ایک سال پہلے، بنی نوع انسان کو پہلی بار نیوکلیئر فیوژن ری ایکشن کے خالص توانائی حاصل ہونے کا احساس ہوا۔ اس سال کے دوران، NIF کو مسلسل بہتر بنایا گیا ہے اور اس نے کامیابی کے ساتھ مزید تین اگنیشنز کو محسوس کیا ہے، جس نے لگاتار کئی ریکارڈ توڑ دیے ہیں! حال ہی میں، پراجیکٹ کے سرکردہ سائنسدان کو نیچر کے سال کے بہترین 10 افراد میں سے ایک کے طور پر منتخب کیا گیا تھا...
ایک سال پہلے، بنی نوع انسان کو پہلی بار نیوکلیئر فیوژن ری ایکشن کے خالص توانائی حاصل ہونے کا احساس ہوا۔ اس سال میں، NIF میں بہتری آتی رہی، اور پھر کامیابی کے ساتھ تین اگنیشن کا احساس ہوا، کئی ریکارڈ توڑے! ابھی حال ہی میں، اس منصوبے کے چیف سائنسدان، بلکہ فطرت کے سال کے سب سے اوپر دس لوگوں میں سے ایک کے طور پر منتخب کیا گیا ہے۔
گزشتہ سال 14 دسمبر کو لارنس لیورمور نیشنل لیبارٹری (LLNL) نے پہلی بار کنٹرولڈ نیوکلیئر فیوژن اگنیشن کامیابی حاصل کی، تمام بنی نوع انسان کے لیے صاف توانائی "ہولی گریل" اتارنے کے لیے -
ہدف تک 2.05 میگاجولز (MJ) توانائی فراہم کرنے کے بعد، تقریباً 1.5 کے توانائی کے حصول کے ساتھ 3.15 MJ کا فیوژن انرجی آؤٹ پٹ تیار کیا گیا۔
30 جولائی 2023 کو، لیبارٹری نے اپنی پہلی پیداواری توانائی 3.88 MJ حاصل کی، جو اب تک کی سب سے زیادہ ہے۔
30 اکتوبر کو، لیب نے ایک اور ریکارڈ قائم کیا - 2. پہلی بار 2 میگاجولز ان پٹ انرجی حاصل کی گئی۔ دریں اثنا، 3.4 میگاجولز کی پیداوار توانائی دوسرے نمبر پر ہے۔
بار بار کامیاب 'اگنیشن' کے سامنے، نیچر نے بھی پرجوش انداز میں ایک مضمون شائع کیا جس میں کہا گیا ہے کہ - لیزر فیوژن ایک مکمل نئے دور میں داخل ہونے والا ہے۔
یہ بات قابل فہم ہے کہ جب کنٹرول شدہ نیوکلیئر فیوژن کو آخرکار سمجھ لیا جائے گا، بنی نوع انسان کو تاریخ میں پہلی بار بڑی مقدار میں کاربن سے پاک صاف توانائی حاصل کرنے کا امکان ہوگا، جو مستقبل کے لیے توانائی کے روڈ میپ میں انقلاب برپا کرے گا۔
دوسرے لفظوں میں، اس وقت تک کوئلے اور تیل کو جلانے سے کوئی زیادہ گرین ہاؤس گیسیں نہیں ہوں گی، زیادہ خطرناک، طویل عرصے تک رہنے والا تابکار فضلہ نہیں ہوگا - انسانیت کو لفظ کے حقیقی معنی میں 'صاف توانائی' تک رسائی حاصل ہوگی۔
اس کا مطلب یہ ہے کہ بجلی کے دور میں داخل ہونے کے بعد سے بنی نوع انسان کو جو توانائی کی قلت کا سامنا ہے وہ ختم ہو جائے گا۔ انسانیت یہاں تک کہ کنٹرول شدہ نیوکلیئر فیوژن کے ذریعے لائی جانے والی تارکیی توانائی میں بے مثال تکنیکی کامیابیوں کا ادراک کر سکتی ہے۔
لیکن آئیے پہلے حقیقت کی طرف لوٹتے ہیں۔
اتنی بڑی مقدار میں توانائی فراہم کرنے کے لیے لیزر حاصل کرنے میں اصل مشکل یہ ہے کہ NIF کے قیمتی آپٹکس کو ملبے سے ہونے والے نقصان سے کیسے بچایا جائے۔
NIF دنیا کا واحد لیزر سسٹم ہے جو نقصان کی حد سے اوپر کام کر سکتا ہے، اور یہ لیب میں تیار کردہ آپٹیکل ریکوری سائیکل کی وجہ سے ہے۔
بہتر آپٹکس
