नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की कठिनाई क्या है? थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा: स्थिति और संभावनाएं

1 परिचय

3. थर्मोन्यूक्लियर संलयन नियंत्रण की समस्याएं

3.1 आर्थिक समस्याएँ

3.2 चिकित्सा समस्याएं

4। निष्कर्ष

5. सन्दर्भ

1 परिचय

प्रबंधित की समस्या थर्मोन्यूक्लियर संलयन- मानवता के सामने सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक।

ऊर्जा के बिना मानव सभ्यता अस्तित्व में नहीं रह सकती, विकसित होना तो दूर की बात है। हर कोई अच्छी तरह से समझता है कि विकसित ऊर्जा स्रोत, दुर्भाग्य से, जल्द ही समाप्त हो सकते हैं। विश्व ऊर्जा परिषद के अनुसार, पृथ्वी पर 30 वर्षों का सिद्ध हाइड्रोकार्बन ईंधन भंडार बचा हुआ है।

आज ऊर्जा के मुख्य स्रोत तेल, गैस और कोयला हैं।

विशेषज्ञों के मुताबिक, इन खनिजों का भंडार खत्म हो रहा है। लगभग कोई भी खोजे गए, दोहन योग्य तेल क्षेत्र नहीं बचे हैं, और हमारे पोते-पोतियों को पहले से ही ऊर्जा की कमी की बहुत गंभीर समस्या का सामना करना पड़ सकता है।

निस्संदेह, सबसे अधिक ईंधन-संपन्न परमाणु ऊर्जा संयंत्र सैकड़ों वर्षों तक मानवता को बिजली की आपूर्ति कर सकते हैं।

अध्ययन का उद्देश्य: नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्याएँ।

अध्ययन का विषय: थर्मोन्यूक्लियर संलयन.

इस अध्ययन का उद्देश्य: थर्मोन्यूक्लियर संलयन नियंत्रण की समस्या का समाधान करें;

अनुसंधान के उद्देश्य:

· थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के प्रकारों का अध्ययन करें.

· दौरान जारी ऊर्जा को संप्रेषित करने के सभी संभावित विकल्पों पर विचार करें थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया, पुरुष के लिए।

· ऊर्जा को बिजली में बदलने के बारे में एक सिद्धांत प्रस्तावित करें।

पृष्ठभूमि तथ्य:

परमाणु नाभिक के क्षय या संलयन के दौरान परमाणु ऊर्जा निकलती है। कोई भी ऊर्जा - भौतिक, रासायनिक, या परमाणु - कार्य करने, गर्मी या विकिरण उत्सर्जित करने की क्षमता से प्रकट होती है। किसी भी प्रणाली में ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है, लेकिन इसे किसी अन्य प्रणाली में स्थानांतरित किया जा सकता है या रूप में बदला जा सकता है।

उपलब्धिनियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की स्थितियाँ कई मुख्य समस्याओं से बाधित होती हैं:

· सबसे पहले, आपको गैस को बहुत उच्च तापमान पर गर्म करना होगा।

· दूसरे, पर्याप्त लंबे समय तक प्रतिक्रियाशील नाभिकों की संख्या को नियंत्रित करना आवश्यक है।

· तीसरा, जारी ऊर्जा की मात्रा गैस को गर्म करने और उसके घनत्व को सीमित करने में खर्च की गई ऊर्जा से अधिक होनी चाहिए।

· अगली समस्या इस ऊर्जा को संग्रहित करना और इसे बिजली में परिवर्तित करना है

2. सूर्य पर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएँ

सौर ऊर्जा का स्रोत क्या है? उन प्रक्रियाओं की प्रकृति क्या है जिनके दौरान भारी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न होती है? सूर्य कब तक चमकता रहेगा?

भौतिकविदों द्वारा ऊर्जा संरक्षण का नियम तैयार करने के बाद, इन सवालों का जवाब देने का पहला प्रयास खगोलविदों द्वारा 19वीं शताब्दी के मध्य में किया गया था।

रॉबर्ट मेयर ने सुझाव दिया कि सूर्य सतह पर उल्कापिंडों और उल्कापिंड कणों द्वारा लगातार बमबारी के कारण चमकता है। इस परिकल्पना को अस्वीकार कर दिया गया, क्योंकि एक साधारण गणना से पता चलता है कि सूर्य की चमक को मौजूदा स्तर पर बनाए रखने के लिए, उस पर हर सेकंड 2∙10 15 किलोग्राम गिरना आवश्यक है। उल्का पिंड. एक वर्ष के दौरान यह मात्रा 6∙10 22 किलोग्राम होगी, और सूर्य के जीवनकाल में, 5 अरब वर्षों से अधिक - 3∙10 32 किलोग्राम होगी। सौर द्रव्यमान एम

= 2∙10 30 किग्रा, इसलिए, पाँच अरब वर्षों में, सूर्य के द्रव्यमान का 150 गुना द्रव्यमान सूर्य पर गिरना चाहिए था।

दूसरी परिकल्पना हेल्महोल्ट्ज़ और केल्विन द्वारा भी 19वीं शताब्दी के मध्य में व्यक्त की गई थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य प्रति वर्ष 60-70 मीटर संपीड़न के कारण विकिरण करता है। संपीड़न का कारण - पारस्परिक आकर्षणसूर्य के कण, इसीलिए इस परिकल्पना को संकुचन कहा जाता है। यदि हम इस परिकल्पना के अनुसार गणना करें, तो सूर्य की आयु 20 मिलियन वर्ष से अधिक नहीं होगी, जो पृथ्वी की मिट्टी और मिट्टी के भूगर्भिक नमूनों में तत्वों के रेडियोधर्मी क्षय के विश्लेषण से प्राप्त आधुनिक आंकड़ों का खंडन करती है। चांद।

सौर ऊर्जा के संभावित स्रोतों के बारे में तीसरी परिकल्पना बीसवीं सदी की शुरुआत में जेम्स जीन्स द्वारा व्यक्त की गई थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य की गहराई में भारी रेडियोधर्मी तत्व होते हैं जो अनायास ही क्षय हो जाते हैं और ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं। उदाहरण के लिए, यूरेनियम का थोरियम और फिर सीसे में परिवर्तन ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है। इस परिकल्पना के बाद के विश्लेषण से इसकी असंगति भी पता चली; केवल यूरेनियम से बना तारा सूर्य की देखी गई चमक पैदा करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं छोड़ पाएगा। इसके अलावा, ऐसे तारे भी हैं जिनकी चमक हमारे तारे से कई गुना अधिक है। यह संभावना नहीं है कि उन तारों के पास रेडियोधर्मी सामग्री का बड़ा भंडार भी होगा।

सबसे संभावित परिकल्पना तारों की गहराई में परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप तत्वों के संश्लेषण की परिकल्पना निकली।

1935 में, हंस बेथे ने परिकल्पना की कि सौर ऊर्जा का स्रोत हाइड्रोजन को हीलियम में परिवर्तित करने की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया हो सकती है। इसके लिए बेथ को 1967 में नोबेल पुरस्कार मिला।

सूर्य की रासायनिक संरचना अधिकांश अन्य तारों के समान ही है। लगभग 75% हाइड्रोजन है, 25% हीलियम है और 1% से कम अन्य सभी रासायनिक तत्व (मुख्य रूप से कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, आदि) हैं। ब्रह्मांड के जन्म के तुरंत बाद, कोई भी "भारी" तत्व नहीं थे। वे सभी, अर्थात्. हीलियम से भारी तत्व और यहां तक ​​कि कई अल्फा कण, थर्मोन्यूक्लियर संलयन के दौरान तारों में हाइड्रोजन के "जलने" के दौरान बने थे। सूर्य जैसे तारे का विशिष्ट जीवनकाल दस अरब वर्ष है।

ऊर्जा का मुख्य स्रोत प्रोटॉन-प्रोटॉन चक्र है - एक बहुत धीमी प्रतिक्रिया (विशेषता समय 7.9∙10 9 वर्ष), क्योंकि यह कमजोर अंतःक्रिया के कारण होता है। इसका सार यह है कि चार प्रोटॉन एक हीलियम नाभिक बनाते हैं। इस मामले में, पॉज़िट्रॉन की एक जोड़ी और न्यूट्रिनो की एक जोड़ी जारी होती है, साथ ही 26.7 MeV ऊर्जा भी निकलती है। सूर्य द्वारा प्रति सेकंड उत्सर्जित न्यूट्रिनो की संख्या सूर्य की चमक से ही निर्धारित होती है। चूंकि 26.7 MeV जारी होने पर 2 न्यूट्रिनो पैदा होते हैं, न्यूट्रिनो उत्सर्जन दर है: 1.8∙10 38 न्यूट्रिनो/एस। इस सिद्धांत का प्रत्यक्ष परीक्षण सौर न्यूट्रिनो का अवलोकन है। क्लोरीन-आर्गन प्रयोगों (डेविस प्रयोगों) में उच्च-ऊर्जा (बोरॉन) न्यूट्रिनो का पता लगाया जाता है और सूर्य के मानक मॉडल के सैद्धांतिक मूल्य की तुलना में लगातार न्यूट्रिनो की कमी दिखाई देती है। पीपी प्रतिक्रिया में सीधे उत्पन्न होने वाले कम-ऊर्जा न्यूट्रिनो को गैलियम-जर्मेनियम प्रयोगों (ग्रैन सैसो (इटली - जर्मनी) में गैलेक्स और बक्सन (रूस - यूएसए) में एसएजीई) में दर्ज किया गया है; वे भी "लापता" हैं।

कुछ मान्यताओं के अनुसार, यदि न्यूट्रिनो का विश्राम द्रव्यमान शून्य से भिन्न है, तो विभिन्न प्रकार के न्यूट्रिनो (मिखेव - स्मिरनोव - वोल्फेंस्टीन प्रभाव) का दोलन (रूपांतरण) संभव है (न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं: इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टॉन न्यूट्रिनो) . क्योंकि चूंकि अन्य न्यूट्रिनो में इलेक्ट्रॉनों की तुलना में पदार्थ के साथ बातचीत के लिए बहुत छोटे क्रॉस सेक्शन होते हैं, खगोलीय डेटा के पूरे सेट के आधार पर बनाए गए सूर्य के मानक मॉडल को बदले बिना देखी गई कमी को समझाया जा सकता है।

प्रत्येक सेकंड, सूर्य लगभग 600 मिलियन टन हाइड्रोजन संसाधित करता है। परमाणु ईंधन भंडार अगले पांच अरब वर्षों तक चलेगा, जिसके बाद यह धीरे-धीरे एक सफेद बौने में बदल जाएगा।

सूर्य का केंद्रीय भाग सिकुड़ जाएगा, गर्म हो जाएगा, और बाहरी आवरण में स्थानांतरित होने वाली गर्मी इसके विस्तार को आधुनिक भागों की तुलना में राक्षसी आकार में ले जाएगी: सूर्य इतना फैल जाएगा कि यह बुध, शुक्र को अवशोषित कर लेगा और भस्म कर देगा। ईंधन” वर्तमान की तुलना में सौ गुना तेज है। इससे सूर्य के आकार में वृद्धि होगी; हमारा तारा एक लाल दानव बन जाएगा, जिसका आकार पृथ्वी से सूर्य तक की दूरी के बराबर होगा!

निःसंदेह, हम इस तरह की घटना के बारे में पहले से ही जागरूक होंगे, क्योंकि एक नए चरण में संक्रमण में लगभग 100-200 मिलियन वर्ष लगेंगे। जब सूर्य के मध्य भाग का तापमान 100,000,000 K तक पहुंच जाएगा, तो हीलियम जलना शुरू हो जाएगा, भारी तत्वों में बदल जाएगा, और सूर्य संपीड़न और विस्तार के जटिल चक्रों के चरण में प्रवेश करेगा। अंतिम चरण में, हमारा तारा अपना बाहरी आवरण खो देगा, केंद्रीय कोर में पृथ्वी की तरह अविश्वसनीय रूप से उच्च घनत्व और आकार होगा। कुछ और अरब वर्ष बीत जाएंगे, और सूर्य ठंडा होकर एक सफेद बौने में बदल जाएगा।

3. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्याएँ

सभी विकसित देशों के शोधकर्ताओं ने नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया पर आने वाले ऊर्जा संकट पर काबू पाने की उम्मीदें जताई हैं। ऐसी प्रतिक्रिया - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम से हीलियम का संश्लेषण - सूर्य पर लाखों वर्षों से हो रहा है, और स्थलीय परिस्थितियों में वे इसे विशाल और बहुत महंगे लेजर प्रतिष्ठानों, टोकामक्स में पचास वर्षों से करने की कोशिश कर रहे हैं। (गर्म प्लाज्मा में थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रियाओं को पूरा करने के लिए एक उपकरण) और तारकीय (उच्च तापमान प्लाज्मा को सीमित करने के लिए बंद चुंबकीय जाल)। हालाँकि, इस कठिन समस्या को हल करने के अन्य तरीके हैं, और विशाल टोकामक्स के बजाय, थर्मोन्यूक्लियर संलयन को अंजाम देने के लिए संभवतः एक काफी कॉम्पैक्ट और सस्ती कोलाइडर - एक टकराने वाली किरण त्वरक - का उपयोग करना संभव होगा।

टोकामक को संचालित करने के लिए बहुत कम मात्रा में लिथियम और ड्यूटेरियम की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 1 गीगावॉट की विद्युत शक्ति वाला एक रिएक्टर प्रति वर्ष लगभग 100 किलोग्राम ड्यूटेरियम और 300 किलोग्राम लिथियम जलाता है। यदि हम मान लें कि सभी फ्यूजन पावर प्लांट 10 ट्रिलियन का उत्पादन करेंगे। प्रति वर्ष किलोवाट बिजली, यानी उतनी ही मात्रा जितनी आज पृथ्वी के सभी बिजली संयंत्र उत्पादन करते हैं, तो दुनिया के ड्यूटेरियम और लिथियम के भंडार मानवता को कई लाखों वर्षों तक ऊर्जा की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त हैं।

ड्यूटेरियम और लिथियम के संलयन के अलावा, विशुद्ध रूप से सौर संलयन तब संभव होता है जब दो ड्यूटेरियम परमाणु आपस में जुड़ते हैं। यदि इस प्रतिक्रिया पर काबू पा लिया जाए तो ऊर्जा संबंधी समस्याएं तुरंत और हमेशा के लिए हल हो जाएंगी।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ़्यूज़न (सीटीएफ) के किसी भी ज्ञात संस्करण में, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं शक्ति में अनियंत्रित वृद्धि के मोड में प्रवेश नहीं कर सकती हैं, इसलिए, ऐसे रिएक्टर स्वाभाविक रूप से सुरक्षित नहीं हैं।

सिवकोवा ओल्गा दिमित्रिग्ना

इस कार्य ने क्षेत्रीय शिक्षण संस्थान में तीसरा स्थान प्राप्त किया

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पूर्व दर्शन:

नगर शिक्षण संस्थान

औसत समावेशी स्कूल №175

एन नोवगोरोड का लेनिन्स्की जिला

थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्याएं

द्वारा पूरा किया गया: सिवकोवा ओल्गा दिमित्रिग्ना

कक्षा 11 "ए", स्कूल नंबर 175 का छात्र

वैज्ञानिक सलाहकार:

किर्ज़ेवा डी. जी.

निज़नी नावोगरट

वर्ष 2013।

परिचय 3

2. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन 8

3. थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लाभ 10

4. थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्याएँ 12

4.1 पारिस्थितिक समस्याएँ 15

4.2 चिकित्सीय समस्याएँ 16

5. थर्मोन्यूक्लियर संस्थापन 18

6. थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन 23 के विकास की संभावनाएँ

निष्कर्ष 26

साहित्य 27

परिचय

विभिन्न पूर्वानुमानों के अनुसार, ग्रह पर बिजली के मुख्य स्रोत 50-100 वर्षों में समाप्त हो जायेंगे। मानवता अपने तेल भंडार को 40 वर्षों में, गैस भंडार को अधिकतम 80 वर्षों में और यूरेनियम भंडार को 80-100 वर्षों में समाप्त कर देगी। कोयले का भंडार 400 वर्षों तक चल सकता है, लेकिन इस जैविक ईंधन का उपयोग, और मुख्य रूप से, ग्रह को पर्यावरणीय आपदा के कगार पर खड़ा कर देता है। अगर आज इस तरह के बेरहम वायु प्रदूषण को नहीं रोका गया तो सदियाँ ख़त्म हो जाएंगी। मतलब वैकल्पिक स्रोतहमें निकट भविष्य के लिए ऊर्जा की आवश्यकता है।

और एक ऐसा स्रोत है. यह थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा है, जो बिल्कुल गैर-रेडियोधर्मी ड्यूटेरियम और रेडियोधर्मी ट्रिटियम का उपयोग करती है, लेकिन परमाणु ऊर्जा की तुलना में हजारों गुना छोटी मात्रा में। और यह स्रोत व्यावहारिक रूप से अटूट है, यह हाइड्रोजन नाभिक की टक्कर पर आधारित है, और हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे आम पदार्थ है।

इस क्षेत्र में मानवता के सामने सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक हैनियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्या।

ऊर्जा के बिना मानव सभ्यता अस्तित्व में नहीं रह सकती, विकसित होना तो दूर की बात है। हर कोई अच्छी तरह से समझता है कि विकसित ऊर्जा स्रोत, दुर्भाग्य से, जल्द ही समाप्त हो सकते हैं। विश्व ऊर्जा परिषद के अनुसार, पृथ्वी पर 30 वर्षों का सिद्ध हाइड्रोकार्बन ईंधन भंडार बचा हुआ है।

आज ऊर्जा के मुख्य स्रोत तेल, गैस और कोयला हैं।

विशेषज्ञों के मुताबिक, इन खनिजों का भंडार खत्म हो रहा है। लगभग कोई भी खोजे गए, दोहन योग्य तेल क्षेत्र नहीं बचे हैं, और हमारे पोते-पोतियों को पहले से ही ऊर्जा की कमी की बहुत गंभीर समस्या का सामना करना पड़ सकता है।

निस्संदेह, सबसे अधिक ईंधन-संपन्न परमाणु ऊर्जा संयंत्र सैकड़ों वर्षों तक मानवता को बिजली की आपूर्ति कर सकते हैं।

अध्ययन का उद्देश्य:समस्या नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन।

अध्ययन का विषय:थर्मोन्यूक्लियर संलयन.

