ભાવિ ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન એનર્જી રિએક્ટરની અંદરનો ભાગ પૃથ્વી પર અત્યાર સુધીના સૌથી કઠોર વાતાવરણમાંનો એક હશે. પૃથ્વીના વાતાવરણમાં ફરી પ્રવેશતા અવકાશ શટલ જેવા પ્લાઝ્મા-ઉત્પાદિત ગરમીના પ્રવાહથી ફ્યુઝન રિએક્ટરની અંદરના ભાગને સુરક્ષિત કરવા માટે એટલું મજબૂત શું છે?

ORNL સંશોધકોએ ટંગસ્ટનના ધોવાણ, પરિવહન અને પુનઃસ્થાપનને ટ્રેસ કરવા માટે કુદરતી ટંગસ્ટન (પીળો) અને સમૃદ્ધ ટંગસ્ટન (નારંગી) નો ઉપયોગ કર્યો હતો. ટંગસ્ટન એ ફ્યુઝન ઉપકરણની અંદરના ભાગમાં બખ્તર બનાવવાનો અગ્રણી વિકલ્પ છે.

ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી ઓક રિજ નેશનલ લેબોરેટરીમાં ઝેકે અન્ટરબર્ગ અને તેમની ટીમ હાલમાં અગ્રણી ઉમેદવાર સાથે કામ કરી રહી છે: ટંગસ્ટન, જે સામયિક કોષ્ટક પર તમામ ધાતુઓનું સૌથી વધુ ગલનબિંદુ અને સૌથી ઓછું વરાળ દબાણ ધરાવે છે, તેમજ ખૂબ જ ઊંચી તાણ શક્તિ ધરાવે છે— ગુણધર્મો કે જે તેને લાંબા સમય સુધી દુરુપયોગ કરવા માટે યોગ્ય બનાવે છે. તેઓ એ સમજવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે કે ટંગસ્ટન ફ્યુઝન રિએક્ટરની અંદર કેવી રીતે કાર્ય કરશે, એક ઉપકરણ જે પ્રકાશ પરમાણુઓને સૂર્યના કોર કરતા વધુ ગરમ તાપમાને ગરમ કરે છે જેથી તેઓ ફ્યુઝ થાય અને ઊર્જા છોડે. ફ્યુઝન રિએક્ટરમાં હાઇડ્રોજન ગેસ હાઇડ્રોજન પ્લાઝ્મામાં રૂપાંતરિત થાય છે-દ્રવ્યની સ્થિતિ જેમાં આંશિક રીતે આયનાઇઝ્ડ ગેસનો સમાવેશ થાય છે-જે પછી મજબૂત ચુંબકીય ક્ષેત્રો અથવા લેસર દ્વારા નાના પ્રદેશમાં મર્યાદિત હોય છે.

ORNL ના ફ્યુઝન એનર્જી ડિવિઝનના વરિષ્ઠ સંશોધન વૈજ્ઞાનિક અન્ટરબર્ગે જણાવ્યું હતું કે, "તમે તમારા રિએક્ટરમાં એવું કંઈક મૂકવા માંગતા નથી કે જે ફક્ત બે દિવસ ચાલે. “તમે પૂરતું જીવન જીવવા માંગો છો. અમે એવા વિસ્તારોમાં ટંગસ્ટન મૂકીએ છીએ જ્યાં અમે અપેક્ષા રાખીએ છીએ કે ત્યાં ખૂબ જ ઉચ્ચ પ્લાઝ્મા બોમ્બાર્ડમેન્ટ થશે."

2016 માં, અન્ટરબર્ગ અને ટીમે સાન ડિએગોમાં ડીઆઈઆઈઆઈ-ડી નેશનલ ફ્યુઝન ફેસિલિટી, ડીઆઈઆઈઆઈ ઓફિસ ઓફ સાયન્સ યુઝર ફેસિલિટી ખાતે, ટોકામેક, ફ્યુઝન રિએક્ટરમાં પ્રયોગો કરવાનું શરૂ કર્યું, જે પ્લાઝ્માની રિંગને સમાવવા માટે ચુંબકીય-ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ કરે છે. તેઓ જાણવા માગતા હતા કે શું ટંગસ્ટનનો ઉપયોગ ટોકમાકના શૂન્યાવકાશ ચેમ્બરને બખ્તર બનાવવા માટે થઈ શકે છે-તેને પ્લાઝ્માની અસરોથી થતા ઝડપી વિનાશથી બચાવે છે-પ્લાઝમાને જ ભારે દૂષિત કર્યા વિના. આ દૂષણ, જો પર્યાપ્ત રીતે સંચાલિત ન થાય, તો આખરે ફ્યુઝન પ્રતિક્રિયાને ઓલવી શકે છે.

