مستقبل کے نیوکلیئر فیوژن انرجی ری ایکٹرز کے اندر کا حصہ زمین پر پیدا ہونے والے سخت ترین ماحول میں سے ہوگا۔ فیوژن ری ایکٹر کے اندر کو پلازما سے پیدا ہونے والے حرارت کے بہاؤ سے محفوظ رکھنے کے لیے اتنا مضبوط کیا ہے کہ زمین کے ماحول میں دوبارہ داخل ہونے والی خلائی شٹل کی طرح؟

ORNL کے محققین نے ٹنگسٹن کے کٹاؤ، نقل و حمل اور دوبارہ جمع ہونے کا پتہ لگانے کے لیے قدرتی ٹنگسٹن (پیلا) اور افزودہ ٹنگسٹن (نارنجی) کا استعمال کیا۔ ٹنگسٹن فیوژن ڈیوائس کے اندر کو آرمر کرنے کا سب سے بڑا آپشن ہے۔

Zeke Unterberg اور ان کی ٹیم ڈیپارٹمنٹ آف انرجی کی Oak Ridge نیشنل لیبارٹری میں اس وقت سرکردہ امیدوار کے ساتھ کام کر رہی ہے: ٹنگسٹن، جس میں سب سے زیادہ پگھلنے کا مقام ہے اور متواتر میز پر تمام دھاتوں کا سب سے کم بخارات کا دباؤ، نیز بہت زیادہ تناؤ کی طاقت۔ ایسی خصوصیات جو اسے طویل عرصے تک غلط استعمال کرنے کے لیے موزوں بناتی ہیں۔ وہ یہ سمجھنے پر توجہ مرکوز کر رہے ہیں کہ ٹنگسٹن فیوژن ری ایکٹر کے اندر کیسے کام کرے گا، ایک ایسا آلہ جو روشنی کے ایٹموں کو سورج کے مرکز سے زیادہ گرم درجہ حرارت پر گرم کرتا ہے تاکہ وہ فیوز ہو کر توانائی خارج کر سکیں۔ فیوژن ری ایکٹر میں ہائیڈروجن گیس کو ہائیڈروجن پلازما میں تبدیل کیا جاتا ہے - مادے کی ایک ایسی حالت جو جزوی طور پر آئنائزڈ گیس پر مشتمل ہوتی ہے - جو پھر مضبوط مقناطیسی شعبوں یا لیزرز کے ذریعہ ایک چھوٹے سے علاقے میں محدود ہوجاتی ہے۔

ORNL کے فیوژن انرجی ڈویژن کے ایک سینئر ریسرچ سائنسدان، انٹربرگ نے کہا، "آپ اپنے ری ایکٹر میں کوئی ایسی چیز نہیں ڈالنا چاہتے جو صرف چند دنوں تک چلے۔" "آپ کافی زندگی گزارنا چاہتے ہیں۔ ہم ان علاقوں میں ٹنگسٹن لگاتے ہیں جہاں ہمیں توقع ہے کہ بہت زیادہ پلازما بمباری ہوگی۔

2016 میں، انٹربرگ اور ٹیم نے ٹوکامک میں تجربات کرنا شروع کیے، ایک فیوژن ری ایکٹر جو مقناطیسی فیلڈز کو پلازما کی انگوٹھی پر مشتمل کرنے کے لیے استعمال کرتا ہے، DIII-D نیشنل فیوژن فیسیلٹی، جو سان ڈیاگو میں DOE آفس آف سائنس صارف کی سہولت ہے۔ وہ یہ جاننا چاہتے تھے کہ کیا ٹوکامک کے ویکیوم چیمبر کو بکتر بنانے کے لیے ٹنگسٹن کا استعمال کیا جا سکتا ہے — اسے پلازما کے اثرات سے ہونے والی تیزی سے تباہی سے بچانا — بغیر پلازما کو بہت زیادہ آلودہ کیے بغیر۔ یہ آلودگی، اگر مناسب طریقے سے منظم نہیں کیا جاتا ہے، تو بالآخر فیوژن ردعمل کو بجھا سکتا ہے.

انٹربرگ نے کہا، "ہم اس بات کا تعین کرنے کی کوشش کر رہے تھے کہ چیمبر کے کون سے علاقے خاص طور پر خراب ہوں گے: جہاں ٹنگسٹن سے زیادہ تر ایسی نجاست پیدا ہوتی ہے جو پلازما کو آلودہ کر سکتی ہیں۔"

