्बाइन चलाने के लिए किया जाता है, जो अन्य संलयन अवधारणाओं से जुड़े अत्यधिक तापमान के बजाय सरलता और विश्वसनीयता को प्राथमिकता देता है।

शोध पत्र इन विचारों को गणनाओं और सिमुलेशन द्वारा समर्थित एक सुसंगत सैद्धांतिक ढांचे के रूप में प्रस्तुत करता है। लेखक का सुझाव है कि गोलाकार लेजर ऐरे, पेलेट-ट्रिगर पल्स तंत्र, और पानी के साथ पारदर्शी कांच की दीवार का यह संयोजन उन समन्वय और स्थायित्व संबंधी समस्याओं को दूर कर सकता है जिन्होंने पिछले डिजाइनों को बाधित किया है। हालांकि यह प्रस्ताव स्थापित लेजर भौतिकी और प्लाज्मा गतिकी के सिद्धांतों पर आधारित है, लेकिन इन तत्वों को एक एकल, सरल रिएक्टर आर्किटेक्चर में एकीकृत करने का विशिष्ट तरीका अभी परीक्षण योग्य एक अवधारणा बना हुआ है। यह कार्य इस दावे के साथ नहीं आता कि इसने रिएक्टर का निर्माण कर लिया है, बल्कि यह एक विस्तृत ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि व्यावहारिक फ्यूजन ऊर्जा के लंबे समय से प्रतीक्षित लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए ऐसी मशीन का निर्माण कैसे किया जा सकता है।