"અમે એ નક્કી કરવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા હતા કે ચેમ્બરમાં કયા વિસ્તારો ખાસ કરીને ખરાબ હશે: જ્યાં ટંગસ્ટન મોટાભાગે અશુદ્ધિઓ ઉત્પન્ન કરે છે જે પ્લાઝ્માને દૂષિત કરી શકે છે," અન્ટરબર્ગે જણાવ્યું હતું.

તે શોધવા માટે, સંશોધકોએ ટંગસ્ટન, ડબલ્યુ-182 ના સમૃદ્ધ આઇસોટોપનો ઉપયોગ બિનસંશોધિત આઇસોટોપ સાથે, ડાઇવર્ટરની અંદરથી ટંગસ્ટનના ધોવાણ, પરિવહન અને પુનઃસ્થાપનને શોધી કાઢવા માટે કર્યો હતો. ડાયવર્ટરની અંદર ટંગસ્ટનની હિલચાલને જોતાં- પ્લાઝ્મા અને અશુદ્ધિઓને વાળવા માટે રચાયેલ વેક્યૂમ ચેમ્બરની અંદરનો વિસ્તાર-તેને ટોકમાકની અંદરની સપાટીઓમાંથી તે કેવી રીતે ક્ષીણ થાય છે અને પ્લાઝમા સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે તેનું સ્પષ્ટ ચિત્ર આપે છે. સમૃદ્ધ ટંગસ્ટન આઇસોટોપ નિયમિત ટંગસ્ટન જેવા જ ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. ડીઆઈઆઈઆઈ-ડીના પ્રયોગોમાં નાના ધાતુના દાખલોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો જે સંવર્ધિત આઈસોટોપ સાથે કોટેડ હોય છે, પરંતુ સૌથી વધુ ઉષ્મા પ્રવાહ ઝોનની નજીક મૂકવામાં આવે છે, જે વહાણમાં સામાન્ય રીતે ડાયવર્ટર દૂર-લક્ષિત પ્રદેશ કહેવાય છે. અલગથી, સૌથી વધુ પ્રવાહ, સ્ટ્રાઇક-પોઇન્ટ સાથેના ડાયવર્ટર પ્રદેશ પર, સંશોધકોએ અસંશોધિત આઇસોટોપ સાથે ઇન્સર્ટ્સનો ઉપયોગ કર્યો. DIII-D ચેમ્બરનો બાકીનો ભાગ ગ્રેફાઇટથી સજ્જ છે.

આ સેટઅપથી સંશોધકોને જહાજના બખ્તર તરફ અને ત્યાંથી અશુદ્ધતાના પ્રવાહને માપવા માટે ચેમ્બરમાં અસ્થાયી રૂપે દાખલ કરવામાં આવેલી વિશેષ ચકાસણીઓ પર નમૂનાઓ એકત્રિત કરવાની મંજૂરી આપવામાં આવી હતી, જે તેમને વધુ ચોક્કસ ખ્યાલ આપી શકે છે કે ટંગસ્ટન કે જે ડાયવર્ટરથી ચેમ્બરમાં લીક થયું હતું તે ક્યાં હતું. ઉદ્દભવ્યું.

"સમૃદ્ધ આઇસોટોપના ઉપયોગથી અમને એક અનન્ય ફિંગરપ્રિન્ટ મળી," અન્ટરબર્ગે કહ્યું.

