🔬 physics

First divertor exposure experiments of a renewable boron pebble aggregate in DIII-D

DIII-D टोकामक में पहले डायवर्टर एक्सपोज़र प्रयोगों ने प्रदर्शित किया कि एक नवीकरणीय बोरॉन पेबल एग्रीगेट (boron pebble aggregate) 80 MW/m² तक के उच्च ताप प्रवाह (heat fluxes) को सहन कर सकता है, लेकिन इसमें महत्वपूर्ण धूल उत्सर्जन और सतह का क्षरण होता है, जो भविष्य के अनुप्रयोगों में सामग्री के नुकसान को कम करने के लिए डिज़ाइन सुधारों की आवश्यकता का संकेत देता है।

मूल लेखक: Erick Martinez-Loran, Angelica Ottaviano, Santhosh T. A. Kumar, Gabriel Brewster, Renato Perillo, Dmitry Rudakov, Jun Ren, Jonathan D. Coburn, Robert Kolasinski, Ryan Thomas Hood, Cedric K. W. Tsui, C

प्रकाशित 2026-06-17

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Erick Martinez-Loran, Angelica Ottaviano, Santhosh T. A. Kumar, Gabriel Brewster, Renato Perillo, Dmitry Rudakov, Jun Ren, Jonathan D. Coburn, Robert Kolasinski, Ryan Thomas Hood, Cedric K. W. Tsui, Charles Lasnier, Filippo Scotti, Dihn D. Truong, Gilson Ronchi, Igor Bykov, Colin Chrystal, Žana Popović, Shawn Zamperini, Florian Effenberg, Mathias Groth, Dmitri M. Orlov, Jose Boedo, Eric M Hollmann

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक भविष्य के पावर प्लांट की कल्पना करें जो परमाणुओं को आपस में जोड़कर बिजली पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे सूरज करता है। इस "जार में बंद सूरज" को बनाने में सबसे बड़ी चुनौती डाइवर्टर (divertor) है—यह मशीन का एक विशिष्ट हिस्सा है जो एक ड्रेन की तरह काम करता है, जो अत्यधिक गर्म निकास (exhaust) को सोख लेता है। यह निकास डाइवर्टर से टकराता है, जहाँ गर्मी की तीव्रता एक ही बिंदु पर केंद्रित हजार सूर्यों के बराबर होती है।

वर्तमान में, वैज्ञानिक इस काम के लिए धातु के ठोस ब्लॉकों (जैसे टंगस्टन) का उपयोग करते हैं। लेकिन ठीक वैसे ही जैसे गर्मी की लहर में फुटपाथ में दरारें आ जाती हैं, ये ठोस ब्लॉक अंततः पिघल जाते हैं, टूट जाते हैं या घिस जाते हैं, जिससे मलबे का ढेर लग जाता है और खतरनाक ईंधन फंस जाता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता एक नया विचार परीक्षण कर रहे हैं: कंकड़ों (pebbles) से बनी नवीकरणीय दीवारें। इसे एक नदी के तल की तरह समझें। एक ठोस चट्टान के बजाय, कल्पना करें कि छोटे, चिकने पत्थरों की एक धारा लगातार उस गर्म स्थान पर बह रही है। जैसे-जैसे पत्थर बहुत गर्म होते हैं, वे अपनी बाहरी परत छोड़ देते हैं या टूट जाते, और उनकी जगह ताजे, ठंडे पत्थर ले लेते हैं। यह सतह को ताजा रखता है और पिघलने से बचाता है।

प्रयोग: "पेबल रॉड" (Pebble Rod)
इस विशिष्ट अध्ययन में, कैलिफोर्निया में DIII-D टोकामक (एक विशाल फ्यूजन डोनट के आकार की मशीन) के वैज्ञानिकों ने इस विचार के एक प्रोटोटाइप का परीक्षण किया। उन्होंने अभी तक कंकड़ों की बहती हुई नदी का उपयोग नहीं किया था; इसके बजाय, उन्होंने बोरोन कंकड़ों (बोरोन के छोटे गोलों) से बनी एक एकल, ठोस छड़ी को कार्बन "गोंद" के साथ जोड़ा और उसे मशीन के सबसे गर्म हिस्से में लगा दिया।

