২০২১ সালের ৫ সেপ্টেম্বর সকালের আগেই, MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) ল্যাবে, ইঞ্জিনিয়ারদের দ্বারা একটি নতুন ধরনের ম্যাগনেট, যা উচ্চ-তাপমাত্রার সুপারকনডাকটিং ম্যাটেরিয়াল দিয়ে তৈরি, বিশ্ব-রেকর্ড তৈরি করে একটি বড় আকারের ম্যাগনেটের জন্য ২০ টেসলা ম্যাগনেটিক ফিল্ড শক্তি অর্জন করে। এটি হল এমন ফিউশন বিদ্যুৎ কেন্দ্র তৈরির জন্য প্রয়োজনীয় তীব্রতা যা বিদ্যুৎ উৎপাদনের শুদ্ধ আউটপুট তৈরি করবে এবং সম্ভবত বিশাল বিদ্যুৎ উৎপাদনের এক নতুন যুগের সূচনা করবে।
পরীক্ষা তৎক্ষণাৎ সফলতা হিসাবে ঘোষণা করা হয়, কারণ এটি নতুন ফিউশন ডিভাইসের ডিজাইনের জন্য স্থাপিত সমস্ত মানদণ্ড পূরণ করেছিল, যা SPARC নামে অভিহিত হয়, যার জন্য চৌম্বকগুলি মূল সক্ষমকরণ প্রযুক্তি। শাম্পানির কোর্ক ছিঁড়ে উঠল যখন পরীক্ষা সম্পন্ন করার জন্য দীর্ঘ ও কঠিন পরিশ্রম করেছিল এমন ক্লান্ত দলটি তাদের অর্জনের জন্য উৎসব করে।
কিন্তু তা প্রক্রিয়ার শেষ ছিল না। পরবর্তী মাসগুলিতে, দলটি চৌম্বকের উপাদানগুলি বিশ্লেষণ করে এবং পরীক্ষাগুলির বিবরণ রেকর্ড করা শত শত যন্ত্রের ডেটা বিশ্লেষণ করেছিল, এবং একই চৌম্বকের উপর আরও দুটি পরীক্ষা চালানো হয়েছিল, চূড়ান্তভাবে এটিকে তার ভঙ্গ বিন্দুতে পৌঁছে দেওয়া হয়েছিল যেন যেকোনো সম্ভাব্য ব্যর্থতা মোডের বিস্তারিত শিখতে পারি।
এইসব কাজের সমস্ত এখন পিএসএফসি এবং MIT-এর স্পিনআউট কোম্পানি কমনওয়েলথ ফিউশন সিস্টেমস (CFS)-এর গবেষকদের দ্বারা একটি বিস্তারিত রিপোর্টে মুছে ফেলেছে, যা ছয়টি পিয়ার-রিভিউড পেপারের একটি সংগ্রহে প্রকাশিত হয়েছে মার্চ সংখ্যার বিশেষ সংস্করণে IEEE Transactions on Applied Superconductivity . একসাথে, কাগজগুলি চুম্বকের ডিজাইন এবং তৈরির বর্ণনা দেয় এবং এর পারফরমেন্স মূল্যায়ন করার জন্য প্রয়োজনীয় নিরীক্ষণ সরঞ্জামের বিবরণও দেয়, এছাড়াও প্রক্রিয়া থেকে শিখা পড়তে পারা বিষয়গুলি। সমগ্রভাবে, দলটি পাওয়া গেছে, ভবিষ্যদ্বাণী এবং কম্পিউটার মডেলিং ছিল ঠিকঠাক, যা যাচাই করে যে চুম্বকের অনন্য ডিজাইন উপাদানগুলি ফিউশন পাওয়ার প্ল্যান্টের জন্য ভিত্তি হিসেবে কাজ করতে পারে।
আনুষ্ঠানিক ফিউশন শক্তি সম্ভব করে