इस अध्ययन का उद्देश्य:थर्मोन्यूक्लियर संलयन नियंत्रण की समस्या का समाधान;

अनुसंधान के उद्देश्य:

• थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के प्रकारों का अध्ययन करें।
• थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के दौरान निकलने वाली ऊर्जा को किसी व्यक्ति तक पहुँचाने के लिए सभी संभावित विकल्पों पर विचार करें।
• ऊर्जा को बिजली में बदलने के बारे में एक सिद्धांत प्रस्तावित करें।

पृष्ठभूमि तथ्य:

परमाणु नाभिक के क्षय या संलयन के दौरान परमाणु ऊर्जा निकलती है। कोई भी ऊर्जा - भौतिक, रासायनिक या परमाणु - कार्य करने, गर्मी या विकिरण उत्सर्जित करने की क्षमता से प्रकट होती है। किसी भी प्रणाली में ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है, लेकिन इसे किसी अन्य प्रणाली में स्थानांतरित किया जा सकता है या रूप में बदला जा सकता है।

उपलब्धि नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की स्थितियाँ कई मुख्य समस्याओं से बाधित होती हैं:

• सबसे पहले, आपको गैस को बहुत उच्च तापमान पर गर्म करना होगा।
• दूसरे, पर्याप्त लंबे समय तक प्रतिक्रियाशील नाभिकों की संख्या को नियंत्रित करना आवश्यक है।
• तीसरा, जारी ऊर्जा की मात्रा गैस को गर्म करने और उसके घनत्व को सीमित करने में खर्च की गई ऊर्जा से अधिक होनी चाहिए।
• अगली समस्या इस ऊर्जा को संग्रहित करना और इसे बिजली में परिवर्तित करना है।

1. सूर्य पर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएँ

सौर ऊर्जा का स्रोत क्या है? उन प्रक्रियाओं की प्रकृति क्या है जिनके दौरान भारी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न होती है? सूर्य कब तक चमकता रहेगा?

भौतिकविदों द्वारा ऊर्जा संरक्षण का नियम तैयार करने के बाद, इन सवालों का जवाब देने का पहला प्रयास खगोलविदों द्वारा 19वीं शताब्दी के मध्य में किया गया था।

रॉबर्ट मेयर ने सुझाव दिया कि सूर्य सतह पर उल्कापिंडों और उल्कापिंड कणों द्वारा लगातार बमबारी के कारण चमकता है। इस परिकल्पना को अस्वीकार कर दिया गया, क्योंकि एक साधारण गणना से पता चलता है कि सूर्य की चमक को वर्तमान स्तर पर बनाए रखने के लिए, उस पर हर सेकंड 2∙10 का गिरना आवश्यक है। 15 किलो उल्कापिंड सामग्री. एक वर्ष के दौरान यह राशि 6∙10 हो जाएगी 22 किग्रा, और सूर्य के अस्तित्व के दौरान, 5 अरब वर्षों से अधिक - 3∙10 32 किलोग्राम। सौर द्रव्यमान एम = 2∙10 30 किग्रा, तो पाँच अरब वर्षों में, सूर्य के द्रव्यमान का 150 गुना द्रव्यमान सूर्य पर गिरना चाहिए था।

दूसरी परिकल्पना हेल्महोल्ट्ज़ और केल्विन द्वारा भी 19वीं शताब्दी के मध्य में व्यक्त की गई थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य प्रति वर्ष 60-70 मीटर संपीड़न के कारण विकिरण करता है। संपीड़न का कारण सूर्य के कणों का पारस्परिक आकर्षण है, इसीलिए इस परिकल्पना को कहा गयासंकुचनकारी . यदि हम इस परिकल्पना के अनुसार गणना करें, तो सूर्य की आयु 20 मिलियन वर्ष से अधिक नहीं होगी, जो पृथ्वी की मिट्टी और मिट्टी के भूगर्भिक नमूनों में तत्वों के रेडियोधर्मी क्षय के विश्लेषण से प्राप्त आधुनिक आंकड़ों का खंडन करती है। चांद।

सौर ऊर्जा के संभावित स्रोतों के बारे में तीसरी परिकल्पना बीसवीं सदी की शुरुआत में जेम्स जीन्स द्वारा व्यक्त की गई थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य की गहराई में भारी रेडियोधर्मी तत्व होते हैं जो अनायास ही क्षय हो जाते हैं और ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं। उदाहरण के लिए, यूरेनियम का थोरियम और फिर सीसे में परिवर्तन ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है। इस परिकल्पना के बाद के विश्लेषण से इसकी असंगति भी पता चली; केवल यूरेनियम से बना एक तारा सूर्य की देखी गई चमक पैदा करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जारी नहीं कर पाएगा। इसके अलावा, ऐसे तारे भी हैं जिनकी चमक हमारे तारे से कई गुना अधिक है। यह संभावना नहीं है कि उन तारों के पास रेडियोधर्मी पदार्थ का बड़ा भंडार भी होगा।

सबसे संभावित परिकल्पना तारों की गहराई में परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप तत्वों के संश्लेषण की परिकल्पना निकली।

1935 में, हंस बेथे ने परिकल्पना की कि सौर ऊर्जा का स्रोत हाइड्रोजन को हीलियम में परिवर्तित करने की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया हो सकती है। इसके लिए बेथ को 1967 में नोबेल पुरस्कार मिला।

सूर्य की रासायनिक संरचना अधिकांश अन्य तारों के समान ही है। लगभग 75% हाइड्रोजन है, 25% हीलियम है और 1% से कम अन्य सभी रासायनिक तत्व (मुख्य रूप से कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, आदि) हैं। ब्रह्मांड के जन्म के तुरंत बाद, कोई भी "भारी" तत्व नहीं थे। वे सभी, अर्थात्. हीलियम से भारी तत्व और यहां तक ​​कि कई अल्फा कण, थर्मोन्यूक्लियर संलयन के दौरान तारों में हाइड्रोजन के "जलने" के दौरान बने थे। सूर्य जैसे तारे का विशिष्ट जीवनकाल दस अरब वर्ष है।

ऊर्जा का मुख्य स्रोत हैप्रोटॉन-प्रोटॉन चक्र – बहुत धीमी प्रतिक्रिया (विशेषता समय 7.9∙10 9 वर्ष), क्योंकि यह कमजोर अंतःक्रिया के कारण है। इसका सार यह है कि चार प्रोटॉन एक हीलियम नाभिक बनाते हैं। इस मामले में, पॉज़िट्रॉन की एक जोड़ी और न्यूट्रिनो की एक जोड़ी जारी होती है, साथ ही 26.7 MeV ऊर्जा भी निकलती है। सूर्य द्वारा प्रति सेकंड उत्सर्जित न्यूट्रिनो की संख्या सूर्य की चमक से ही निर्धारित होती है। चूंकि 26.7 MeV जारी होने पर 2 न्यूट्रिनो पैदा होते हैं, न्यूट्रिनो उत्सर्जन दर है: 1.8∙10 38 न्यूट्रिनो/एस. इस सिद्धांत का प्रत्यक्ष परीक्षण सौर न्यूट्रिनो का अवलोकन है। क्लोरीन-आर्गन प्रयोगों (डेविस प्रयोगों) में उच्च-ऊर्जा (बोरॉन) न्यूट्रिनो का पता लगाया जाता है और सूर्य के मानक मॉडल के सैद्धांतिक मूल्य की तुलना में लगातार न्यूट्रिनो की कमी दिखाई देती है। पीपी प्रतिक्रिया में सीधे उत्पन्न होने वाले कम-ऊर्जा न्यूट्रिनो को गैलियम-जर्मेनियम प्रयोगों (ग्रैन सैसो (इटली - जर्मनी) में गैलेक्स और बक्सन (रूस - यूएसए) में एसएजीई) में दर्ज किया गया है; वे भी "लापता" हैं।

कुछ मान्यताओं के अनुसार, यदि न्यूट्रिनो का विश्राम द्रव्यमान शून्य से भिन्न है, तो विभिन्न प्रकार के न्यूट्रिनो (मिखेव - स्मिरनोव - वोल्फेंस्टीन प्रभाव) का दोलन (रूपांतरण) संभव है (न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं: इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टॉन न्यूट्रिनो) . क्योंकि चूंकि अन्य न्यूट्रिनो में इलेक्ट्रॉनों की तुलना में पदार्थ के साथ बातचीत के लिए बहुत छोटे क्रॉस सेक्शन होते हैं, खगोलीय डेटा के पूरे सेट के आधार पर बनाए गए सूर्य के मानक मॉडल को बदले बिना देखी गई कमी को समझाया जा सकता है।

प्रत्येक सेकंड, सूर्य लगभग 600 मिलियन टन हाइड्रोजन संसाधित करता है। परमाणु ईंधन भंडार अगले पांच अरब वर्षों तक चलेगा, जिसके बाद यह धीरे-धीरे एक सफेद बौने में बदल जाएगा।

सूर्य का केंद्रीय भाग सिकुड़ जाएगा, गर्म हो जाएगा, और बाहरी आवरण में स्थानांतरित होने वाली गर्मी इसके विस्तार को आधुनिक भागों की तुलना में राक्षसी आकार में ले जाएगी: सूर्य इतना फैल जाएगा कि यह बुध, शुक्र को अवशोषित कर लेगा और भस्म कर देगा। ईंधन” वर्तमान की तुलना में सौ गुना तेज है। इससे सूर्य के आकार में वृद्धि होगी; हमारा तारा एक लाल दानव बन जाएगा, जिसका आकार पृथ्वी से सूर्य तक की दूरी के बराबर होगा!

निःसंदेह, हमें इस तरह की घटना के बारे में पहले से ही पता होगा, क्योंकि एक नए चरण में संक्रमण में लगभग 100-200 मिलियन वर्ष लगेंगे। जब सूर्य के मध्य भाग का तापमान 100,000,000 K तक पहुंच जाएगा, तो हीलियम जलना शुरू हो जाएगा, भारी तत्वों में बदल जाएगा, और सूर्य संपीड़न और विस्तार के जटिल चक्रों के चरण में प्रवेश करेगा। अंतिम चरण में, हमारा तारा अपना बाहरी आवरण खो देगा, केंद्रीय कोर में पृथ्वी की तरह अविश्वसनीय रूप से उच्च घनत्व और आकार होगा। कुछ और अरब वर्ष बीत जाएंगे, और सूर्य ठंडा होकर एक सफेद बौने में बदल जाएगा।

2. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (सीटीएफ) ऊर्जा प्राप्त करने के लिए हल्के परमाणु नाभिकों से भारी परमाणु नाभिकों का संश्लेषण है, जो विस्फोटक थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (थर्मोन्यूक्लियर हथियारों में प्रयुक्त) के विपरीत, नियंत्रित प्रकृति का होता है। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पारंपरिक परमाणु ऊर्जा से भिन्न होता है जिसमें उत्तरार्द्ध एक क्षय प्रतिक्रिया का उपयोग करता है, जिसके दौरान भारी नाभिक से हल्के नाभिक उत्पन्न होते हैं। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली मुख्य परमाणु प्रतिक्रियाओं में ड्यूटेरियम का उपयोग किया जाएगा ( 2 एच) और ट्रिटियम (3 एच), और लंबी अवधि में हीलियम-3 ( 3 हे) और बोरोन-11 (11 बी)।

नियंत्रित संलयन उपयोग किए गए ईंधन के प्रकार के आधार पर विभिन्न प्रकार की संलयन प्रतिक्रियाओं का उपयोग कर सकता है।

ड्यूटेरियम एक थर्मोन्यूक्लियर ईंधन है। 2 डी 1, ट्रिटियम 3 टी 1 और 6 ली 3 . इस प्रकार का प्राथमिक परमाणु ईंधन ड्यूटेरियम है। 6 ली 3 द्वितीयक थर्मोन्यूक्लियर ईंधन के उत्पादन के लिए कच्चे माल के रूप में कार्य करता है -ट्रिटियम.

ट्रिटियम 3 टी 1 - अतिभारी हाइड्रोजन 3 एन 1 - प्राकृतिक ली के विकिरण द्वारा प्राप्त ( 7.52% 6 ली 3 ) न्यूट्रॉन और अल्फा कण ( 4 α 2 - हीलियम परमाणु नाभिक 4 नहीं 2 ). ड्यूटेरियम ट्रिटियम के साथ मिश्रित होता है और 6 Li 3 (LiD और LiT के रूप में ). जब ईंधन में परमाणु संलयन प्रतिक्रियाएं की जाती हैं, तो हीलियम नाभिक की संलयन प्रतिक्रियाएं होती हैं (दसियों से सैकड़ों लाखों डिग्री के तापमान पर)। उत्सर्जित न्यूट्रॉन नाभिक द्वारा अवशोषित होते हैं 6 ली 3 , इस मामले में प्रतिक्रिया के अनुसार ट्रिटियम की एक अतिरिक्त मात्रा बनती है: 6 ली 3 + 1 पी 0 = 3 टी 1 + 4 हे 2 ( द्रव्यमान संख्याओं के योग की प्रतिक्रिया में 6+1=3+4 और आरोपों का योग 3+0=1+2 समीकरण के दोनों पक्षों पर समान होना चाहिए)। संलयन प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, दो ड्यूटेरियम नाभिक (भारी हाइड्रोजन) एक ट्रिटियम नाभिक (अतिभारी हाइड्रोजन) और एक प्रोटॉन (एक सामान्य हाइड्रोजन परमाणु का नाभिक) उत्पन्न करते हैं: 2 डी 1 + 2 डी 1 = 3 टी 1 + 1 पी 1; हीलियम आइसोटोप नाभिक के निर्माण के साथ, प्रतिक्रिया एक अलग पथ पर आगे बढ़ सकती है 3 हे 2 और न्यूट्रॉन 1 एन 0: 2 डी 1 + 2 डी 1 = 3 हे 2 + 1 एन 0। ट्रिटियम ड्यूटेरियम के साथ प्रतिक्रिया करता है, न्यूट्रॉन फिर से प्रकट होते हैं जो बातचीत कर सकते हैं 6 ली 3: 2 डी 1 + 3 टी 1 = 4 हे 2 + 1 एन 0 वगैरह। थर्मोन्यूक्लियर ईंधन का ऊष्मीय मान विखंडनीय पदार्थों की तुलना में 5-6 गुना अधिक है। जलमंडल में ड्यूटेरियम भंडार किस क्रम के हैं? 10 13 टी . हालाँकि, वर्तमान में, केवल अनियंत्रित प्रतिक्रियाएँ (विस्फोट) ही व्यावहारिक रूप से की जाती हैं; नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया को लागू करने के तरीकों की व्यापक खोज की जा रही है, जो सिद्धांत रूप में मानवता को लगभग असीमित अवधि के लिए ऊर्जा प्रदान करना संभव बनाती है।

3. थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लाभ

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं पर थर्मोन्यूक्लियर संलयन के क्या फायदे हैं, जो हमें थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के बड़े पैमाने पर विकास की आशा करने की अनुमति देते हैं? मुख्य एवं मूलभूत अंतर दीर्घजीविता का अभाव है रेडियोधर्मी कचरे, जो परमाणु विखंडन रिएक्टरों के लिए विशिष्ट हैं। और यद्यपि थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के संचालन के दौरान पहली दीवार न्यूट्रॉन द्वारा सक्रिय होती है, उपयुक्त कम-सक्रियण संरचनात्मक सामग्रियों की पसंद थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर बनाने की मौलिक संभावना को खोलती है जिसमें पहली दीवार की प्रेरित गतिविधि पूरी तरह से कम हो जाएगी रिएक्टर बंद होने के तीस साल बाद सुरक्षित स्तर। इसका मतलब यह है कि एक ख़त्म हो चुके रिएक्टर को केवल 30 वर्षों तक मॉथबॉल करने की आवश्यकता होगी, जिसके बाद सामग्रियों को पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है और एक नए संश्लेषण रिएक्टर में उपयोग किया जा सकता है। यह स्थिति मूल रूप से विखंडन रिएक्टरों से भिन्न है, जो रेडियोधर्मी अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं जिन्हें हजारों वर्षों तक पुन: प्रसंस्करण और भंडारण की आवश्यकता होती है। कम रेडियोधर्मिता के अलावा, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा में ईंधन और अन्य आवश्यक सामग्रियों का विशाल, व्यावहारिक रूप से अटूट भंडार होता है, जो हजारों नहीं तो सैकड़ों वर्षों तक ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त है।