جون 2023 میں، NIF نے دو اہم اضافہ مکمل کیا جو ان پٹ انرجی کے 2.2 میگاجولز کے حصول کے لیے اہم تھے۔
ان میں NIF کی دو تہائی بیم لائنوں پر فیوزڈ سلیکا ڈیبریز شیلڈنگ کا استعمال اور 32 نچلے گولاردق بیم لائنوں پر دھاتی شیلڈنگ کی تنصیب شامل ہے۔
ان بہتریوں نے ملبے سے ہونے والے نقصان کی شرح کو 10 سے 100 کے عنصر سے کم کر دیا، جو کہ بیم لائن پر منحصر ہے۔ نچلی بیم لائنوں میں آپٹکس کو کشش ثقل کی وجہ سے ہدف والے چیمبر سے سب سے زیادہ ملبہ ملا۔
دیگر بہتریوں میں ایک نئی اینٹی ریفلیکٹیو کوٹنگ، وانپ ہیکسامیتھیلڈیسلوکسین (HMDS) کا علاج، اور آپٹیکل ری سائیکلنگ سائیکل کی صلاحیت میں اضافہ شامل ہے۔ اس کے ساتھ ساتھ اس مسئلے کے لیے ایک نیا 'گرے ایج بلاکر' جس کی سائنسدانوں نے ابھی تک مکمل وضاحت نہیں کی ہے۔
توانائی میں اضافے سے زیادہ
این آئی ایف نے سائنس میں جو حیرت انگیز کامیابیاں حاصل کی ہیں ان کو برقرار رکھنے کے لیے صرف توانائی میں اضافہ ہی کافی نہیں ہے۔
لیزر کی دالیں ایک سیکنڈ کے صرف چند اربویں حصے تک رہتی ہیں، اس لیے مطلوبہ نتائج حاصل کرنے کے لیے انتہائی درستگی کی ضرورت ہوتی ہے۔
اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے، ٹیم نے حال ہی میں ہائی فیڈیلیٹی پلس شیپنگ (HiFiPS) سسٹم کی تعیناتی مکمل کی۔
ایک کثیر سالہ پراجیکٹ، HiFiPS زیادہ درست اور درست نبض کی تشکیل کو قابل بناتا ہے، جس کے نتیجے میں بہتر پاور بیلنس اور امپلوزیشن میں ہم آہنگی کو کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔
اس کے علاوہ، ٹیم نے سہولت میں آپٹیکل ریشوں کی تزئین و آرائش کی تاکہ انہیں بار بار نیوٹران کی نمائش سے زیادہ برداشت کیا جاسکے۔ ان ریشوں کو ہدف تک پہنچانے والی لیزر پلس کی درست پیمائش کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
تزئین و آرائش کے براہ راست نتیجے کے طور پر، سگنل کی طاقت میں 10 سے 100 کے عنصر کا اضافہ ہوا، اور محققین لیزر کی کارکردگی کا درست طور پر 'مشاہدہ' کرنے کے قابل ہو گئے۔
تاہم، فن کی موجودہ حالت سے گرڈ تک فیوژن توانائی کی ترسیل کا احساس کرنے کے لیے ابھی بہت طویل سفر طے کرنا ہے۔
اگرچہ NIF کے پاس آج دنیا کا سب سے بڑا لیزر ہے، لیکن یہ نظام انتہائی ناکارہ ہے، ہر اگنیشن میں 99% سے زیادہ توانائی اپنے ہدف تک پہنچنے سے پہلے ہی ضائع ہو جاتی ہے۔
اور زیادہ موثر لیزر سسٹم تیار کرنا DOE کے نئے شروع کیے گئے Inertial Fusion Research Program کا ایک اہم ہدف ہے۔
محکمہ نے حال ہی میں اعلان کیا ہے کہ وہ اس اور دیگر سائنسی پیشرفت کو حاصل کرنے کے لیے مل کر کام کرنے کے لیے تین نئے تحقیقی مراکز قائم کرنے کے لیے چار سالوں میں $42 ملین کی سرمایہ کاری کرے گا۔
ان مراکز میں سے ہر ایک میں قومی لیبارٹریز، یونیورسٹی کے محققین اور صنعتی شراکت دار شامل ہوں گے۔
اور پورے فیوژن پروگرام کی مرکزی شخصیات میں سے ایک، ماہر طبیعیات اینی کرچر، اسے نیچر کے ٹاپ 10 سائنس پیپل آف دی ایئر میں بھی شامل کرنے میں کامیاب ہو گئی ہیں۔