চুম্বকের সফল পরীক্ষা, বলেন হিটাচি আমেরিকা ইঞ্জিনিয়ারিং প্রফেসর ডেনিস ওয়াইটি, যিনি সাম্প্রতিককালে প্লাজma সায়েন্স এন্ড ফিউশন সেন্টারের পরিচালকের দায়িত্ব থেকে অবসর গ্রহণ করেছেন, ছিল “আমার মতে, শেষ ৩০ বছরের ফিউশন গবেষণায় সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ঘটনা।”
সেপ্টেম্বর ৫-এর পূর্বে, সবচেয়ে ভালো উপলব্ধ সুপারকনডাকটিং ম্যাগনেটগুলি পর্যাপ্ত শক্তিশালী ছিল যা ফিউশন শক্তি অর্জনের জন্য উপযোগী হতে পারে — কিন্তু শুধুমাত্র এমন আকার এবং খরচের মাধ্যমে যা বাস্তব বা অর্থনৈতিকভাবে সম্ভব ছিল না। তারপর, যখন পরীক্ষা দেখাল যে এমন একটি শক্তিশালী ম্যাগনেটের ব্যবহার সম্ভব হতে পারে অনেক ছোট আকারে, 'এক রাতের মধ্যে, এটি মূলত ফিউশন রিয়্যাক্টরের প্রতি ওয়াটের খরচকে প্রায় ৪০ গুণ কমিয়ে দিয়েছিল একদিনেই,' উহাইট বলেন।
‘এখন ফিউশনের একটি সুযোগ আছে,’ উহাইট যোগ করেন। টোকাম্যাকস, পরীক্ষামূলক ফিউশন যন্ত্রের জন্য সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত ডিজাইন, ‘আমার মতে, অর্থনৈতিক হওয়ার সুযোগ পেয়েছে কারণ আপনি পরিচিত বন্ধন পদার্থবিজ্ঞানের নিয়মের মাধ্যমে ফিউশন সম্ভব করার জন্য বস্তুর আকার এবং খরচ অনেক কমিয়ে আনতে পারেন।’
PSFC-এর ম্যাগনেট টেস্টের সম্পূর্ণ ডেটা এবং বিশ্লেষণ, যা ছয়টি নতুন পেপারে বিস্তারিতভাবে বর্ণিত, দেখায়েছে যে নতুন জেনারেশনের ফিউশন ডিভাইসের পরিকল্পনা - যা MIT এবং CFS দ্বারা ডিজাইন করা হয়েছে, এবং অন্যান্য কমার্শিয়াল ফিউশন কোম্পানিদের মিলে তৈরি করা হচ্ছে - বিজ্ঞানের একটি দৃঢ় ভিত্তির উপর ভিত্তি করে তৈরি।
সুপারকনডাক্টিং ব্রেকথ্রু
ফিউশন, আলোকৃত পরমাণুগুলি একত্রিত করে ভারী পরমাণু তৈরি করা প্রক্রিয়া, সূর্য এবং তারাগুলিকে শক্তি দেয়, কিন্তু পৃথিবীতে এই প্রক্রিয়াটি ব্যবহার করা একটি ভয়ঙ্কর চ্যালেঞ্জ প্রমাণিত হয়েছে, যা দশক ধরে কঠিন পরিশ্রম এবং বিলিওন ডলারের ব্যয় লাগিয়েছে পরীক্ষামূলক ডিভাইসের জন্য। দীর্ঘকাল ধরে অনুসন্ধান করা হচ্ছে, কিন্তু এখনও অর্জিত হয়নি যে লক্ষ্য হল একটি ফিউশন পাওয়ার প্ল্যান্ট তৈরি করা যা তার খরচ থেকে বেশি শক্তি উৎপাদন করে। এমন একটি পাওয়ার প্ল্যান্ট চালু অবস্থায় গ্রীনহাউস গ্যাস ছাড়াই বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে পারে এবং খুব কম রেডিওঅ্যাকটিভ অপশিস উৎপাদন করে। ফিউশনের জ্বালা, যা সাগরজল থেকে উদ্ভূত হতে পারে হাইড্রোজেনের একটি রূপ, প্রায় অসীম।
