Two-length spatial correlation function of turbulence in TCV
TCV टोकामक पर ड्यूल-चैनल डॉप्लर बैकस्कैटरिंग का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने घनत्व के उतार-चढ़ाव के लिए दो अलग-अलग स्थानिक सहसंबंध लंबाई (3–5 और 5–15 लार्मर त्रिज्या) को मापा जो शॉर्ट-पल्स रिफ्लेक्टोमेट्री डेटा के अनुरूप है और हिमस्खलन जैसी (avalanche-like) परिवहन का सुझाव देती है, जबकि इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन हीटेड डिस्चार्ज के किनारे के पास एक संकीर्ण रेडियल इलेक्ट्रिक फील्ड वेल के साथ सहसंबंधों में कमी देखी गई।
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एक फ्यूजन रिएक्टर के हृदय के भीतर, अत्यधिक गर्म गैस जिसे प्लाज्मा कहा जाता है, स्थिर नहीं रहती है। यह अदृश्य तूफानों के साथ उथल-पुथल और हलचल करती है, जो घूमते हुए भंवरों और अचानक आने वाले उछालों का एक अराजक मिश्रण है जो केंद्र से ऊष्मा और कणों को दूर ले जाते हैं। यह विक्षोभ (turbulence) वैज्ञानिकों और एक स्वच्छ, असीमित ऊर्जा स्रोत के बीच खड़े मुख्य अवरोध के रूप में है। यदि प्लाज्मा बहुत तेज़ी से लीक होता है, तो अभिक्रिया ठंडी होकर रुक जाती है। दशकों से, शोधकर्ता समझते आए हैं कि ये रिसाव दो अलग-अलग तरीकों से होते हैं। पहला है एक धीमा, स्थानीय मिश्रण, जैसे कॉफी के कप को हिलाना जहाँ ऊष्मा धीरे-धीरे गर्म केंद्र से ठंडे किनारे की ओर फैलती है। दूसरा बहुत अधिक नाटकीय है: एक अचानक, श्रृंखला-प्रतिक्रिया वाली घटना जहाँ एक स्थानीय गड़बड़ी गति की एक लहर को जन्म देती है जो पूरी प्लाज्मा में ऊर्जा को फैला देती है, ठीक वैसे ही जैसे एक गिरता हुआ डोमिनो दूसरे लंबी कतार वाले डोमिनो को गिरा देता है। यह दूसरी घटना, जिसे 'एवलेंच' (avalanche) या हिमस्खलन कहा जाता है, पकड़ में आना कठिन है क्योंकि यह बहुत तेज़ होती है और बड़ी दूरियों तक फैली होती है।
स्विट्जरलैंड के टोकामक ए कॉन्फ़िगरेशन वेरिएबल (TCV) में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन अदृश्य तूफानों पर करीब से नज़र डाली है, इन एवलेन्च के संकेतों की तलाश की है। एक विशेष रडार जैसी प्रणाली, जिसे डॉप्लर बैकस्कैटरिंग (Doppler backscattering) कहा जाता है, का उपयोग करते हुए, उन्होंने प्लाज्मा में माइक्रोवेव बीम भेजी ताकि गैस के घनत्व में होने वाले उतार-चढ़ाव को मापा जा सके। एक बिंदु पर होने वाले उतार-चढ़ाव दूसरे बिंदु से कैसे संबंधित हैं, इसे सावधानीपूर्वक ट्रैक करके, उन्होंने विक्षोभ की संरचनाओं के आकार का मानचित्र तैयार किया। उनका काम प्रकट करता है कि कुछ स्थितियों में, विक्षोभ का केवल एक आकार नहीं होता है। इसके बजाय, यह एक साथ दो अलग-अलग पैमानों पर व्यवहार प्रदर्शित करता है। पहला एक छोटा, स्थानीय आकार है, जो एक एकल आयन के चुंबकीय क्षेत्र रेखा के चारों ओर घूमने के पथ की चौड़ाई से लगभग तीन से पांच गुना है। दूसरा बहुत बड़ा पैमाना है, जो उस चौड़ाई के पांच से पंद्रह गुना तक फैला हुआ है। यह दोहरा स्वरूप बताता है कि जबकि प्लाज्मा लगातार छोटे भंवरों के साथ उथल-पुथल करता रहता है, यह कभी-कभी इन बड़े, एवलेन्च जैसे आयोजनों द्वारा बाधित होता है जो महत्वपूर्ण दूरियों तक ऊर्जा का परिवहन करते हैं।