यहाँ बताया गया है कि क्या हुआ, सरल शब्दों में:

1. हीट टेस्ट (गर्मी का परीक्षण)
उन्होंने इस कंकड़ वाली छड़ी पर 80 मेगावाट प्रति वर्ग मीटर तक का हीट लोड डाला। इसे देखने के लिए, कल्पना करें कि एक ब्लो टॉर्च की गर्मी को रेत के एक एकल दाने पर केंद्रित किया गया है, लेकिन इसे औद्योगिक स्तर पर बड़ा किया गया है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या कंकड़ वाली छड़ी जीवित रह सकती है और खुद को "नवीनीकृत" कर सकती है।

2. "धूल भरी आंधी" की समस्या
कंकड़ वाली छड़ी केवल पिघली ही नहीं; बल्कि वह झड़ने भी लगी।

अच्छी खबर: जो सामग्री गिरी उसमें से लगभग आधा हिस्सा बड़े, मार्बल के आकार के टुकड़ों के रूप में वापस आया। वैज्ञानिक इन टुकड़ों को छड़ी के चारों ओर बने एक छोटे से कुएं (well) में पकड़ने में सक्षम रहे।
बुरी खबर: बाकी आधा हिस्सा बोरोन डस्ट (मानव बाल से भी छोटे कणों का एक विशाल बादल) में बदल गया। यह धूल मशीन के प्लाज्मा में एक रेत की आंधी की तरह उड़ गई।
परिणाम: धूल इतनी प्रचुर मात्रा में थी कि यह मशीन के निकास में बोरोन का मुख्य स्रोत बन गई, जो कि ठोस कंकड़ों की तुलना में कहीं अधिक थी।

3. क्या इसने मशीन को खराब कर दिया?
आप सोच सकते हैं कि बोरोन धूल का बादल फ्यूजन प्रतिक्रिया को खराब कर देगा, लेकिन आश्चर्यजनक रूप से, ऐसा नहीं हुआ। प्लाज्मा का केंद्र (बीच में स्थित "सूरज") ठीक से जलता रहा। बोरोन की धूल एक हल्के कोहरे की तरह थी जिसने रोशनी को इतना नहीं रोका कि इंजन रुक जाए। यह सुझाव देता है कि बोरोन एक सुरक्षित सामग्री है, भले ही यह धूलदार हो जाए।

4. यह कितनी तेजी से घिस गया?
शोधकर्ताओं ने मापा कि छड़ी कितनी तेजी से छोटी हो रही थी। उन्होंने पाया कि छड़ी उसी दर से घिस रही थी जैसा उन्होंने छोटे, टेबल-टॉप लेजर परीक्षणों में देखा था।

उपमा: यह एक गैरेज में घूमने वाले छोटे पहिये पर कार के टायर का परीक्षण करने और फिर उसे वास्तविक हाईवे पर रखने जैसा है। घिसने की दर सुसंगत थी: जितनी अधिक गर्मी होती, कंकड़ उतनी ही तेजी से घिसते, जो एक अनुमानित पैटर्न का पालन करती थी।

5. आगे क्या?
हालांकि प्रयोग ने सिद्ध किया कि यह अवधारणा काम करती है, लेकिन इसने यह भी दिखाया कि डिजाइन को सुधार की आवश्यकता है।

समस्या: उपयोग किया गया बोरोन एक विशिष्ट प्रकार का था जो अत्यधिक गर्मी के तहत बहुत आसानी से धूल में बदल जाता है।
समाधान: वैज्ञानिकों को यह खोजने की आवश्यकता है कि कंकड़ों को बोरोन के अधिक कठोर, कम धूल वाले रूप (जैसे क्रिस्टलीय बोरोन, जो हीरे जितना कठोर है लेकिन आकार देने में बहुत कठिन है) से कैसे बनाया जाए या उन्हें एक साथ जोड़ने वाले "गोंद" में कैसे सुधार किया जाए ताकि वे पिघलने से पहले साफ तरीके से झड़ सकें।

सारांश में
यह पेपर पहली बार है जब एक वास्तविक फ्यूजन मशीन में "पेबल एग्रीगेट" (pebble aggregate) दीवार का परीक्षण किया गया है। इसने सिद्ध किया कि:

बोरोन कंकड़ अत्यधिक गर्मी को झेल सकते हैं।
वे अनुमानित रूप से घिसते हैं, जैसा कि लैब परीक्षणों में देखा गया है।
वे फ्यूजन प्रतिक्रिया को खराब नहीं करते हैं, भले ही वे बहुत अधिक धूल पैदा करें।
हालांकि, वर्तमान संस्करण बहुत अधिक धूल पैदा करता है, इसलिए इस तकनीक को वास्तविक पावर प्लांट में उपयोग करने से पहले कंकड़ों की रेसिपी और उनके "गोंद" में सुधार की आवश्यकता है।

तकनीकी सारांश: DIII-D में एक नवीकरणीय बोरॉन पेबल एग्रीगेट का प्रथम डाइवर्टर एक्सपोजर प्रयोग

समस्या विवरण
भविष्य के फ्यूजन पावर प्लांट्स (FPPs) को डाइवर्टर आउटर स्ट्राइक पॉइंट (OSP) पर अत्यधिक स्थानीयकृत ऊष्मा और कण प्रवाह का सामना करना पड़ता है, जो स्थिर अवस्था (steady state) में 40 MW m⁻² और क्षणिक (transients) अवस्थाओं के दौरान सैकड़ों MW m⁻² तक पहुँच सकता है। फिक्स्ड सॉलिड प्लाज्मा-फेसिंग कंपोनेंट्स (PFCs), जैसे कि टंगस्टन मोनोब्लॉक्स पर आधारित वर्तमान डिजाइन, पिघलने, दरारें पड़ने, हीलियम ब्लिस्टरिंग, लंबी सक्रियण अवधि (activation times) और उच्च ट्रिटियम प्रतिधारण (tritium retention) जैसी महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करते हैं। इसके अलावा, निश्चित ठोस पदार्थों का क्षरण (erosion) रेडिपोजिशन और स्लैग संचय की ओर ले जाता है, जिससे परिचालन जीवनकाल कम हो जाता है। जबकि रिन्यूएबल वॉल कॉन्सेप्ट्स एक संभावित समाधान पेश करते हैं, ग्लास कार्बन का उपयोग करने वाले पिछले संस्करणों ने आशाजनक परिणाम दिखाए हैं लेकिन वे उच्च ट्रिटियम प्रतिधारण से ग्रस्त हैं। बोरॉन अपने निम्न परमाणु क्रमांक (Z) और कार्बन की तुलना में कम ट्रिटियम प्रतिधारण के कारण एक आकर्षक विकल्प है; हालाँकि, सिंटर्ड बोरॉन पेबल्स उच्च ऊष्मा भार के तहत पिघलने और धूल (dust) छोड़ने के प्रति संवेदनशील हैं। यह अध्ययन इस बात की समझ के अंतर को संबोधित करता है कि एक वास्तविक टोकामक डाइवर्टर स्थितियों के तहत बोरॉन पेबल एग्रीगेट कैसे व्यवहार करता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में बोरॉन पेबल एग्रीगेट के पहले डाइवर्टर एक्सपोजर प्रयोगों को संचालित करने के लिए DIII-D टोकामक का उपयोग किया गया।

