भविष्य के परमाणु संलयन ऊर्जा रिएक्टरों के अंदर का वातावरण पृथ्वी पर अब तक उत्पन्न सबसे कठोर वातावरणों में से एक होगा। पृथ्वी के वायुमंडल में पुनः प्रवेश करने वाले अंतरिक्ष शटलों के समान प्लाज़्मा-उत्पादित ताप प्रवाह से फ़्यूज़न रिएक्टर के अंदर की रक्षा करने के लिए पर्याप्त मजबूत क्या है?

ओआरएनएल शोधकर्ताओं ने टंगस्टन के क्षरण, परिवहन और पुनर्वितरण का पता लगाने के लिए प्राकृतिक टंगस्टन (पीला) और समृद्ध टंगस्टन (नारंगी) का उपयोग किया। टंगस्टन फ़्यूज़न डिवाइस के अंदर कवच बनाने का प्रमुख विकल्प है।

ज़ेके अनटरबर्ग और ऊर्जा विभाग के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी में उनकी टीम वर्तमान में अग्रणी उम्मीदवार के साथ काम कर रही है: टंगस्टन, जिसमें आवर्त सारणी पर सभी धातुओं का उच्चतम पिघलने बिंदु और सबसे कम वाष्प दबाव है, साथ ही बहुत उच्च तन्य शक्ति भी है - ऐसे गुण जो इसे लंबे समय तक दुरुपयोग झेलने के लिए उपयुक्त बनाते हैं। वे यह समझने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं कि टंगस्टन एक संलयन रिएक्टर के अंदर कैसे काम करेगा, एक उपकरण जो प्रकाश परमाणुओं को सूर्य के कोर से अधिक गर्म तापमान पर गर्म करता है ताकि वे फ्यूज हो जाएं और ऊर्जा छोड़ें। संलयन रिएक्टर में हाइड्रोजन गैस को हाइड्रोजन प्लाज्मा में परिवर्तित किया जाता है - पदार्थ की एक अवस्था जिसमें आंशिक रूप से आयनित गैस होती है - जिसे फिर मजबूत चुंबकीय क्षेत्र या लेजर द्वारा एक छोटे क्षेत्र में सीमित कर दिया जाता है।

ओआरएनएल के फ्यूजन एनर्जी डिवीजन के एक वरिष्ठ शोध वैज्ञानिक अनटरबर्ग ने कहा, "आप अपने रिएक्टर में कुछ ऐसा नहीं डालना चाहते जो केवल कुछ दिनों तक चले।" “आप पर्याप्त जीवनकाल चाहते हैं। हम उन क्षेत्रों में टंगस्टन डालते हैं जहां हमें अनुमान है कि बहुत अधिक प्लाज्मा बमबारी होगी।

2016 में, अनटरबर्ग और टीम ने टोकामक में प्रयोग करना शुरू किया, एक संलयन रिएक्टर जो प्लाज्मा की एक अंगूठी को शामिल करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करता है, सैन डिएगो में विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा के डीओई कार्यालय, डीआईआईआई-डी राष्ट्रीय संलयन सुविधा में। वे जानना चाहते थे कि क्या टंगस्टन का उपयोग टोकामक के निर्वात कक्ष को कवच देने के लिए किया जा सकता है - इसे प्लाज्मा के प्रभाव से होने वाले तीव्र विनाश से बचाया जा सकता है - बिना प्लाज्मा को भारी रूप से दूषित किए। यह संदूषण, यदि पर्याप्त रूप से प्रबंधित नहीं किया गया, तो अंततः संलयन प्रतिक्रिया को समाप्त कर सकता है।

"हम यह निर्धारित करने की कोशिश कर रहे थे कि कक्ष में कौन से क्षेत्र विशेष रूप से खराब होंगे: जहां टंगस्टन में अशुद्धियां उत्पन्न होने की सबसे अधिक संभावना थी जो प्लाज्मा को दूषित कर सकती है," अनटरबर्ग ने कहा।