2022 میں، اینی کرچر نے نیشنل اگنیشن فیسیلٹی (این آئی ایف) میں ایک ایسا مقصد حاصل کیا جو کئی دہائیوں سے دنیا بھر کی لیبارٹریوں میں ایٹموں کو اس حد تک کمپریس کرنے میں ناکام رہا تھا کہ ان کے مرکزے نے خود استعمال ہونے والے ردعمل سے زیادہ توانائی پیدا کی
لیکن اس تجرباتی سنگ میل (یعنی اگنیشن) تک پہنچنے کے بعد ٹیم پر کامیابی کو دہرانے کا دباؤ تھا۔
اعلی داؤ پر تحقیق شاذ و نادر ہی آسانی سے ہوتی ہے: ٹیم نے جون میں اپنی پہلی نقل تیار کی، لیکن نتائج ناقص تھے۔
خوش قسمتی سے تیسری کوشش کامیاب رہی۔
30 جولائی کو، NIF کے 192-بیم لیزر نے سونے کے سلنڈر میں جمے ہوئے ہائیڈروجن آاسوٹوپس ڈیوٹیریم اور ٹریٹیم کے چھوٹے دائروں پر 2.05 میگاجول توانائی فائر کی۔
نتیجے میں پھوٹنے کے نتیجے میں آاسوٹوپس نے توانائی جاری کی کیونکہ وہ ہیلیم میں مل گئے اور سورج کے مرکز سے چھ گنا درجہ حرارت پیدا کیا۔
بالآخر، اس نے ریکارڈ توڑنے والی 3.88 میگاجولز فیوژن توانائی پیدا کی۔
دنیا بھر میں نظر ڈالیں، کوئی بھی تجربہ گاہ اس قابل نہیں تھی کہ این آئی ایف کے اس کارنامے کو حاصل کرنے تک فیوژن ری ایکشن کو محسوس کیا جا سکے جو اس سے زیادہ توانائی پیدا کرے۔
کرچر اور اس کی ٹیم نے پھر اکتوبر میں کامیابی کے ساتھ مزید دو اگنیشنز کیے، جس سے کل تعداد چار ہو گئی۔
کرچر نے فیوژن انرجی پر تحقیق اس وقت شروع کی جب وہ 2004 میں لیورمور میں سمر انٹرن تھیں۔ اس نے جلد ہی اپنی نگاہیں NIF پر مرکوز کر لیں - دنیا کے ان چند مقامات میں سے ایک جہاں فیوژن ری ایکشنز کا مطالعہ کیا جا سکتا ہے۔
اس کے بعد سے، اس نے ایک ٹیم کی قیادت کی ہے جو تجرباتی ڈیٹا کا تجزیہ کرتی ہے اور تجربات کو ڈیزائن کرنے کے لیے کمپیوٹر ماڈلز کا استعمال کرتی ہے - فیوژن کی پیداوار کو حاصل کرنے اور بڑھانے کے لیے - ہدف کے سائز اور ترتیب اور مختلف لیزر بیموں کی توانائی اور وقت جیسے پیرامیٹرز کو ایڈجسٹ کرکے۔ ایک بار جب اس کی ٹیم ڈیزائن مکمل کر لیتی ہے، تجرباتی ٹیم لیزرز کو فائر کرنے اور ڈیٹا اکٹھا کرنے کا کام سنبھال لیتی ہے۔
اس عمل نے کرچر کو غیر معمولی دکھایا ہے، اور اس کی وجہ سے وہ 2016 میں NIF میں لیڈ ڈیزائنرز میں سے ایک بن گئیں۔
اگلے چند سالوں میں، کرچر اور اس کی ٹیم NIF کے اہم تجرباتی پروگرام کے ڈیزائن کو کرنچنگ اور ٹوئیک کر رہی ہے۔ ہدف میں مختلف تبدیلیاں کرتے ہوئے، ٹیم نے لیزر کی مجموعی توانائی کو بڑھانے کے لیے مختلف اصلاحات کا بھی استعمال کیا۔ نتیجہ یہ ہے کہ نیوکلیئر فیوژن کا احساس ہو رہا ہے، زیادہ سے زیادہ کثرت سے۔
'اگنیشن' کی کامیابی کے ساتھ، کرچر نے تجربات کا ایک نیا سلسلہ شروع کیا - ایک موٹے ہدف والے کیپسول میں مزید لیزر توانائی فراہم کرکے دوبارہ پیداوار میں اضافہ کیا۔
اور یہ NIF میں دسیوں ٹیراجولز یا اس سے بھی زیادہ پیداوار حاصل کرنے کی طرف ایک اور قدم کی نمائندگی کرتا ہے۔
کنٹرولڈ فیوژن، کلین انرجی کی ہولی گریل
