चीन में परमाणु संलयन रिएक्टर के वैज्ञानिकों ने हाल ही में उच्च घनत्व पर रिएक्टर जहाजों के संचालन में एक महत्वपूर्ण बाधा पर काबू पा लिया है। उन्होंने प्लाज्मा घनत्व को एक विशेष सीमा से 65% आगे बढ़ाया, एक स्थिर स्थिति में प्रवेश किया जो जलते हुए प्लाज्मा को प्राप्त करने में लंबे समय से चली आ रही बाधा को पार कर गया, वह चरण जहां एक संलयन प्रतिक्रिया आत्मनिर्भर हो जाती है।
संलयन शक्ति सूर्य के अंदर जो होता है उसकी नकल करती है। हाइड्रोजन परमाणु आपस में इतनी ज़ोर से टकराते हैं कि वे हीलियम में विलीन हो जाते हैं, जिससे प्रचुर मात्रा में ऊर्जा निकलती है। लेकिन यह प्रतिक्रिया केवल तभी काम करती है जब परमाणुओं को अत्यधिक तापमान पर एक छोटी सी जगह में पैक किया जाता है, आमतौर पर 100,000,000º C से अधिक।
ग्रीनवाल्ड सीमा
इन प्रतिक्रियाओं को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किए गए रिएक्टरों में, वैज्ञानिक ट्रिपल उत्पाद का उपयोग करके सफलता को मापते हैं: घनत्व को तापमान से गुणा करके कारावास के समय से गुणा किया जाता है। इंजीनियरों को इग्निशन तक पहुंचने के लिए सभी तीन संख्याओं का बहुत अधिक होना आवश्यक है, एक ऐसी स्थिति जिसमें एक संलयन प्रतिक्रिया स्वयं को बनाए रखती है। घनत्व ईंधन कणों की संख्या है जिन्हें रिएक्टर में निचोड़ा जा सकता है। अधिक घनत्व का अर्थ है अधिक टकराव और अधिक संलयन।
लेकिन एक दिक्कत है. दशकों तक, सुपरहॉट प्लाज़्मा को धारण करने के लिए डिज़ाइन किए गए डोनट के आकार के चुंबकीय बर्तन, टोकामक्स, ग्रीनवाल्ड घनत्व सीमा में चले गए। इस सीमा से परे, प्लाज्मा एक व्यवधान में ढह जाता है जो रिएक्टर को नुकसान पहुंचा सकता है। ग्रीनवाल्ड फॉर्मूला इस सीमा को प्लाज्मा करंट और रिएक्टर के आकार से जोड़ता है।
चीन में हेफ़ेई में ईस्ट फ़्यूज़न रिएक्टर आमतौर पर इस सीमा के 80% और 100% के बीच संचालित होता है।लेकिन 1 जनवरी के एक पेपर में विज्ञान उन्नतिEAST टीम ने बताया कि उसने सीमा के 1.3x से 1.65x घनत्व पर स्थिर प्लाज़्मा हासिल कर लिया है।
डायवर्टर पर तापमान
टीम ने दो तकनीकों को मिलाकर यह उपलब्धि हासिल की। सबसे पहले, उन्होंने स्टार्ट-अप के दौरान इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन अनुनाद हीटिंग (ईसीआरएच) का उपयोग किया। ईसीआरएच में, माइक्रोवेव किरणों को प्लाज्मा में डाला जाता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों को लाखों डिग्री तक गर्म किया जाता है। यह प्लाज़्मा धारा को तेज़ करने से पहले होता है, एक बड़ी विद्युत धारा जो प्लाज़्मा को गर्म करने और चुंबकीय पिंजरे बनाने में मदद करने के लिए प्रवाहित होती है। दूसरा, टीम ने चैम्बर में अधिक ड्यूटेरियम गैस के साथ शुरुआत की, फिर प्लाज्मा के गर्म होने पर हाइड्रोजन ईंधन डाला।
प्रयोगों के लिए, उन्हें कंडीशन करने और अशुद्धियों को कम करने के लिए EAST की टंगस्टन सतहों को लिथियम की एक पतली परत से लेपित किया गया था।