কিন্তু এটি কাজে লাগানোর জন্য ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের প্রয়োজন হয় অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রা এবং চাপে জ্বালানী সংকুচিত করা, এবং কারণ কোনও পরিচিত উপকরণ এই তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে না, তাই জ্বালানীকে অত্যন্ত শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র দ্বারা স্থান নির্ধারণ করা হয়। এত শক্তিশালী ক্ষেত্র উৎপাদনের জন্য সুপারকনডাক্টিং চৌম্বকের প্রয়োজন হয়, কিন্তু আগের সমস্ত ফিউশন চৌম্বক ছিল একটি সুপারকনডাক্টিং উপাদান দিয়ে তৈরি যা প্রায় ৪ ডিগ্রি একসাথে শূন্য থেকে (৪ কেলভিন, বা -২৭০ ডিগ্রি সেলসিয়াস) তাপমাত্রা দরকার। গত কয়েক বছরের মধ্যে, ফিউশন চৌম্বকে একটি নতুন উপাদান যুক্ত করা হয়েছে যা রিয়ার-আর্থ বেরিয়াম কপার অক্সাইড বা REBCO নামে পরিচিত, এবং এটি তাদেরকে ২০ কেলভিনে চালু করতে দেয়, যা যদিও শুধুমাত্র ১৬ কেলভিন উষ্ণতর, তবে এটি উপাদানের বৈশিষ্ট্য এবং বাস্তব প্রকৌশলীয়তায় গুরুত্বপূর্ণ সুবিধা আনে।
এই নতুন উচ্চ-তাপমাত্রার অধিচালক উপাদানটি ব্যবহার করা বিদ্যমান চৌম্বক ডিজাইনে এটি প্রতিস্থাপন করা ছাড়াও আরও বেশি জটিল ছিল। বরং, "এটি মূল থেকেই প্রায় সমস্ত নীতি পুনর্গঠন করা হয়েছিল যা আপনি অধিচালক চৌম্বক তৈরি করতে ব্যবহার করেন," ওয়াইট বলেন। নতুন REBCO উপাদানটি "পূর্ববর্তী প্রজন্মের অধিচালক থেকে অসাধারণভাবে ভিন্ন। আপনি শুধু অAPTER এবং প্রতিস্থাপন করবেন না, আসলে আপনি মূল থেকেই আবিষ্কার করবেন।" নতুন পেপারগুলি অ্যাপ্লাইড সুপারকনডাক্টিভিটি ট্রানজেকশন সেই পুনর্ডিজাইন প্রক্রিয়ার বিস্তারিত বর্ণনা করেছে, এখন পেটেন্ট সুরক্ষা জায়গায় আছে।
একটি গুরুত্বপূর্ণ উদ্ভাবন: কোনও বিদ্যুৎ প্রতিরোধ নেই
একটি আঘাতকারী উদ্ভাবন, যা এই ক্ষেত্রের অনেকেই এর সফলতার সম্ভাবনায় সন্দিগ্ধ ছিল, তা হল চুম্বক গঠনের জন্য ব্যবহৃত পারস্পরিক টেপের চারপাশে বিয়োগ করা। প্রায় সমস্ত বৈদ্যুতিক তারের মতো, সাধারণ পারস্পরিক চুম্বক পূর্ণতः বিয়োগ উপকরণ দ্বারা সুরক্ষিত থাকে যেন তারগুলোর মধ্যে শর্ট-সার্কিট না হয়। কিন্তু নতুন চুম্বকে, টেপটি সম্পূর্ণভাবে খালি ছিল; ইঞ্জিনিয়াররা REBCO-এর অনেক বেশি বিদ্যুৎ পরিবহন ক্ষমতার উপর নির্ভর করেছিল যেন বিদ্যুৎ প্রবাহ উপাদানের মধ্য দিয়ে চলতে থাকে।
