RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding
यह अध्ययन STRIPE फ्रेमवर्क का उपयोग यह प्रदर्शित करने के लिए करता है कि जबकि RF शीथ पोटेंशियल (sheath potentials) ITER ICRH एंटीना संरचनाओं पर स्थानीय टंगस्टन क्षरण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाते हैं, परिणामी अशुद्धि स्रोत थर्मल स्रोतों की तुलना में नगण्य बना रहता है और नियोन-सीडेड (neon-seeded) स्थितियों के तहत वैश्विक टंगस्टन इन्वेंट्री पर हावी नहीं होता है।
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एक विशाल, डोनट के आकार की मशीन, जिसे फ्यूजन रिएक्टर कहा जाता है, के भीतर वैज्ञानिक सूर्य की शक्ति को फिर से बनाने की कोशिश कर रहे हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें प्लाज्मा नामक गैस के बादल को सूर्य के कोर से भी कहीं अधिक तापमान तक गर्म करना होगा। इस प्लाज्मा को गर्म करने के लिए सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक वह प्रणाली है जो इसे उच्च-आवृत्ति वाली रेडियो तरंगों से प्रहार करती है, जो माइक्रोवेव में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा के समान है लेकिन एक बहुत अलग पैमाने पर है। हालाँकि, ये शक्तिशाली तरंगें कभी-कभी अप्रत्याशित व्यवहार कर सकती हैं जब वे रिएक्टर की धातु की दीवारों से टकराती हैं। ठीक वैसे ही जैसे एक रेडियो सिग्नल स्पीकर पर स्टेटिक (शोर) पैदा कर सकता है, ये तरंगें मशीन के घटकों की सतह पर ही मजबूत विद्युत क्षेत्र बना सकती हैं। यदि ये क्षेत्र बहुत शक्तिशाली हो जाते हैं, तो वे एक हिंसक त्वरक (एक्सेलेरेटर) की तरह काम कर सकते हैं, जो रिएक्टर की दीवारों के परमाणुओं को प्लाज्मा में ज़ोर से टकराकर उसे संभावित रूप से 'विषैला' बना सकते हैं और प्रतिक्रिया को रोक सकते हैं।
इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर, या ITER, एक कामकाजी फ्यूजन पावर प्लांट बनाने का दुनिया का सबसे बड़ा प्रयास है। यह अपने आंतरिक दीवारों के लिए टंगस्टन नामक एक विशेष धातु का उपयोग करेगा क्योंकि यह धातु अत्यधिक गर्मी को सह सकती है। लेकिन टंगस्टन भारी होता है, और सुपर-हॉट प्लाज्मा में इसकी थोड़ी सी भी मात्रा भी प्रतिक्रिया को ठंडा कर सकती है और ऊर्जा उत्पादन को रोक सकती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि प्लाज्मा को गर्म करने के लिए उपयोग की जाने वाली रेडियो तरंगें टंगस्टन की दीवारों को घिस सकती हैं, लेकिन उनके पास इस बात की पूरी तस्वीर नहीं थी कि वास्तव में कितना नुकसान होगा या घिसा हुआ पदार्थ कहाँ जाएगा। ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी, आईटीईआर (ITER) ऑर्गनाइजेशन और कई अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने अंततः इन लापता कड़ियों को भर दिया है। पूरे रिएक्टर वातावरण का अनुकरण (सिमुलेट) करने वाला एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर, उन्होंने सटीक भविष्यवाणी की है कि रेडियो तरंगें दीवारों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं और ITER द्वारा नियोजित विशिष्ट स्थितियों में कितना टंगस्टन घिसा जाएगा।
शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ रिएक्टर नियॉन गैस से भरा होता है, जो प्लाज्मा से निकलने वाली तीव्र गर्मी को प्रबंधित करने में मदद करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक तकनीक है। इस वातावरण में, रेडियो तरंगें एंटीना के ठीक बगल में एक जटिल, अदृश्य विद्युत क्षेत्र बनाती हैं जो तरंगों को प्लाज्मा में भेजता है। यह क्षेत्र एक रैंप (ढलान) की तरह कार्य करता है, जो आयनों—नियॉन गैस और ईंधन के आवेशित परमाणुओं—को टंगस्टन की दीवारों की ओर त्वरित करता है। जब ये तेज़ गति वाले आयन दीवार से टकराते हैं, तो वे टंगस्टन के परमाणुओं को ढीला कर देते हैं। टीम ने इस प्रक्रिया को शुरू से अंत तक ट्रैक करने के लिए STRIPE नामक एक विस्तृत सिमुलेशन फ्रेमवर्क का उपयोग किया। उन्होंने प्लाज्मा प्रवाह के मॉडल को रेडियो तरंगों के व्यवहार, आयनों के त्वरण और मशीन के माध्यम से निकल रहे ढीले हुए टंगस्टन परमाणुओं की गणना के साथ जोड़ा।
