The optimal injection energy for beam-driven proton–boron fusion lies above the 675 keV resonance
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि बीम-ड्रिवन प्रोटॉन-बोरॉन संलयन के लिए, प्रोटॉन को 0.85 MeV की इष्टतम ऊर्जा पर इंजेक्ट करने से—जो 675 keV रेजोनेंस से थोड़ा ऊपर लेकिन 3.7 MeV दर गुणांक शिखर से काफी नीचे है—बिना किसी नए भौतिकी या परिरोध योजनाओं की आवश्यकता के, इंजेक्ट की गई ऊर्जा प्रति इकाई इंजीनियरिंग लाभ को 25% तक बढ़ा दिया जाता है।
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तारों की शक्ति को नियंत्रित करने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से हाइड्रोजन और बोरॉन से जुड़े एक विशिष्ट नुस्खे की ओर देख रहे हैं। हाइड्रोजन के आइसोटोप के अधिक सामान्य फ्यूजन ईंधन मिश्रण के विपरीत, यह संयोजन एक विशिष्ट लाभ प्रदान करता है: यह लगभग कोई न्यूट्रॉन उत्पन्न नहीं करता है, जिसका अर्थ है कि इससे आसपास की मशीनरी को विकिरण क्षति कम होती है और बिजली के लिए एक स्वच्छ मार्ग मिलता है। हालाँकि, इस प्रतिक्रिया को घटित करना अत्यंत कठिन है। इसके लिए ईंधन को अन्य प्रकार के फ्यूजन की तुलना में बहुत उच्च तापमान तक गर्म करने की आवश्यकता होती है, और हाल ही तक, उन स्थितियों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा उस ऊर्जा से अधिक लगती थी जो यह प्रतिक्रिया कभी भी उत्पन्न कर सकती थी। इसे हल करने के लिए प्रचलित रणनीति एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर ध्यान केंद्रित करना रही है जहाँ परमाणुओं के टकराने और फ्यूज होने की संभावना सबसे अधिक होती है, जिसे एक 'रेजोनेंस' (अनुनाद) के रूप में जाना जाता है।
स्वतंत्र शोधकर्ता ओलेग अगमालोव का एक नया विश्लेषण इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है कि इस शिखर टकराव बिंदु (पीक कोलिजन पॉइंट) को लक्षित करना मशीन चलाने का सबसे कुशल तरीका है। हालांकि दो परमाणुओं के फ्यूज होने की संभावना वास्तव में एक विशिष्ट ऊर्जा पर उच्चतम होती है, लेकिन एक मशीन की समग्र दक्षता केवल प्रभाव के उस एक क्षण पर निर्भर नहीं करती है। यह ईंधन के कणों की पूरी यात्रा पर निर्भर करती है जब वे धीमे होते हैं और अपनी ऊर्जा खोते हैं। अगमालोव का कार्य सुझाव देता है कि ईंधन की शुरुआती गति को थोड़ा समायोजित करके, इंजीनियर उसी इनपुट पावर से काफी अधिक ऊर्जा निकाल सकते हैं, जिसके लिए नई भौतिकी के आविष्कार या रिएक्टरों के पूरी तरह से नए प्रकार बनाने की आवश्यकता नहीं है।
द दशकों से, प्रोटॉन-बोरॉन फ्यूजन चलाने वाली मशीनों को डिजाइन करने वाले शोधकर्ता 675 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट के एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर को लक्षित कर रहे हैं। यह संख्या उस संभावना के एक तीखे शिखर (पीक) के अनुरूप है जहाँ एक प्रोटॉन एक बोरॉन नाभिक से टकराता है और उसे तीन हीलियम कणों में विभाजित कर देता है। तर्क सीधा था: यदि यह प्रतिक्रिया इस ऊर्जा पर सबसे अधिक बार होती है, तो ईंधन को ठीक इसी गति पर इंजेक्ट करने से सर्वोत्तम परिणाम मिलने चाहिए। यह दृष्टिकोण वर्तमान में अपनाए जा रहे प्रत्येक गैर-थर्मल फ्यूजन योजना के लिए मानक बन गया है, इस विश्वास के साथ कि इस रेजोनेंस पर आयनों को रखने से पावर बैलेंस अधिकतम होता है।