“যখন আমরা এই প্রকল্পটি শুরু করেছিলাম, ধরুন ২০১৮-এ, উচ্চ-তাপমাত্রার সুপারকনডাক্টরগুলি ব্যবহার করে বড় মাত্রার উচ্চ-ক্ষেত্র ম্যাগনেট তৈরি করার প্রযুক্তি তখন তার শৈশবে ছিল,” বলেছেন জ্যাক হার্টউইজ, যিনি হলেন নিউক্লিয়ার সায়েন্স অ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিং ডিপার্টমেন্টের রবার্ট এন. নয়েস ক্যারিয়ার ডেভেলপমেন্ট প্রফেসর। হার্টউইজ পিএসএফসি-তে একটি সহ-অ্যাপয়েন্টমেন্ট ধারণ করেন এবং তিনি এই ইঞ্জিনিয়ারিং গ্রুপের প্রধান, যা ম্যাগনেট উন্নয়ন প্রকল্পটি নেতৃত্ব দিয়েছে। “আর্ট অফ স্টেট ছিল ছোট বেঞ্চটপ পরীক্ষা, যা সম্পূর্ণ আকারের জিনিস তৈরি করতে লাগে তা ঠিকমতো প্রতিনিধিত্ব করে নি। আমাদের ম্যাগনেট উন্নয়ন প্রকল্পটি বেঞ্চটপ স্কেলে শুরু হয়েছিল এবং খুব কম সময়ের মধ্যে সম্পূর্ণ আকারে পৌঁছেছিল,” তিনি যোগ করেন, এবং উল্লেখ করেন যে দলটি একটি ২০,০০০ পাউন্ডের ম্যাগনেট তৈরি করেছে যা প্রায় ২০ টেসলা এর বেশি একটি স্থির, সমান চৌম্বকীয় ক্ষেত্র উৎপাদন করেছে — যা বড় আকারে এমন কোনো ক্ষেত্র উৎপাদনের বাইরে ছিল।
“এই চুম্বকগুলি তৈরি করার স্ট্যানডার্ড উপায়টি হল আপনি পরিবাহকটি ঘুরিয়ে দেবেন এবং ঘূর্ণনের মধ্যে বিদ্যুৎ প্রতিরোধক থাকবে, এবং বিদ্যুৎ প্রতিরোধকটি অস্বাভাবিক ঘটনার সময় উৎপন্ন হওয়া উচ্চ ভোল্টেজের সাথে সম্পর্কিত।” তিনি বলেন, “প্রতিরোধকের স্তরগুলি বাদ দেওয়ার ফলে এটি একটি কম-ভোল্টেজ সিস্টেম হিসেবে কাজ করে। এটি তৈরির প্রক্রিয়া এবং সময়কালকে খুব সহজ করে তোলে।” এছাড়াও এটি অন্যান্য উপাদানের জন্য আরও জায়গা ছাড়ে, যেমন আরও শীতলন বা শক্তির জন্য আরও গঠন।
চুম্বক যৌথটি একটি ছোট আকারের সংস্করণ, যা SPARC ফিউশন যন্ত্রের ডোনাট-আকৃতির কক্ষটি গঠন করবে যা এখন মাসাচুসেটসের ডেভেনসে CFS দ্বারা তৈরি হচ্ছে। এটি ১৬টি প্লেট বা পানকেক দিয়ে গঠিত, যার প্রতিটির এক পাশে উপরিচালক টেপের একটি স্পাইরাল ঘূর্ণন এবং অন্য পাশে হেলিয়াম গ্যাসের জন্য শীতলন চ্যানেল রয়েছে।
তবে বিনা পরিচালনা ডিজাইনটি ঝুঁকি-পূর্ণ হিসাবে বিবেচিত হয়েছিল, এবং পরীক্ষা প্রোগ্রামের উপর অনেক আশা ছিল। "এটি ছিল প্রথম ম্যাগনেট যা যথেষ্ট স্কেলে থাকা সত্ত্বেও এই তথ্য খুঁজে বের করেছিল যে ম্যাগনেট ডিজাইন এবং নির্মাণ এবং পরীক্ষা করার জন্য এই তেহখুদ বলা বিনা পরিচালনা বিনা টুইস্ট প্রযুক্তি জড়িত কি", হার্টউইগ বলেন। "এটি সম্প্রদায়ের জন্য খুব বেশি আশ্চর্যজনক ছিল যখন আমরা ঘোষণা করেছিলাম যে এটি একটি বিনা পরিচালনা কোয়িল।"