समग्र संयोजन ने बदल दिया कि प्लाज्मा ने रिएक्टर की दीवारों के साथ कैसे बातचीत की।जब प्लाज्मा दीवारों को छूता है, तो दीवारों से टंगस्टन परमाणु प्लाज्मा में निकल जाते हैं। टंगस्टन एक अशुद्धता है जो बहुत अधिक गर्मी उत्सर्जित करती है, जिससे संभावित रूप से प्लाज्मा नष्ट हो जाता है।
इससे एक दुष्चक्र बनता है. गर्म प्लाज़्मा दीवारों से टकराता है, अशुद्धियाँ छोड़ता है, अशुद्धियाँ गर्मी विकीर्ण करती हैं, प्लाज़्मा उन स्थानों पर गर्म हो जाता है जो क्षतिपूर्ति करने की कोशिश करते हैं, वे गर्म स्थान दीवारों से अधिक जोर से टकराते हैं, जिससे अधिक अशुद्धियाँ निकलती हैं। अंततः सिस्टम व्यवधान की ओर बढ़ सकता है।
2021 में, फ्रांस में ऐक्स-मार्सिले विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी डोमिनिक एस्कैंड और उनके सहयोगियों ने इसे विकसित किया। प्लाज्मा-दीवार स्व-संगठन (पीडब्लूएसओ) सिद्धांत गणितीय रूप से इस व्यवहार की भविष्यवाणी करना। सिद्धांत कहता है कि दो स्थिर अवस्थाएँ मौजूद हैं: ग्रीनवाल्ड सीमा के पास एक घनत्व-सीमा शासन और एक घनत्व-मुक्त शासन जहाँ घनत्व सीमा सीमा से आगे निकल जाती है।
दोनों अवस्थाओं के बीच का अंतर डायवर्टर के तापमान का है, रिएक्टर का वह हिस्सा जहां प्लाज्मा दीवारों से मिलता है। एक कूलर डायवर्टर का अर्थ है कणों और दीवार के बीच अधिक सौम्य टकराव, कम अशुद्धियाँ, और इस प्रकार स्वच्छ प्लाज्मा, जो हाइड्रोजन परमाणुओं को अधिक सघनता से पैक कर सकता है।
कम स्पंदन
EAST टीम ने प्रयोगों के दो सेट चलाए। पहले में, उन्होंने ईसीआरएच शक्ति को 600 किलोवाट पर रखा और गैस के दबाव को अलग किया। दूसरे में, उन्होंने गैस का दबाव तय किया और ईसीआरएच शक्ति में बदलाव किया।
इस तरह, टीम ने पाया कि चैंबर में अधिक गैस के कारण कूलर डायवर्टर और कम टंगस्टन संदूषण हुआ।
ईसीआरएच शक्ति को बदलने से कम प्रभाव पड़ा; पेपर में, शोधकर्ताओं ने लिखा कि ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि उन्होंने परीक्षणों में अपेक्षाकृत कम गैस दबाव का उपयोग किया था।
ईसीआरएच-सहायता प्राप्त स्टार्ट-अप के दौरान ईस्ट टोकामक ऑपरेशन का योजनाबद्ध चित्रण। | फोटो साभार: यान निंग
समान सेटिंग्स के साथ बार-बार ईसीआरएच शॉट्स से एक अप्रत्याशित निष्कर्ष सामने आया। बाद के प्रयोग समान शक्ति और गैस इनपुट के साथ भी, पहले वाले की तुलना में उच्च घनत्व तक पहुंच गए। टीम ने ऐसा इसलिए पाया क्योंकि समय के साथ दीवार की स्थिति में सुधार हुआ क्योंकि कई उच्च-घनत्व वाले प्लाज़्मा ने इसकी टंगस्टन सतह को ‘कंडीशंड’ कर दिया, जिससे इसके फूटने का खतरा कम हो गया।
प्रयोग 5.6 × 10 तक घनत्व प्राप्त करने में सक्षम थे19 प्रति घन मीटर कण, ईस्ट रिएक्टर के सामान्य 3.4 × 10 से लगभग 65% अधिक19. डायवर्टर लक्ष्य के पास प्लाज्मा का तापमान भी लगभग एक तिहाई कम हो गया, लगभग 1.1 मिलियन से 0.7-0.8 मिलियन डिग्री सेल्सियस तक। प्लाज्मा में भी कम भारी परमाणु मिश्रित थे।
सीमा से परे