ફ્યુઝન ઉપકરણમાં આ પ્રકારનો પ્રથમ પ્રયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. એક ધ્યેય ચેમ્બર આર્મિંગ માટે આ સામગ્રીઓ માટે શ્રેષ્ઠ સામગ્રી અને સ્થાન નિર્ધારિત કરવાનો હતો, જ્યારે પ્લાઝ્મા-સામગ્રીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને કારણે થતી અશુદ્ધિઓને મોટા પ્રમાણમાં ડાયવર્ટરમાં સમાવિષ્ટ રાખવી અને ફ્યુઝન ઉત્પન્ન કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા ચુંબક-સીમિત કોર પ્લાઝ્માને દૂષિત ન કરવી.

ડાઇવર્ટર્સની રચના અને કામગીરીમાં એક જટિલતા એજ-લોકલાઇઝ્ડ મોડ્સ અથવા ELMs દ્વારા પ્લાઝ્મામાં અશુદ્ધતાનું દૂષણ છે. આમાંની કેટલીક ઝડપી, ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળી ઘટનાઓ, સૌર જ્વાળાઓ જેવી જ, ડાઇવર્ટર પ્લેટ્સ જેવા જહાજના ઘટકોને નુકસાન અથવા નાશ કરી શકે છે. ELM ની આવર્તન, આ ઘટનાઓ પ્રત્યેક સેકન્ડનો સમય, પ્લાઝ્માથી દિવાલ પર છોડવામાં આવતી ઊર્જાની માત્રાનું સૂચક છે. ઉચ્ચ-આવર્તન ELMs વિસ્ફોટ દીઠ ઓછી માત્રામાં પ્લાઝ્મા મુક્ત કરી શકે છે, પરંતુ જો ELM ઓછી વારંવાર હોય, તો વિસ્ફોટ દીઠ પ્લાઝ્મા અને ઊર્જા મુક્ત થાય છે, નુકસાનની મોટી સંભાવના સાથે. તાજેતરના સંશોધનોએ ELM ની આવર્તનને નિયંત્રિત કરવા અને વધારવાની રીતો પર ધ્યાન આપ્યું છે, જેમ કે પેલેટ ઇન્જેક્શન અથવા અતિરિક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્રો ખૂબ જ નાની માત્રામાં.

અંટરબર્ગની ટીમે શોધી કાઢ્યું, જેમ કે તેઓ અપેક્ષા રાખે છે, કે ટંગસ્ટન હાઈ-ફ્લક્સ સ્ટ્રાઈક-પોઈન્ટથી દૂર રાખવાથી દૂષિત થવાની સંભાવના ઘણી વધી જાય છે જ્યારે ઓછી-આવર્તન ELMs કે જેમાં ઘટના દીઠ ઉચ્ચ ઊર્જા સામગ્રી અને સપાટીનો સંપર્ક હોય છે. વધુમાં, ટીમે શોધી કાઢ્યું કે આ ડાયવર્ટર દૂર-લક્ષિત પ્રદેશ SOLને દૂષિત કરવા માટે વધુ સંવેદનશીલ છે, તેમ છતાં તેમાં સામાન્ય રીતે સ્ટ્રાઇક-પોઇન્ટ કરતાં ઓછો પ્રવાહ હોય છે. આ મોટે ભાગે પ્રતિસ્પર્ધી પરિણામોની પુષ્ટિ આ પ્રોજેક્ટના સંબંધમાં ચાલી રહેલા ડાયવર્ટર મોડેલિંગ પ્રયાસો અને DIII-D પરના ભાવિ પ્રયોગો દ્વારા કરવામાં આવી રહી છે.

આ પ્રોજેક્ટમાં પ્રિન્સટન પ્લાઝ્મા ફિઝિક્સ લેબોરેટરી, લોરેન્સ લિવરમોર નેશનલ લેબોરેટરી, સેન્ડિયા નેશનલ લેબોરેટરીઝ, ઓઆરએનએલ, જનરલ એટોમિક્સ, ઓબર્ન યુનિવર્સિટી, યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, સાન ડિએગો ખાતે યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, ટોરોન્ટો યુનિવર્સિટીના સહયોગીઓ સહિત સમગ્ર ઉત્તર અમેરિકાના નિષ્ણાતોની ટીમ સામેલ હતી. યુનિવર્સિટી ઓફ ટેનેસી-નોક્સવિલે, અને યુનિવર્સિટી ઓફ વિસ્કોન્સિન-મેડિસન, કારણ કે તે પ્લાઝ્મા-સામગ્રી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સંશોધન માટે મહત્વપૂર્ણ સાધન પ્રદાન કરે છે. DOE ની ઑફિસ ઑફ સાયન્સ (ફ્યુઝન એનર્જી સાયન્સ) એ અભ્યાસ માટે સમર્થન પૂરું પાડ્યું હતું.

