சீனாவின் CHSN01 சூப்பர் எஃகு: அடுத்த தலைமுறை அணுக்கரு இணைவு உலைகளுக்கு ஆற்றலளிக்கும் திருப்புமுனை

சீனாவின் சூப்பர் எஃகு சாதனை: அணுக்கரு இணைவின் புதிய சகாப்தம்

சர்வதேச நிபுணர்கள் ஒருகாலத்தில் “முற்றிலும் சாத்தியமற்றது” என்று கருதியதைச் சாதித்து, சீன விஞ்ஞானிகள் CHSN01 என்ற புரட்சிகர எஃகுக் கலவையை உருவாக்கியுள்ளனர். இது அணுக்கரு இணைவு தொழில்நுட்பத்தில் சாத்தியம் எனக் கருதப்பட்ட வரம்புகளை மறுவரையறை செய்கிறது. இணைவு உலைக்குள் நிலவும் நசுக்கும் காந்த விசைகளையும் ஏறத்தாழ முழுமையான பூஜ்ஜிய வெப்பநிலையையும் தாங்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்ட இந்தச் சூப்பர் எஃகு, சீனாவின் எரியும் பிளாஸ்மா சோதனை மீக்கடத்தி டோகாமாக் (BEST) உலையில் ஏற்கெனவே பயன்படுத்தப்படுகிறது. இது ஆராய்ச்சிக்காக மட்டுமல்ல, வணிகரீதியாக மின்சாரம் உற்பத்தி செய்வதற்காகவும் வடிவமைக்கப்பட்ட உலையாகும். இந்தச் சாதனையின் தாக்கம் இணைவு ஆற்றலைத் தாண்டியும் விரிகிறது; மருத்துவப் படமெடுப்பு, போக்குவரத்து, விண்வெளி ஆய்வு ஆகிய துறைகளிலும் முன்னேற்றங்களை இது உறுதியளிக்கிறது.

இணைவு உலைகளுக்கு ஏன் சூப்பர் எஃகு தேவை?

சூரியனுக்கு ஆற்றலளிக்கும் செயல்முறையான அணுக்கரு இணைவு, கிட்டத்தட்ட அளவற்ற தூய ஆற்றலை வழங்கும் வாக்குறுதியைக் கொண்டுள்ளது. 100 மில்லியன் டிகிரி செல்சியஸைத் தாண்டும் வெப்பநிலையில் ஹைட்ரஜன் ஐசோடோப்புகளை இணைப்பதன் மூலம், இந்தச் செயல்முறையைப் பூமியில் மீண்டும் நிகழ்த்த இணைவு உலைகள் முயல்கின்றன. ஆனால், இத்தகைய வினையைக் கட்டுப்படுத்த வலிமையான மீக்கடத்தி காந்தங்கள் தேவை. அவை மைனஸ் 269°C வரை (முழுமையான பூஜ்ஜியத்தைவிடச் சற்றே அதிகமான வெப்பநிலையில்) இயங்குவதுடன், 20 டெஸ்லா வரையிலான காந்தப் புலங்களையும் தாங்க வேண்டும். இது பிரான்சில் உள்ள உலகின் மிகப்பெரிய இணைவு பரிசோதனையான ITER-இல் பயன்படுத்தப்படுவதைக் காட்டிலும் கிட்டத்தட்ட இருமடங்கு வலிமையானது.

சவால் மிகப் பெரியது: இத்தகைய குறைந்த வெப்பநிலையில் பெரும்பாலான உலோகங்கள் எளிதில் உடையக்கூடியவையாகி, நீளும் தன்மையை இழக்கின்றன; அதேவேளை, தீவிரமான காந்த விசைகள் அவற்றைப் பிளந்துவிடும் அபாயத்தை ஏற்படுத்துகின்றன. 2011-இல், சோதனையின்போது அதன் தாழ்வெப்ப எஃகு எளிதில் உடையக்கூடியதாக மாறியதால் ITER-க்கும் பெரும் பின்னடைவு ஏற்பட்டது. இந்த இரு தீவிர நிலைகளையும் தாங்கக்கூடிய பொருளைக் கண்டுபிடிப்பதில் உலகம் எதிர்கொண்டுவரும் சிரமத்தை இது வெளிப்படுத்தியது.

