نویاتی ائتلاف
- ائتلاف کے عمل سے بجلی کی تیاری کے لیے دیکھیے، ائتلافی بجلی گھر
طبیعیات میں مرکزی ائتلاف (nuclear fusion) ایک ایسے عمل کو کہا جاتا ہے جس میں متعدد جوہری مرکزے آپس میں مدغم ہوکر ایک بھاری مرکزہ بنا دیتے ہیں۔ اسے حرمرکزی تعامل (Thermonuclear reaction) بھی کہتے ہیں۔
معملات اور مصنوعات کے درمیان بڑے پیمانے پر کمیتوں کا فرق توانائی کے اخراج یا انجذاب کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔ بڑے پیمانے پر یہ فرق عمل سے پہلے اور بعد میں جوہری مرکزے کے درمیان مرکزے کی بائنڈنگ توانائی میں فرق کی وجہ سے پیدا ہوتا ہے۔ نیوکلیائی ایتلاف وہ عمل ہے جو ستاروں کو طاقت دیتا ہے، جہاں بڑی مقدار میں توانائی خارج ہوتی ہے۔
سورج سمیت کائنات کے سارے ستارے فیوزن سے حاصل ہونے والی حرارت کی وجہ سے روشن ہیں اور اربوں سال تک روشن رہتے ہیں۔ فیوزن کا اصل فائیدہ یہ ہے کہ اس کا ایندھن یعنی ہائیڈروجن بہت وافر مقدار میں دستیاب ہے اور سستا بھی ہے۔ اگر وزن کے لحاظ سے دیکھا جائے تو کائنات کا 74 فیصد حصہ ہائیڈروجن پر مشتمل ہے۔
ہائیڈروجن کے ایٹمی مرکزے یعنی پروٹون کو دوسرے پروٹون سے جوڑنے کے لیے دس کروڑ ڈگری ٹمپریچر کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے مقابلے میں ڈیوٹیریئم کو ٹرائیٹیئم سے جوڑنے (یعنی فیوز کرنے) کے لیے چار کروڑ ڈگری سنٹی گریڈ کی ضرورت ہوتی ہے۔[3]
ایک ہزار میگا واٹ بجلی بنانے والے کارخانے کو سال بھر میں صرف 250 کلوگرام ڈیوٹیریئم اور ٹرائیٹیئم کے آمیزے کی ضرورت پڑے گی۔ ڈیوٹیریئم ہائیڈروجن کا غیر تابکار ہم جا ہے اور قدرتی ہائیڈروجن میں 0.015 فیصد ڈیوٹیریئم ہوتی ہے۔ ہر ایک لٹر پانی میں 33 ملی گرام ڈیوٹیریئم موجود ہوتی ہے۔ جب پانی کی برق پاشی (electrolysis) کی جاتی ہے تو بچ جانے والے پانی میں بھاری پانی کا تناسب کافی زیادہ ہوتا ہے اور بھاری پانی ڈیوٹیریئم سے ہی بنا ہوتا ہے۔ اندازہ لگایا گیا ہے کہ دنیا بھر کے سمندروں میں کل ملا کر 460 کھرب ٹن ڈیوٹیریئم موجود ہے۔ اگر ایک ٹن ڈیوٹیریئم کو مکمل طور پر فیوز کیا جائے تو حاصل ہونے والی توانائی 250x 1015 جول ہو گی۔ سن 2002 میں پوری دنیا میں استعمال ہونے والی بجلی کی مقدار 13.7 TW-hour تھی۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ سمندر میں اتنی ڈیوٹیریئم موجود ہے کہ 40 ارب سال تک دنیا کی بجلی کی ضرورت پوری ہو سکے۔ خیال رہے کہ پانچ ارب سال بعد سورج بُجھ جائے گا۔ لیکن ابھی تک انسان ڈیوٹیریئم کی فیوزن سے بجلی بنانے میں کامیابی حاصل نہیں کر سکا ہے۔ ڈیوٹیریئم کی فیوزن کا سب سے آسان طریقہ یہ ہے کہ اسے ٹرائیٹیئم سے ملا کر بہت گرم کریں۔ ٹرائیٹیئم تابکار ہوتی ہے اور قدرتی طور پر نہیں پائی جاتی اس لیے لیتھیئم 6 پر نیوٹرون کی بمباری کر کے بنائی جاتی ہے۔[4]
جوہری ایتلاف کا عمل جو آئرن-56 یا نکل-62 سے ہلکا جوہری مرکزہ پیدا کرتا ہے عام طور پر توانائی خارج کرتاہے۔ ان عناصر میں نسبتاً چھوٹی کمیت اور نسبتاً بڑی بائنڈنگ توانائی فی مرکزہ ہے۔ ان سے ہلکے مرکزوں کا ایتلاف توانائی جاری کرتا ہے (یعنی یہ ایک حرارت زا تعمل ہے)، جب کہ بھاری مرکزوں کے ایتلاف کے نتیجے میں پیدا کردہ مرکزوں کی توانائی برقرار رہتی ہے اور اس کے نتیجے میں ہونے والا رد عمل اینڈوتھرمک (حرارت خوار عمل) ہوتا ہے۔ الٹ عمل کے لیے اس کے برعکس ہے، جسے نیوکلیائی انشقاق کہتے ہیں۔ نیوکلیائی ایتلاف میں ہلکے عناصر استعمال ہوتے ہے، جیسے کہ ہائیڈروجن اور ہیلیم، جو عام طور پر زیادہ قابل ایتلاف ہوتے ہیں۔ جب کہ بھاری عناصر، جیسے یورینیم، تھوریم اور پلوٹونیم زیادہ قابل انشقاق ہیں۔ البتہ سپرنووا جیسا بڑے فلکیاتی مظاہر لوہے سے بھاری عناصر میں نیوکلی کو انضمام یا ایتلاف کرنے کے لیے کافی توانائی فراہم کر سکتا ہے۔