ટીમે આ વર્ષની શરૂઆતમાં જર્નલમાં સંશોધન પ્રકાશિત કર્યું હતુંન્યુક્લિયર ફ્યુઝન.

સંશોધન તરત જ જોઈન્ટ યુરોપિયન ટોરસ, અથવા JET, અને ITER ને ફાયદો પહોંચાડી શકે છે, જે હવે ફ્રાન્સના કેડારાચેમાં નિર્માણાધીન છે, જે બંને ડાયવર્ટર માટે ટંગસ્ટન બખ્તરનો ઉપયોગ કરે છે.

"પરંતુ અમે ITER અને JET થી આગળની વસ્તુઓ જોઈ રહ્યા છીએ - અમે ભવિષ્યના ફ્યુઝન રિએક્ટરને જોઈ રહ્યા છીએ," અન્ટરબર્ગે કહ્યું. "ટંગસ્ટન ક્યાં મૂકવું શ્રેષ્ઠ છે, અને તમારે ટંગસ્ટન ક્યાં ન મૂકવું જોઈએ? અમારું અંતિમ ધ્યેય અમારા ફ્યુઝન રિએક્ટરને, જ્યારે તેઓ આવે, ત્યારે તેને સ્માર્ટ રીતે સજ્જ કરવાનું છે.”

અંટરબર્ગે જણાવ્યું હતું કે ORNL ના અનન્ય સ્થિર આઇસોટોપ્સ ગ્રૂપ, જેણે પ્રયોગ માટે ઉપયોગી સ્વરૂપમાં મૂકતા પહેલા સમૃદ્ધ આઇસોટોપ કોટિંગ વિકસાવી અને તેનું પરીક્ષણ કર્યું, સંશોધનને શક્ય બનાવ્યું. તે આઇસોટોપ ક્યાંય પણ ઉપલબ્ધ ન હોત પરંતુ ORNL ખાતેના નેશનલ આઇસોટોપ ડેવલપમેન્ટ સેન્ટરમાંથી, જે આઇસોટોપિકલી અલગ પડેલા લગભગ દરેક તત્વનો સંગ્રહ જાળવે છે, તેમણે કહ્યું.

"ORNL આ પ્રકારના સંશોધન માટે અનન્ય નિપુણતા અને વિશિષ્ટ ઇચ્છાઓ ધરાવે છે," અન્ટરબર્ગે કહ્યું. "આપણી પાસે આઇસોટોપ વિકસાવવાનો અને વિશ્વભરના વિવિધ કાર્યક્રમોમાં તમામ પ્રકારના સંશોધનમાં તેનો ઉપયોગ કરવાનો લાંબો વારસો છે."

વધુમાં, ORNL US ITER નું સંચાલન કરે છે.

આગળ, ટીમ જોશે કે ટંગસ્ટનને અલગ-અલગ આકારના ડાયવર્ટર્સમાં નાખવાથી કોરના દૂષણને કેવી રીતે અસર થઈ શકે છે. વિવિધ ડાયવર્ટર ભૂમિતિઓ કોર પ્લાઝ્મા પર પ્લાઝ્મા-સામગ્રીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની અસરોને ઘટાડી શકે છે, તેઓએ સિદ્ધાંત આપ્યો છે. ચુંબકીય-સીમિત પ્લાઝ્મા ઉપકરણ માટે જરૂરી ઘટક - ડાયવર્ટર માટે શ્રેષ્ઠ આકાર જાણવાથી વૈજ્ઞાનિકો એક સધ્ધર પ્લાઝ્મા રિએક્ટરની એક પગલું નજીક લઈ જશે.

"જો આપણે, એક સમાજ તરીકે, કહીએ કે અમે પરમાણુ ઉર્જા બનવા માંગીએ છીએ, અને અમે આગલા તબક્કામાં જવા માંગીએ છીએ," અન્ટરબર્ગે કહ્યું, "ફ્યુઝન એ પવિત્ર ગ્રેઇલ હશે."