سیدھے الفاظ میں، نیوکلیئر فیوژن ایک ایسا عمل ہے جس کے ذریعے دو ہلکے جوہری مرکزے مل کر ایک بھاری نیوکلئس بناتے ہیں اور بہت زیادہ توانائی خارج کرتے ہیں۔
دو ہائیڈروجن ایٹم آپس میں ٹکرا کر پولیمرائز ہو کر ہیلیم ایٹم بناتے ہیں، جس کا وزن اصل ہائیڈروجن ایٹم سے تھوڑا چھوٹا ہوتا ہے۔ آئن سٹائن کے مشہور E=mc² بڑے پیمانے پر توانائی کی مساوات کے مطابق، یہ بڑے پیمانے پر فرق توانائی کے پھٹ میں بدل جاتا ہے۔
سورج کے مرکز میں، ہر سیکنڈ میں 620 ملین ٹن ہائیڈروجن کا فیوژن ہو رہا ہے۔ پیدا ہونے والی توانائی زمین پر تمام زندگی کا ذریعہ ہے۔
لیکن نیوکلیئر فیوژن کو استعمال کرنے میں ایک بڑا چیلنج یہ ہے کہ فیوژن ری ایکشن سے خارج ہونے والی توانائی کو توانائی کے ان پٹ سے زیادہ کیسے بنایا جائے اور اس عمل کو پائیدار بنایا جائے۔
NIF اگنیشن کا اصول
1960 کی دہائی میں، LLNL کے علمبردار سائنسدانوں کے ایک گروپ نے یہ قیاس کیا کہ لیزرز کو لیبارٹری کی ترتیب میں نیوکلیئر فیوژن کو دلانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
یہ انقلابی خیال پھر طبیعیات دان جان نکولز کی قیادت میں جڑی قید فیوژن میں تیار ہوا۔
اس تصور کو سمجھنے کے لیے، LLNL نے تیزی سے طاقتور لیزر سسٹمز کا ایک سلسلہ بنایا، جس کا اختتام دنیا کے سب سے بڑے اور سب سے زیادہ توانائی بخش NIF میں ہوا۔
تجربے میں، لیزرز نے ہیوی ہائیڈروجن آاسوٹوپس، ڈیوٹیریم اور ٹریٹیم کو ہیلیم میں ملا کر سورج کے مرکز میں حالات کی نقل کی۔
پہلے، کالی مرچ کے دانے کے سائز کے ایک آلے میں ہائیڈروجن کے متعدد چھرے رکھے گئے، اور پھر ہائیڈروجن ایندھن کو گرم کرنے اور سکیڑنے کے لیے ایک طاقتور 192-بیم لیزر کا استعمال کیا گیا۔
لیزر، ٹورس میں داخل ہونے کے بعد، اندرونی دیواروں سے ٹکراتے ہیں اور ان سے ایکس رے خارج کرتے ہیں، جو پھر اسے 100 ملین ڈگری سیلسیس تک گرم کر سکتے ہیں - جو سورج کے مرکز سے زیادہ گرم ہے - اور اسے 100 بلین سے زیادہ مرتبہ دبا سکتے ہیں۔ زمین کا ماحولیاتی دباؤ۔
ہائی انرجی لیزرز بلاب کی سطح کو پلازماائز کریں گے، اور نیوٹن کے تیسرے قانون کے تحت چلنے والا باقی مرکزی مواد آخر کار مرکز کی طرف گر کر پھٹ جائے گا۔
امپلوشن کے وقت، ایک سلسلہ ردعمل - یا "اگنیشن" - ہوسکتا ہے اگر ایندھن کے گولے پر گرمی اور دباؤ کی صحیح مقدار کا اطلاق ہوتا ہے، جو پھر بڑی مقدار میں توانائی خارج کرتا ہے۔
انجینئرنگ کے کمالات
نیشنل اگنیشن فیسیلٹی (این آئی ایف)، جو مذکورہ بالا تمام چیزوں کو ممکن بناتی ہے، انجینئرنگ اور ٹیکنالوجی میں بھی ایک قابل ذکر کامیابی ہے۔
مادی سائنسدانوں اور لیزر طبیعیات کے ماہرین نے انجینئرز کے ساتھ مل کر 7,500 بڑے آپٹکس، 26،000 چھوٹے آپٹکس، اور 66،000 سے زیادہ کنٹرول پوائنٹس پر مشتمل ایک سہولت ڈیزائن کرنے کے لیے کام کیا۔
یہ آپٹکس اور دیگر اجزاء تقریباً 6,200 پیچیدہ ماڈیولر یونٹس میں موجود ہیں جنہیں لائن ریپلیسیبل یونٹس (LRUs) کہا جاتا ہے۔ سہولت کے مسلسل کام کو یقینی بنانے کے لیے ضروری ہونے پر انہیں فوری طور پر تبدیل کیا جا سکتا ہے۔