माप पीडब्लूएसओ सिद्धांत की भविष्यवाणियों से उल्लेखनीय रूप से मेल खाते हैं। टीम ने प्लाज्मा में तापमान और अशुद्धियों के घनत्व में बदलाव के तरीके का अनुकरण करने के लिए एक सरलीकृत शून्य-आयामी मॉडल और अधिक जटिल एक-आयामी मॉडल दोनों का परीक्षण किया। दोनों मॉडलों ने EAST के परिणामों को घनत्व-मुक्त शासन में रखा, स्थिर स्थिति जिसमें प्लाज्मा घनत्व ग्रीनवाल्ड सीमा से अधिक है।
वुहान में जे-टेक्स्ट टोकामक में पिछले प्रयोग घनत्व-सीमा शासन में रहे। अंतर J-TEXT रिएक्टर की कार्बन दीवारों का हो सकता है। जबकि टंगस्टन प्लाज्मा पर बमबारी करके फूटता है, कार्बन अतिरिक्त रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरता है और अधिक अशुद्धियाँ छोड़ता है।
नई प्रगति संलयन ऊर्जा का ‘समाधान’ नहीं करती है। EAST परीक्षण अपेक्षाकृत कम शक्ति और प्लाज़्मा करंट पर चले, और बिजली संयंत्र के लिए आवश्यक घंटों के बजाय कई सेकंड तक चले।
घनत्व-मुक्त शासन भी वास्तव में असीमित नहीं है। अत्यधिक घनत्व पर, डायवर्टर से स्वतंत्र विभिन्न प्रकार की अशांति और अस्थिरता उत्पन्न हो सकती है। जैसे-जैसे घनत्व बढ़ता है, इंजीनियरों को प्लाज्मा को फ्यूज करने के लिए पर्याप्त गर्म रखने के लिए अधिक शक्ति की भी आवश्यकता होगी। लेकिन वे बाधाएँ ग्रीनवाल्ड सीमा से बहुत आगे तक उत्पन्न होती हैं।
भविष्य के प्रयोगों में, पेपर के अनुसार, इंजीनियर ईसीआरएच शक्ति और गैस दबाव दोनों को बढ़ाकर डायवर्टर तापमान को और कम कर सकते हैं, संभवतः पूर्ण पृथक्करण तक पहुंच सकते हैं, एक ऐसी स्थिति जिसमें प्लाज्मा मुश्किल से दीवारों को छूता है। अलग किए गए प्लाज़्मा ग्रीनवाल्ड सीमा से कई गुना अधिक घनत्व पर काम कर सकते हैं।
आईटीईआर के लिए मायने रखता है
वुहान में हुआज़होंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के झू पिंग और नए अध्ययन के सह-नेतृत्वकर्ता झू पिंग ने एक विज्ञप्ति में कहा, “निष्कर्ष टोकामक्स और अगली पीढ़ी के जलने वाले प्लाज्मा संलयन उपकरणों में घनत्व सीमा बढ़ाने के लिए एक व्यावहारिक और स्केलेबल मार्ग का सुझाव देते हैं।”
फ़्यूज़न शोधकर्ता अक्सर घनत्व को ग्रीनवाल्ड सीमा द्वारा सीमित मानते हुए तापमान और कारावास के समय पर ध्यान केंद्रित करते हैं। नए प्रयोग उस धारणा को चुनौती देते हैं। संभावित निहितार्थ यह है कि यदि किसी रिएक्टर को दोगुने ईंधन घनत्व पर चलाया जा सकता है, तो यह कम तापमान पर या कम परिरोध समय के साथ प्रज्वलन की स्थिति प्राप्त कर सकता है।
यह आईटीईआर के लिए मायने रखता है, जो फ्रांस में निर्माणाधीन बड़ा अंतरराष्ट्रीय संलयन प्रयोग है और जिसमें भारत ने निवेश किया है।
जापान नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर क्वांटम एंड रेडियोलॉजिकल साइंस एंड टेक्नोलॉजी के रयोजी हिवतारी ने X.com पर लिखा, “फ्यूजन पावर प्लांट के लिए टोकामक प्लाज्मा में घनत्व सीमा महत्वपूर्ण मुद्दों में से एक है। पेपर में प्रस्तावित प्लाज्मा-दीवार स्व-संगठन सिद्धांत को आईटीईआर में घनत्व सीमा को पार करने के लिए मान्य किया जाना चाहिए।”
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