नमूना निर्माण (Sample Fabrication): रॉड्स (~~1 सेमी व्यास) को सिंटर्ड अमोर्फस बोरॉन पेबल्स (~~2 मिमी व्यास, घनत्व ~1.1 g cm⁻³) से बनाया गया था, जिन्हें एक मजबूत कार्बन-आधारित इंटर-पेबल बाइंडर द्वारा जोड़ा गया था। इस बाइंडर को इसकी विश्वसनीयता के लिए चुना गया था, हालांकि यह उल्लेख किया गया है कि कार्बन-आधारित बाइंडर ट्रिटियम प्रतिधारण संबंधी चिंताएं पैदा करते हैं।
प्रायोगिक सेटअप: एक एकल उभरे हुए रॉड को लोअर डाइवर्टर शेल्फ पर डाइवर्टर मटेरियल इवैल्यूएशन सिस्टम (DiMES) में माउंट किया गया था। नेट करंट को मापने के लिए नमूने को बोरॉन नाइट्राइड (BN) एनक्लोजर का उपयोग करके विद्युत रूप से अलग (electrically isolated) किया गया था।
प्लाज्मा स्थितियाँ: प्रयोग L-mode लोअर सिंगल नुल (LSN) प्लाज्मा में रिवर्स टोरोइडल मैग्नेटिक फील्ड (2.1 T) के साथ किए गए थे ताकि एज-लोकलाइज्ड मोड्स (ELMs) से बचा जा सके। न्यूट्रल बीम इंजेक्शन (NBI) ने ~3.5 MW और ओमिक हीटिंग ~0.5 MW प्रदान किया, जिसके परिणामस्वरूप सिंगल रॉड पर ~80 MW m⁻² तक का इंसिडेंट पैरेलल हीट फ्लक्स ( $q_{\parallel}$ ) प्राप्त हुआ।
डायग्नोस्टिक्स: हाई-पावर डिस्चार्ज के दौरान OSP को नमूने के ऊपर दो बार स्वीप किया गया था। डायग्नोस्टिक्स में शामिल थे:
- मल्टीकॉर्ड डाइवर्टर स्पेक्ट्रोमीटर (MDS): उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृश्य उत्सर्जन (B-II 412 nm पर) के लिए।
- DiMES टीवी कैमरे: दृश्य इमेजिंग और स्ट्रीक विश्लेषण के लिए।
- लैंगमुइर प्रोब्स और थॉमसन स्कैटरिंग: इलेक्ट्रॉन तापमान ( $T_e$ ) और घनत्व ( $n_e$ ) के लिए।
- चार्ज एक्सचेंज रीकॉम्बिनेशन (CER) स्पेक्ट्रोस्कोपी: कोर B⁵⁺ और C⁶⁺ सांद्रता के लिए।
- इन्फ्रारेड (IR) इमेजिंग: तापमान अनुमान के लिए।
- पोस्ट-मॉर्टम वजन और कण संग्रह: द्रव्यमान हानि और स्थानीय मलबे को मापने के लिए।

मुख्य परिणाम

द्रव्यमान हानि और रिकवरी: दो नमूनों में से पांच शॉट्स का विश्लेषण किया गया। कुल द्रव्यमान हानि (sweeps की संख्या के आधार पर) 23 mg से 240 mg के बीच थी। लगभग 50% खोए हुए द्रव्यमान को मिलीमीटर आकार के कणों (chunks और agglomerates) के रूप में स्थानीय रूप से रिकवर किया गया। शेष ~50% द्रव्यमान खो गया, जो संभवतः धूल के रूप में प्लाज्मा और वैक्यूम वेसल में चला गया।
क्षरण तंत्र (Erosion Mechanisms):
- धूल उत्सर्जन (Dust Emission): प्रमुख क्षरण तंत्र धूल उत्सर्जन था। B-II इमेजिंग ने दिखाया कि फिलामेंटरी उत्सर्जन (डस्ट एब्लेशन प्लूम्स) स्थानीय उत्सर्जन (जो फिजिकल स्पटरिंग के कारण होता है) की तुलना में दो ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड अधिक शक्तिशाली था।
- स्पटरिंग बनाम सब्लिमेशन: भौतिक स्पटरिंग का अनुमान कुल उत्सर्जन दर से >100 गुना छोटा था। IR इमेजिंग के माध्यम से अनुमानित सब्लेशन दर, कुल उत्सर्जन से छह ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड कम थी।
- रिसेशन रेट (Recession Rate): सतह का रिसेशन रेट इंसिडेंट हीट फ्लक्स के साथ एक एक्सपोनेंशियल ट्रेंड का पालन करता था ( $\nu = \nu_0 \exp(q/q_c)$ ), जहाँ $\nu_0 \approx 0.06$ mm/s और $q_c \approx 12$ MW/m² था। यह रुझान पिछले लेजर बेंच टेस्ट के अनुरूप था, जो सामान्य और ग्रेजिंग इंसिडेंस लोड के लिए समान व्यवहार का सुझाव देता है।
प्लाज्मा इंटरेक्शन:
- आयनीकरण स्रोत (Ionization Source): धूल उत्सर्जन OSP में बोरॉन आयनीकरण का प्रमुख स्रोत था। प्रारंभिक अनुमान बताते हैं कि OSP में भागने से पहले केवल लगभग 12% कुल द्रव्यमान हानि आयनित हुई थी; शेष या तो आयनीकरण से बच गया या धूल के रूप में निकल गया।
- कोर प्रदर्शन: उच्च बोरॉन स्रोत टर्म (कोर B⁵⁺ सांद्रता C⁶⁺ के स्तरों के बराबर पहुँच गई) के बावजूद, कोर प्लाज्मा प्रदर्शन (विकिरित शक्ति और संग्रहीत ऊर्जा) काफी हद तक अप्रभावित रहा। यह पूर्व DIII-D बोरॉन पार्टिकुलेट इंजेक्शन प्रयोगों के अनुरूप है।
कणों की विशेषताएं: डाइवर्टर एक्सपोजर से प्राप्त कण अनियमित और मिलीमीटर आकार के थे, जो पिघलने और एकत्रीकरण (agglomeration) का संकेत देते हैं। इसके विपरीत, लेजर बेंच टेस्ट से प्राप्त कण मुख्य रूप से गोलाकार और ~40 µm आकार के थे। उत्सर्जित धूल के वेग का अनुमान ~40 m/s लगाया गया था।