उन्होंने जो पाया उसे समझने के लिए, सबसे पहले यह समझना होगा कि उन्होंने कैसे देखा। शोधकर्ताओं ने एक नैदानिक उपकरण (diagnostic tool) का उपयोग किया जो एक ही दिशा से दो माइक्रोवेव बीम को थोड़े अलग आवृत्तियों (frequencies) पर छोड़ता है। एक बीम एक विशिष्ट स्थान पर स्थिर रहती है, जो एक संदर्भ (reference) के रूप la कार्य करती है, जबकि दूसरी पास के विभिन्न स्थानों पर घूमती रहती है। इन दो बीमों से प्राप्त संकेतों की तुलना करके, टीम गणना कर सकी कि दूरी के आधार पर विक्षोभ कितना सह-संबंधित (correlated) है। यदि एक बिंदु पर विक्षोभ कुछ सेंटीमीटर दूर के विक्षोभ जैसा ही दिखता है, तो सहसंबंध उच्च है। जैसे-जैसे दूरी बढ़ती है, सहसंबंध आमतौर पर कम हो जाता है। उनके कई मापों में, यह गिरावट एक एकल, सुचारू वक्र (curve) का अनुसरण करती थी, जो विक्षोभ की संरचनाओं के एक समान आकार को दर्शाती है। हालाँकि, लगभग आधे मामलों में, वक्र का आकार बदल गया। यह शुरू में तेजी से गिरा, जो छोटे भंवरों के अनुरूप था, और फिर एक दूसरे, धीमी गिरावट में सपाट हो गया। यह दूसरा ढलान बहुत बड़े, अधिक विस्तृत संरचनाओं की उपस्थिति का संकेत देता है जो एक व्यापक क्षेत्र में बनी रहती हैं।
शोधकर्ता यह सुनिश्चित करने के लिए सावधान थे कि ये निष्कर्ष वास्तविक हैं और उनके उपकरणों की कोई त्रुटि नहीं हैं। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना एक अन्य नैदानिक उपकरण से की जिसे शॉर्ट-पल्स रिफ्लेक्टोमेट्री (short-pulse reflectometry) कहा जाता है, जो विक्षोभ को अलग तरीके से मापता है। दोनों विधियाँ छोटे पैमाने की संरचनाओं पर काफी हद तक सहमत थीं, जिससे टीम को अपने डेटा पर विश्वास मिला। उन्होंने न्यूट्रल बीम और इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन तरंगों दोनों का उपयोग करके विभिन्न हीटिंग स्थितियों के तहत प्लाज्मा का परीक्षण भी किया। उन्होंने पाया कि छोटे, स्थानीय भंवरों का आकार काफी सुसंगत रहा, जो आमतौर पर एक आयन की कक्षा की चौड़ाई के तीन से पांच गुना के बीच रहा, चाहे कितनी भी शक्ति जोड़ी गई हो। हालाँकि, बड़े पैमाने की संरचनाएँ अधिक परिवर्तनशील थीं। वे प्लाज्मा के किनारे के पास सबसे प्रमुख थीं और हीटिंग पावर बढ़ने के साथ अधिक महत्वपूर्ण हो गईं।
एक विशेष रूप से दिलचस्प खोज तब सामने आई जब शोधकर्ताओं ने प्लाज्मा प्रवाह की गति को देखा। कुछ स्थितियों में, प्लाज्मा एक संकीर्ण क्षेत्र विकसित करता है जहाँ प्रवाह की गति बहुत तेज़ी से बदलती है, जिसे 'शियर लेयर' (shear layer) के रूप में जाना जाता है। जब विक्षोभ इस संकीर्ण, तेज़ी से बदलने वाले क्षेत्र से गुज़रा, तो शोधकर्ताओं ने देखा कि छोटे और बड़े दोनों ही ढांचे काफी सिकुड़ गए। शियर (shear) द्वारा भंवरों को खींचा और फाड़ा गया, जिससे