यह पता लगाने के लिए, शोधकर्ताओं ने डायवर्टर के भीतर से टंगस्टन के क्षरण, परिवहन और पुनर्वितरण का पता लगाने के लिए, असंशोधित आइसोटोप के साथ, टंगस्टन के एक समृद्ध आइसोटोप, डब्ल्यू-182 का उपयोग किया। डायवर्टर के भीतर टंगस्टन की गति को देखने से - प्लाज्मा और अशुद्धियों को मोड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए वैक्यूम चैंबर के भीतर का एक क्षेत्र - उन्हें एक स्पष्ट तस्वीर मिली कि यह टोकामक के भीतर सतहों से कैसे नष्ट होता है और प्लाज्मा के साथ इंटरैक्ट करता है। समृद्ध टंगस्टन आइसोटोप में नियमित टंगस्टन के समान भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं। DIII-D के प्रयोगों में समृद्ध आइसोटोप के साथ लेपित छोटे धातु आवेषण का उपयोग किया गया था, जो कि उच्चतम ताप प्रवाह क्षेत्र के करीब रखा गया था, लेकिन जहाज में एक क्षेत्र जिसे आमतौर पर डायवर्टर दूर-लक्ष्य क्षेत्र कहा जाता है। अलग से, उच्चतम प्रवाह वाले डायवर्टर क्षेत्र, स्ट्राइक-पॉइंट पर, शोधकर्ताओं ने असंशोधित आइसोटोप के साथ आवेषण का उपयोग किया। DIII-D कक्ष का शेष भाग ग्रेफाइट से ढका हुआ है।

इस सेटअप ने शोधकर्ताओं को पोत कवच से अशुद्धता प्रवाह को मापने के लिए कक्ष में अस्थायी रूप से डाले गए विशेष जांच पर नमूने एकत्र करने की अनुमति दी, जो उन्हें अधिक सटीक विचार दे सकता है कि चैंबर में डायवर्टर से लीक हुआ टंगस्टन कहां था उत्पन्न हुआ.

अन्टरबर्ग ने कहा, "समृद्ध आइसोटोप का उपयोग करने से हमें एक अद्वितीय फिंगरप्रिंट मिला।"

यह फ़्यूज़न डिवाइस में किया गया पहला ऐसा प्रयोग था। एक लक्ष्य चैम्बर आर्मरिंग के लिए इन सामग्रियों के लिए सर्वोत्तम सामग्री और स्थान का निर्धारण करना था, जबकि प्लाज्मा-सामग्री की परस्पर क्रिया के कारण होने वाली अशुद्धियों को बड़े पैमाने पर डायवर्टर में समाहित रखना और संलयन उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले चुंबक-सीमित कोर प्लाज्मा को दूषित नहीं करना था।

डायवर्टर्स के डिजाइन और संचालन के साथ एक जटिलता एज-लोकलाइज्ड मोड या ईएलएम के कारण प्लाज्मा में अशुद्धता संदूषण है। इनमें से कुछ तेज, उच्च-ऊर्जा घटनाएं, सौर ज्वालाओं के समान, डायवर्टर प्लेटों जैसे पोत घटकों को नुकसान पहुंचा सकती हैं या नष्ट कर सकती हैं। ईएलएम की आवृत्ति, प्रति सेकंड ये घटनाएं घटित होने का समय, प्लाज्मा से दीवार तक जारी ऊर्जा की मात्रा का संकेतक है। उच्च-आवृत्ति ईएलएम प्रति विस्फोट कम मात्रा में प्लाज्मा जारी कर सकते हैं, लेकिन यदि ईएलएम कम बार-बार होते हैं, तो प्रति विस्फोट जारी प्लाज्मा और ऊर्जा अधिक होती है, जिससे क्षति की अधिक संभावना होती है। हाल के शोध में ईएलएम की आवृत्ति को नियंत्रित करने और बढ़ाने के तरीकों पर ध्यान दिया गया है, जैसे कि गोली इंजेक्शन या बहुत कम परिमाण पर अतिरिक्त चुंबकीय क्षेत्र।

अनटरबर्ग की टीम ने पाया, जैसा कि उन्हें उम्मीद थी, उच्च-प्रवाह स्ट्राइक-पॉइंट से दूर टंगस्टन होने से कम-आवृत्ति वाले ईएलएम के संपर्क में आने पर संदूषण की संभावना काफी बढ़ जाती है, जिसमें उच्च ऊर्जा सामग्री और प्रति घटना सतह संपर्क होता है। इसके अतिरिक्त, टीम ने पाया कि इस डायवर्टर दूर-लक्ष्य क्षेत्र में एसओएल के दूषित होने का खतरा अधिक था, भले ही इसमें आम तौर पर स्ट्राइक-पॉइंट की तुलना में कम प्रवाह होता है। इस परियोजना के संबंध में चल रहे डायवर्टर मॉडलिंग प्रयासों और डीआईआईआई-डी पर भविष्य के प्रयोगों से इन प्रतीत होता है कि प्रतिकूल परिणामों की पुष्टि की जा रही है।