اسے تلاش کرنے کے لیے، محققین نے ڈائیورٹر کے اندر سے ٹنگسٹن کے کٹاؤ، نقل و حمل اور دوبارہ جمع ہونے کا پتہ لگانے کے لیے، غیر ترمیم شدہ آاسوٹوپ کے ساتھ، ٹنگسٹن کے ایک افزودہ آاسوٹوپ W-182 کا استعمال کیا۔ ڈائیورٹر کے اندر ٹنگسٹن کی نقل و حرکت کو دیکھتے ہوئے - ویکیوم چیمبر کے اندر ایک ایسا علاقہ جو پلازما اور نجاستوں کو ہٹانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے - انہیں ایک واضح تصویر فراہم کی گئی کہ یہ ٹوکامک کے اندر کی سطحوں سے کیسے خارج ہوتا ہے اور پلازما کے ساتھ تعامل کرتا ہے۔ افزودہ ٹنگسٹن آاسوٹوپ میں وہی جسمانی اور کیمیائی خصوصیات ہیں جو باقاعدہ ٹنگسٹن کی ہوتی ہیں۔ DIII-D کے تجربات میں چھوٹے دھاتی داخلوں کا استعمال کیا گیا جو افزودہ آاسوٹوپ کے ساتھ لیپت کیا گیا تھا، لیکن سب سے زیادہ گرمی کے بہاؤ والے زون کے قریب نہیں، برتن میں ایک ایسا علاقہ جسے عام طور پر ڈائیورٹر دور کا ہدف علاقہ کہا جاتا ہے۔ علیحدہ طور پر، سب سے زیادہ بہاؤ کے ساتھ ایک ڈائیورٹر ریجن میں، اسٹرائیک پوائنٹ، محققین نے غیر ترمیم شدہ آاسوٹوپ کے ساتھ انسرٹس کا استعمال کیا۔ DIII-D چیمبر کا بقیہ حصہ گریفائٹ سے لیس ہے۔

اس سیٹ اپ نے محققین کو جہاز کے آرمر میں اور اس سے نجاست کے بہاؤ کی پیمائش کے لیے عارضی طور پر چیمبر میں داخل کی گئی خصوصی تحقیقات پر نمونے اکٹھے کرنے کی اجازت دی، جس سے انہیں اس بات کا زیادہ درست اندازہ ہو سکتا ہے کہ ٹنگسٹن جو ڈائیورٹر سے چیمبر میں نکلا تھا، کہاں تھا۔ پیدا ہوا

انٹربرگ نے کہا کہ "افزودہ آاسوٹوپ کے استعمال سے ہمیں ایک منفرد فنگر پرنٹ ملا۔"

یہ فیوژن ڈیوائس میں اس طرح کا پہلا تجربہ تھا۔ ایک مقصد یہ تھا کہ چیمبر آرمرنگ کے لیے ان مواد کے لیے بہترین مواد اور مقام کا تعین کیا جائے، جبکہ پلازما مادی تعاملات کی وجہ سے پیدا ہونے والی نجاست کو برقرار رکھنا اور فیوژن پیدا کرنے کے لیے استعمال ہونے والے مقناطیس سے محدود کور پلازما کو آلودہ نہ کرنا۔

ڈائیورٹرز کے ڈیزائن اور آپریشن کے ساتھ ایک پیچیدگی پلازما میں ناپاک آلودگی ہے جو کنارے کے مقامی طریقوں، یا ELMs کی وجہ سے ہوتی ہے۔ ان میں سے کچھ تیز، زیادہ توانائی کے واقعات، جو شمسی شعلوں کی طرح ہیں، برتن کے اجزاء جیسے ڈائیورٹر پلیٹوں کو نقصان پہنچا سکتے ہیں یا تباہ کر سکتے ہیں۔ ELMs کی فریکوئنسی، یہ واقعات جس وقت فی سیکنڈ ہوتے ہیں، پلازما سے دیوار تک خارج ہونے والی توانائی کی مقدار کا اشارہ ہے۔ زیادہ تعدد والے ELMs فی پھٹنے سے کم مقدار میں پلازما جاری کر سکتے ہیں، لیکن اگر ELMs کم کثرت سے ہوتے ہیں تو، ہر پھٹنے سے خارج ہونے والا پلازما اور توانائی زیادہ ہوتی ہے، نقصان کے زیادہ امکانات کے ساتھ۔ حالیہ تحقیق میں ELMs کی فریکوئنسی کو کنٹرول کرنے اور بڑھانے کے طریقوں پر غور کیا گیا ہے، جیسے کہ پیلٹ انجیکشن یا بہت کم میگنیٹیوڈز پر اضافی مقناطیسی فیلڈز۔