সীমার বাইরে ঠেলা
আগের কাগজপত্রে বর্ণিত প্রাথমিক পরীক্ষাটি প্রমাণ করেছিল যে ডিজাইন এবং নির্মাণ প্রক্রিয়া শুধুমাত্র কাজ করে না বরং এটি অত্যন্ত স্থিতিশীল ছিল - যা কিছু গবেষক সন্দেহ করেছিলেন। ২০২১ সালের শেষের দিকে পরিচালিত পরবর্তী দুটি পরীক্ষার চালনাও যন্ত্রটিকে সীমার বাইরে ঠেলেছিল অস্থিতিশীল শর্তগুলি তৈরি করে, যার মধ্যে আসন্ন বিদ্যুৎ বন্ধ করা অন্তর্ভুক্ত ছিল যা ভয়ঙ্করভাবে উত্তপ্ত হওয়ার কারণ হতে পারে। এটি এমনকি ম্যাগনেটের চালনার জন্য সর্বনাশী স্থিতিতে বিবেচিত হয়, যা যন্ত্রপাতিগুলি ধ্বংস করার সম্ভাবনা রয়েছে।
পরীক্ষা প্রোগ্রামের মিশনের অংশ, হারটউইগ বলেন, "আসলে একটি পূর্ণ স্কেলের চুম্বককে জানতেনভাবে নিভিয়ে দেওয়া ছিল, তারপর আমরা সঠিক স্কেল এবং সঠিক শর্তাবলীতে সমালোচনামূলক ডেটা পেতে পারি এবং বিজ্ঞান উন্নয়ন করতে, ডিজাইন কোড যাচাই করতে এবং তারপর চুম্বকটি ছেঁড়া করে দেখতে কী ভুল হয়েছিল, কেন ভুল হয়েছিল, এবং আমরা পরবর্তী পুনরাবৃত্তি কীভাবে সেটি ঠিক করার দিকে এগিয়ে যেতে পারি।...এটি একটি খুবই সফল পরীক্ষা ছিল।"
সেই চূড়ান্ত পরীক্ষা, যা ১৬টি প্যানকেকের মধ্যে একটির এক কোণের গলনে শেষ হয়েছিল, হার্টউইগ বলেন তা নতুন তথ্যের এক সম্পদ উৎপন্ন করেছে। একটি বিষয়ে, তারা চৌমাগী বিভিন্ন গাণিতিক মডেল ব্যবহার করেছিল ম্যাগনেটের পারফরমেন্সের বিভিন্ন দিক ডিজাইন ও পূর্বাভাস করতে, এবং অধিকাংশ ক্ষেত্রেই, মডেলগুলি তাদের সাধারণ পূর্বাভাসে একমত ছিল এবং পরীক্ষার ধারাবাহিকতা এবং বাস্তব-জগতের মাপনের দ্বারা ভালভাবে যাচাই করা হয়েছিল। কিন্তু কুয়েন্চের প্রভাব পূর্বাভাস করতে মডেল পূর্বাভাসগুলি বিভিন্ন হয়ে গেল, তাই মডেলগুলির যাচাইকরণ ব্যাপারে পরীক্ষামূলক ডেটা পেতে আবশ্যক ছিল।
“আমাদের পূর্বাভাস করা সবচেয়ে উচ্চতর ফিডিলিটি মডেলগুলো ঠিকই বলেছিল কিভাবে ম্যাগনেটটি উষ্ণ হবে, তার উষ্ণতা কতখানি হবে যখন এটি কুয়াঞ্চ শুরু করবে, এবং ম্যাগনেটের কোন অংশে ক্ষতি হবে,” তিনি বলেন। নতুন রিপোর্টের একটিতে বিস্তারিত বর্ণিত হয়েছে, “এই পরীক্ষা আসলেই আমাদেরকে জানিয়েছিল যে কী কী পদার্থবিজ্ঞান চলছিল, এবং এটি আমাদেরকে বলেছিল কোন মডেলগুলো ভবিষ্যতে ব্যবহারযোগ্য এবং কোনগুলো ছেড়ে দিতে হবে কারণ তা সঠিক নয়।”
