High-power TCV scenario for conventional and alternative divertor studies

इस नए शोध में हल की गई चुनौती को समझने के लिए, सबसे पहले फ्यूजन पावर प्लांट बनाने की मौलिक समस्या को समझना आवश्यक है। फ्यूजन, वह प्रक्रिया जो सूर्य को शक्ति प्रदान करती है, इसमें अत्यधिक ऊर्जा मुक्त करने के लिए परमाणुओं को आपस में टकराया जाता है। हालांकि, पृथ्वी पर, यह प्रतिक्रिया एक अति-तप्त गैस बनाती है जिसे प्लाज्मा कहा जाता है, जो इतनी गर्म होती है कि किसी भी ठोस पात्र को पिघला सकती है। प्लाज्मा को थामे रखने के लिए, वैज्ञानिक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करते हैं ताकि इसे एक डोनट के आकार के छल्ले में रखा जा सके। जबकि चुंबकीय पिंजरा प्लाज्मा के मुख्य भाग को दीवारों से दूर रखता है, बिल्कुल किनारे पर गैस की एक पतली परत, जिसे 'स्केप-ऑफ लेयर' (scrape-off layer) कहा जाता है, अनिवार्य रूप से बाहर निकल जाती है। यह निकलती हुई गैस गर्मी को अपने साथ ले जाती है और इसे एक विशिष्ट निकास क्षेत्र की ओर निर्देशित किया जाना चाहिए, जिसे 'डाइवर्टर' (divertor) कहा जाता है, जहाँ इसे ठंडा और हटाया जा सके। यदि इस गर्मी को प्रबंधित नहीं किया गया, तो यह मशीन को नुकसान पहुँचाएगी। लक्ष्य इस गर्मी को निकास लक्ष्य (exhaust target) से टकराने से पहले फैलाने या उसे ठंडा करने का तरीका खोजना है, जिसे "डिटैचमेंट" (detachment) की स्थिति कहा जाता है, बिना उस ऊर्जा को खोए जो फ्यूजन प्रतिक्रिया को चालू रखने के लिए आवश्यक है।

दशकों से, शोधकर्ता इन चुंबकीय निकास प्रणालियों के विभिन्न आकारों का परीक्षण कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि एक ऐसा डिज़ाइन मिल सके जो भविष्य के पावर प्लांट में अपेक्षित अत्यधिक गर्मी को संभाल सके। छोटे मशीनों पर किए गए अधिकांश पिछले प्रयोग सीमित थे क्योंकि वे इन नए डिज़ाइनों का वास्तविक परीक्षण करने के लिए पर्याप्त गर्मी उत्पन्न नहीं कर सकते थे। वे एक कार के ब्रेक का परीक्षण पार्किंग लॉट में धीरे-धीरे गाड़ी चलाकर करने जैसा था, बजाय हाईवे की गति पर चलाने के। स्विट्जरलैंड के TCV टोकामक (tokamak) में वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब एक नई, उच्च-शक्ति वाली ऑपरेटिंग मोड बनाकर इसे बदल दिया है जो मशीन को उसकी सीमाओं तक धकेल देती है। वे प्लाज्मा में भारी मात्रा में हीटिंग ऊर्जा इंजेक्ट करने में सफल रहे जबकि गैस का घनत्व (density) बहुत कम रखा। इस संयोजन ने एक ऐसी स्थिति पैदा की जहाँ निकास लक्ष्य पर पहुँचने वाली गर्मी का स्तर उस स्तर पर पहुँच गया जो इस विशिष्ट मशीन पर पहले कभी नहीं देखा गया था, जिससे स्थितियाँ एक वास्तविक पावर प्लांट में सामना की जाने वाली स्थितियों के बहुत करीब आ गईं।