हालाँकि, अगमालोव बताते हैं कि यह दृष्टिकोण इस बात की एक महत्वपूर्ण बारीकी को छोड़ देता है कि ये मशीनें वास्तव में कैसे काम करती हैं। एक संचालित (ड्रिवन) उपकरण में, ईंधन एक गर्म सूप में स्थिर नहीं बैठा है; यह एक लक्ष्य में इंजेक्ट किया गया तेज कणों का प्रवाह है। एक बार इंजेक्ट होने के बाद, ये कण तुरंत फ्यूज होकर रुक नहीं जाते। इसके बजाय, वे ईंधन के माध्यम से यात्रा करते हैं, इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं और धीरे-धीरे अपनी गति खोते हैं, जिसे 'स्लोइंग डाउन' (धीमा होना) कहा जाता है। इस पूरी यात्रा के दौरान, इंजेक्शन के क्षण से लेकर उनके रुकने तक, वे लगातार फ्यूज करने की कोशिश करते हैं। उत्पन्न कुल ऊर्जा केवल इंजेक्शन के क्षण के बारे में नहीं है, बल्कि उनके धीमे होने के दौरान किए गए सभी फ्यूजन प्रयासों का योग है।
जब आप बीम बनाने में खर्च की गई ऊर्जा के सापेक्ष मशीन द्वारा प्राप्त कुल ऊर्जा की गणना करते हैं, तो गणित बदल जाता है। विश्लेषण से पता चलता है कि सबसे कुशल शुरुआती बिंदु 675 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट का पारंपरिक रेजोनेंस नहीं, बल्कि 0.85 मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट की थोड़ी उच्च ऊर्जा है। इस उच्च गति पर, कण उस ऊर्जा सीमा में थोड़ा अधिक समय बिताते हैं जहाँ फ्यूजन अभी भी काफी प्रभावी है, और उन्हें इस उच्च गति तक त्वरित करने की लागत उनके द्वारा धीमी होने के दौरान ट्रिगर की गई अतिरिक्त फ्यूजन प्रतिक्रियाओं द्वारा संतुलित हो जाती है। अध्ययन यह गणना करता है कि इंजेक्शन ऊर्जा को पारंपरिक 675 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट से बदलकर 0.85 मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट करने से सिस्टम की ऊर्जा प्राप्ति (एनर्जी गेन) में 25 प्रतिशत की वृद्धि होगी।
यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि इसके लिए किसी नई सामग्री के ब्रेकथ्रू, प्लाज्मा को नियंत्रित करने के नए तरीके, या ईंधन को थामे रखने के लिए उपयोग किए जाने वाले चुंबकीय क्षेत्रों में बदलाव की आवश्यकता नहीं है। यह इंजेक्टर के वोल्टेज में एक सरल समायोजन है। पेपर स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि हमें उस उच्चतम संभव ऊर्जा को लक्षित करना चाहिए जहाँ सैद्धांतिक रूप से फ्यूजन दर सबसे तेज होती है, जो कि 3.7 मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट के पास होती है। हालांकि वहां फ्यूजन दर वास्तव में उच्चतम है, लेकिन उन्हें उस गति तक पहुँचाने के लिए ऊर्जा की लागत इतनी विशाल है, और कम उत्पादक ऊर्जा श्रेणियों में उनके द्वारा बिताया गया समय इतना लंबा है, कि मशीन की समग्र दक्षता 0.85 मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट के इष्टतम स्तर की तुलना में 40 प्रतिशत गिर जाती है।
शोध ज्ञात व्यवहार (कि प्रोटॉन इलेक्ट्रॉन गैस में अपनी ऊर्जा कैसे खोते हैं) और विभिन्न गति पर फ्यूजन की मापी गई संभावनाओं को एकीकृत करने पर आधारित है। इन गणनाओं को चलाकर, लेखक यह प्रदर्शित करते हैं कि इंजीनियरिंग गेन के लिए 'स्वीट स्पॉट' एक तीखे शिखर के बजाय एक पठार (प्लेटो) है, जो पारंपरिक रेजोनेंस और सैद्धांतिक अधिकतम के बीच आराम से स्थित है। परिणाम प्रोटॉन-बोरॉन फ्यूजन डिवाइस बनाने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए एक स्पष्ट, कार्रवाई योग्य सिफारिश है: वोल्टेज को थोड़ा बढ़ा दें। यह समायोजन प्रदर्शन में एक पर्याप्त, तुरंत सुलभ सुधार प्रदान करता है, जो केवल इंजेक्शन ऊर्जा को बदलकर एक मामूली पावर बैलेंस को अधिक व्यवहार्य बनाता है।
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