ये वे फायदे थे जिन्होंने प्रमुख परमाणु देशों को 50 के दशक के मध्य में नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पर बड़े पैमाने पर शोध शुरू करने के लिए प्रेरित किया। इस समय तक, सोवियत संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका में हाइड्रोजन बम का पहला सफल परीक्षण पहले ही किया जा चुका था, जिसने स्थलीय परिस्थितियों में परमाणु संलयन ऊर्जा का उपयोग करने की मौलिक संभावना की पुष्टि की थी। शुरुआत से ही, यह स्पष्ट हो गया कि नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन का कोई सैन्य अनुप्रयोग नहीं था। इस शोध को 1956 में अवर्गीकृत कर दिया गया था और तब से इसे व्यापक अंतर्राष्ट्रीय सहयोग के ढांचे के भीतर किया जा रहा है। हाइड्रोजन बम कुछ ही वर्षों में बनाया गया था, और उस समय ऐसा लग रहा था कि लक्ष्य करीब था, और 50 के दशक के अंत में निर्मित पहली बड़ी प्रायोगिक सुविधाएं, थर्मोन्यूक्लियर प्लाज्मा का उत्पादन करेंगी। हालाँकि, ऐसी स्थितियाँ बनाने में 40 वर्षों से अधिक का शोध हुआ जिसके तहत थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा की रिहाई प्रतिक्रियाशील मिश्रण की ताप शक्ति के बराबर हो। 1997 में, सबसे बड़े थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन, यूरोपीय टोकामक (जेईटी) को 16 मेगावाट थर्मोन्यूक्लियर पावर प्राप्त हुई और वह इस सीमा के करीब आ गया।

इस देरी का कारण क्या था? यह पता चला कि लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, भौतिकविदों और इंजीनियरों को बहुत सारी समस्याओं को हल करना पड़ा जिनके बारे में उन्हें यात्रा की शुरुआत में कोई जानकारी नहीं थी। इन 40 वर्षों के दौरान, प्लाज़्मा भौतिकी विज्ञान का निर्माण हुआ, जिसने प्रतिक्रियाशील मिश्रण में होने वाली जटिल भौतिक प्रक्रियाओं को समझना और उनका वर्णन करना संभव बना दिया। इंजीनियरों को समान रूप से जटिल समस्याओं को हल करने की आवश्यकता थी, जिसमें बड़ी मात्रा में गहरे वैक्यूम बनाना सीखना, उपयुक्त निर्माण सामग्री का चयन और परीक्षण करना, बड़े सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट, शक्तिशाली लेजर और एक्स-रे स्रोतों को विकसित करना, कणों के शक्तिशाली बीम बनाने में सक्षम स्पंदित पावर सिस्टम विकसित करना शामिल है। , मिश्रण के उच्च-आवृत्ति हीटिंग के लिए तरीके विकसित करें और भी बहुत कुछ।

4. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्याएँ

सभी विकसित देशों के शोधकर्ताओं ने नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया पर आने वाले ऊर्जा संकट पर काबू पाने की उम्मीदें जताई हैं। ऐसी प्रतिक्रिया - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम से हीलियम का संश्लेषण - सूर्य पर लाखों वर्षों से हो रहा है, और स्थलीय परिस्थितियों में वे इसे विशाल और बहुत महंगे लेजर प्रतिष्ठानों, टोकामक्स में पचास वर्षों से करने की कोशिश कर रहे हैं। (गर्म प्लाज्मा में थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रियाओं को पूरा करने के लिए एक उपकरण) और तारकीय (उच्च तापमान प्लाज्मा को सीमित करने के लिए बंद चुंबकीय जाल)। हालाँकि, इस कठिन समस्या को हल करने के अन्य तरीके हैं, और विशाल टोकामक्स के बजाय, थर्मोन्यूक्लियर संलयन को अंजाम देने के लिए संभवतः एक काफी कॉम्पैक्ट और सस्ती कोलाइडर - एक टकराने वाली किरण त्वरक - का उपयोग करना संभव होगा।

टोकामक को संचालित करने के लिए बहुत कम मात्रा में लिथियम और ड्यूटेरियम की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 1 गीगावॉट की विद्युत शक्ति वाला एक रिएक्टर प्रति वर्ष लगभग 100 किलोग्राम ड्यूटेरियम और 300 किलोग्राम लिथियम जलाता है। यदि हम मान लें कि सभी फ्यूजन पावर प्लांट 10 ट्रिलियन का उत्पादन करेंगे। प्रति वर्ष किलोवाट बिजली, यानी उतनी ही मात्रा जितनी आज पृथ्वी के सभी बिजली संयंत्र उत्पादन करते हैं, तो दुनिया के ड्यूटेरियम और लिथियम के भंडार मानवता को कई लाखों वर्षों तक ऊर्जा की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त हैं।

ड्यूटेरियम और लिथियम के संलयन के अलावा, विशुद्ध रूप से सौर संलयन तब संभव होता है जब दो ड्यूटेरियम परमाणु आपस में जुड़ते हैं। यदि इस प्रतिक्रिया पर काबू पा लिया जाए तो ऊर्जा संबंधी समस्याएं तुरंत और हमेशा के लिए हल हो जाएंगी।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ़्यूज़न (सीटीएफ) के किसी भी ज्ञात संस्करण में, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं शक्ति में अनियंत्रित वृद्धि के मोड में प्रवेश नहीं कर सकती हैं, इसलिए, ऐसे रिएक्टर स्वाभाविक रूप से सुरक्षित नहीं हैं।

भौतिक दृष्टिकोण से, समस्या सरलता से तैयार की गई है। आत्मनिर्भर परमाणु संलयन प्रतिक्रिया को अंजाम देने के लिए दो शर्तों को पूरा करना आवश्यक और पर्याप्त है।

1. प्रतिक्रिया में शामिल नाभिक की ऊर्जा कम से कम 10 keV होनी चाहिए। परमाणु संलयन होने के लिए, प्रतिक्रिया में शामिल नाभिक को क्षेत्र में प्रवेश करना होगा परमाणु बल, जिसकी सीमा 10-12-10-13 सेमी है। हालाँकि, परमाणु नाभिक में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है, और समान आवेश विकर्षित होते हैं। परमाणु बलों की कार्रवाई की सीमा पर, कूलम्ब प्रतिकर्षण ऊर्जा 10 केवी के क्रम पर है। इस बाधा को दूर करने के लिए, टकराव पर नाभिक की गतिज ऊर्जा कम से कम इस मान से कम नहीं होनी चाहिए।
2. प्रतिक्रियाशील नाभिकों की सांद्रता और अवधारण समय का उत्पाद जिसके दौरान वे निर्दिष्ट ऊर्जा बनाए रखते हैं, कम से कम 1014 s.cm-3 होना चाहिए। यह स्थिति - तथाकथित लॉसन मानदंड - प्रतिक्रिया के ऊर्जावान लाभ की सीमा निर्धारित करती है। संलयन प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा के लिए कम से कम प्रतिक्रिया शुरू करने की ऊर्जा लागत को कवर करने के लिए, परमाणु नाभिक को कई टकरावों से गुजरना होगा। प्रत्येक टक्कर में, जिसमें ड्यूटेरियम (D) और ट्रिटियम (T) के बीच संलयन प्रतिक्रिया होती है, 17.6 MeV ऊर्जा निकलती है, यानी लगभग 3.10-12 J. यदि, उदाहरण के लिए, 10 MJ ऊर्जा प्रज्वलन पर खर्च होती है, तो यदि कम से कम 3.1018 इसमें भाग लेते हैं तो प्रतिक्रिया लाभहीन होगी भाप डी-टी. और इसके लिए काफी सघन उच्च-ऊर्जा प्लाज्मा को रिएक्टर में काफी लंबे समय तक रखना पड़ता है। यह स्थिति लॉसन कसौटी द्वारा व्यक्त की जाती है।

यदि दोनों आवश्यकताओं को एक साथ पूरा किया जा सकता है, तो नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की समस्या हल हो जाएगी।

हालाँकि, इस भौतिक समस्या के तकनीकी कार्यान्वयन में भारी कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है। आख़िरकार, 10 केवी की ऊर्जा 100 मिलियन डिग्री का तापमान है। किसी पदार्थ को इस तापमान पर केवल एक सेकंड के एक अंश के लिए भी वैक्यूम में रखा जा सकता है, इसे इंस्टॉलेशन की दीवारों से अलग किया जा सकता है।

लेकिन इस समस्या को हल करने का एक और तरीका है - शीत संलयन। ठंडी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया क्या है? यह कमरे के तापमान पर होने वाली "गर्म" थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया का एक एनालॉग है।

प्रकृति में, सातत्य के एक आयाम के भीतर पदार्थ को बदलने के कम से कम दो तरीके हैं। आप आग पर पानी उबाल सकते हैं, यानी। थर्मलली, या माइक्रोवेव ओवन में, यानी। आवृत्ति। नतीजा वही है - पानी उबलता है, फर्क सिर्फ इतना है कि आवृत्ति विधि तेज है। अति-उच्च तापमान प्राप्त करने का उपयोग परमाणु के नाभिक को विभाजित करने के लिए भी किया जाता है। थर्मल विधि एक अनियंत्रित परमाणु प्रतिक्रिया उत्पन्न करती है। एक ठंडे थर्मोन्यूक्लियर की ऊर्जा संक्रमण अवस्था की ऊर्जा है। ठंडी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया करने के लिए रिएक्टर के डिजाइन की मुख्य स्थितियों में से एक इसकी पिरामिड क्रिस्टलीय आकृति की स्थिति है। एक अन्य महत्वपूर्ण शर्त घूर्णन चुंबकीय और मरोड़ क्षेत्रों की उपस्थिति है। क्षेत्रों का प्रतिच्छेदन हाइड्रोजन नाभिक के अस्थिर संतुलन के बिंदु पर होता है।

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिक रुज़ी तालेयारखान, पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के रिचर्ड लाहे। रेंसिलिरा और शिक्षाविद् रॉबर्ट निगमाटुलिन ने प्रयोगशाला स्थितियों में एक ठंडी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया दर्ज की।

समूह ने दो से तीन गिलास के आकार के तरल एसीटोन के बीकर का उपयोग किया। ध्वनि तरंगों को तरल के माध्यम से तीव्रता से प्रसारित किया गया, जिससे भौतिकी में ध्वनिक गुहिकायन के रूप में जाना जाने वाला प्रभाव उत्पन्न हुआ, जिसके परिणामस्वरूप सोनोलुमिनसेंस होता है। गुहिकायन के दौरान, तरल में छोटे बुलबुले दिखाई दिए, जिनका व्यास दो मिलीमीटर तक बढ़ गया और विस्फोट हो गया। विस्फोटों के साथ प्रकाश की चमक और ऊर्जा का विमोचन भी हुआ। विस्फोट के समय बुलबुले के अंदर का तापमान 10 मिलियन डिग्री केल्विन तक पहुंच गया, और जारी ऊर्जा, प्रयोगकर्ताओं के अनुसार, थर्मोन्यूक्लियर संलयन को पूरा करने के लिए पर्याप्त है।

"तकनीकी रूप से," प्रतिक्रिया का सार यह है कि दो ड्यूटेरियम परमाणुओं के संयोजन के परिणामस्वरूप, एक तिहाई बनता है - हाइड्रोजन का एक आइसोटोप, जिसे ट्रिटियम के रूप में जाना जाता है, और एक न्यूट्रॉन, जिसमें भारी मात्रा में ऊर्जा होती है।

4.1 आर्थिक समस्याएँ

टीसीबी बनाते समय यह माना जाता है कि यह शक्तिशाली कंप्यूटरों से सुसज्जित एक बड़ा इंस्टॉलेशन होगा। यह पूरा एक छोटा सा शहर होगा. लेकिन दुर्घटना या उपकरण खराब होने की स्थिति में स्टेशन का संचालन बाधित हो जाएगा।

उदाहरण के लिए, आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र डिज़ाइनों में इसका प्रावधान नहीं किया गया है। ऐसा माना जाता है कि मुख्य बात उनका निर्माण करना है, और उसके बाद क्या होता है यह महत्वपूर्ण नहीं है।

लेकिन अगर एक स्टेशन भी फेल हो गया तो कई शहर बिजली से वंचित रह जाएंगे। इसे आर्मेनिया में परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के उदाहरण में देखा जा सकता है। रेडियोधर्मी कचरा हटाना बहुत महँगा हो गया है। ग्रीन्स के अनुरोध पर, परमाणु ऊर्जा संयंत्र को बंद कर दिया गया। आबादी बिजली के बिना रह गई, बिजली संयंत्र के उपकरण खराब हो गए, और बहाली के लिए अंतरराष्ट्रीय संगठनों द्वारा आवंटित धन बर्बाद हो गया।

एक गंभीर आर्थिक समस्या परित्यक्त उत्पादन सुविधाओं का परिशोधन है जहां यूरेनियम संसाधित किया गया था। उदाहरण के लिए, "अक्टौ शहर का अपना छोटा "चेरनोबिल" है। यह यूरेनियम प्रसंस्करण कार्यशाला (एचएमसी) में रासायनिक-हाइड्रोमेटलर्जिकल संयंत्र (केएचएमजेड) के क्षेत्र में स्थित है, कुछ स्थानों पर 11,000 माइक्रो- तक पहुंचता है। रेंटजेन्स प्रति घंटा, औसत स्तरपृष्ठभूमि - 200 माइक्रोरोएंटजेन (सामान्य प्राकृतिक पृष्ठभूमि 10 से 25 माइक्रोरोएंटजेन प्रति घंटे होती है)। प्लांट बंद होने के बाद यहां बिल्कुल भी परिशोधन नहीं किया गया। उपकरण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा, लगभग पंद्रह हजार टन, पहले से ही अपरिवर्तनीय रेडियोधर्मिता है। वहीं, इसके नीचे ऐसे खतरनाक सामान जमा किए जाते हैं खुली हवा में, ख़राब तरीके से संरक्षित हैं और उन्हें लगातार KhGMZ के क्षेत्र से दूर ले जाया जाता है।

इसलिए, चूंकि कोई शाश्वत उत्पादन नहीं है, नई प्रौद्योगिकियों के उद्भव के कारण, टीटीएस बंद हो सकता है और फिर उद्यम से वस्तुएं और धातुएं बाजार में आ जाएंगी और स्थानीय आबादी को नुकसान होगा।

यूटीएस का कूलिंग सिस्टम पानी का उपयोग करेगा। लेकिन पर्यावरणविदों के मुताबिक अगर परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के आंकड़े देखें तो इन जलाशयों का पानी पीने लायक नहीं है।

जानकारों के मुताबिक जलाशय लबालब हो चुका है हैवी मेटल्स(विशेष रूप से, थोरियम-232), और कुछ स्थानों पर गामा विकिरण का स्तर 50-60 माइक्रोरोएंटजेन प्रति घंटे तक पहुँच जाता है।

अर्थात्, अब, परमाणु ऊर्जा संयंत्र के निर्माण के दौरान, कोई साधन उपलब्ध नहीं कराया जाता है जो क्षेत्र को उसकी मूल स्थिति में लौटा सके। और उद्यम बंद होने के बाद, कोई नहीं जानता कि संचित कचरे को कैसे दफनाया जाए और पूर्व उद्यम को कैसे साफ किया जाए।

4.2 चिकित्सा समस्याएं

सीटीएस के हानिकारक प्रभावों में वायरस और बैक्टीरिया के उत्परिवर्ती का उत्पादन शामिल है जो हानिकारक पदार्थ उत्पन्न करते हैं। यह मानव शरीर में पाए जाने वाले वायरस और बैक्टीरिया के लिए विशेष रूप से सच है। उपस्थिति घातक ट्यूमरऔर कैंसर, संभवतः यूटीएस के पास रहने वाले गांवों के निवासियों में एक आम बीमारी होगी। निवासियों को हमेशा अधिक परेशानी होती है क्योंकि उनके पास सुरक्षा का कोई साधन नहीं है। डोसीमीटर महंगे हैं और दवाएं उपलब्ध नहीं हैं। सीटीएस से निकलने वाले कचरे को नदियों में फेंक दिया जाएगा, हवा में बहा दिया जाएगा, या भूमिगत परतों में पंप कर दिया जाएगा, जैसा कि वर्तमान में परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में हो रहा है।

उच्च खुराक के संपर्क में आने के तुरंत बाद दिखाई देने वाली क्षति के अलावा, आयनकारी विकिरण दीर्घकालिक परिणाम का कारण बनता है। मुख्य रूप से कार्सिनोजेनेसिस और आनुवांशिक विकार जो किसी भी खुराक और प्रकार के विकिरण (एक बार, क्रोनिक, स्थानीय) के साथ हो सकते हैं।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र श्रमिकों की बीमारियों को दर्ज करने वाले डॉक्टरों की रिपोर्ट के अनुसार, हृदय रोग (दिल का दौरा) पहले आते हैं, फिर कैंसर। विकिरण के प्रभाव में हृदय की मांसपेशियाँ पतली हो जाती हैं, पिलपिला और कम मजबूत हो जाती हैं। पूरी तरह से समझ से बाहर होने वाली बीमारियाँ हैं। उदाहरण के लिए, जिगर की विफलता. लेकिन ऐसा क्यों होता है ये अभी तक कोई भी डॉक्टर नहीं जानता. यदि किसी दुर्घटना के दौरान रेडियोधर्मी पदार्थ श्वसन पथ में प्रवेश कर जाते हैं, तो डॉक्टर फेफड़े और श्वासनली के क्षतिग्रस्त ऊतकों को काट देते हैं और विकलांग व्यक्ति सांस लेने के लिए एक पोर्टेबल उपकरण लेकर चलता है।

5. थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठान

हमारे देश और दुनिया के अधिकांश विकसित देशों के वैज्ञानिक कई वर्षों से ऊर्जा उद्देश्यों के लिए थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने की समस्या का अध्ययन कर रहे हैं। अद्वितीय थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन बनाए गए हैं - सबसे जटिल तकनीकी उपकरण, विशाल ऊर्जा प्राप्त करने की संभावना का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो अब तक केवल हाइड्रोजन बम के विस्फोट के दौरान जारी होती है। वैज्ञानिक सीखना चाहते हैं कि थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को कैसे नियंत्रित किया जाए - उच्च तापमान पर भारी हाइड्रोजन नाभिक (ड्यूटेरियम और ट्रिटियम) के संयोजन से हीलियम नाभिक बनाने की प्रतिक्रिया - ताकि जारी ऊर्जा का उपयोग शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए, लोगों के लाभ के लिए किया जा सके। .

