चीन का क्रांतिकारी सुपर स्टील: अगली पीढ़ी के फ्यूजन रिएक्टरों को शक्ति देने वाली सामग्री

चीन का सुपर स्टील: परमाणु फ्यूजन की दिशा में बड़ी छलांग

तारों की ऊर्जा को हासिल करने की कोशिश में, परमाणु फ्यूजन स्वच्छ और असीमित ऊर्जा का परम लक्ष्य है। लेकिन परमाणु नाभिकों के संलयन की भौतिकी जितनी चुनौतीपूर्ण है, उतनी ही बड़ी एक और मुश्किल लंबे समय से सामने रही है: ऐसी मजबूत सामग्री खोजना जो फ्यूजन रिएक्टर के भीतर की चरम परिस्थितियों को झेल सके। 2023 में चीनी वैज्ञानिकों ने CHSN01 के विकास और इस्तेमाल के साथ एक बड़ी सफलता की घोषणा की। यह चीन का उच्च-शक्ति, निम्न-तापमान स्टील नंबर 1 है—विशेष रूप से तैयार की गई एक मिश्रधातु, जो अब दुनिया के पहले फ्यूजन परमाणु विद्युत उत्पादन रिएक्टर के केंद्र में है। यह उपलब्धि पदार्थ विज्ञान में एक निर्णायक पड़ाव है और व्यावहारिक फ्यूजन ऊर्जा की वैश्विक दौड़ को तेज कर सकती है।

फ्यूजन रिएक्टरों को सुपर स्टील की जरूरत क्यों है

फ्यूजन रिएक्टर ऐसी परिस्थितियों में काम करते हैं जो आधुनिक इंजीनियरिंग की सीमाओं को परखती हैं। इनके केंद्र में शक्तिशाली सुपरकंडक्टिंग चुंबक होते हैं, जो 20 टेस्ला तक के चुंबकीय क्षेत्र पैदा करते हैं—यह पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र से लगभग 400,000 गुना अधिक शक्तिशाली है। इन चुंबकों को परम शून्य के करीब तापमान (−269°C तक कम) पर काम करना होता है, जबकि वे सूर्य के केंद्र से भी अधिक गर्म प्लाज्मा को सीमित रखते हैं। इनके आसपास की संरचनात्मक सामग्रियों को अत्यधिक ठंड, बहुत बड़े चुंबकीय तनाव और बार-बार पड़ने वाले यांत्रिक भार के अनूठे मेल का सामना करना पड़ता है।

परंपरागत सामग्रियां, यहां तक कि चरम परिस्थितियों के लिए बनाई गई सामग्रियां भी, इतने कम तापमान पर अक्सर भंगुर हो जाती हैं या अपनी मजबूती खो देती हैं। दशकों तक फ्रांस में अंतरराष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर (ITER) जैसी फ्यूजन परियोजनाओं के लिए 316LN स्टेनलेस स्टील मानक रहा। यह सामग्री क्रायोजेनिक तापमान पर उच्च मजबूती और तन्यता के लिए तैयार की गई थी। लेकिन फ्यूजन की महत्वाकांक्षाएं बढ़ीं, तो सामग्रियों से अपेक्षाएं भी बढ़ गईं। भविष्य के रिएक्टरों को सुरक्षा और दक्षता सुनिश्चित करने के लिए और अधिक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों तथा अधिक मजबूत सामग्रियों की जरूरत होगी।

CHSN01 की एक दशक लंबी यात्रा

CHSN01 की कहानी वैज्ञानिक दृढ़ता और नवाचार की कहानी है। चीनी शोधकर्ताओं ने एक दशक से भी पहले इसकी खोज शुरू की थी। उन्होंने समझ लिया था कि अगली पीढ़ी के फ्यूजन रिएक्टरों के लिए मौजूदा सामग्रियां पर्याप्त नहीं होंगी। 2011 में चीनी विज्ञान अकादमी की एक टीम ने फ्यूजन रिएक्टर के चुंबकों के लिए पहला व्यवहार्य सामग्री समाधान विकसित किया, लेकिन वह भी भविष्य के रिएक्टरों के लिए जरूरी प्रदर्शन से पीछे था।