تاریخ
ترمیمامریکی کیمیا دان ولیم ڈریپر ہارکنز نے سب سے پہلے 1915 میں نیوکلیئر فیوژن کا تصور پیش کیا۔[1][2] پھر 1921 میں، آرتھر ایڈنگٹن نے تجویز کیا کہ ہائیڈروجن ہیلیم فیوژن تارکیی توانائی کا بنیادی ذریعہ ہو سکتا ہے۔[3] کوانٹم ٹنلنگ کو فریڈرک ہنڈ نے 1927 میں دریافت کیا تھا، [4][5] اور اس کے فوراً بعد رابرٹ اٹکنسن اور فرٹز ہوٹرمین نے ہلکے عناصر کے ناپے ہوئے بڑے پیمانے کو یہ ظاہر کرنے کے لیے استعمال کیا کہ چھوٹے نیوکللی کو فیوز کرکے بڑی مقدار میں توانائی خارج کی جا سکتی ہے۔[6] پیٹرک بلیکیٹ کے مصنوعی نیوکلیئر ٹرانسمیشن کے ابتدائی تجربات کی بنیاد پر، ہائیڈروجن آاسوٹوپس کے لیبارٹری فیوژن کو مارک اولیفینٹ نے 1932 میں مکمل کیا تھا۔[7] اس دہائی کے بقیہ حصے میں، ہینس بیتھ نے ستاروں میں جوہری فیوژن کے مرکزی چکر کا نظریہ تیار کیا۔ فوجی مقاصد کے لیے فیوژن پر تحقیق 1940 کی دہائی کے اوائل میں مین ہٹن پروجیکٹ کے حصے کے طور پر شروع ہوئی۔ خود کو برقرار رکھنے والا جوہری فیوژن پہلی بار 1 نومبر 1952 کو آئیوی مائیک ہائیڈروجن (تھرمونیوکلیئر) بم کے ٹیسٹ میں کیا گیا تھا۔
جب کہ ہائیڈروجن بم (H-بم) کے آپریشن میں فیوژن حاصل کیا گیا تھا، اس کے رد عمل کو کنٹرول اور برقرار رکھا جانا چاہیے تاکہ یہ ایک مفید توانائی کا ذریعہ ہو۔ فیوژن ری ایکٹرز کے اندر کنٹرول شدہ فیوژن کو تیار کرنے کی تحقیق 1930 کی دہائی سے جاری ہے، لیکن یہ ٹیکنالوجی اب بھی اپنے ترقیاتی مرحلے میں ہے۔[8] US National Ignition Facility، جو لیزر سے چلنے والے inertial confinement فیوژن کا استعمال کرتی ہے، کو بریک ایون فیوژن کے مقصد کے ساتھ ڈیزائن کیا گیا تھا۔ پہلے بڑے پیمانے پر لیزر کے ہدف کے تجربات جون 2009 میں کیے گئے تھے اور اگنیشن کے تجربات 2011 کے اوائل میں شروع ہوئے تھے۔[9][10] 13 دسمبر 2022 کو، ریاستہائے متحدہ کے محکمہ توانائی نے اعلان کیا کہ 5 دسمبر 2022 کو، انھوں نے کامیابی کے ساتھ بریک ایون فیوژن کو مکمل کیا، "2.05 میگاجولز (MJ) توانائی کو ہدف تک پہنچایا، جس کے نتیجے میں 3.15 MJ فیوژن انرجی آؤٹ پٹ ہوا۔" [11]
اس پیش رفت سے پہلے، کنٹرولڈ فیوژن ری ایکشن بریک ایون (خود کو برقرار رکھنے والا) کنٹرولڈ فیوژن پیدا کرنے میں ناکام رہے تھے۔[12] اس کے لیے دو جدید ترین طریقے ہیں مقناطیسی قید (ٹورائڈ ڈیزائن) اور جڑواں قید (لیزر ڈیزائن)۔ ٹورائیڈل ری ایکٹر کے لیے قابل عمل ڈیزائن جو نظریاتی طور پر پلازما کو مطلوبہ درجہ حرارت پر گرم کرنے کے لیے درکار مقدار سے دس گنا زیادہ فیوژن توانائی فراہم کرے گا ترقی میں ہے (دیکھیں ITER)۔ توقع ہے کہ ITER سہولت 2025 میں اپنا تعمیراتی مرحلہ مکمل کر لے گی۔ یہ اسی سال ری ایکٹر کو شروع کرنا شروع کر دے گا اور 2025 میں پلازما کے تجربات شروع کر دے گا، لیکن 2035 تک مکمل ڈیوٹیریم – ٹریٹیم فیوژن شروع ہونے کی توقع نہیں ہے۔[13] نیوکلیئر فیوژن کی کمرشلائزیشن کی پیروی کرنے والی نجی کمپنیوں نے صرف 2021 میں $2.6 بلین نجی فنڈنگ حاصل کی، جس میں کامن ویلتھ فیوژن سسٹمز، ہیلیون انرجی انکارپوریشن، جنرل فیوژن، TAE ٹیکنالوجیز انکارپوریشن اور Zap انرجی سمیت بہت سے قابل ذکر سٹارٹ اپس کو حاصل ہوا۔ 14]