एक लीटर नल के पानी में बहुत कम ड्यूटेरियम होता है। लेकिन अगर इस ड्यूटेरियम को एकत्र करके थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन में ईंधन के रूप में उपयोग किया जाए, तो आप लगभग 300 किलोग्राम तेल जलाने जितनी ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। और वह ऊर्जा प्रदान करने के लिए जो अब प्रति वर्ष उत्पादित पारंपरिक ईंधन को जलाने से प्राप्त होती है, केवल 160 मीटर के किनारे वाले क्यूब में निहित पानी से ड्यूटेरियम निकालना आवश्यक होगा। अकेले वोल्गा नदी सालाना लगभग 60,000 घन मीटर पानी कैस्पियन सागर में ले जाती है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया होने के लिए, कई शर्तों को पूरा करना होगा। इस प्रकार, उस क्षेत्र में तापमान जहां भारी हाइड्रोजन नाभिक मिलते हैं, लगभग 100 मिलियन डिग्री होना चाहिए। इतने बड़े तापमान पर अब हम गैस की नहीं, बल्कि प्लाज्मा की बात कर रहे हैं। प्लाज्मा पदार्थ की वह अवस्था है, जब उच्च गैस तापमान पर, तटस्थ परमाणु अपने इलेक्ट्रॉन खो देते हैं और सकारात्मक आयनों में बदल जाते हैं। दूसरे शब्दों में, प्लाज्मा स्वतंत्र रूप से घूमने वाले सकारात्मक आयनों और इलेक्ट्रॉनों का मिश्रण है। दूसरी शर्त प्रति घन सेंटीमीटर कम से कम 100 हजार अरब कणों के प्रतिक्रिया क्षेत्र में प्लाज्मा घनत्व बनाए रखने की आवश्यकता है। और अंत में, मुख्य और सबसे कठिन बात थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया की प्रगति को कम से कम एक सेकंड तक बनाए रखना है।

थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन का कार्य कक्ष एक विशाल खोखले डोनट के समान टॉरॉयडल होता है। यह ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मिश्रण से भरा होता है। कक्ष के अंदर ही, एक प्लाज्मा कॉइल बनाई जाती है - एक कंडक्टर जिसके माध्यम से लगभग 20 मिलियन एम्पीयर का विद्युत प्रवाह पारित किया जाता है।
विद्युत धारा तीन महत्वपूर्ण कार्य करती है। सबसे पहले, यह प्लाज्मा बनाता है। दूसरे, यह इसे एक सौ मिलियन डिग्री तक गर्म करता है। और अंत में, धारा अपने चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, यानी यह प्लाज्मा को चुंबकीय बल रेखाओं से घेर लेती है। सिद्धांत रूप में, प्लाज्मा के चारों ओर बल की रेखाओं को निलंबित रखना चाहिए और प्लाज्मा को कक्ष की दीवारों के संपर्क में आने से रोकना चाहिए, हालांकि, प्लाज्मा को निलंबित रखना इतना आसान नहीं है। विद्युत बल प्लाज्मा कंडक्टर को विकृत कर देते हैं, जिसमें धातु कंडक्टर की ताकत नहीं होती है। यह झुकता है, कक्ष की दीवार से टकराता है और अपनी तापीय ऊर्जा उसमें छोड़ देता है। इसे रोकने के लिए, अतिरिक्त कॉइल्स को टोरॉयडल कक्ष के शीर्ष पर रखा जाता है, जिससे कक्ष में एक अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र बनता है, जो प्लाज्मा कंडक्टर को दीवारों से दूर धकेलता है। केवल यह पर्याप्त नहीं है, क्योंकि प्लाज्मा कंडक्टर धारा के साथ खिंचता है और अपना व्यास बढ़ाता है। चुंबकीय क्षेत्र, जो बाहरी तत्वों के बिना, स्वचालित रूप से बनाया जाता है, प्लाज्मा कंडक्टर को विस्तार से रखने के लिए भी डिज़ाइन किया गया है। बाहरी ताक़तें. प्लाज्मा कंडक्टर को टॉरॉयडल कक्ष के साथ गैर-चुंबकीय सामग्री, आमतौर पर तांबे से बने एक अन्य बड़े कक्ष में रखा जाता है। जैसे ही प्लाज्मा कंडक्टर संतुलन स्थिति से विचलित होने का प्रयास करता है, विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के नियम के अनुसार, प्लाज्मा में वर्तमान के विपरीत दिशा में, तांबे के खोल में एक प्रेरित धारा दिखाई देती है। परिणामस्वरूप, एक प्रतिबल प्रकट होता है, जो कक्ष की दीवारों से प्लाज्मा को खदेड़ता है।
1949 में ए.डी. द्वारा चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्लाज्मा को कक्ष की दीवारों के संपर्क से दूर रखने का प्रस्ताव रखा गया था। सखारोव, और थोड़ी देर बाद अमेरिकी जे. स्पिट्जर।

भौतिकी में, प्रत्येक नए प्रकार के प्रायोगिक सेटअप को नाम देने की प्रथा है। ऐसी घुमावदार प्रणाली वाली संरचना को टोकामक कहा जाता है - जो "टोरॉयडल चैम्बर और चुंबकीय कुंडल" के लिए संक्षिप्त है।

1970 के दशक में, यूएसएसआर ने टोकामक-10 नामक थर्मोन्यूक्लियर संयंत्र का निर्माण किया। इसे परमाणु ऊर्जा संस्थान के नाम पर विकसित किया गया था। आई.वी. कुरचटोवा। इस इंस्टॉलेशन का उपयोग करके, हमने 10 मिलियन डिग्री का प्लाज्मा कंडक्टर तापमान, प्रति घन सेंटीमीटर कम से कम 100 हजार बिलियन कणों का प्लाज्मा घनत्व और 0.5 सेकंड के करीब प्लाज्मा प्रतिधारण समय प्राप्त किया। आज हमारे देश में सबसे बड़ा इंस्टालेशन, टोकामक-15, भी मास्को में बनाया गया था वैज्ञानिक केंद्र"कुरचटोव संस्थान"।

अब तक बनाए गए सभी थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन केवल प्लाज्मा को गर्म करने और चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए ऊर्जा की खपत करते हैं। इसके विपरीत, भविष्य के थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन को इतनी ऊर्जा छोड़नी चाहिए कि इसका एक छोटा सा हिस्सा थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए इस्तेमाल किया जा सके, यानी प्लाज्मा को गर्म करना, चुंबकीय क्षेत्र बनाना और कई सहायक उपकरणों और उपकरणों को शक्ति प्रदान करना, और मुख्य भाग विद्युत नेटवर्क को उपभोग के लिए दिया जा सकता है।

1997 में, यूके में, जेट टोकामक ने इनपुट और आउटपुट ऊर्जा के बीच एक मैच हासिल किया। हालाँकि, यह, निश्चित रूप से, प्रक्रिया को आत्मनिर्भर बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है: प्राप्त ऊर्जा का 80 प्रतिशत तक नष्ट हो जाता है। रिएक्टर को काम करने के लिए, प्लाज्मा को गर्म करने और चुंबकीय क्षेत्र बनाने पर खर्च होने वाली ऊर्जा से पांच गुना अधिक ऊर्जा का उत्पादन करना आवश्यक है।
1986 में, यूरोपीय संघ के देशों ने, यूएसएसआर, यूएसए और जापान के साथ मिलकर, 2010 तक संयुक्त रूप से एक बड़ा टोकामक विकसित करने और निर्माण करने का निर्णय लिया, जो न केवल प्लाज्मा में थर्मोन्यूक्लियर संलयन का समर्थन करने के लिए ऊर्जा का उत्पादन करने में सक्षम होगा, बल्कि उत्पादन भी करेगा। उपयोगी विद्युत शक्ति. इस रिएक्टर को ITER कहा जाता था, जो "अंतरराष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर" का संक्षिप्त रूप है। 1998 तक डिज़ाइन की गणना पूरी करना संभव हो गया, लेकिन अमेरिकी इनकार के कारण इसकी लागत कम करने के लिए रिएक्टर डिज़ाइन में बदलाव करना पड़ा।

आप कणों को चलने दे सकते हैं सहज रूप में, और कैमरे को एक ऐसा आकार दें जो उनके प्रक्षेप पथ का अनुसरण करता हो। तब कैमरे का स्वरूप काफी विचित्र होता है। यह जटिल विन्यास के बाहरी कॉइल के चुंबकीय क्षेत्र में उत्पन्न होने वाले प्लाज्मा फिलामेंट के आकार को दोहराता है। चुंबकीय क्षेत्र टोकामक की तुलना में बहुत अधिक जटिल विन्यास के बाहरी कॉइल द्वारा बनाया जाता है। इस प्रकार के उपकरणों को तारकीय यंत्र कहा जाता है। उरगन-3एम टॉर्सट्रॉन हमारे देश में बनाया गया था। इस प्रायोगिक तारक यंत्र को दस मिलियन डिग्री तक गर्म किए गए प्लाज़्मा को समाहित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

वर्तमान में, टोकामक्स के पास जड़त्वीय थर्मोन्यूक्लियर संलयन का उपयोग करने वाले अन्य गंभीर प्रतिस्पर्धी हैं। इस मामले में, ड्यूटेरियम-ट्रिटियम मिश्रण के कई मिलीग्राम 1-2 मिलीमीटर व्यास वाले एक कैप्सूल में संलग्न होते हैं। कई दर्जन शक्तिशाली लेजर से स्पंदित विकिरण कैप्सूल पर केंद्रित है। परिणामस्वरूप, कैप्सूल तुरंत वाष्पित हो जाता है। आपको 5-10 नैनोसेकंड में विकिरण में 2 एमजे ऊर्जा डालनी होगी। फिर हल्का दबाव मिश्रण को इस हद तक संपीड़ित करेगा कि थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रिया हो सकती है। विस्फोट के दौरान निकलने वाली ऊर्जा, एक सौ किलोग्राम टीएनटी के विस्फोट की शक्ति के बराबर, को अधिक सुविधाजनक रूप में परिवर्तित किया जाएगा - उदाहरण के लिए, बिजली में। हालाँकि, तारकीय यंत्रों और जड़त्वीय संलयन सुविधाओं के निर्माण में भी गंभीर तकनीकी कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है। शायद, प्रायोगिक उपयोगथर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा निकट भविष्य का मामला नहीं है।

6. थर्मोन्यूक्लियर संलयन के विकास की संभावनाएँ

दीर्घावधि में परमाणु उद्योग के लिए एक महत्वपूर्ण कार्य भविष्य के ऊर्जा उद्योग के आधार के रूप में नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रौद्योगिकियों में महारत हासिल करना है। वर्तमान में, दुनिया भर में नए ऊर्जा स्रोतों के विकास और विकास पर रणनीतिक निर्णय लिए जा रहे हैं। ऐसे स्रोतों को विकसित करने की आवश्यकता ऊर्जा उत्पादन की अपेक्षित कमी और सीमित ईंधन संसाधनों से जुड़ी है। सबसे आशाजनक नवीन ऊर्जा स्रोतों में से एक नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (सीटीएफ) है। जब भारी हाइड्रोजन समस्थानिकों के नाभिक संलयन होते हैं तो संलयन ऊर्जा निकलती है। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के लिए ईंधन पानी और लिथियम है, जिसका भंडार व्यावहारिक रूप से असीमित है। स्थलीय परिस्थितियों में, सीटीएस का कार्यान्वयन 100 मिलियन डिग्री से अधिक के पदार्थ का तापमान प्राप्त करने और रिएक्टर की दीवारों से संश्लेषण क्षेत्र के थर्मल इन्सुलेशन से जुड़ी एक जटिल वैज्ञानिक और तकनीकी समस्या का प्रतिनिधित्व करता है।

फ़्यूज़न एक दीर्घकालिक परियोजना है, जिसमें 2040-2050 तक एक वाणिज्यिक सुविधा का निर्माण होने की उम्मीद है। थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा में महारत हासिल करने के लिए सबसे संभावित परिदृश्य में तीन चरणों का कार्यान्वयन शामिल है:
- थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के दीर्घकालिक दहन मोड में महारत हासिल करना;
- बिजली उत्पादन का प्रदर्शन;
- औद्योगिक थर्मोन्यूक्लियर स्टेशनों का निर्माण।

अंतरराष्ट्रीय परियोजना आईटीईआर (इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर) के हिस्से के रूप में, इससे प्लाज्मा कारावास और ऊर्जा उत्पादन की तकनीकी व्यवहार्यता प्रदर्शित होने की उम्मीद है।आईटीईआर परियोजना का मुख्य कार्यक्रम लक्ष्य हाइड्रोजन आइसोटोप - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के संश्लेषण (संलयन) की प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा प्राप्त करने की वैज्ञानिक और तकनीकी संभावना का प्रदर्शन करना है। ITER रिएक्टर की डिज़ाइन थर्मोन्यूक्लियर पावर 100 मिलियन डिग्री के प्लाज्मा तापमान पर लगभग 500 मेगावाट होगी।
नवंबर 2006 में, आईटीईआर परियोजना में सभी प्रतिभागियों - यूरोपीय संघ, रूस, जापान, अमेरिका, चीन, कोरिया और भारत - ने आईटीईआर परियोजना के संयुक्त कार्यान्वयन के लिए फ्यूजन एनर्जी के लिए अंतर्राष्ट्रीय आईटीईआर संगठन के निर्माण पर समझौते पर हस्ताक्षर किए। रिएक्टर का निर्माण चरण 2007 में शुरू हुआ।

आईटीईआर परियोजना में रूस की भागीदारी में मुख्य रिएक्टर निर्माण स्थल (कैडरचे, फ्रांस) का विकास, निर्माण और वितरण शामिल है। तकनीकी उपकरणऔर नकद योगदान देना, आमतौर पर रिएक्टर के निर्माण की कुल लागत का लगभग 10%। संयुक्त राज्य अमेरिका, चीन, भारत, कोरिया और जापान का योगदान समान है।
नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन की ऊर्जा में महारत हासिल करने के लिए रोडमैप

2000 (आधुनिक स्तर):
हल की जाने वाली समस्याएं: लागत और ऊर्जा उत्पादन की समानता प्राप्त करना
टोकामक्स की नवीनतम पीढ़ी ने ऊर्जा की एक बड़ी रिहाई के साथ नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर दहन के कार्यान्वयन के करीब आना संभव बना दिया है।
थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रियाओं की शक्ति 17 मेगावाट (जेईटी स्थापना, ईयू) के स्तर तक पहुंच गई, जो प्लाज्मा में निवेश की गई शक्ति के बराबर है।
2020:

आईटीईआर परियोजना में हल की गई समस्याएं: थर्मोन्यूक्लियर प्रौद्योगिकियों की दीर्घकालिक प्रतिक्रिया, विकास और एकीकरण.