தற்போதைய பொருட்களின் வரம்புகள்

பல தசாப்தங்களாக, இணைவு திட்டங்கள் 316LN, JK2LB போன்ற சிறப்புத் துருப்பிடிக்காத எஃகுகளைச் சார்ந்துள்ளன. இவை தாழ்வெப்பநிலையில் சிறப்பாகச் செயல்பட்டாலும், அவற்றின் விளைவு வலிமை 0.9–1.1 ஜிகாபாஸ்கல் (GPa) அளவிலும், காந்தப் புலம் சுமார் 11.8 டெஸ்லா அளவிலும் வரம்பை எட்டுகிறது. இதனால் உலைகள் பெரியதாகவும் செலவு மிகுந்ததாகவும் வடிவமைக்கப்பட வேண்டியுள்ளது; இணைவு ஆற்றலின் நடைமுறைப் பயன்பாடும் விரிவாக்கமும் கட்டுப்படுகின்றன.

சிறியதாகவும் அதிகச் செயல்திறன் கொண்டதாகவும் வணிகரீதியில் சாத்தியமானதாகவும் உள்ள உலைகளை உருவாக்கத் தீர்மானித்த சீனத் திட்டமிடுவோர், விரிசல் ஏற்படாமல் மிக அதிக அழுத்தங்களைத் தாங்கக்கூடிய பொருள் தேவை என்பதை உணர்ந்தனர். இந்த உணர்வே பொருள் அறிவியலில் 12 ஆண்டுகால விரைவு முயற்சிக்கு வித்திட்டது; அதன் உச்சமாக CHSN01 உருவானது.

CHSN01 சாதனையின் பின்னணி: அறிவியலும் பொறியியலும்

சீனா உயர் வலிமை தாழ்வெப்ப எஃகு எண் 1 (China High-Strength Low-Temperature Steel No. 1) என்பதன் சுருக்கமான CHSN01, நுணுக்கமான பொறியியல் மற்றும் பொருள் அறிவியலின் விளைவாக உருவானது. நைட்ரஜன் சேர்த்து வலுப்படுத்தப்பட்ட ஆஸ்டெனிடிக் எஃகான நைட்ரானிக்-50-ஐ அடிப்படையாகக் கொண்டு இந்தக் கலவையை உருவாக்கும் பணி தொடங்கியது. பின்னர் பொறியாளர்கள் சில முக்கிய மாற்றங்களைச் செய்தனர்:

• மிகக் குறைந்த கார்பன் அளவு: 4 K (மைனஸ் 269°C) வெப்பநிலையில் பல ஆண்டுகள் பயன்பாட்டின்போது உடையக்கூடிய கார்பைடுகள் உருவாவதைத் தடுக்க, கார்பன் அளவு 0.01 சதவீதத்திற்கும் கீழாகக் குறைக்கப்பட்டது.
• அதிகரிக்கப்பட்ட நைட்ரஜன் மற்றும் நிக்கல்: நைட்ரஜன் அளவு சுமார் 0.30 சதவீதமாக உயர்த்தப்பட்டது; நிக்கல் அளவும் சிறிதளவு அதிகரிக்கப்பட்டது. இதனால் தாழ்வெப்பநிலையிலும் எஃகு உறுதியாகவும் நீளும் தன்மையுடனும் இருக்கும்.
• வனேடியம் சேர்ப்பு: சிறிதளவு வனேடியம் சேர்க்கப்பட்டது. இதனால் உருவாகும் வனேடியம்-நைட்ரைடு துகள்கள் இடப்பெயர்வுகளைத் தடுத்து, உறுதித்தன்மையைக் கூட்டுவதுடன் கடினத்தன்மையையும் பாதுகாக்கின்றன.
• மாசுகளுக்கு கடுமையான கட்டுப்பாடு: ஆக்சிஜன், பாஸ்பரஸ், சல்பர் ஆகியவற்றின் அளவுகள் அனைத்தும் 0.02 சதவீதத்திற்குக் கீழே வைக்கப்பட்டு, விரிசலைத் தொடங்கக்கூடிய உட்பொதிவுகள் நீக்கப்பட்டன.