इस परियोजना में पूरे उत्तरी अमेरिका के विशेषज्ञों की एक टीम शामिल थी, जिसमें प्रिंसटन प्लाज्मा भौतिकी प्रयोगशाला, लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी, सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज, ओआरएनएल, जनरल एटॉमिक्स, ऑबर्न यूनिवर्सिटी, सैन डिएगो में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, टोरंटो विश्वविद्यालय के सहयोगी शामिल थे। टेनेसी विश्वविद्यालय-नॉक्सविले, और विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय, क्योंकि इसने प्लाज्मा-सामग्री इंटरैक्शन अनुसंधान के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण प्रदान किया। डीओई के विज्ञान कार्यालय (फ्यूजन एनर्जी साइंसेज) ने अध्ययन के लिए सहायता प्रदान की।

टीम ने इस साल की शुरुआत में जर्नल में शोध ऑनलाइन प्रकाशित कियापरमाणु संलयन.

अनुसंधान से संयुक्त यूरोपीय टोरस, या जेट, और आईटीईआर को तुरंत लाभ हो सकता है, जो अब कैडराचे, फ्रांस में निर्माणाधीन हैं, जो दोनों डायवर्टर के लिए टंगस्टन कवच का उपयोग करते हैं।

"लेकिन हम आईटीईआर और जेट से परे चीजों को देख रहे हैं - हम भविष्य के फ्यूजन रिएक्टरों को देख रहे हैं," अनटरबर्ग ने कहा। “कहाँ टंगस्टन लगाना सर्वोत्तम है, और आपको टंगस्टन कहाँ नहीं लगाना चाहिए? हमारा अंतिम लक्ष्य हमारे फ्यूज़न रिएक्टरों को स्मार्ट तरीके से तैयार करना है, जब वे आएं।"

अनटरबर्ग ने कहा कि ओआरएनएल का अनोखा स्टेबल आइसोटोप ग्रुप, जिसने समृद्ध आइसोटोप कोटिंग को प्रयोग के लिए उपयोगी रूप में रखने से पहले विकसित और परीक्षण किया, ने शोध को संभव बनाया। उन्होंने कहा, वह आइसोटोप ओआरएनएल के राष्ट्रीय आइसोटोप विकास केंद्र के अलावा कहीं और उपलब्ध नहीं होता, जो आइसोटोपिक रूप से अलग किए गए लगभग हर तत्व का भंडार रखता है।

अन्टरबर्ग ने कहा, "ओआरएनएल के पास इस प्रकार के अनुसंधान के लिए अद्वितीय विशेषज्ञता और विशेष इच्छाएं हैं।" "हमारे पास आइसोटोप विकसित करने और दुनिया भर के विभिन्न अनुप्रयोगों में सभी प्रकार के अनुसंधानों में उनका उपयोग करने की एक लंबी विरासत है।"

इसके अलावा, ओआरएनएल यूएस आईटीईआर का प्रबंधन करता है।

इसके बाद, टीम यह देखेगी कि अलग-अलग आकार के डायवर्टर में टंगस्टन डालने से कोर के प्रदूषण पर क्या प्रभाव पड़ सकता है। उन्होंने सिद्धांत दिया है कि विभिन्न डायवर्टर ज्यामिति कोर प्लाज्मा पर प्लाज्मा-सामग्री इंटरैक्शन के प्रभाव को कम कर सकती हैं। डायवर्टर के लिए सबसे अच्छा आकार जानने से - चुंबकीय-सीमित प्लाज्मा डिवाइस के लिए एक आवश्यक घटक - वैज्ञानिकों को एक व्यवहार्य प्लाज्मा रिएक्टर के करीब एक कदम आगे ले जाएगा।

"अगर हम, एक समाज के रूप में, कहते हैं कि हम परमाणु ऊर्जा चाहते हैं, और हम अगले चरण में जाना चाहते हैं," अनटरबर्ग ने कहा, "संलयन पवित्र कब्र होगा।"