वे छोटे और कम सह-संबंधित हो गए। यह प्रभाव इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन तरंगों द्वारा गर्म किए गए प्लाज्मा में सबसे अधिक स्पष्ट था, जहाँ शियर लेयर संकीर्ण और तीव्र थी। इसके विपरीत, न्यूट्रल बीम द्वारा गर्म किए गए प्लाज्मा में शियर लेयर अधिक चौड़ी थी, और वहाँ संरचनाएं उतनी कम नहीं हुई थीं। यह सुझाव देता है कि प्लाज्मा का प्रवाह स्वयं एक नियामक के रूप में कार्य करता है, जो सही परिस्थितियों में विक्षोभ के आकार को दबाने में सक्षम है।
यह पुष्टि करने के लिए कि ये दो-लंबाई वाले पैटर्न वास्तव में एवलेन्च परिवहन से जुड़े थे, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने प्लाज्मा के ऐसे मॉडल चलाए जो या तो स्थिर, स्थानीय विक्षोभ या अचानक, विस्फोटपूर्ण एवलेन्च उत्पन्न कर सकते थे। उन सिमुलेशन में जहाँ परिवहन एवलेन्च द्वारा संचालित था, शोधकर्ताओं ने वही विश्लेषण लागू किया जो उन्होंने वास्तविक डेटा पर किया था। परिणाम आश्चर्यजनक थे: सिम्युलेटेड एवलेन्च ने बिल्कुल उसी दो-ढलान वाले सिग्नेचर का उत्पादन किया जो TCV प्रयोगों में देखा गया था। छोटा ढलान स्थानीय भंवरों के आकार से मेल खाता था, जबकि लंबा, धीमा ढलान एवलेन्च घटनाओं के आकार से मेल खाता था। वास्तविक दुनिया के मापों और सिमुलेशन के बीच यह मजबूत सहमति बताती है कि TCV में देखा गया दूसरा लंबाई पैमाना वास्तव में इन एवलेन्च जैसे परिवहन आयोजनों का पदचिह्न है।
यह अध्ययन इस दावे के साथ नहीं आता कि इसने प्लाज्मा विक्षोभ के रहस्य को सुलझा लिया है, न ही यह सुझाव देता है कि ये निष्कर्ष फ्यूजन रिएक्टर बनाने की इंजीनियरिंग चुनौतियों को तुरंत हल कर देंगे। शोधकर्ता नोट करते हैं कि उनके प्रयोग में मापे गए बड़े पैमाने के ढांचे कुछ अन्य सिमुलेशन में देखे गए ढांचों की तुलना में छोटे हैं, संभवतः इसलिए क्योंकि TCV मशीन अन्य उपकरणों की तुलना में भौतिक रूप से छोटी है, जो यह सीमित करती है कि एक एवलेन्च दीवार से टकराने से पहले कितना बड़ा हो सकता है। इसके अलावा, जिस नैदानिक उपकरण का उन्होंने उपयोग किया है वह एक विशिष्ट प्रकार की तरंग के लिए ट्यून किया गया है, जिसका अर्थ है कि माप विक्षोभ स्पेक्ट्रम के पूरे चित्र के बजाय एक विशिष्ट हिस्से को दर्शाते हैं। फिर भी, यह कार्य एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है। इन मायावी घटनाओं के निशान के रूप में एवलेन्च परिवहन की एक स्पष्ट, मापने योग्य पहचान की पहचान करके, टीम ने इन घटनाओं को देखने का एक नया तरीका पेश किया है। यह भविष्य के प्रयोगों के लिए द्वार खोलता है ताकि यह देखा जा सके कि विभिन्न प्रकार के ईंधन के साथ या प्लाज्मा के उच्च-प्रदर्शन अवस्था में जाने से ठीक पहले, ये बड़े पैमाने के उछाल कैसे व्यवहार करते हैं। इन तंत्रों को समझना प्लाज्मा को वश में करने और गर्मी को वहीं रखने के लिए आवश्यक है जहाँ इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है।
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