भौतिकी एवं रसायन विज्ञान तकनीकी संस्थान के प्रमुख शोधकर्ता ली लाइफेंग उन लोगों में थे जिन्होंने मौजूदा सामग्रियों की सीमाएं पहचानीं। उन्होंने कहा कि ITER के चुंबक 11.8 टेस्ला के लिए बनाए गए थे, जबकि भविष्य के रिएक्टरों को इससे कहीं अधिक शक्तिशाली क्षेत्रों का सामना करना होगा। इसके अलावा, ITER एक शोध सुविधा थी, जिसे बिजली पैदा करने के लिए नहीं बनाया गया था, जबकि चीन की महत्वाकांक्षा में एक कामकाजी फ्यूजन बिजली संयंत्र बनाना शामिल था।

2017 तक चीनी वैज्ञानिकों ने अपने स्टील की संरचना में बदलाव करके प्रगति की—मजबूती और कठोरता बढ़ाने के लिए वैनेडियम मिलाया तथा कार्बन और नाइट्रोजन के स्तर में संशोधन किया। फिर भी यह सामग्री फ्यूजन-ग्रेड प्रदर्शन के कड़े मानकों पर खरी नहीं उतरी। कई अंतरराष्ट्रीय विशेषज्ञों को संदेह था और उनका मानना था कि 316LN से बेहतर सामग्री बनाना लगभग असंभव है। एक विदेशी वैज्ञानिक ने कहा,

इन परिस्थितियों के लिए 316LN से बेहतर बनाना बिल्कुल असंभव है।

2020 में यह बड़ी सफलता मिली, जब क्रायोजेनिक भौतिकी के अग्रणी विशेषज्ञ और चीन के सर्वोच्च विज्ञान पुरस्कार के विजेता, जाने-माने भौतिक विज्ञानी झाओ झोंगशियान इस परियोजना से जुड़े। उनकी विशेषज्ञता और नेतृत्व ने अहम समय पर परियोजना को गति दी और अंतिम बाधाओं को पार करने में टीम का मार्गदर्शन किया।

नए मानक तय करना

2021 में चीन ने फ्यूजन रिएक्टर की सामग्रियों के लिए कड़े नए मानक तय किए: क्रायोजेनिक तापमान पर 1,500 MPa (मेगापास्कल) की यील्ड स्ट्रेंथ और 25% से अधिक बढ़ाव। ये अपेक्षाएं मौजूदा सामग्रियों की क्षमता से कहीं आगे थीं। फ्यूजन विशेषज्ञ ली जियांगांग ने उन्नत स्टील विकसित करने के महत्व पर जोर देते हुए इसे फ्यूजन ऊर्जा के भविष्य के लिए जरूरी बताया।

उसी साल ली लाइफेंग ने एक राष्ट्रीय शोध गठबंधन शुरू करने की अगुवाई की। इसमें संस्थानों, कंपनियों और वेल्डिंग विशेषज्ञों को एकजुट कर नया घरेलू क्रायोजेनिक स्टील बनाने का लक्ष्य रखा गया। इसका नतीजा CHSN01 था—एक ऐसी सामग्री जिसने जल्द ही सबसे कठिन परिस्थितियों में अपनी क्षमता साबित की।

CHSN01 को क्या खास बनाता है?

CHSN01 कोई साधारण स्टेनलेस स्टील नहीं है। यह उच्च-मजबूती वाली, निम्न-तापमान की मिश्रधातु है, जिसे खास तौर पर फ्यूजन रिएक्टरों के विशिष्ट तनावों को झेलने के लिए तैयार किया गया है। संशोधित N50 स्टेनलेस स्टील के आधार पर बनी CHSN01 में कार्बन की मात्रा बेहद कम, निकल की मात्रा अधिक और ऑक्सीजन की मात्रा कम है। इन बदलावों से क्रायोजेनिक तापमान पर इसके यांत्रिक गुण असाधारण हो जाते हैं।

यांत्रिक परीक्षणों से पता चला है कि CHSN01, 4.2 K (परम शून्य से बस थोड़ा ऊपर) पर 1,500 MPa से अधिक यील्ड स्ट्रेंथ हासिल कर सकती है और साथ ही उच्च तन्यता तथा थकान-प्रतिरोध बनाए रखती है। इसका मतलब है कि स्टील बिना दरार पड़े या अपनी अखंडता खोए तनाव के बार-बार आने वाले चक्रों—प्लाज्मा के 60,000 तक स्पंदनों—को झेल सकता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और ऊर्जा-विक्षेपी स्पेक्ट्रोस्कोपी से तत्वों का एकसमान वितरण सुनिश्चित होने की पुष्टि होती है, जिससे पूरी सामग्री में लगातार समान प्रदर्शन मिलता है।