सिमुलेशन के परिणाम चौंकाने वाले थे। रेडियो तरंगों के प्रभाव में, एंटीना दीवारों के पास विद्युत क्षेत्र 3,000 वोल्ट तक पहुँच सकता है। यह रेडियो तरंगों के बिना प्लाज्मा में मौजूद प्राकृतिक विद्युत क्षेत्रों की तुलना में बहुत अधिक है। इस अतिरिक्त धक्के के कारण, दीवारों से झड़ने वाले टंगस्टन की मात्रा नाटकीय रूप से बढ़ जाती है। अध्ययन में पाया गया कि एंटीना क्षेत्र से घिसा गया कुल टंगस्टन, रेडियो तरंगों की अनुपस्थिति में होने वाले घर्षण की तुलना में लगभग 64 गुना अधिक है। यह हर सेकंड लगभग 3.34 अरब बिलियन टंगस्टन परमाणुओं का स्रोत बनाता है। हालाँकि, कहानी केवल क्षरण (erosion) पर समाप्त नहीं होती है। शोधकर्ताओं ने यह भी ट्रैक किया कि ये परमाणु कहाँ गए। उन्होंने पाया कि घिसे हुए टंगस्टन का लगभग 90 प्रतिशत हिस्सा तत्काल क्षेत्र से बाहर निकल जाता है और रिएक्टर के बाकी हिस्सों में यात्रा करता है, जबकि केवल लगभग 10 प्रतिशत ही पास की दीवार पर वापस गिरता है।
सबसे आश्चर्यजनक खोज यह नहीं थी कि कितना टंगस्टन खो गया, बल्कि यह थी कि टक्कर कौन मार रहा था। वैज्ञानिकों ने माना था कि सबसे अधिक आवेशित (चार्ज) नियॉन परमाणु मुख्य अपराधी होंगे क्योंकि वे विद्युत क्षेत्रों से सबसे अधिक गति प्राप्त करेंगे। इसके विपरीत, सिमुलेशन ने दिखाया कि कम और मध्यम स्तर के आवेश वाले नियनों का मिश्रण अधिकांश क्षति के लिए जिम्मेदार था। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि दीवार से टकराने वाले मध्यम रूप से आवेशित परमाणुओं की संख्या बहुत अधिक थी, भले ही प्रत्येक व्यक्तिगत परमाणु अत्यधिक आवेशित परमाणुओं की तुलना में कम बल के साथ टकरा रहा था। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि सबसे खराब क्षति का स्थान ठीक वही नहीं था जहाँ विद्युत क्षेत्र सबसे मजबूत था। क्षरण वहाँ सबसे अधिक था जहाँ मजबूत विद्युत क्षेत्र, आने वाले प्लाज्मा कणों के उच्च घनत्व के साथ ओवरलैप (मेल) हुआ था। यह केवल विद्युत क्षेत्र के बजाय, एक मजबूत धक्के और कणों की भारी भीड़ का संयोजन था जिसने सबसे अधिक टूट-फूट पैदा की।
रेडियो तरंगों के कारण होने वाले क्षरण में भारी वृद्धि के बावजूद, शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि टंगस्टन का यह विशिष्ट स्रोत रिएक्टर के लिए मुख्य समस्या बनने की संभावना नहीं है। जब उन्होंने एंटीना से आने वाले टंगस्टन की मात्रा की तुलना रिएक्टर की बाकी दीवारों से आने वाले टंगस्टन से की, तो एंटीना का योगदान बहुत कम था। एंटीना से होने वाला क्षरण, रिएक्टर के निचले हिस्से (डाइवर्टर) से होने वाले क्षरण से लगभग 1,000 गुना छोटा था और मुख्य चैंबर की दीवारों से होने वाले क्षरण से 100 गुना से भी अधिक छोटा था। भले ही रेडियो तरंगें एंटीना को टंगस्टन का एक अधिक सक्रिय स्रोत बना रही हों, फिर भी इस क्षेत्र से प्लाज्मा में प्रवेश करने वाली धातु की कुल मात्रा इतनी कम है कि यह रिएक्टर के समग्र संदूषण (contamination) पर हावी नहीं होनी चाहिए।
अध्ययन ने यह भी देखा कि ढीले होने के बाद टंगस्टन के परमाणु रिएक्टर के माध्यम से कैसे चलते हैं। मात्र एक सेकंड के अंश के बाद, प्लाज्मा में प्रवेश करने वाले गतिशील टंगस्टन परमाणुओं का लगभग 22 प्रतिशत हिस्सा उस सीमित क्षेत्र में पाया गया जहाँ फ्यूजन प्रतिक्रिया होती है। यह एक बहुत ही कम सांद्रता (concentration) को दर्शाता है, जिससे पता चलता है कि जबकि रेडियो तरंगें अशुद्धियों का एक स्थानीय स्रोत बनाती हैं, रिएक्टर का प्राकृतिक प्लाज्मा प्रवाह उन्हें पतला करने में प्रभावी है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि फ्यूजन रिएक्टर के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए पूरे सिस्टम को एक साथ देखना आवश्यक है। आप केवल यह गणना नहीं कर सकते कि एक स्थान पर दीवार कितनी घिसती है; आपको यह समझना होगा कि रेडियो तरंगें, प्लाज्मा प्रवाह, चुंबकीय क्षेत्र और अशुद्धियों की गतिशीलता आपस में कैसे क्रिया करती हैं। इन विभिन्न भौतिक प्रक्रियाओं को सफलतापूर्वक जोड़ने के बाद, शोधकर्ताओं ने भविष्य के रिएक्टरों को डिजाइन करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि हालांकि रेडियो तरंगें एंटीना पर महत्वपूर्ण स्थानीय टूट-फूट का कारण बनेंगी, लेकिन वे रिएक्टर को टंगस्टन से अभिभूत नहीं करेंगी, जिससे इंजीनियरों को विश्वास मिलता है कि ITER का डिज़ाइन इन अंतःक्रियाओं को प्रभावी ढंग से प्रबंधित कर सकता है।
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