இந்த நுணுக்கமான, ஆனால் முக்கியமான மாற்றங்களின் விளைவாக, 4.2 K வெப்பநிலையில் சுமார் 1.5 GPa விளைவு அழுத்தத்தைத் தாங்கி, முறிவதற்கு முன் 30 சதவீதத்திற்கும் மேல் நீளக்கூடிய எஃகு உருவானது. இது ITER-இல் பயன்படுத்தப்படும் 316LN உறைகளைக் காட்டிலும் சுமார் 40 சதவீதம் வலிமையானது; அதேவேளை, விரிசல்களை எதிர்க்கும் திறனும் அதற்கு இணையாக உள்ளது.

சோர்வு எதிர்ப்பு மற்றும் நீடித்துழைப்பு

இணைவு உலைகள் நிலையாக இயங்கும் இயந்திரங்கள் அல்ல; அவற்றின் காந்தங்கள் செயல்பாட்டுக் காலத்தில் பல்லாயிரம் முறை துடிப்புடன் இயங்கி அணைகின்றன. தாழ்வெப்பநிலையில் CHSN01-இன் சோர்வு எதிர்ப்பு கடுமையாகச் சோதிக்கப்பட்டது. தொடக்கக் குறைபாடுகள் இருந்தாலும் அது நம்பகமாகச் செயல்படும் என்பதை முடிவுகள் காட்டின. இதனால் அழிவற்ற சோதனைகளுக்கான தெளிவான அளவுகோல்களை ஆய்வாளர்கள் பெறுகின்றனர். வரையறுக்கப்பட்ட உறுப்பு மாதிரிகளும் பாரிஸ் விதி அடிப்படையிலான சோர்வு விரிசல் வளர்ச்சி பகுப்பாய்வும், CHSN01 உறைகளில் 6 மிமீ² வரையிலான குறைபாடுகள் தொடக்கத்திலேயே இருந்தாலும் அவை தாங்கும் என்பதைக் காட்டின. இது நவீன ஆய்வுத் தொழில்நுட்பங்களால் கண்டறியக்கூடிய வரம்பைவிட அதிகமானது. இருந்தாலும், BEST உலையின் எதிர்பார்க்கப்படும் ஆயுட்காலமான 60,000 பிளாஸ்மா துடிப்புகளை அவை தாங்கும்.

இந்த நீடித்துழைப்பால், உற்பத்தியாளர்கள் மின்கடத்திகளை அளவுக்கு மீறிப் பளபளப்பாக்கவோ பெரிதாக்கவோ வேண்டியதில்லை. இதனால் எடை, செலவு, பொருத்தும் நேரம் ஆகியவை குறைகின்றன. மேலும், அதிக காந்தப் புலங்களைப் பயன்படுத்தவும், அதன் மூலம் மிகவும் கச்சிதமான மற்றும் திறமையான உலைகளை வடிவமைக்கவும் இது வழிவகுக்கிறது.