انٹربرگ کی ٹیم نے پایا، جیسا کہ ان کی توقع تھی، کہ ٹنگسٹن کو ہائی فلوکس اسٹرائیک پوائنٹ سے دور رکھنے سے آلودگی کا امکان بہت زیادہ بڑھ جاتا ہے جب کم تعدد والے ELMs کے سامنے آتے ہیں جن میں توانائی کا مواد زیادہ ہوتا ہے اور فی واقعہ سطح کا رابطہ ہوتا ہے۔ مزید برآں، ٹیم نے پایا کہ یہ ڈائیورٹر دور کا ہدف والا علاقہ SOL کو آلودہ کرنے کا زیادہ خطرہ ہے حالانکہ اس میں عام طور پر سٹرائیک پوائنٹ سے کم بہاؤ ہوتا ہے۔ ان بظاہر متضاد نتائج کی تصدیق اس پروجیکٹ کے سلسلے میں جاری ڈائیورٹر ماڈلنگ کی کوششوں اور DIII-D پر مستقبل کے تجربات سے ہو رہی ہے۔

اس پروجیکٹ میں پورے شمالی امریکہ کے ماہرین کی ایک ٹیم شامل تھی، جس میں پرنسٹن پلازما فزکس لیبارٹری، لارنس لیورمور نیشنل لیبارٹری، سانڈیا نیشنل لیبارٹریز، او آر این ایل، جنرل ایٹمکس، اوبرن یونیورسٹی، یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، سان ڈیاگو، ٹورنٹو یونیورسٹی، کے ساتھی شامل تھے۔ یونیورسٹی آف ٹینیسی — ناکس ول، اور یونیورسٹی آف وسکونسن-میڈیسن، جیسا کہ اس نے ایک اہم ٹول فراہم کیا پلازما مواد کے تعامل کی تحقیق کے لیے۔ DOE کے آفس آف سائنس (فیوژن انرجی سائنسز) نے مطالعہ کے لیے مدد فراہم کی۔

ٹیم نے اس سال کے شروع میں جرنل میں آن لائن تحقیق شائع کی۔نیوکلیئر فیوژن.

اس تحقیق سے جوائنٹ یورپی ٹورس، یا JET، اور ITER کو فوری طور پر فائدہ ہو سکتا ہے، جو اب Cadarache، فرانس میں زیر تعمیر ہیں، یہ دونوں ڈائیورٹر کے لیے ٹنگسٹن آرمر استعمال کرتے ہیں۔

"لیکن ہم ITER اور JET سے آگے کی چیزوں کو دیکھ رہے ہیں - ہم مستقبل کے فیوژن ری ایکٹرز کو دیکھ رہے ہیں،" انٹربرگ نے کہا۔ ٹنگسٹن کہاں لگانا بہتر ہے اور آپ کو ٹنگسٹن کہاں نہیں لگانا چاہیے؟ ہمارا حتمی مقصد ہمارے فیوژن ری ایکٹرز کو، جب وہ آتے ہیں، ایک سمارٹ طریقے سے آرمر کرنا ہے۔"

انٹربرگ نے کہا کہ ORNL کے منفرد اسٹیبل آاسوٹوپس گروپ، جس نے تجربہ کے لیے مفید شکل میں رکھنے سے پہلے افزودہ آاسوٹوپ کوٹنگ تیار کی اور اس کا تجربہ کیا، تحقیق کو ممکن بنایا۔ انہوں نے کہا کہ یہ آاسوٹوپ کہیں بھی دستیاب نہیں ہوتا لیکن ORNL کے نیشنل آاسوٹوپ ڈویلپمنٹ سینٹر سے، جو تقریباً ہر عنصر کا ذخیرہ رکھتا ہے جو آاسوٹوپیکل طور پر الگ ہوتا ہے۔

"ORNL اس قسم کی تحقیق کے لیے منفرد مہارت اور خاص خواہشات رکھتا ہے،" Unterberg نے کہا۔ "ہمارے پاس آاسوٹوپس تیار کرنے اور ان کو دنیا بھر میں مختلف ایپلی کیشنز میں ہر قسم کی تحقیق میں استعمال کرنے کی ایک طویل میراث ہے۔"

اس کے علاوہ، ORNL US ITER کا انتظام کرتا ہے۔

اس کے بعد، ٹیم یہ دیکھے گی کہ کس طرح ٹنگسٹن کو مختلف شکل والے ڈائیورٹرز میں ڈالنے سے کور کی آلودگی پر اثر پڑ سکتا ہے۔ مختلف ڈائیورٹر جیومیٹریز بنیادی پلازما پر پلازما مادی تعاملات کے اثرات کو کم کر سکتے ہیں، انہوں نے نظریہ بنایا ہے۔ ڈائیورٹر کے لیے بہترین شکل جاننا — مقناطیسی محدود پلازما ڈیوائس کے لیے ایک ضروری جزو — سائنس دانوں کو ایک قابل عمل پلازما ری ایکٹر کے قریب لے جائے گا۔

"اگر ہم، ایک معاشرے کے طور پر، کہتے ہیں کہ ہم چاہتے ہیں کہ جوہری توانائی ہو، اور ہم اگلے مرحلے پر جانا چاہتے ہیں،" انٹربرگ نے کہا، "فیوژن ہولی گریل ہوگا۔"