महत्व और दावे
यह पेपर पेबल रॉड कॉन्सेप्ट के प्रथम सफल अनुप्रयोग को प्रस्तुत करता है। प्राथमिक महत्व इस बात को प्रदर्शित करने में है कि:

बोरॉन पेबल एग्रीगेट्स महत्वपूर्ण द्रव्यमान हानि के बावजूद 80 MW m⁻² तक के हीट लोड को सहन कर सकते हैं।
द्रव्यमान हानि का तंत्र स्पटरिंग या सब्लिमेशन के बजाय धूल उत्सर्जन द्वारा संचालित है, जो कम-फ्लक्स वाले लेजर बेंच टेस्ट के निष्कर्षों के अनुरूप है।
उच्च धूल उत्सर्जन और बड़े बोरॉन स्रोत के बावजूद, कोर प्लाज्मा प्रदर्शन प्रतिकूल रूप से प्रभावित नहीं हुआ, जो एक लो-Z PFC सामग्री के रूप में बोरॉन की क्षमता का समर्थन करता है।

हालाँकि, लेखक विनम्रतापूर्वक निष्कर्ष निकालते हैं कि परीक्षण किया गया विशिष्ट सामग्री विन्यास—कार्बन बाइंडर के साथ सिंटर्ड अमोर्फस बोरॉन—अत्यधिक धूल उत्सर्जन और लगभग 100% स्थानीय सामग्री रिकवरी की आवश्यकता के कारण अभी भी FPPs के लिए उपयुक्त नहीं है। पेपर पहचान करता है कि भविष्य के कार्य को निम्नलिखित पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए:

धूल उत्सर्जन के प्रति कम संवेदनशील रूपों (जैसे क्रिस्टलाइन बोरॉन, हालांकि मशीनिंग कठिन है) का उपयोग करके बोरॉन पेबल्स के निर्माण के तरीकों को विकसित करना।
यह सुनिश्चित करने के लिए बाइंडर डिज़ाइन में सुधार करना कि पिघलने से पहले पेबल्स रिलीज हो जाएं, और ट्रिटियम प्रतिधारण को कम करने के लिए कार्बन-आधारित बाइंडर्स को हटाना।
उच्च हीट लोड पर धूल उत्सर्जन को कम करने के लिए एग्रीगेट डिज़ाइन को परिष्कृत करना।

यह अध्ययन सिद्धांत रूप में रिन्यूएबल पेबल एग्रीगेट अवधारणा की व्यवहार्यता की पुष्टि करता है, लेकिन व्यावहारिक रिएक्टर अनुप्रयोग के लिए सामग्री फॉर्मूलेशन और धूल नियंत्रण में शेष महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौतियों को भी रेखांकित करता है।

इसी तरह के और पेपर