சந்தேகத்திலிருந்து வெற்றிவரை: CHSN01-க்குப் பின்னாலுள்ள மனிதக் கதை

CHSN01 உருவான பயணம் பின்னடைவுகளும் சந்தேகங்களும் இன்றிச் செல்லவில்லை. சீன ஆய்வாளர்கள் தங்களின் தொடக்ககால முடிவுகளை சர்வதேச மாநாடுகளில் முதன்முதலில் முன்வைத்தபோது, புதிய கலவை தேவையா என்று பல வெளிநாட்டு நிபுணர்கள் சந்தேகித்தனர். ஏற்கெனவே உள்ள 316LN எஃகு சாத்தியத்தின் உச்சத்தை எட்டிவிட்டதாக அவர்கள் கருதினர். 2020 வரை முன்னேற்றம் மெதுவாகவே இருந்தது. அப்போது, புகழ்பெற்ற தாழ்வெப்ப இயற்பியல் நிபுணரும் சீனாவின் உயரிய அறிவியல் விருதைப் பெற்றவருமான ஜாவ் சோங்சியான் இத்திட்டத்தில் இணைந்தார். அவரது தலைமைத்துவமும் தொலைநோக்கும் குழுவின் அணுகுமுறையை மாற்றியமைக்க உதவின; இதன் மூலம் கலவையின் அமைப்பிலும் அது பூர்த்திசெய்ய வேண்டிய தரநிலைகளிலும் திருப்புமுனை ஏற்பட்டது.

2021-ஆம் ஆண்டுக்குள், சீனா தனக்கென லட்சிய இலக்குகளை நிர்ணயித்தது: தாழ்வெப்பநிலையில் 1,500 MPa விளைவு வலிமையும் 25 சதவீதத்திற்கும் அதிகமான நீட்சியும். இரண்டு ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு, CHSN01 இந்தத் தரநிலைகளைப் பூர்த்தி செய்தது உறுதிப்படுத்தப்பட்டது. 20 டெஸ்லா காந்தப் புலங்களையும் 1,300 MPa அழுத்தத்தையும் அது தோல்வியின்றித் தாங்கும் எனச் சோதனைகள் காட்டின. 2023 மே மாதத்துக்குள், BEST உலையின் மின்கடத்தி உறைகளில் மட்டும் 500 டன்னுக்கும் அதிகமான CHSN01 பொருத்தப்பட்டிருந்தது.

நிபுணர்களின் பார்வை

சீன அறிவியல் அகாடமியின் ஆய்வாளரான லி லைஃபெங், இந்தச் சாதனையின் முக்கியத்துவத்தை வலியுறுத்தினார்:

சீனாவின் கச்சிதமான இணைவு ஆற்றல் சோதனைக் கருவிகள் வெற்றிபெற, அடுத்த தலைமுறை தாழ்வெப்ப எஃகை உருவாக்குவது அவசியம். CHSN01 ஆய்வகத்தின் ஆர்வமூட்டும் கண்டுபிடிப்பு மட்டுமல்ல; தொழில்துறைப் பயன்பாட்டுக்குத் தயாராக உள்ளது.

இணைவு நிபுணர் லி ஜியாங்காங்கும் இதே கருத்தை எதிரொலித்து, இணைவு ஆற்றலின் எதிர்காலத்திற்கு மேம்பட்ட எஃகு உருவாக்கம் “அத்தியாவசியமானது” என்றார்.

CHSN01 இணைவு உலை வடிவமைப்பை எவ்வாறு மாற்றுகிறது?

இணைவு உலை வடிவமைப்பில் CHSN01 ஏற்படுத்தும் தாக்கம் ஆழமானது. அதன் மேம்பட்ட வலிமையும் கடினத்தன்மையும் பின்வருவனவற்றைச் சாத்தியமாக்குகின்றன:

• அதிக காந்தப் புலங்கள்: 20 டெஸ்லா வரை பயன்படுத்தலாம்; இதனால் பிளாஸ்மாவைக் கட்டுப்படுத்தும் அழுத்தம் அதிகரித்து, மேலும் கச்சிதமான, தொகுதிவடிவ உலைகளை உருவாக்க முடியும்.
• நீண்ட செயல்பாட்டு ஆயுட்காலம்: சோர்வு எதிர்ப்பால், பல தசாப்தங்களாக இணைவு காந்தங்கள் மீண்டும் மீண்டும் துடிப்புடன் இயங்குவதை எஃகு தாங்கும்.
• குறைந்த எடை மற்றும் செலவு: வலுவான உறைகளுக்கு குறைவான பொருளே தேவைப்படுவதால், கட்டுமானம் எளிமையாகி செலவும் குறைகிறது.
• மேம்பட்ட பாதுகாப்பும் நம்பகத்தன்மையும்: பேரழிவுத் தோல்வி ஏற்படும் அபாயமின்றி தொடக்கத்திலேயே உள்ள பெரிய குறைபாடுகளையும் தாங்கும் திறன், உற்பத்தியையும் ஆய்வையும் எளிதாக்குகிறது.