आईटीईआर परियोजना का लक्ष्य थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के नियंत्रित प्रज्वलन और संलयन प्रतिक्रिया Q³10 को आरंभ करने की शक्ति से दस गुना अधिक थर्मोन्यूक्लियर शक्ति के साथ इसके दीर्घकालिक दहन को प्राप्त करना है।

2030:
हल की जाने वाली समस्या: एक डेमो प्रदर्शन स्टेशन (डीटीई) का निर्माण
ओएफसी के लिए इष्टतम सामग्रियों और प्रौद्योगिकियों का चयन, प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर पावर प्लांट के डिजाइन, निर्माण और स्टार्ट-अप परीक्षणों को डेमो परियोजना के ढांचे के भीतर पूरा किया गया, पीएफसी का वैचारिक डिजाइन पूरा किया गया।
2050
हल किए जाने वाले कार्य: पीटीई का डिजाइन और निर्माण, डेमो में विद्युत ऊर्जा उत्पादन प्रौद्योगिकियों का परीक्षण पूरा करना।
उच्च सुरक्षा मार्जिन और ऊर्जा लागत के स्वीकार्य आर्थिक संकेतकों के साथ एक औद्योगिक ऊर्जा स्टेशन का निर्माण।
मानवता को ऊर्जा का एक अटूट, पर्यावरणीय और आर्थिक रूप से स्वीकार्य स्रोत प्राप्त होगा।थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर परियोजना टोकामक-प्रकार के चुंबकीय प्लाज्मा कारावास प्रणालियों पर आधारित है, जिसे पहली बार यूएसएसआर में विकसित और कार्यान्वित किया गया था। 1968 में, टी-3 टोकामक पर प्लाज्मा तापमान 10 मिलियन डिग्री तक पहुंच गया था। उस समय से, टोकामक स्थापना सभी देशों में थर्मोन्यूक्लियर संलयन पर अनुसंधान में एक अग्रणी दिशा बन गई है।

वर्तमान में रूस में टोकामक्स टी-10 और टी-15 (आरआरसी "कुरचटोव इंस्टीट्यूट"), टी-11एम (रूसी संघ का एफएसयूई राज्य वैज्ञानिक केंद्र ट्रिनिटी, ट्रॉइट्स्क, मॉस्को क्षेत्र), ग्लोबस-एम, एफटी-2, उपयोग में हैं। तुमान-3 (भौतिक-तकनीकी संस्थान का नाम ए.एफ. इओफ़े, सेंट पीटर्सबर्ग, आरएएस के नाम पर रखा गया) और तारकीय एल-2 (सामान्य भौतिकी संस्थान, मॉस्को, आरएएस)।

निष्कर्ष

किए गए शोध के आधार पर निम्नलिखित निष्कर्ष निकाले जा सकते हैं:

थर्मोन्यूक्लियर संलयन ऊर्जा उत्पादन का सबसे तर्कसंगत, पर्यावरण के अनुकूल और सस्ता तरीका है, उत्पादित गर्मी की मात्रा के मामले में यह अतुलनीय है प्राकृतिक स्रोतोंवर्तमान में मनुष्यों द्वारा उपयोग किया जाता है। बेशक, थर्मोन्यूक्लियर संलयन में महारत हासिल करने की प्रक्रिया वर्तमान और भविष्य दोनों में मानवता की कई समस्याओं का समाधान करेगी।

भविष्य में, थर्मोन्यूक्लियर संलयन एक और "मानवता के संकट" अर्थात् पृथ्वी की अधिक जनसंख्या पर काबू पाना संभव बना देगा। यह कोई रहस्य नहीं है कि सांसारिक सभ्यता के विकास में ग्रह की आबादी की निरंतर और टिकाऊ वृद्धि शामिल है, इसलिए "नए क्षेत्रों" को विकसित करने का मुद्दा, दूसरे शब्दों में, स्थायी बस्तियां बनाने के लिए सौर मंडल के पड़ोसी ग्रहों का उपनिवेशीकरण, एक है बहुत निकट भविष्य की बात.

साहित्य

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2. वी. आई. क्रुतोव। हीट इंजीनियरिंग / - एम.: मशिनोस्ट्रोनी, 1986
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4. वी. पी. प्रीओब्राज़ेंस्की। थर्मल माप और उपकरण - एम.: ऊर्जा, 1978
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6. http://www.college.ru./astronomy- खगोल विज्ञान
7. http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm सूर्य पर थर्मोन्यूक्लियर संलयन - एक नया संस्करणव्लादिमीर व्लासोव

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स्लाइड कैप्शन:

थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन

अवधारणा यह एक प्रकार की परमाणु प्रतिक्रिया है जिसमें हल्के परमाणु नाभिक अपनी तापीय गति की गतिज ऊर्जा के कारण भारी परमाणु नाभिक में संयोजित होते हैं।

ऊर्जा प्राप्त करना

वह ⁴ के गठन के साथ प्रतिक्रिया के लिए समीकरण

सूर्य में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन

चुंबकीय कुंडलियों के साथ टोरॉयडल कक्ष (टोकामक)

थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन में महारत हासिल करने की आवश्यकता

1

ऊर्जा के आसन्न उपयोग के बारे में काफी आधिकारिक विदेशी विशेषज्ञों के पूर्ण विश्वास से भरे बयानों के बावजूद, जो अंततः थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों से प्राप्त किया जा सकता है, सब कुछ इतना आशावादी नहीं है। थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा, जो प्रतीत होती है कि इतनी समझने योग्य और सुलभ है, वास्तव में अभी भी व्यवहार में व्यापक और व्यापक कार्यान्वयन से दूर है। हाल ही में, इंटरनेट पर गुलाबी संदेश फिर से सामने आए हैं, जो आम जनता को आश्वस्त करते हैं कि "निकट भविष्य में फ्यूजन रिएक्टर के निर्माण में वस्तुतः कोई तकनीकी बाधा नहीं है।" लेकिन ऐसा आत्मविश्वास पहले भी था. यह एक बहुत ही आशाजनक और हल करने योग्य समस्या लग रही थी। लेकिन दर्जनों साल बीत गए, और गाड़ी, जैसा कि वे कहते हैं, अभी भी वहीं है। ऊर्जा का एक अत्यधिक कुशल पर्यावरण अनुकूल स्रोत अभी भी मानवता के नियंत्रण से परे है। पहले की तरह, यह अनुसंधान और विकास का एक आशाजनक विषय है, जो किसी दिन एक सफल परियोजना में परिणत होगा - और तब ऊर्जा हमारे पास आएगी जैसे कि एक कॉर्नुकोपिया से। लेकिन तथ्य यह है कि इतनी लंबी प्रगति, समय को चिह्नित करने की तरह, आपको बहुत गंभीरता से सोचने और वर्तमान स्थिति का मूल्यांकन करने पर मजबूर करती है। क्या होगा यदि हम कुछ महत्वपूर्ण कारकों को कम आंकते हैं, किसी भी पैरामीटर के महत्व और भूमिका को ध्यान में नहीं रखते हैं। आख़िरकार, सौर मंडल में भी एक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर है जो परिचालन में नहीं आया है। यह बृहस्पति ग्रह है. द्रव्यमान की कमी और गुरुत्वाकर्षण संपीड़न ने विशाल ग्रहों के इस प्रतिनिधि को आवश्यक शक्ति तक पहुंचने और सौर मंडल में एक और सूर्य बनने की अनुमति नहीं दी। यह पता चला है कि जैसे पारंपरिक परमाणु ईंधन के लिए श्रृंखला प्रतिक्रिया होने के लिए एक महत्वपूर्ण द्रव्यमान आवश्यक है, वैसे ही इस मामले में भी सीमित पैरामीटर हैं। और अगर, किसी तरह पारंपरिक परमाणु चार्ज का उपयोग करते समय न्यूनतम आवश्यक द्रव्यमान पर प्रतिबंधों को दरकिनार करने के लिए, विस्फोट के दौरान सामग्री के संपीड़न का उपयोग किया जाता है, तो थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन बनाने के मामले में, कुछ गैर-मानक समाधानों की भी आवश्यकता होती है।

समस्या यह है कि प्लाज्मा को न केवल प्राप्त करना होगा, बल्कि बनाए रखना भी होगा। हमें बनाए जा रहे थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के संचालन में स्थिरता की आवश्यकता है। लेकिन ये एक बड़ी समस्या है.

बेशक, कोई भी थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लाभों के बारे में बहस नहीं करेगा। यह ऊर्जा प्राप्त करने का लगभग असीमित संसाधन है। लेकिन रूसी एजेंसी आईटीईआर (हम अंतरराष्ट्रीय प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के बारे में बात कर रहे हैं) के निदेशक ने सही कहा कि 10 साल से अधिक पहले संयुक्त राज्य अमेरिका और इंग्लैंड को थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों से ऊर्जा प्राप्त हुई थी, लेकिन इसका उत्पादन निवेशित शक्ति से बहुत दूर था। अधिकतम 70% से भी कम था। लेकिन आधुनिक परियोजना (ITER) में निवेश की तुलना में 10 गुना अधिक बिजली प्राप्त करना शामिल है। इसलिए, यह कथन कि परियोजना तकनीकी रूप से जटिल है और इसमें समायोजन किया जाएगा, साथ ही, निश्चित रूप से, रिएक्टर की लॉन्च तिथियों के लिए, और, परिणामस्वरूप, इस विकास में निवेश करने वाले राज्यों को निवेश की वापसी होगी। , बहुत चिंताजनक हैं।

इस प्रकार, सवाल उठता है कि प्राकृतिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों (तारों) में प्लाज्मा रखने वाले शक्तिशाली गुरुत्वाकर्षण को बदलने का प्रयास कितना उचित है? चुंबकीय क्षेत्र- मानव इंजीनियरिंग के निर्माण का परिणाम? थर्मोन्यूक्लियर संलयन का लाभ - ऊर्जा की रिहाई गर्मी की रिहाई की तुलना में लाखों गुना अधिक होती है, उदाहरण के लिए, पारंपरिक ईंधन जलाने पर - यह वही है, जो एक ही समय में, सफल अंकुश लगाने में बाधा है ऊर्जा मुक्त हो रही है। गुरुत्वाकर्षण के पर्याप्त स्तर द्वारा आसानी से हल की जाने वाली समस्या इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए एक अविश्वसनीय रूप से कठिन समस्या बन जाती है। यही कारण है कि थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा की तात्कालिक संभावनाओं के संबंध में आशावाद साझा करना इतना कठिन है। प्राकृतिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर - सूर्य का उपयोग करने की बहुत अधिक संभावना है। यह ऊर्जा कम से कम अगले 5 अरब वर्षों तक कायम रहेगी। और इसकी वजह से फोटोकल्स, थर्मोएलिमेंट्स और यहां तक ​​कि कुछ स्टीम बॉयलर भी काम करेंगे, जिसके लिए लेंस या गोलाकार दर्पण का उपयोग करके पानी गर्म किया जाएगा।

ग्रंथ सूची लिंक

सिलाएव आई.वी., रैडचेंको टी.आई. थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के लिए इंस्टालेशन के निर्माण की समस्याएं // एप्लाइड एंड फंडामेंटल रिसर्च के इंटरनेशनल जर्नल। - 2014. - नंबर 1. - पी. 37-38;
यूआरएल: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4539 (पहुंच की तारीख: 09.19.2019)। हम आपके ध्यान में प्रकाशन गृह "अकादमी ऑफ नेचुरल साइंसेज" द्वारा प्रकाशित पत्रिकाएँ लाते हैं।

यू.एन. डेनेस्ट्रोव्स्की - भौतिकी के डॉक्टर विज्ञान, प्रोफेसर, परमाणु संलयन संस्थान,
आरआरसी "कुरचटोव इंस्टीट्यूट", मॉस्को, रूस
अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन की सामग्री
"भविष्य का मार्ग - विज्ञान, वैश्विक समस्याएँ, सपने और आशाएँ"
नवंबर 26-28, 2007 एप्लाइड गणित संस्थान के नाम पर रखा गया। एम.वी. क्लेडीश आरएएस, मॉस्को

क्या नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ़्यूज़न (सीटीएफ) दीर्घावधि में ऊर्जा समस्या का समाधान कर सकता है? सीटीएस में महारत हासिल करने का कितना रास्ता पहले ही पूरा हो चुका है और कितना रास्ता अभी बाकी है? आगे क्या चुनौतियाँ हैं? इस पेपर में इन समस्याओं पर चर्चा की गई है।

1. सीटीएस के लिए भौतिक पूर्वापेक्षाएँ

ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए प्रकाश नाभिक की परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने का प्रस्ताव है। इस प्रकार की कई प्रतिक्रियाओं में, सबसे आसानी से की जाने वाली प्रतिक्रिया ड्यूटेरियम और ट्रिटियम नाभिक का संलयन है

यहां, स्थिर हीलियम नाभिक (अल्फा कण) को दर्शाया गया है, एन न्यूट्रॉन है, और प्रतिक्रिया के बाद कण ऊर्जा कोष्ठक में दर्शाया गया है। इस प्रतिक्रिया में, न्यूट्रॉन के द्रव्यमान के साथ प्रति कण जारी ऊर्जा लगभग 3.5 MeV है। यह यूरेनियम के विखंडन के दौरान निकलने वाली प्रति कण ऊर्जा से लगभग 3-4 गुना अधिक है।

ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए प्रतिक्रिया (1) को लागू करने का प्रयास करते समय क्या समस्याएँ उत्पन्न होती हैं?

मुख्य समस्या यह है कि ट्रिटियम प्रकृति में मौजूद नहीं है। यह रेडियोधर्मी है, इसका आधा जीवन लगभग 12 वर्ष है, इसलिए, यदि यह पृथ्वी पर एक बार बड़ी मात्रा में था, तो बहुत पहले इसका कुछ भी नहीं बचा था। प्राकृतिक रेडियोधर्मिता या ब्रह्मांडीय विकिरण के कारण पृथ्वी पर उत्पादित ट्रिटियम की मात्रा नगण्य है। परमाणु यूरेनियम रिएक्टर के अंदर होने वाली प्रतिक्रियाओं में थोड़ी मात्रा में ट्रिटियम उत्पन्न होता है। कनाडा के एक रिएक्टर में ऐसे ट्रिटियम के संग्रह की व्यवस्था की गई है, लेकिन रिएक्टरों में इसका उत्पादन बहुत धीमा है और उत्पादन बहुत महंगा हो जाता है।

इस प्रकार, प्रतिक्रिया (1) के आधार पर थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर में ऊर्जा का उत्पादन उसी रिएक्टर में ट्रिटियम के एक साथ उत्पादन के साथ होना चाहिए। यह कैसे किया जा सकता है, इस पर हम नीचे चर्चा करेंगे।

प्रतिक्रिया (1) में भाग लेने वाले दोनों कणों, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम नाभिक पर सकारात्मक चार्ज होता है और इसलिए कूलम्ब बल द्वारा एक दूसरे को पीछे हटाते हैं। इस बल पर काबू पाने के लिए कणों में अधिक ऊर्जा होनी चाहिए। ट्रिटियम-ड्यूटेरियम मिश्रण के तापमान पर प्रतिक्रिया दर (1) की निर्भरता चित्र 1 में दोहरे लघुगणकीय पैमाने पर दिखाई गई है।

यह देखा जा सकता है कि बढ़ते तापमान के साथ प्रतिक्रिया (1) की संभावना तेजी से बढ़ जाती है। रिएक्टर के लिए स्वीकार्य प्रतिक्रिया दर T > 10 keV तापमान पर प्राप्त की जाती है। यदि हम उस डिग्री को ध्यान में रखें तो रिएक्टर में तापमान 100 मिलियन डिग्री से अधिक होना चाहिए। ऐसे तापमान पर किसी पदार्थ के सभी परमाणुओं को आयनित किया जाना चाहिए, और इस अवस्था में पदार्थ को आमतौर पर प्लाज्मा कहा जाता है। आइए याद करें कि आधुनिक अनुमानों के अनुसार, सूर्य के केंद्र का तापमान "केवल" 20 मिलियन डिग्री तक पहुँचता है।

अन्य संलयन प्रतिक्रियाएं हैं जो सैद्धांतिक रूप से थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए उपयुक्त हैं। यहां हम केवल दो प्रतिक्रियाओं पर ध्यान देते हैं जिनकी साहित्य में व्यापक रूप से चर्चा की गई है:

यहां 3 द्रव्यमान वाला हीलियम नाभिक का एक आइसोटोप है, पी एक प्रोटॉन (हाइड्रोजन नाभिक) है। प्रतिक्रिया (2) अच्छी है क्योंकि पृथ्वी पर इसके लिए उतना ईंधन (ड्यूटेरियम) मौजूद है जितना आप चाहते हैं। ड्यूटेरियम को अलग करने की तकनीक समुद्र का पानीसिद्ध और अपेक्षाकृत सस्ता। दुर्भाग्य से, इस प्रतिक्रिया की दर प्रतिक्रिया की दर (1) (चित्र 1 देखें) से काफी कम है, इसलिए प्रतिक्रिया (2) के लिए लगभग 500 मिलियन डिग्री तापमान की आवश्यकता होती है।

प्रतिक्रिया (3) इस समय अंतरिक्ष उड़ानों में शामिल लोगों में काफी उत्साह पैदा कर रही है। यह ज्ञात है कि चंद्रमा पर इस आइसोटोप की प्रचुर मात्रा है, इसलिए इसे पृथ्वी पर ले जाने की संभावना पर अंतरिक्ष यात्रियों के प्राथमिकता वाले कार्यों में से एक के रूप में चर्चा की जा रही है। दुर्भाग्य से, इस प्रतिक्रिया की दर (चित्र 1) भी काफी कम है; प्रतिक्रिया दर (1) और इस प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक तापमान भी 500 मिलियन डिग्री के स्तर पर है।

लगभग 100 - 500 मिलियन डिग्री के तापमान वाले प्लाज्मा को समाहित करने के लिए, एक चुंबकीय क्षेत्र (आई.ई. टैम, ए.डी. सखारोव) का उपयोग करने का प्रस्ताव किया गया था। अब सबसे अधिक आशाजनक वे प्रतिष्ठान प्रतीत होते हैं जिनमें प्लाज्मा का आकार टोरस (डोनट) जैसा होता है। हम इस टोरस की बड़ी त्रिज्या को इससे निरूपित करते हैं आर, और छोटे से माध्यम से ए. अस्थिर प्लाज्मा गतियों को दबाने के लिए टॉरॉयडल (अनुदैर्ध्य) चुंबकीय क्षेत्र बी 0 के अलावा, एक अनुप्रस्थ (पोलॉइडल) क्षेत्र की भी आवश्यकता होती है। ऐसे दो प्रकार के इंस्टॉलेशन हैं जिनमें ऐसा चुंबकीय विन्यास लागू किया जाता है। टोकामक-प्रकार के प्रतिष्ठानों में, क्षेत्र की दिशा में प्लाज्मा में प्रवाहित एक अनुदैर्ध्य धारा I द्वारा एक पोलोइडल क्षेत्र बनाया जाता है। तारकीय-प्रकार की स्थापनाओं में, पोलोइडल क्षेत्र विद्युत धारा ले जाने वाली बाहरी पेचदार वाइंडिंग द्वारा निर्मित होता है। इनमें से प्रत्येक सेटिंग के अपने फायदे और नुकसान हैं। टोकामक में, धारा I को क्षेत्र के अनुरूप होना चाहिए। तारकीय यंत्र तकनीकी रूप से अधिक जटिल है। आजकल, टोकामक-प्रकार की स्थापनाएँ अधिक उन्नत हैं। हालाँकि बड़े, सफलतापूर्वक संचालित होने वाले तारकीय यंत्र भी हैं।

2. टोकामक रिएक्टर के लिए शर्तें

हम यहां केवल दो आवश्यक शर्तों का संकेत देंगे जो टोकामक रिएक्टर के प्लाज्मा मापदंडों के स्थान में "विंडो" निर्धारित करते हैं। बेशक, कई अन्य स्थितियाँ हैं जो इस "विंडो" को कम करती हैं, लेकिन वे अभी भी इतनी महत्वपूर्ण नहीं हैं।

1). रिएक्टर को व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य (बहुत बड़ा नहीं) बनाने के लिए, शक्ति घनत्वजारी ऊर्जा का P पर्याप्त बड़ा होना चाहिए

यहां n 1 और n 2 ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के घनत्व हैं - प्रतिक्रिया के एक कार्य में जारी ऊर्जा (1)। शर्त (4) नीचे से घनत्व n 1 और n 2 को सीमित करती है।

2). प्लाज्मा के स्थिर होने के लिए, प्लाज्मा का दबाव अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र के दबाव से काफी कम होना चाहिए, उचित ज्यामिति वाले प्लाज्मा के लिए, यह स्थिति इस प्रकार होती है

किसी दिए गए चुंबकीय क्षेत्र के लिए, यह स्थिति ऊपर से प्लाज्मा के घनत्व और तापमान को सीमित करती है। यदि किसी प्रतिक्रिया को करने के लिए तापमान बढ़ाना आवश्यक है (उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया (1) से प्रतिक्रिया (2) या (3) तक जाना), तो स्थिति (5) को पूरा करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाना आवश्यक है .