थकान प्रतिरोध और सुरक्षा

फ्यूजन रिएक्टर की सामग्रियों के लिए सबसे अहम चुनौतियों में से एक थकान प्रतिरोध है। सेंट्रल सोलनॉइड (CS) चुंबक प्लाज्मा को गर्म करता है, प्रत्यावर्ती धारा से काम करता है और उस पर तनाव के चक्र बार-बार पड़ते हैं। स्टील में कोई भी दोष समय के साथ बढ़ सकता है और संभावित रूप से विनाशकारी विफलता का कारण बन सकता है।

इस समस्या से निपटने के लिए शोधकर्ताओं ने CHSN01 जैकेट में दोष का अधिकतम स्वीकार्य आकार तय करने हेतु उन्नत मॉडलिंग और प्रायोगिक परीक्षणों का इस्तेमाल किया। नतीजों से पता चला कि शुरुआती छोटे दोषों के बावजूद यह सामग्री फ्यूजन रिएक्टर की संचालन संबंधी मांगों को सुरक्षित रूप से झेल सकती है। फ्यूजन बिजली संयंत्रों की दीर्घकालीन सुरक्षा और दक्षता के लिए यह स्तर की विश्वसनीयता बेहद अहम है।

प्रयोगशाला से रिएक्टर तक: इस्तेमाल में CHSN01

अगस्त 2023 में पुष्टि हुई कि CHSN01 सभी प्रमुख मानकों पर खरी उतरती है। इनमें 20 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र को संभालने और उच्च थकान प्रतिरोध के साथ 1,300 MPa का तनाव झेलने की क्षमता शामिल है। इस सामग्री का तुरंत चीन के BEST (ब्रेकथ्रू एक्सपेरिमेंटल सुपरकंडक्टिंग टोकामक) फ्यूजन रिएक्टर में इस्तेमाल शुरू किया गया। इसका संयोजन मई 2023 में शुरू हुआ था और 2027 तक पूरा होने का लक्ष्य है।

रिएक्टर के लिए जोड़े गए 6,000 टन से अधिक के पुर्जों में से 500 टन कंडक्टर जैकेट देश में निर्मित CHSN01 स्टील से बने हैं। ये जैकेट सुपरकंडक्टिंग केबलों को ढकते हैं, जो रिएक्टर के शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र पैदा करती हैं। इससे संरचनात्मक मजबूती और संचालन सुरक्षा, दोनों सुनिश्चित होती हैं।

अंतरराष्ट्रीय सहयोग और प्रतिस्पर्धा

CHSN01 के साथ चीन की उपलब्धि फ्यूजन ऊर्जा विकसित करने के व्यापक अंतरराष्ट्रीय प्रयास का हिस्सा है। फ्रांस में ITER और अमेरिका में SPARC जैसी परियोजनाएं भी पदार्थ विज्ञान और इंजीनियरिंग की सीमाओं को आगे बढ़ा रही हैं। हालांकि, अपना घरेलू सुपर स्टील विकसित करने का चीन का फैसला विदेशी तकनीक पर निर्भरता घटाने और वैश्विक फ्यूजन दौड़ में अग्रणी बनने की उसकी रणनीति को दर्शाता है।

Applied Sciences में प्रकाशित सहकर्मी-समीक्षित अध्ययन के अनुसार, CHSN01 जैकेट न केवल ITER में इस्तेमाल होने वाली सामग्रियों के प्रदर्शन के बराबर है, बल्कि उससे बेहतर भी है। इससे बड़े आकार के दोषों को स्वीकार करने की गुंजाइश और सुरक्षा मार्जिन बढ़ता है। कामकाजी फ्यूजन बिजली संयंत्र बनाने की दिशा में आगे बढ़ते चीन को इससे बड़ा फायदा मिलता है।