இந்த முன்னேற்றங்களால் எதிர்கால இணைவு உலைகள் சிறியதாகவும் மலிவானதாகவும் திறமையானதாகவும் அமையலாம். இணைவு ஆற்றலை நடைமுறைச் சாத்தியமாக்குவதற்கு இவை முக்கியக் காரணிகளாகும்.

BEST எதிர் ITER: புதிய அளவுகோல்

பிரான்சில் உள்ள ITER உலகின் மிகப்பெரிய இணைவு பரிசோதனையாக இருந்தாலும், அது ஆராய்ச்சிக்காக மட்டுமே வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது; மின்சாரம் உற்பத்தி செய்யாது. இதற்கு மாறாக, சீனாவின் BEST உலை வணிகரீதியான மின்சார உற்பத்தியைக் கருத்தில் கொண்டு உருவாக்கப்படுகிறது. இதனால் பயன்படுத்தப்படும் பொருட்களிடம் இன்னும் அதிகத் தேவைகள் எழுகின்றன; அவை நீண்ட காலம் நீடிப்பதுடன், கடினமான சூழல்களிலும் செயல்பட வேண்டும். இந்தத் தேவைகளைப் பூர்த்திசெய்வதில் CHSN01 பெற்ற வெற்றி, உலகளாவிய இணைவு பொருட்களுக்கு புதிய அளவுகோலை ஏற்படுத்துகிறது.

இணைவைத் தாண்டி: பரந்த பயன்பாடுகளும் உலகளாவிய தாக்கமும்

CHSN01-இன் முக்கியத்துவம் இணைவு உலைகளைத் தாண்டியும் விரிகிறது. தாழ்வெப்பநிலையில் அதன் வலிமை, நீளும் தன்மை, சோர்வு எதிர்ப்பு ஆகியவற்றின் தனித்துவமான சேர்க்கை, பல உயர் தொழில்நுட்பப் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக அமைகிறது:

• MRI கருவிகள்: வலுவான, நம்பகமான மீக்கடத்தி உறைகள் காந்தங்களின் அளவையும் பராமரிப்புத் தேவைகளையும் குறைக்கக்கூடும்.
• துகள் முடுக்கிகள்: கடுமையான சூழல்களில் மேம்பட்ட நீடித்துழைப்பும் செயல்திறனும் கிடைக்கும்.
• காந்த மிதவை ரயில்கள்: அதிவேகப் போக்குவரத்தில் பாதுகாப்பும் செயல்திறனும் மேம்படும்.
• குவாண்டம் கணினிகளுக்கான குளிரூட்டல்: முழுமையான பூஜ்ஜியத்தை அண்மித்த வெப்பநிலையில் இயங்கும் நீர்த்தல் குளிர்பதனக் கருவிகளுக்கு உறுதியான பொருட்கள் கிடைக்கும்.
• ஆழ்வெளி ஆய்வு: விண்வெளியின் மிகக் கடுமையான சூழல்களைத் தாங்கக்கூடிய பாகங்களை உருவாக்கலாம்.

CHSN01-ஐ உள்நாட்டிலேயே உற்பத்தி செய்யும் சீனாவின் திறன், உயர்தர எஃகுகளை இறக்குமதி செய்வதன் மீதான சார்பையும் குறைக்கிறது. இதனால் மேம்பட்ட தொழில்நுட்பத் துறைகளில் அந்நாட்டுக்கு உத்திசார் அனுகூலம் கிடைக்கிறது.