सीटीएस को लागू करने के लिए किस चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होगी? आइए पहले हम प्रकार (1) की प्रतिक्रिया पर विचार करें। सरलता के लिए, हम मानते हैं कि n 1 = n 2 = n /2, जहां n प्लाज्मा घनत्व है। फिर तापमान की स्थिति (1) पर देता है

शर्त (5) का उपयोग करके, हम चुंबकीय क्षेत्र की निचली सीमा पाते हैं

टोरॉयडल ज्यामिति में, अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र 1/r के रूप में घटता है क्योंकि यह टोरस के मुख्य अक्ष से दूर जाता है। यह क्षेत्र प्लाज्मा के मेरिडियनल खंड के केंद्र में स्थित क्षेत्र है। टोरस के आंतरिक समोच्च पर क्षेत्र बड़ा होगा। पहलू अनुपात के साथ

आर/ ए~3 टोरॉयडल क्षेत्र कॉइल के अंदर चुंबकीय क्षेत्र 2 गुना अधिक हो जाता है। इस प्रकार, शर्तों (4-5) को पूरा करने के लिए, अनुदैर्ध्य क्षेत्र कॉइल्स 13-14 टेस्ला के क्रम के चुंबकीय क्षेत्र में काम करने में सक्षम सामग्री से बना होना चाहिए।

टोकामक रिएक्टर के स्थिर संचालन के लिए, कॉइल में कंडक्टर सुपरकंडक्टिंग सामग्री से बने होने चाहिए। आधुनिक सुपरकंडक्टर्स के कुछ गुण चित्र 2 में दिखाए गए हैं।

वर्तमान में, दुनिया में सुपरकंडक्टिंग वाइंडिंग वाले कई टोकामक बनाए गए हैं। सत्तर के दशक में यूएसएसआर में निर्मित इस प्रकार का पहला टोकामक (टी-7 टोकामक) में सुपरकंडक्टर के रूप में नाइओबियम-टाइटेनियम (एनबीटीआई) का उपयोग किया गया था। उसी सामग्री का उपयोग बड़े फ्रांसीसी टोकामक टोरे सुप्रा (80 के दशक के मध्य) में किया गया था। चित्र 2 से यह स्पष्ट है कि तरल हीलियम के तापमान पर, ऐसे सुपरकंडक्टर वाले टोकामक में चुंबकीय क्षेत्र 4 टेस्ला के मान तक पहुंच सकता है। अंतर्राष्ट्रीय टोकामक रिएक्टर आईटीईआर के लिए, अधिक क्षमताओं के साथ-साथ अधिक जटिल तकनीक वाले नाइओबियम-टिन सुपरकंडक्टर का उपयोग करने का निर्णय लिया गया। इस सुपरकंडक्टर का उपयोग 1989 में लॉन्च की गई रूसी टी-15 सुविधा में किया जाता है। चित्र 2 से यह स्पष्ट है कि आईटीईआर में परिमाण के क्रम के हीलियम तापमान पर, प्लाज्मा में चुंबकीय क्षेत्र बड़े अंतर के साथ 6 टेस्ला के आवश्यक क्षेत्र मूल्यों तक पहुंच सकता है।

प्रतिक्रियाओं (2) और (3) के लिए, शर्तें (4)-(5) अधिक कठोर हो जाती हैं। शर्त (4) को संतुष्ट करने के लिए, रिएक्टर में प्लाज्मा तापमान टी 4 गुना अधिक होना चाहिए, और प्लाज्मा घनत्व एन प्रतिक्रिया (1) के आधार पर रिएक्टर की तुलना में 2 गुना अधिक होना चाहिए। परिणामस्वरूप, प्लाज्मा दबाव 8 गुना और आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र 2.8 गुना बढ़ जाता है। इसका मतलब है कि सुपरकंडक्टर पर चुंबकीय क्षेत्र 30 टेस्ला के मान तक पहुंचना चाहिए। अभी तक किसी ने भी ऐसे क्षेत्रों में काम नहीं किया है बड़ी मात्रा मेंस्थिर मोड में. चित्र 2 से पता चलता है कि भविष्य में ऐसे क्षेत्र के लिए एक सुपरकंडक्टर बनाने की उम्मीद है। हालाँकि, वर्तमान में, टोकामक इंस्टालेशन में प्रकार (2)-(3) की प्रतिक्रियाओं के लिए शर्तें (4)-(5) महसूस नहीं की जा सकती हैं।

3. ट्रिटियम उत्पादन

एक टोकामक रिएक्टर में, प्लाज्मा कक्ष को सामग्रियों की एक मोटी परत से घिरा होना चाहिए जो न्यूट्रॉन द्वारा सुपरकंडक्टिविटी के विनाश से टॉरॉयडल फ़ील्ड वाइंडिंग की रक्षा करता है। लगभग एक मीटर मोटी इस परत को कंबल कहा जाता है। यहां, कंबल में, ब्रेक लगाने के दौरान न्यूट्रॉन द्वारा उत्पन्न गर्मी को हटाया जाना चाहिए। इस मामले में, न्यूट्रॉन के कुछ हिस्से का उपयोग कंबल के अंदर ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। ऐसी प्रक्रिया के लिए सबसे उपयुक्त परमाणु प्रतिक्रिया निम्नलिखित प्रतिक्रिया है, जो ऊर्जा जारी करती है

यहां 6 द्रव्यमान वाला एक लिथियम आइसोटोप है। चूंकि न्यूट्रॉन एक तटस्थ कण है, इसलिए कोई कूलम्ब बाधा नहीं है और प्रतिक्रिया (8) 1 MeV से काफी कम न्यूट्रॉन ऊर्जा पर हो सकती है। ट्रिटियम के कुशल उत्पादन के लिए, प्रकार (8) की प्रतिक्रियाओं की संख्या पर्याप्त रूप से बड़ी होनी चाहिए, और इसके लिए प्रतिक्रियाशील न्यूट्रॉन की संख्या बड़ी होनी चाहिए। न्यूट्रॉन की संख्या बढ़ाने के लिए, जिन सामग्रियों में न्यूट्रॉन गुणन प्रतिक्रियाएँ होती हैं, उन्हें यहाँ कंबल में स्थित होना चाहिए। चूँकि प्रतिक्रिया (1) में उत्पन्न प्राथमिक न्यूट्रॉन की ऊर्जा उच्च (14 MeV) है, और प्रतिक्रिया (8) के लिए कम ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है, तो, सिद्धांत रूप में, कंबल में न्यूट्रॉन की संख्या 10-15 तक बढ़ाई जा सकती है बार और, इस प्रकार, ट्रिटियम संतुलन को बंद करें: प्रत्येक प्रतिक्रिया अधिनियम (1) के लिए एक या अधिक प्रतिक्रिया अधिनियम (8) प्राप्त करें। क्या यह संतुलन व्यावहारिक रूप से साकार किया जा सकता है? इस प्रश्न के उत्तर के लिए विस्तृत प्रयोगों और गणनाओं की आवश्यकता है। आईटीईआर रिएक्टर को स्वयं ईंधन उपलब्ध कराने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन ट्रिटियम संतुलन समस्या को स्पष्ट करने के लिए इस पर प्रयोग किए जाएंगे।

रिएक्टर को संचालित करने के लिए कितने ट्रिटियम की आवश्यकता होती है? सरल अनुमान दर्शाते हैं कि 3 गीगावॉट (1 गीगावॉट क्रम की विद्युत शक्ति) की तापीय शक्ति वाले एक रिएक्टर को प्रति वर्ष 150 किलोग्राम ट्रिटियम की आवश्यकता होगी। यह उसी शक्ति के थर्मल पावर प्लांट के वार्षिक संचालन के लिए आवश्यक ईंधन तेल के वजन से लगभग एक गुना कम है।

(8) के आधार पर, रिएक्टर के लिए प्राथमिक "ईंधन" लिथियम आइसोटोप है। क्या प्रकृति में इसकी बहुतायत है? प्राकृतिक लिथियम में दो आइसोटोप होते हैं

यह देखा जा सकता है कि प्राकृतिक लिथियम में आइसोटोप की मात्रा काफी अधिक होती है। ऊर्जा खपत के वर्तमान स्तर पर पृथ्वी में लिथियम भंडार कई हजार वर्षों तक और समुद्र में - लाखों वर्षों तक बना रहेगा। सूत्र (8)-(9) पर आधारित अनुमान बताते हैं कि प्राकृतिक लिथियम का खनन आवश्यक ट्रिटियम से 50-100 गुना अधिक किया जाना चाहिए। इस प्रकार, चर्चा की गई क्षमता वाले एक रिएक्टर को प्रति वर्ष 15 टन प्राकृतिक लिथियम की आवश्यकता होगी। यह थर्मल पावर प्लांट के लिए आवश्यक ईंधन तेल से 10 5 गुना कम है। यद्यपि प्राकृतिक लिथियम में आइसोटोप पृथक्करण के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है, प्रतिक्रिया (8) में जारी अतिरिक्त ऊर्जा इन लागतों की भरपाई कर सकती है।

4. सीटीएस पर शोध का संक्षिप्त इतिहास

ऐतिहासिक रूप से, हमारे देश में सीटीएस पर पहला अध्ययन मार्च-अप्रैल 1950 में जारी आई.ई. टैम और ए.डी. सखारोव की गुप्त रिपोर्ट माना जाता है। इसे बाद में 1958 में प्रकाशित किया गया। रिपोर्ट में एक टोरॉयडल इंस्टॉलेशन में चुंबकीय क्षेत्र द्वारा गर्म प्लाज्मा को सीमित करने के मुख्य विचारों का एक सिंहावलोकन और एक संलयन रिएक्टर के आकार का अनुमान शामिल था। आश्चर्य की बात यह है कि वर्तमान में निर्माणाधीन आईटीईआर टोकामक अपने मापदंडों में ऐतिहासिक रिपोर्ट की भविष्यवाणियों के करीब है।

यूएसएसआर में पचास के दशक की शुरुआत में गर्म प्लाज्मा के साथ प्रयोग शुरू हुए। पहले ये छोटी स्थापनाएँ थीं अलग - अलग प्रकार, सीधा और टॉरॉयडल, लेकिन पहले से ही दशक के मध्य में, प्रयोगकर्ताओं और सिद्धांतकारों के संयुक्त कार्य ने "टोकामक" नामक स्थापना को जन्म दिया। साल-दर-साल, इंस्टॉलेशन का आकार और जटिलता बढ़ती गई, और 1962 में टी -3 इंस्टॉलेशन को आयाम आर = 100 सेमी, ए = 20 सेमी और चार टेस्ला तक के चुंबकीय क्षेत्र के साथ लॉन्च किया गया था। डेढ़ दशक से अधिक के अनुभव से पता चला है कि धातु कक्ष, अच्छी तरह से साफ की गई दीवारों और उच्च वैक्यूम (एमएमएचजी तक) के साथ एक इंस्टॉलेशन में, स्वच्छ, स्थिर प्लाज्मा प्राप्त करना संभव है उच्च तापमानइलेक्ट्रॉन. एल.ए. आर्टसिमोविच ने इन परिणामों पर रिपोर्ट दी अंतरराष्ट्रीय सम्मेलन 1968 में नोवोसिबिर्स्क में प्लाज्मा भौतिकी और सीटीएस में। इसके बाद, टोकामक्स की दिशा को विश्व वैज्ञानिक समुदाय द्वारा मान्यता दी गई और कई देशों में इस प्रकार की स्थापनाएं बनाई जाने लगीं।

अगली, दूसरी पीढ़ी के टोकामक्स (यूएसएसआर में टी-10 और यूएसए में पीएलटी) ने 1975 में प्लाज्मा के साथ काम करना शुरू किया। उन्होंने दिखाया कि टोकामकों की पहली पीढ़ी द्वारा उत्पन्न आशाओं की पुष्टि की गई थी। और टोकामक्स में बड़े आकारआप स्थिर और गर्म प्लाज्मा के साथ काम कर सकते हैं। हालाँकि, फिर भी यह स्पष्ट हो गया कि एक छोटा रिएक्टर बनाना असंभव था और प्लाज्मा का आकार बढ़ाना होगा।

तीसरी पीढ़ी के टोकामक्स के डिजाइन में लगभग पांच साल लगे और उनका निर्माण सत्तर के दशक के अंत में शुरू हुआ। अगले दशक में, उन्हें क्रमिक रूप से परिचालन में लाया गया और 1989 तक, 7 बड़े टोकामक परिचालन में थे: संयुक्त राज्य अमेरिका में TFTR और DIII - D, संयुक्त यूरोप में JET (सबसे बड़ा), जर्मनी में ASDEX - U, फ्रांस में TORE - SUPRA , जापान में जेटी 60-यू और यूएसएसआर में टी-15। इन प्रतिष्ठानों का उपयोग रिएक्टर के लिए आवश्यक प्लाज्मा तापमान और घनत्व प्राप्त करने के लिए किया गया था। बेशक, अब तक उन्हें अलग-अलग, तापमान के लिए अलग और घनत्व के लिए अलग से प्राप्त किया गया है। टीएफटीआर और जेईटी इंस्टॉलेशन ने ट्रिटियम के साथ काम करने की संभावना की अनुमति दी, और पहली बार, उनके साथ ध्यान देने योग्य थर्मोन्यूक्लियर पावर पी डीटी प्राप्त किया गया (प्रतिक्रिया (1) के अनुसार), प्लाज्मा पी ऑक्स में पेश की गई बाहरी शक्ति के बराबर। 1997 में प्रयोगों में जेट इंस्टालेशन पर अधिकतम पावर पी डीटी 25 मेगावाट के पावर पी ऑक्स के साथ 16 मेगावाट तक पहुंच गई। जेट स्थापना अनुभाग और आंतरिक दृश्यकैमरा चित्र में दिखाया गया है। 3 ए, बी. यहां, तुलना के लिए, एक व्यक्ति का आकार दिखाया गया है।

80 के दशक की शुरुआत में, वैज्ञानिकों के एक अंतरराष्ट्रीय समूह (रूस, अमेरिका, यूरोप, जापान) के संयुक्त कार्य ने अगली (चौथी) पीढ़ी के टोकामक - INTOR रिएक्टर को डिजाइन करना शुरू किया। इस स्तर पर, कार्य एक पूर्ण परियोजना बनाए बिना भविष्य की स्थापना की "अड़चनों" की समीक्षा करना था। हालाँकि, 80 के दशक के मध्य तक यह स्पष्ट हो गया कि एक अधिक संपूर्ण कार्य निर्धारित करना होगा, जिसमें एक परियोजना का निर्माण भी शामिल है। ई.पी. वेलिखोव के कहने पर, राज्य के नेताओं (एम.एस. गोर्बाचेव और आर. रीगन) के स्तर पर लंबी बातचीत के बाद, 1988 में एक समझौते पर हस्ताक्षर किए गए और आईटीईआर टोकामक रिएक्टर परियोजना पर काम शुरू हुआ। काम तीन चरणों में रुक-रुक कर किया गया और कुल मिलाकर इसमें 13 साल लगे। आईटीईआर परियोजना का राजनयिक इतिहास अपने आप में नाटकीय है, एक से अधिक बार यह गतिरोध की ओर ले गया है और एक अलग विवरण के योग्य है (उदाहरण के लिए, पुस्तक देखें)। औपचारिक रूप से, परियोजना जुलाई 2000 में पूरी हो गई थी, लेकिन निर्माण के लिए एक साइट का चयन अभी भी किया जाना था और एक निर्माण समझौता और आईटीईआर चार्टर विकसित किया जाना था। कुल मिलाकर इसमें लगभग 6 साल लग गए और अंततः, नवंबर 2006 में, दक्षिणी फ़्रांस में आईटीईआर के निर्माण पर समझौते पर हस्ताक्षर किए गए। निर्माण में लगभग 10 साल लगने की उम्मीद है। इस प्रकार, बातचीत की शुरुआत से लेकर आईटीईआर थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर में पहले प्लाज्मा के उत्पादन तक लगभग 30 साल लगेंगे। यह पहले से ही किसी व्यक्ति के सक्रिय जीवन से तुलनीय है। ये प्रगति की हकीकतें हैं.