फ्यूजन से परे: CHSN01 का भविष्य

हालांकि CHSN01 को खास तौर पर फ्यूजन रिएक्टरों के लिए विकसित किया गया है, लेकिन इसके अनूठे गुण इसे कई अन्य उपयोगों के लिए भी आकर्षक बनाते हैं। उच्च मजबूती, निम्न तापमान पर बेहतर प्रदर्शन और थकान प्रतिरोध का यह मेल एयरोस्पेस, क्रायोजेनिक्स और उन्नत विनिर्माण जैसे उद्योगों के लिए उपयोगी हो सकता है।

चीनी शोधकर्ताओं ने अन्य उच्च-तकनीक परियोजनाओं में CHSN01 के इस्तेमाल की संभावनाएं तलाशनी शुरू कर दी हैं और अंतरराष्ट्रीय साझेदारों की दिलचस्पी भी बढ़ रही है। जैसे-जैसे दुनिया स्वच्छ और अधिक टिकाऊ ऊर्जा स्रोतों की ओर बढ़ेगी, CHSN01 जैसी सामग्रियां नई तकनीकों को सक्षम बनाने में अहम भूमिका निभाएंगी।

वैश्विक ऊर्जा पर प्रभाव

कामकाजी फ्यूजन रिएक्टर में CHSN01 का सफल इस्तेमाल सिर्फ एक वैज्ञानिक उपलब्धि नहीं है—यह संकेत है कि व्यावहारिक फ्यूजन ऊर्जा कई विशेषज्ञों के पहले के अनुमान से कहीं करीब हो सकती है। फ्यूजन से लगभग असीमित स्वच्छ ऊर्जा मिलने का वादा है, जिसमें ग्रीनहाउस गैसों का उत्सर्जन नहीं होता और रेडियोधर्मी कचरा भी बेहद कम होता है। अगर चीन का BEST रिएक्टर अपने लक्ष्य हासिल करता है, तो इससे दुनिया भर में व्यावसायिक फ्यूजन बिजली संयंत्र बनाने का रास्ता खुल सकता है।

एक अंतरराष्ट्रीय समाचार माध्यम के शब्दों में,

इस उन्नत स्टील का इस्तेमाल व्यावहारिक परमाणु फ्यूजन ऊर्जा हासिल करने की वैश्विक दौड़ में एक महत्वपूर्ण कदम माना जा रहा है।

चुनौतियां और अगले कदम

उत्साह के बावजूद बड़ी चुनौतियां अभी बाकी हैं। फ्यूजन रिएक्टर बनाना और चलाना बेहद जटिल काम है। इसके लिए न केवल उन्नत सामग्रियों, बल्कि प्लाज्मा भौतिकी, सुपरकंडक्टिंग तकनीक और बड़े पैमाने की इंजीनियरिंग में भी सफलताओं की जरूरत है। BEST रिएक्टर का निर्माण अभी जारी है और फ्यूजन बिजली के व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य होने से पहले कई साल तक परीक्षण और सुधार करने होंगे।

फिर भी CHSN01 का विकास एक बड़ी छलांग है। यह दिखाता है कि लगातार निवेश, सहयोग और वैज्ञानिक सूझ-बूझ से सबसे कठिन तकनीकी बाधाओं को भी पार किया जा सकता है।

संक्षेप में

• चीन ने CHSN01 विकसित किया है, जो परमाणु फ्यूजन रिएक्टरों के भीतर की चरम परिस्थितियों के लिए बनाया गया एक क्रांतिकारी सुपर स्टील है।
• CHSN01 क्रायोजेनिक तापमान पर असाधारण मजबूती, तन्यता और थकान प्रतिरोध देता है तथा 316LN स्टेनलेस स्टील जैसी पुरानी सामग्रियों से बेहतर प्रदर्शन करता है।
• यह सामग्री अब चीन के BEST फ्यूजन रिएक्टर में इस्तेमाल हो रही है और व्यावहारिक फ्यूजन ऊर्जा की वैश्विक दौड़ में एक अहम पड़ाव है।
• CHSN01 के अनूठे गुण फ्यूजन से आगे भी उपयोगी हो सकते हैं और एयरोस्पेस तथा क्रायोजेनिक्स जैसे उद्योगों को लाभ पहुंचा सकते हैं।
• चुनौतियां अभी बाकी हैं, लेकिन CHSN01 का सफल इस्तेमाल स्वच्छ और असीमित फ्यूजन ऊर्जा के सपने को हकीकत के एक कदम और करीब लाता है।