உலகளாவிய எதிர்வினைகளும் இணைவு பொருட்களுக்கான போட்டியும்

CHSN01 அறிமுகப்படுத்தப்பட்டதைத் தொடர்ந்து உலகளவில் எதிர்வினைகள் எழுந்துள்ளன. உலகெங்கும் உள்ள இணைவு விஞ்ஞானிகள் தங்களின் பொருள் தேர்வு உத்திகளை மறுபரிசீலனை செய்து வருகின்றனர்; சிலர் உலோகவியல் மற்றும் பொருள் அறிவியலில் மீண்டும் முதலீடு செய்ய வேண்டும் எனக் கோருகின்றனர். ஓர் இணைவு பொறியாளர் கூறியதாவது:

சாதனை அளவிலான பிளாஸ்மா இயக்கங்களாலும் புதுமையான உலைக் கருத்தாக்கங்களாலும் இணைவு அடிக்கடி தலைப்புச் செய்திகளில் இடம்பெறுகிறது. ஆனால், பெரிய ஆற்றல் தொழில்நுட்பங்கள் பொருள் அறிவியலின் அடிப்படையில்தான் வெற்றிபெறுகின்றனவா தோல்வியடைகின்றனவா என்பதை வரலாறு காட்டுகிறது. கடினத்தன்மையை இழக்காமல் தாழ்வெப்பத் துருப்பிடிக்காத எஃகை 1.5 GPa வகுப்புக்குக் கொண்டு சென்றதன் மூலம், உயர் காந்தப் புலக் காந்தங்களுக்குத் தேவைப்பட்ட முக்கிய இயந்திரக் கூறைச் சீன ஆய்வாளர்கள் வழங்கியுள்ளனர்.

2027-இல் முதல் பிளாஸ்மாவை உருவாக்கவும், 40–200 MW மின் வெளியீட்டை எட்டவும் BEST உலை இலக்கு வைத்துள்ளதால், உலகம் இதை உன்னிப்பாகக் கவனிக்கும். இது வெற்றிபெற்றால், இணைவு உலைக் கட்டுமானத்திற்கான புதிய உலகத் தரநிலையாக CHSN01 உருவாகக்கூடும்; குளிர்ச்சியும் அழுத்தமும் சேர்ந்த சவாலை எதிர்கொள்ளும் பிற தொழில்துறைகளுக்கும் இது வழிகாட்டலாம்.

சுருக்கமாக

• சீனாவின் CHSN01 சூப்பர் எஃகு, அணுக்கரு இணைவு உலைகளின் கடும் குளிரையும் காந்த விசைகளையும் தாங்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்ட ஒரு சாதனைப் படைப்பு எஃகுக் கலவையாகும்.
• தாழ்வெப்பநிலையில் அதிக காந்தப் புலங்களை (20 டெஸ்லா வரை) பயன்படுத்தவும், அதிக வலிமையை (1,500 MPa விளைவு வலிமை) பெறவும், சிறந்த சோர்வு எதிர்ப்பைப் பெறவும் CHSN01 உதவுகிறது.
• வணிகரீதியாக மின்சாரம் உற்பத்தி செய்வதை இலக்காகக் கொண்ட சீனாவின் BEST இணைவு உலையில் இந்தக் கலவை ஏற்கெனவே பயன்படுத்தப்படுகிறது; அந்த உலை 2027-க்குள் நிறைவடையும் என எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.
• சர்வதேச சந்தேகங்களைத் தாண்டி உருவான CHSN01, உலகளாவிய இணைவு பொருட்களுக்கு புதிய அளவுகோலை நிர்ணயிக்கிறது.
• இணைவைத் தாண்டி, MRI கருவிகள், துகள் முடுக்கிகள், காந்த மிதவை ரயில்கள், விண்வெளி ஆய்வு ஆகியவற்றிலும் CHSN01 பயன்படும் வாய்ப்புள்ளது.
• இந்தச் சாதனை பொருள் அறிவியலுக்கான உலகளாவிய போட்டியைத் தூண்டியுள்ளது; தூய ஆற்றல் மற்றும் மேம்பட்ட தொழில்நுட்பத்தின் எதிர்காலத்திலும் இது தாக்கம் ஏற்படுத்தக்கூடும்.