अपने रैखिक आयामों के संदर्भ में, ITER JET इंस्टॉलेशन से लगभग दोगुना बड़ा है। परियोजना के अनुसार, इसमें चुंबकीय क्षेत्र = 5.8 टेस्ला, और वर्तमान I = 12-14 MA। यह माना जाता है कि थर्मोन्यूक्लियर शक्ति हीटिंग के लिए प्लाज्मा में पेश किए गए मूल्य तक पहुंच जाएगी, जो 10 के क्रम का होगा।

5. प्लाज्मा तापन साधनों का विकास।

टोकामक के आकार में वृद्धि के समानांतर, प्लाज्मा हीटिंग की तकनीक विकसित की गई थी। वर्तमान में तीन का उपयोग किया जाता है विभिन्न तरीकेगरम करना:

1. प्लाज्मा में धारा प्रवाहित करके उसका ओमिक तापन।
2. ड्यूटेरियम या ट्रिटियम के गर्म तटस्थ कणों की किरणों द्वारा तापन।
3. विभिन्न आवृत्ति श्रेणियों में विद्युत चुम्बकीय तरंगों द्वारा तापन।

टोकामक में प्लाज्मा का ओमिक ताप हमेशा मौजूद रहता है, लेकिन इसे 10 - 15 केवी (100 - 150 मिलियन डिग्री) के क्रम के थर्मोन्यूक्लियर तापमान तक गर्म करने के लिए पर्याप्त नहीं है। तथ्य यह है कि जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन गर्म होते हैं, प्लाज्मा प्रतिरोध तेजी से कम हो जाता है (विपरीत आनुपातिक), इसलिए, एक निश्चित धारा पर, निवेशित शक्ति भी कम हो जाती है। उदाहरण के तौर पर, हम बताते हैं कि जेट इंस्टॉलेशन में, 3-4 एमए के करंट के साथ प्लाज्मा को केवल ~ 2 - 3 केवी तक गर्म करना संभव है। इस मामले में, प्लाज्मा प्रतिरोध इतना कम है कि 0.1 - 0.2 V के वोल्टेज पर कई मिलियन एम्पीयर (MA) का करंट बना रहता है।

हॉट न्यूट्रल बीम इंजेक्टर पहली बार 1976-77 में अमेरिकी पीएलटी इंस्टॉलेशन में दिखाई दिए, और तब से उन्होंने तकनीकी विकास में एक लंबा सफर तय किया है। अब एक सामान्य इंजेक्टर में 80 - 150 केवी की ऊर्जा और 3 - 5 मेगावाट तक की शक्ति वाला एक कण बीम होता है। एक बड़े इंस्टॉलेशन पर, आमतौर पर विभिन्न शक्ति के 10 - 15 इंजेक्टर स्थापित किए जाते हैं। प्लाज्मा द्वारा कैप्चर की गई किरणों की कुल शक्ति 25 - 30 मेगावाट तक पहुंच जाती है। यह एक छोटे ताप विद्युत संयंत्र की शक्ति के बराबर है। ITER में 1 MeV तक कण ऊर्जा और 50 MW तक की कुल शक्ति वाले इंजेक्टर स्थापित करने की योजना बनाई गई है। अभी तक ऐसे कोई बंडल नहीं हैं, लेकिन गहन विकास चल रहा है। आईटीईआर समझौते में, जापान ने इन विकासों की जिम्मेदारी ली।

अब यह माना जाता है कि विद्युत चुम्बकीय तरंगों द्वारा प्लाज्मा को गर्म करना तीन आवृत्ति श्रेणियों में प्रभावी है:

• इलेक्ट्रॉनों को उनकी साइक्लोट्रॉन आवृत्ति f ~ 170 GHz पर गर्म करना;
• आयन साइक्लोट्रॉन आवृत्ति f ~ 100 मेगाहर्ट्ज पर आयनों और इलेक्ट्रॉनों का ताप;
• इंटरमीडिएट (निचली हाइब्रिड) आवृत्ति f ~ 5 GHz पर गर्म करना।

पिछले दो आवृत्ति रेंजों के लिए, शक्तिशाली विकिरण स्रोत लंबे समय से अस्तित्व में हैं, और यहां मुख्य समस्या तरंग प्रतिबिंब के प्रभाव को कम करने के लिए प्लाज्मा के साथ स्रोतों (एंटीना) का उचित मिलान करना है। एक नंबर पर बड़े प्रतिष्ठानप्रयोगकर्ताओं के उच्च कौशल के कारण, इस तरह से प्लाज्मा में 10 मेगावाट तक बिजली डालना संभव हो सका।

पहली, उच्चतम आवृत्ति रेंज के लिए, शुरू में समस्या एल ~ 2 मिमी तरंग दैर्ध्य के साथ शक्तिशाली विकिरण स्रोतों को विकसित करने की थी। यहां का अग्रणी एप्लाइड फिजिक्स संस्थान था निज़नी नावोगरट. आधी सदी से अधिक समय तक केंद्रित कार्य के बाद, स्थिर मोड में 1 मेगावाट तक की शक्ति के साथ विकिरण स्रोत (जाइरोट्रॉन) बनाना संभव हो गया। ये वे उपकरण हैं जिन्हें आईटीईआर में स्थापित किया जाएगा। जाइरोट्रॉन में प्रौद्योगिकी को एक कला के रूप में ले लिया गया है। जिस गुंजयमान यंत्र में तरंगें एक इलेक्ट्रॉन किरण द्वारा उत्तेजित होती हैं, उसका आयाम 20 सेमी के क्रम का होता है, और आवश्यक तरंग दैर्ध्य 10 गुना छोटा होता है। इसलिए, एक बहुत ही उच्च स्थानिक हार्मोनिक में 95% तक शक्ति का निवेश करना आवश्यक है, और अन्य सभी में 5% से अधिक नहीं। आईटीईआर के लिए जाइरोट्रॉन में से एक में, त्रिज्या = 25 और कोण = 10 में संख्याओं (नोड्स की संख्या) के साथ एक हार्मोनिक का उपयोग जाइरोट्रॉन से विकिरण आउटपुट करने के लिए, 1.85 मिमी की मोटाई के साथ एक पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड डिस्क के रूप में किया जाता है। और 106 मिमी व्यास का उपयोग खिड़की के रूप में किया जाता है। इस प्रकार, प्लाज्मा हीटिंग की समस्या को हल करने के लिए, विशाल कृत्रिम हीरे का उत्पादन विकसित करना आवश्यक था।

6. निदान

100 मिलियन डिग्री के प्लाज्मा तापमान पर, कोई भी मापने वाला उपकरण प्लाज्मा में नहीं डाला जा सकता है। उचित जानकारी प्रसारित करने का समय मिले बिना यह वाष्पित हो जाएगा। इसलिए, सभी माप अप्रत्यक्ष हैं। प्लाज्मा के बाहर धाराओं, क्षेत्रों और कणों को मापा जाता है, और फिर, गणितीय मॉडल का उपयोग करके, रिकॉर्ड किए गए संकेतों की व्याख्या की जाती है।

वास्तव में क्या मापा जा रहा है?

सबसे पहले, ये प्लाज्मा के आसपास के सर्किट में धाराएं और वोल्टेज हैं। प्लाज्मा के बाहर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र को स्थानीय जांच का उपयोग करके मापा जाता है। ऐसी जांचों की संख्या कई सौ तक पहुंच सकती है। इन मापों से, व्युत्क्रम समस्याओं को हल करते हुए, प्लाज्मा के आकार, कक्ष में इसकी स्थिति और वर्तमान की भयावहता का पुनर्निर्माण करना संभव है।

प्लाज्मा तापमान और घनत्व को मापने के लिए सक्रिय और निष्क्रिय दोनों तरीकों का उपयोग किया जाता है। सक्रिय से हमारा तात्पर्य एक ऐसी विधि से है जब कुछ विकिरण (उदाहरण के लिए, एक लेजर किरण या तटस्थ कणों की किरण) को प्लाज्मा में इंजेक्ट किया जाता है, और बिखरे हुए विकिरण को मापा जाता है, जो प्लाज्मा के मापदंडों के बारे में जानकारी देता है। समस्या की कठिनाइयों में से एक यह है कि, एक नियम के रूप में, इंजेक्शन विकिरण का केवल एक छोटा सा अंश बिखरा हुआ है। इसलिए, तापमान और इलेक्ट्रॉन घनत्व को मापने के लिए लेजर का उपयोग करते समय, लेजर पल्स ऊर्जा का केवल 10 -10 भाग नष्ट होता है। आयनों के तापमान को मापने के लिए न्यूट्रल के बीम का उपयोग करते समय, बीम के न्यूट्रल पर प्लाज्मा आयनों को रिचार्ज करने पर दिखाई देने वाली ऑप्टिकल लाइनों की तीव्रता, आकार और स्थिति को मापा जाता है। इन रेखाओं की तीव्रता बहुत कम होती है और इनके आकार का विश्लेषण करने के लिए उच्च संवेदनशीलता वाले स्पेक्ट्रोमीटर की आवश्यकता होती है।

निष्क्रिय विधियाँ उन विधियों को संदर्भित करती हैं जो प्लाज्मा से लगातार निकलने वाले विकिरण को मापती हैं। इस मामले में, विद्युत चुम्बकीय विकिरण को विभिन्न आवृत्ति रेंजों या तटस्थ कणों से बचने के फ्लक्स और स्पेक्ट्रा में मापा जाता है। इसमें कठोर और मुलायम एक्स-रे, पराबैंगनी, ऑप्टिकल, इन्फ्रारेड और रेडियो रेंज में माप शामिल हैं। स्पेक्ट्रा की माप और व्यक्तिगत रेखाओं की स्थिति और आकार दोनों दिलचस्प हैं। व्यक्तिगत निदान में स्थानिक चैनलों की संख्या कई सौ तक पहुँच जाती है। सिग्नल रिकॉर्डिंग आवृत्ति कई मेगाहर्ट्ज तक पहुंचती है। प्रत्येक स्वाभिमानी इंस्टालेशन में 25-30 डायग्नोस्टिक्स का एक सेट होता है। ITER टोकामक रिएक्टर में, केवल प्रारंभिक चरण में ही कई दर्जन निष्क्रिय और सक्रिय निदान करने की योजना है।

7. प्लाज्मा के गणितीय मॉडल

प्लाज्मा के गणितीय मॉडलिंग की समस्याओं को मोटे तौर पर दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है। पहले समूह में किसी प्रयोग की व्याख्या करने के कार्य शामिल हैं। वे आम तौर पर गलत होते हैं और नियमितीकरण विधियों के विकास की आवश्यकता होती है। इस समूह के कार्यों के कुछ उदाहरण यहां दिए गए हैं।

1. प्लाज्मा के बाहर के क्षेत्रों के चुंबकीय (जांच) माप से प्लाज्मा सीमा का पुनर्निर्माण। यह समस्या पहली तरह के फ्रेडहोम अभिन्न समीकरणों या रैखिक बीजगणितीय प्रणालियों को दृढ़ता से पतित करने की ओर ले जाती है।
2. तार माप प्रसंस्करण. यहां हम पहले प्रकार के मिश्रित वोल्टेरा-फ्रेडहोम प्रकार के अभिन्न समीकरणों पर आते हैं।
3. वर्णक्रमीय रेखा माप का प्रसंस्करण। यहां हार्डवेयर फ़ंक्शंस को ध्यान में रखना आवश्यक है, और हम फिर से पहली तरह के फ्रेडहोम इंटीग्रल समीकरणों पर आते हैं।
4. शोर वाले समय संकेतों का प्रसंस्करण। यहां, विभिन्न वर्णक्रमीय अपघटन (फूरियर, वेवलेट) और विभिन्न आदेशों के सहसंबंधों की गणना का उपयोग किया जाता है।
5. कण स्पेक्ट्रा का विश्लेषण. यहां हम पहले प्रकार के अरेखीय अभिन्न समीकरणों से निपट रहे हैं।

निम्नलिखित चित्र उपरोक्त कुछ उदाहरणों को दर्शाते हैं। चित्र 4 MAST इंस्टॉलेशन (इंग्लैंड) में सॉफ्ट एक्स-रे सिग्नल के अस्थायी व्यवहार को दर्शाता है, जिसे कॉलिमेटेड डिटेक्टरों के साथ कॉर्ड के साथ मापा जाता है।

स्थापित डायग्नोस्टिक्स 100 से अधिक ऐसे सिग्नल पंजीकृत करता है। वक्रों में तीव्र चोटियाँ प्लाज्मा की तीव्र आंतरिक गति ("व्यवधान") के अनुरूप होती हैं। बड़ी संख्या में संकेतों के टोमोग्राफिक प्रसंस्करण का उपयोग करके ऐसे आंदोलनों की द्वि-आयामी संरचना पाई जा सकती है।

चित्र 5 एक ही MAST सेटअप से दो दालों के लिए इलेक्ट्रॉन दबाव के स्थानिक वितरण को दर्शाता है।

लेजर बीम के बिखरे हुए विकिरण के स्पेक्ट्रा को त्रिज्या के साथ 300 बिंदुओं पर मापा जाता है। चित्र 5 में प्रत्येक बिंदु डिटेक्टरों द्वारा रिकॉर्ड किए गए फोटॉन के ऊर्जा स्पेक्ट्रम के जटिल प्रसंस्करण का परिणाम है। चूँकि लेज़र बीम ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही नष्ट होता है, स्पेक्ट्रम में फोटॉन की संख्या कम होती है और स्पेक्ट्रम की चौड़ाई में तापमान बहाल करना एक गलत कार्य साबित होता है।

दूसरे समूह में प्लाज्मा में होने वाली मॉडलिंग प्रक्रियाओं की वास्तविक समस्याएं शामिल हैं। टोकामक में गर्म प्लाज्मा में बड़ी संख्या में विशेषता समय होते हैं, जिनकी चरम सीमा परिमाण के 12 आदेशों से भिन्न होती है। इसलिए, यह अपेक्षा कि प्लाज्मा में "सभी" प्रक्रियाओं वाले मॉडल बनाए जा सकते हैं, व्यर्थ में बनाई जा सकती है। ऐसे मॉडलों का उपयोग करना आवश्यक है जो केवल विशिष्ट समय के काफी संकीर्ण दायरे में ही मान्य हों।

मुख्य मॉडलों में शामिल हैं:

• प्लाज्मा का जाइरोकेनेटिक विवरण।यहां, अज्ञात आयन वितरण फ़ंक्शन है, जो छह चर पर निर्भर करता है: टोरॉयडल ज्यामिति, अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ वेग और समय में तीन स्थानिक निर्देशांक। ऐसे मॉडलों में इलेक्ट्रॉनों का वर्णन करने के लिए औसत विधियों का उपयोग किया जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, कई विदेशी केंद्रों में विशाल कोड विकसित किए गए हैं। इनकी गणना करने में सुपर कंप्यूटर पर बहुत समय लगता है। रूस में अब ऐसे कोई कोड नहीं हैं; बाकी दुनिया में उनमें से लगभग एक दर्जन हैं। वर्तमान में, जाइरोकेनेटिक कोड 10 -5 -10 -2 सेकंड की समय सीमा में प्लाज्मा प्रक्रियाओं का वर्णन करते हैं। इनमें अस्थिरता का विकास और प्लाज्मा अशांति का व्यवहार शामिल है। दुर्भाग्य से, ये कोड अभी तक प्लाज्मा में परिवहन की उचित तस्वीर प्रदान नहीं करते हैं। प्रयोग के साथ गणना परिणामों की तुलना अभी भी प्रारंभिक चरण में है।
• मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक (एमएचडी) प्लाज्मा का विवरण।इस क्षेत्र में, कई केंद्रों ने रैखिककृत त्रि-आयामी मॉडल के लिए कोड बनाए हैं। इनका उपयोग प्लाज्मा स्थिरता का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। एक नियम के रूप में, मापदंडों के स्थान में अस्थिरता की सीमाएं और वेतन वृद्धि के परिमाण की मांग की जाती है। नॉनलाइनियर कोड समानांतर में विकसित किए जा रहे हैं।