NIF لیزر پلس ایک کلومیٹر کا سفر کرتی ہے اور مرکزی آسکیلیٹر چیمبر میں نبض کی ابتدائی تشکیل سے ہدف تک پہنچنے میں 4.5 مائیکرو سیکنڈ لیتی ہے۔ ٹارگٹ چیمبر کے مرکز تک پہنچنے کے لیے وقت کا فرق 50 مائکرون کی درستگی کے ساتھ 30 پکوسیکنڈ ہے۔
ہدف پر اس قسم کے پوائنٹنگ استحکام اور مکمل درستگی کو حاصل کرنا ایک بہت بڑا انجینئرنگ چیلنج ہے، جس کے لیے آپٹیکل سپورٹ سسٹم کے چٹان سے ٹھوس استحکام، اجزاء کی درست پوزیشننگ اور سیدھ میں ہونا، اور سختی سے درست کمپیوٹرائزڈ ٹائمنگ سسٹم کی ضرورت ہوتی ہے۔
ان چیلنجوں کا مقابلہ کرنے کے لیے، تمام ڈھانچے جو NIF آئینے اور لینز کو سپورٹ کرتے ہیں انتہائی استحکام کو ذہن میں رکھتے ہوئے ڈیزائن کیے گئے تھے۔
انجینئرنگ ٹیم نے کمپن کے تمام ذرائع بشمول پمپس، موٹرز اور ٹرانسفارمرز کے لیے لیزر کے اجزاء، عام طور پر لیزر آئینے پر ممکنہ اثرات کا بغور اندازہ لگایا۔
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) اور بڑھے (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
اس کے علاوہ، اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ بیم لائن کے اجزاء لیزر ہیڈ روم کو متاثر نہیں کرتے، ٹیم نے درست پیمائش کی تکنیکوں کا استعمال کیا، جس کے نتیجے میں پیمائش کا سخت نیٹ ورک اور تمام بیم لائن اجزاء کے جسمانی مقام کو کنٹرول کیا گیا۔ تمام بیم ہاؤسنگز، سپورٹ سسٹمز اور ٹارگٹ چیمبرز کی پوزیشن ایک چوتھائی ملی میٹر تک درست تھی۔
اس کے بعد یہ معلومات ڈیزائن ٹیم کو فراہم کی گئیں، جس نے ڈھانچے کو کافی سختی اور نم دونوں کے ساتھ ڈیزائن کیا تاکہ زمینی کمپن اور تعمیراتی سامان سے متوقع کمپن پر ڈھانچے کا ردعمل مجموعی استحکام کی ضروریات کو پورا کرے۔
اس بات کو یقینی بنانا کہ تمام 192 لیزر شعاعیں مخصوص 30 پکوسیکنڈز کے اندر اندر پہنچ جائیں ایک GPS سیٹلائٹ سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے درست ٹائمنگ سسٹم کے ذریعے حاصل کیا گیا جو اندرونی گھڑی کو مسلسل اپ ڈیٹ کرتا رہتا ہے۔ انٹیگریٹڈ سافٹ ویئر اور ہارڈویئر درستگی کو برقرار رکھنے کے لیے وقت کی مسلسل نگرانی اور اپ ڈیٹ کرتے ہیں۔
ہر مکینیکل انٹرفیس کو 300 فیمٹو سیکنڈز (ایک سیکنڈ کے تین ٹریلینویں حصے) سے بہتر رواداری کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے، اس لیے وقت کی درستگی کو برقرار رکھنے کے لیے LRUs کو کسی بھی وقت تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ اس کے علاوہ، ایک مضبوطی سے کنٹرول شدہ پروگرام ہر LRU کے لیے سسٹم ٹائمنگ کو برقرار رکھتا ہے۔
اگرچہ، ہم ابھی تک اس ڈیوائس کے ساتھ پاور جنریشن میں جوہری فیوژن کا اطلاق نہیں کر سکتے۔
لیکن 60 سال کے پیمانے پر، بنی نوع انسان نے ایک اہم پیش رفت کی ہے۔
مستقبل کے لیے، ہم مزید تخیل رکھنے کے قابل بھی ہو سکتے ہیں۔