शोधकर्ताओं ने यह एक विशेष हीटिंग सिस्टम का उपयोग करके हासिल किया जो सीधे प्लाज्मा के केंद्र में माइक्रोवेव बीमों को फायर करता है। उन्होंने 2.5 मेगावाट की शक्ति पंप की, जो लगभग पूरी तरह से प्लाज्मा द्वारा अवशोषित कर ली गई थी, और गैस के माध्यम से 300,000 एम्पीयर का एक मजबूत विद्युत प्रवाह बनाए रखा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने मशीन में गैस की मात्रा बहुत कम रखी, जो समान प्रयोगों में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली मात्रा से बहुत कम है। यह कम घनत्व इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह गर्मी के निकास की समस्या को हल करना बहुत कठिन बना देता है, जिससे चुंबकीय आकृतियों को अधिक मेहनत करनी पड़ती है। इन तीव्र स्थितियों के तहत, चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के साथ निकास लक्ष्य तक पहुँचने वाली गर्मी का शिखर 100 मेगावाट प्रति वर्ग मीटर तक पहुँच गया। यह इस मशीन द्वारा पिछले अध्ययनों में उत्पादित की गई गर्मी से दस गुना अधिक है और उन हीट फ्लक्स की श्रेणी में आता है जो दुनिया भर के बड़े, अधिक शक्तिशाली फ्यूजन उपकरणों में पाए जाते हैं।

इस नए उच्च-शक्ति सेटअप के साथ, टीम गर्मी प्रबंधन में सुधार के लिए डिज़ाइन किए गए विभिन्न चुंबकीय आकारों का परीक्षण करने में सक्षम थी। उन्होंने लंबे, खींचे हुए निकास पैरों (exhaust legs) वाले विन्यास के साथ-साथ ऐसे डिज़ाइनों का भी अन्वेषण किया जो गर्मी को एक बड़े क्षेत्र में फैलाने के लिए अतिरिक्त चुंबकीय बिंदुओं का उपयोग करते हैं। उन्होंने पाया कि जबकि मशीन इन चरम ताप भार को बनाए रख सकती थी, गैस सीडिंग (gas seeding) का उपयोग करके प्लाज्मा को एक सुरक्षित, डिटैच्ड अवस्था तक ठंडा करना आश्चर्यजनक रूप से कठिन था। जब उन्होंने गर्मी को ठंडा करने के प्रयास में नाइट्रोजन गैस इंजेक्ट की, तो विकिरण (radiation) बढ़ गया, लेकिन प्लाज्मा का कोर भी अधिक गर्म और अशुद्ध हो गया। लक्ष्य पर हीट फ्लक्स केवल थोड़ा ही कम हुआ, और प्लाज्मा पूरी तरह से डिटैच्ड अवस्था तक नहीं पहुँच सका जहाँ गर्मी दीवार से टकराने से पहले पूरी तरह से हटा दी जाती है। यह सुझाव देता है कि इस विशिष्ट उच्च-शक्ति, निम्न-घनत्व वाले वातावरण में, निकास को ठंडा करने के सामान्य तरीके कम-शक्ति वाले प्रयोगों की तुलना में कम प्रभावी हैं।

इस कार्य का महत्व इस बात में निहित है कि स्थितियाँ अब ITER और SPARC जैसे भविष्य के रिएक्टरों के लिए अनुमानित स्थितियों के कितने करीब हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि प्लाज्मा को ठंडा करने की कठिनाई हमारे इस नए परिदृश्य में उतनी ही है जितनी कि ये विशाल भविष्य की मशीनें सामना करेंगी। उन्होंने डिटैचमेंट की कठिनाई के लिए एक विशिष्ट मीट्रिक मापा जो 200 से 350 के आसपास के मान तक पहुँच गया, जो कि प्रस्तावित अगली पीढ़ी के दो फ्यूजन उपकरणों, SPARC और ARC के लिए अपेक्षित मानों के समान है। हालाँकि मशीन खुद एक पावर प्लांट की तुलना में बहुत छोटी है, लेकिन जिस हीट एग्जॉस्ट की भौतिकी (physics) वह संभाल रही है, वह अब उसी पैमाने पर है। इसका अर्थ है कि TCV मशीन अब यह समझने के लिए एक महत्वपूर्ण टेस्टबेड के रूप में कार्य कर सकती है कि विभिन्न चुंबकीय आकार रिएक्टर-स्तर के तनाव के तहत कैसा प्रदर्शन करेंगे, जिससे वैज्ञानिकों को भविष्य के पूर्ण-पैमाने के पावर प्लांट बनाने से पहले अपने डिज़ाइनों को परिष्कृत करने में मदद मिलेगी। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि हालांकि हीट लोड अब प्रासंगिक होने के लिए पर्याप्त ऊँचे हैं, लेकिन उन्हें सुरक्षित रूप से प्रबंधित करने का मार्ग एक जटिल चुनौती बना हुआ है जिसके लिए आगे के अन्वेषण की आवश्यकता है।