ওয়াইট বলেন, “মূলত আমরা কোয়িলের উপর সম্ভবত সবচেয়ে খারাপ কাজটি একটি উদ্দেশ্যপূর্বক করেছিলাম, পরীক্ষা শেষ হওয়ার পর আমরা কোয়িলের অন্যান্য সকল দিকের পরীক্ষা শেষ করেছিলাম। এবং আমরা দেখেছি যে কোয়িলের অধিকাংশই কোন ক্ষতি ছাড়াই বেঁচে রয়েছে,” যখন একটি বিচ্ছিন্ন অংশে কিছু গলন ঘটেছে। “এটি যেন কোয়িলের কয়েক শতাংশ আয়তন ক্ষতিগ্রস্ত হয়েছে।” এবং এটি ডিজাইনে পরিবর্তনের কারণ হয়েছে যা আশা করা যায় এমন ক্ষতি প্রতিরোধ করবে আসল ফিউশন ডিভাইসের ম্যাগনেটে, যেন সবচেয়ে ব্যাপক শর্তেও না হয়।
হার্টউইগ জোরদারভাবে বলেন যে দলটি এত বড় নতুন রেকর্ড-সেটিং ম্যাগনেট ডিজাইন সম্পন্ন করতে পেরেছে এবং অত্যন্ত শীঘ্র সময়ে ঠিকমতো করতে পেরেছে, এর একটি প্রধান কারণ ছিল অলকেটর সি-মড টোকাম্যাক, ফ্রান্সিস বিটার ম্যাগনেট ল্যাবরেটরি এবং পিএসএফসি-তে অন্যান্য কাজের মাধ্যমে দশকের পর দশক ধরে সঞ্চিত গভীর জ্ঞান, দক্ষতা এবং উপকরণ। “এটি এই ধরনের স্থানের প্রতিষ্ঠানিক ক্ষমতার হৃদয়ের কথা,” তিনি বলেন। “আমাদের একই ছাদের নিচে এই সব কাজ করার জন্য ক্ষমতা, ব্যবস্থা এবং জায়গা এবং মানুষ ছিল।”
CFS-এর সাথে এই যৌথকার্যও তার মতে গুরুত্বপূর্ণ ছিল, এবং MIT এবং CFS একত্রে একটি শিক্ষাপ্রতিষ্ঠান এবং বেসরকারি কোম্পানির সবচেয়ে শক্তিশালী দিকগুলি মিলিয়ে এমন কিছু করেছে যা কোনো একটি পক্ষ একা করতে পারত না। "উদাহরণস্বরূপ, প্রকল্পের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ উপাদানের জন্য একটি সরবরাহ চেইন গড়ে তোলা এবং তা অগ্রাধিকারে বাড়িয়ে তোলা একটি বেসরকারি কোম্পানির শক্তি ব্যবহার করে CFS-এর একটি প্রধান অবদান ছিল: ৩০০ কিলোমিটার (১৮৬ মাইল) উচ্চ-আয়ু সুপারকনডাক্টর, যা এক বছরের কম সময়ে শক্তিশালী গুণবত্তা নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে সংগ্রহ করা হয়েছিল এবং চুম্বকে সময়মতো একত্রিত করা হয়েছিল।"
MIT-এর এবং CFS-এর দুটি দলের একত্রিত করা এই সফলতার জন্যও গুরুত্বপূর্ণ ছিল, তিনি বলেন। "আমরা নিজেদের একটি দল হিসেবে ভাবতাম, এবং তা আমাদের যা করতে সক্ষম করেছিল তা করতে সাহায্য করেছে।"