ध्यान दें कि पिछले 2 दशकों में, प्लाज्मा अस्थिरताओं के प्रति भौतिकविदों का रवैया स्पष्ट रूप से बदल गया है। 50 और 60 के दशक में, प्लाज्मा अस्थिरता की खोज "लगभग हर दिन" की जाती थी। लेकिन समय के साथ, यह स्पष्ट हो गया कि उनमें से केवल कुछ ही प्लाज्मा के आंशिक या पूर्ण विनाश का कारण बनते हैं, जबकि बाकी केवल ऊर्जा और कणों के हस्तांतरण को बढ़ाते हैं (या नहीं बढ़ाते हैं)। सबसे खतरनाक अस्थिरता, जो प्लाज्मा के पूर्ण विनाश की ओर ले जाती है, को "स्टॉल अस्थिरता" या बस "स्टॉल" कहा जाता है। यह अरैखिक है और उस स्थिति में विकसित होता है जब व्यक्तिगत गुंजयमान सतहों से जुड़े अधिक प्राथमिक रैखिक एमएचडी मोड अंतरिक्ष में प्रतिच्छेद करते हैं और, जिससे चुंबकीय सतहों को नष्ट कर देते हैं। रुकने की प्रक्रिया का वर्णन करने के प्रयासों से नॉनलाइनियर कोड का निर्माण हुआ है। दुर्भाग्य से, उनमें से कोई भी अभी तक प्लाज्मा विनाश की तस्वीर का वर्णन करने में सक्षम नहीं है।

आज प्लाज्मा प्रयोगों में, रुकी हुई अस्थिरताओं के अलावा, थोड़ी संख्या में अस्थिरताओं को खतरनाक माना जाता है। यहां हम उनमें से केवल दो का नाम लेंगे। यह तथाकथित आरडब्ल्यूएम मोड है, जो चैम्बर की दीवारों की परिमित चालकता और उसमें प्लाज्मा-स्थिरीकरण धाराओं के अवमंदन से जुड़ा है, और एनटीएम मोड, गुंजयमान चुंबकीय सतहों पर चुंबकीय द्वीपों के निर्माण से जुड़ा है। आज तक, इस प्रकार की गड़बड़ी का अध्ययन करने के लिए टोरॉयडल ज्यामिति में कई त्रि-आयामी एमएचडी कोड बनाए गए हैं। इन अस्थिरताओं को दबाने के तरीकों की सक्रिय खोज की जा रही है, जैसे प्राथमिक अवस्था, और विकसित अशांति के चरण में।

• प्लाज्मा में परिवहन, तापीय चालकता और प्रसार का विवरण।लगभग चालीस साल पहले, टॉरॉयडल प्लाज्मा में स्थानांतरण का शास्त्रीय (युग्मित कण टकराव पर आधारित) सिद्धांत बनाया गया था। इस सिद्धांत को "नवशास्त्रीय" कहा गया। हालाँकि, पहले से ही 60 के दशक के अंत में, प्रयोगों से पता चला कि प्लाज्मा में ऊर्जा और कणों का स्थानांतरण नियोक्लासिकल (परिमाण के 1 - 2 आदेशों द्वारा) की तुलना में बहुत अधिक है। इस आधार पर, प्रायोगिक प्लाज्मा में सामान्य परिवहन को "विसंगतिपूर्ण" कहा जाता है।

प्लाज्मा में अशांत कोशिकाओं के विकास के माध्यम से विषम परिवहन का वर्णन करने के कई प्रयास किए गए हैं। दुनिया भर की कई प्रयोगशालाओं में पिछले दशक में अपनाया गया सामान्य तरीका इस प्रकार है। यह माना जाता है कि विसंगतिपूर्ण परिवहन का निर्धारण करने वाला प्राथमिक कारण आयनों और इलेक्ट्रॉनों के तापमान प्रवणता या प्लाज्मा के टॉरॉयडल ज्यामिति में फंसे कणों की उपस्थिति से जुड़ी बहाव-प्रकार की अस्थिरता है। ऐसे कोड का उपयोग करके गणना के परिणाम निम्नलिखित चित्र पर ले जाते हैं। यदि तापमान प्रवणता एक निश्चित महत्वपूर्ण मान से अधिक हो जाती है, तो विकासशील अस्थिरता से प्लाज्मा अशांति होती है और ऊर्जा प्रवाह में तेज वृद्धि होती है। यह माना जाता है कि ये फ़्लक्स प्रायोगिक और महत्वपूर्ण ग्रेडिएंट्स के बीच की दूरी (कुछ मीट्रिक में) के अनुपात में बढ़ते हैं। इस पथ पर, टोकामक प्लाज्मा में ऊर्जा हस्तांतरण का वर्णन करने के लिए पिछले दशक में कई परिवहन मॉडल बनाए गए हैं। हालाँकि, प्रयोग के साथ इन मॉडलों का उपयोग करके गणनाओं की तुलना करने का प्रयास हमेशा सफल नहीं होता है। प्रयोगों का वर्णन करने के लिए, हमें यह मानना ​​होगा कि विभिन्न डिस्चार्ज मोड में और प्लाज्मा क्रॉस सेक्शन के विभिन्न स्थानिक बिंदुओं पर मुख्य भूमिकास्थानांतरण में विभिन्न अस्थिरताएँ भूमिका निभाती हैं। परिणामस्वरूप, भविष्यवाणी हमेशा विश्वसनीय नहीं होती है।

मामला इस तथ्य से और भी जटिल है कि पिछली तिमाही सदी में प्लाज्मा के "स्व-संगठन" के कई लक्षण खोजे गए हैं। ऐसे प्रभाव का एक उदाहरण चित्र 6 ए, बी में दिखाया गया है।

चित्र 6ए समान धाराओं और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ एमएएसटी सुविधा के दो डिस्चार्ज के लिए प्लाज्मा घनत्व प्रोफाइल एन (आर) दिखाता है, लेकिन घनत्व बनाए रखने के लिए विभिन्न ड्यूटेरियम गैस आपूर्ति दरों के साथ। यहाँ r टोरस के केंद्रीय अक्ष की दूरी है। यह देखा जा सकता है कि घनत्व प्रोफ़ाइल आकार में बहुत भिन्न होती है। चित्र 6 बी में, समान दालों के लिए, इलेक्ट्रॉन दबाव प्रोफाइल दिखाए गए हैं, बिंदु पर सामान्यीकृत - इलेक्ट्रॉन तापमान प्रोफ़ाइल। यह देखा जा सकता है कि दबाव प्रोफाइल के "पंख" अच्छी तरह से मेल खाते हैं। इससे यह पता चलता है कि इलेक्ट्रॉन तापमान प्रोफाइल, दबाव प्रोफाइल को समान बनाने के लिए "समायोजित" किए गए हैं। लेकिन इसका मतलब यह है कि स्थानांतरण गुणांक "समायोजित" हैं, अर्थात, वे स्थानीय प्लाज्मा मापदंडों के कार्य नहीं हैं। समग्र रूप से इस चित्र को स्व-संगठन कहा जाता है। केंद्रीय भाग में दबाव प्रोफाइल के बीच विसंगति को उच्च घनत्व के साथ निर्वहन के केंद्रीय क्षेत्र में आवधिक एमएचडी दोलनों की उपस्थिति से समझाया गया है। इस गैर-स्थिरता के बावजूद, पंखों पर दबाव प्रोफ़ाइल समान हैं।

हमारा काम मानता है कि स्व-संगठन का प्रभाव कई अस्थिरताओं की एक साथ कार्रवाई से निर्धारित होता है। उनमें से मुख्य अस्थिरता को उजागर करना असंभव है, इसलिए स्थानांतरण का विवरण कुछ परिवर्तनशील सिद्धांतों से जुड़ा होना चाहिए जो विघटनकारी प्रक्रियाओं के कारण प्लाज्मा में महसूस होते हैं। ऐसे सिद्धांत के रूप में, कदोमत्सेव द्वारा प्रस्तावित न्यूनतम चुंबकीय ऊर्जा के सिद्धांत का उपयोग करने का प्रस्ताव है। यह सिद्धांत हमें कुछ विशेष वर्तमान और दबाव प्रोफाइल की पहचान करने की अनुमति देता है, जिन्हें आमतौर पर विहित कहा जाता है। परिवहन मॉडल में वे महत्वपूर्ण ग्रेडिएंट के समान भूमिका निभाते हैं। इस पथ के साथ निर्मित मॉडल टोकामक के विभिन्न ऑपरेटिंग मोड में तापमान और प्लाज्मा घनत्व के प्रयोगात्मक प्रोफाइल का उचित वर्णन करना संभव बनाते हैं।

8. भविष्य का मार्ग. उम्मीदें और सपने।

गर्म प्लाज्मा अनुसंधान की आधी सदी से भी अधिक समय से, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के पथ का एक महत्वपूर्ण हिस्सा पार कर लिया गया है। वर्तमान में, इस उद्देश्य के लिए टोकामक-प्रकार के इंस्टॉलेशन का उपयोग करना सबसे आशाजनक लगता है। समानांतर में, हालांकि 10-15 साल की देरी के साथ, तारकीय की दिशा विकसित हो रही है। फिलहाल यह कहना असंभव है कि इनमें से कौन सी स्थापना अंततः वाणिज्यिक रिएक्टर के लिए अधिक उपयुक्त होगी। यह तो भविष्य में ही तय हो सकेगा.

1960 के दशक से सीटीएस अनुसंधान में प्रगति को चित्र 7 में दोहरे लघुगणकीय पैमाने पर दिखाया गया है।

प्लाज्मा भौतिकी का क्षेत्र एक तारे को बोतल में बंद करने की इच्छा से विकसित हुआ। पिछले कुछ दशकों में, यह क्षेत्र अनगिनत दिशाओं में विकसित हुआ है, खगोल भौतिकी से लेकर अंतरिक्ष मौसम से लेकर नैनो प्रौद्योगिकी तक।

जैसे-जैसे प्लाज्मा के बारे में हमारी सामान्य समझ बढ़ी है, वैसे-वैसे एक सेकंड से अधिक समय तक संलयन की स्थिति बनाए रखने की हमारी क्षमता भी बढ़ी है। इस साल की शुरुआत में, चीन में एक नया सुपरकंडक्टिंग फ्यूजन रिएक्टर रिकॉर्ड 102 सेकंड के लिए 50 मिलियन डिग्री सेल्सियस पर प्लाज्मा रखने में सक्षम था। वेन्डेलस्टीन एक्स-7 स्टेलरेटर, जिसने पहली बार पिछली बार जर्मनी में उड़ान भरी थी, उम्मीद है कि वह इस रिकॉर्ड को तोड़ने और एक समय में 30 मिनट तक प्लाज्मा रखने में सक्षम होगा।

एनएसटीएक्स-यू का हालिया अपडेट इन राक्षसों की तुलना में मामूली दिखता है: प्रयोग अब एक के बजाय पांच सेकंड के लिए प्लाज्मा को रोक सकता है। लेकिन यह भी एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है.

मायर्स कहते हैं, "एक संलयन प्लाज्मा बनाना जो केवल पांच सेकंड तक चलता है, बहुत लंबी प्रक्रिया की तरह प्रतीत नहीं हो सकता है, लेकिन प्लाज्मा के भौतिकी में, पांच सेकंड की तुलना इसकी स्थिर-अवस्था भौतिकी से की जा सकती है।" स्थिर है. अंतिम लक्ष्य "जलती हुई प्लाज़्मा" की एक स्थिर स्थिति प्राप्त करना है जो कम बाहरी ऊर्जा इनपुट के साथ स्वयं संलयन कर सकता है। अभी तक किसी भी प्रयोग से यह उपलब्धि हासिल नहीं हुई है।

एनएसटीएक्स-यू प्रिंसटन शोधकर्ताओं को प्लाज्मा भौतिकी से अब तक ज्ञात कुछ अंतरालों को भरने की अनुमति देगा और स्थिर-अवस्था दहन प्राप्त करने और स्वच्छ बिजली पैदा करने में सक्षम पायलट प्लांट बनाने के लिए क्या आवश्यक होगा।

एक ओर, बेहतर रोकथाम सामग्री खोजने के लिए, हमें यह बेहतर ढंग से समझने की आवश्यकता है कि संलयन प्लाज्मा और रिएक्टर दीवारों के बीच क्या होता है। प्रिंसटन दीर्घकालिक संक्षारण को कम करने के लिए अपने रिएक्टर की दीवारों (कार्बन ग्रेफाइट से बनी) को तरल लिथियम से बनी "दीवार" से बदलने की संभावना तलाश रहा है।

इसके अलावा, वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि यदि संलयन ग्लोबल वार्मिंग के खिलाफ लड़ाई में मदद करेगा, तो उन्हें जल्दी करने की जरूरत है। एनएसटीएक्स-यू भौतिकविदों को यह निर्णय लेने में मदद करेगा कि गोलाकार टोकामक डिज़ाइन को विकसित करना जारी रखना है या नहीं। अधिकांश टोकामक रिएक्टर कम सेब के आकार के और अधिक डोनट के आकार के, डोनट के आकार के और टोरस के आकार के होते हैं। असामान्य आकारगोलाकार टोरस आपको अपने कॉइल के चुंबकीय क्षेत्र का अधिक कुशलता से उपयोग करने की अनुमति देता है।

सेंटर फॉर प्लाज़्मा एंड फ्यूज़न साइंस के एसोसिएट डायरेक्टर मार्टिन ग्रीनवाल्ड कहते हैं, "लंबी अवधि में, हम यह पता लगाना चाहेंगे कि इन मशीनों में से किसी एक के कॉन्फ़िगरेशन को कैसे अनुकूलित किया जाए।" "ऐसा करने के लिए, आपको यह जानना होगा कि मशीन का प्रदर्शन उन चीजों पर कैसे निर्भर करता है जिन्हें आप नियंत्रित कर सकते हैं, जैसे आकार।"

मायर्स को यह अनुमान लगाने से नफरत है कि हम व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य संलयन ऊर्जा से कितनी दूर हैं, और वह समझ में आता है। आख़िरकार, दशकों के अविश्वसनीय आशावाद ने क्षेत्र की प्रतिष्ठा को गंभीर रूप से नुकसान पहुँचाया है और इस विचार को मजबूत किया है कि फ़्यूज़न एक सपना है। वित्तपोषण के सभी निहितार्थों के साथ।

एमआईटी के फ्यूजन कार्यक्रम को एक बड़ा झटका देते हुए, फेड ने अल्केटर सी-मिड टोकामक के लिए समर्थन प्रदान किया, जो दुनिया के सबसे शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों में से एक का उत्पादन करता है और उच्चतम दबाव पर फ्यूजन प्लाज्मा का प्रदर्शन करता है। अधिकांश अपेक्षित एनएसटीएक्स-यू अनुसंधान निरंतर संघीय समर्थन पर निर्भर करेगा, जिसके बारे में मायर्स ने कहा कि "एक वर्ष दूर है।"

हर किसी को अपने शोध पर पैसा सावधानी से खर्च करना पड़ता है, और कुछ फ़्यूज़न प्रोग्राम पहले ही अविश्वसनीय रकम खर्च कर चुके हैं। उदाहरण के लिए, आईटीईआर को लें, जो वर्तमान में फ्रांस में निर्माणाधीन एक विशाल सुपरकंडक्टिंग फ्यूजन रिएक्टर है। 2005 में इसकी शुरुआत कब हुई? अंतरराष्ट्रीय सहयोग, इसे $5 बिलियन, 10-वर्षीय परियोजना के रूप में प्रस्तुत किया गया था। कई वर्षों की विफलता के बाद, कीमत बढ़कर $40 बिलियन हो गई है। सबसे आशावादी अनुमान के अनुसार, यह सुविधा 2030 तक पूरी हो जाएगी।

और जहां आईटीईआर एक ट्यूमर की तरह फूलने के लिए तैयार दिखता है जब तक कि उसके संसाधन खत्म नहीं हो जाते और वह अपने मेजबान को मार नहीं देता, एमआईटी का स्ट्रिप्ड-डाउन फ्यूजन प्रोग्राम दिखाता है कि यह बहुत कम बजट में कैसे किया जा सकता है। पिछली गर्मियों में, एमआईटी स्नातक छात्रों की एक टीम ने एआरसी के लिए योजनाएं प्रस्तुत कीं, एक कम लागत वाला फ्यूजन रिएक्टर जो आईटीईआर के समान मात्रा में बिजली उत्पन्न करने के लिए नए उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों का उपयोग करेगा, केवल एक बहुत छोटे उपकरण के साथ।

ग्रीनवाल्ड कहते हैं, "फ्यूजन के लिए चुनौती एक ऐसा तकनीकी रास्ता खोजना है जो इसे आर्थिक रूप से आकर्षक बनाए, जो कि हम निकट भविष्य में करने की योजना बना रहे हैं," यह देखते हुए कि एआरसी अवधारणा वर्तमान में एमआईटी में ऊर्जा पहल द्वारा अपनाई जा रही है। - हमारा मानना ​​है कि यदि संश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है ग्लोबल वार्मिंग, हमें तेजी से आगे बढ़ने की जरूरत है।"

शिकागो विश्वविद्यालय के प्लाज्मा भौतिक विज्ञानी और इसके ऊर्जा नीति संस्थान के सह-संस्थापक रॉबर्ट रोसनर कहते हैं, "फ्यूजन ऊर्जा का एक प्रमुख स्रोत होने का वादा करता है-यह अनिवार्य रूप से हमारा अंतिम लक्ष्य है।" “साथ ही, एक महत्वपूर्ण सवाल यह भी है: हम अभी कितना खर्च करने को तैयार हैं। अगर हम फंडिंग को इस हद तक कम कर दें कि अगली पीढ़ी के स्मार्ट बच्चे ऐसा बिल्कुल नहीं करना चाहें, तो हम इस व्यवसाय से पूरी तरह बाहर हो सकते हैं।"