थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर कैसे काम करता है और इसे अभी तक क्यों नहीं बनाया गया है। फ्यूजन रिएक्टर ई.पी. वेलिखोव, एस.वी. पुटविंस्की कम ऊर्जा वाली परमाणु प्रतिक्रियाएं

आईटीईआर - अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर (आईटीईआर)

मानव ऊर्जा की खपत हर साल बढ़ रही है, जो ऊर्जा क्षेत्र को सक्रिय विकास की ओर धकेलती है। इस प्रकार, परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के उद्भव के साथ, दुनिया भर में उत्पन्न ऊर्जा की मात्रा में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जिससे मानव जाति की सभी जरूरतों के लिए ऊर्जा का सुरक्षित रूप से उपयोग करना संभव हो गया। उदाहरण के लिए, फ्रांस में उत्पादित बिजली का 72.3% परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से आता है, यूक्रेन में - 52.3%, स्वीडन में - 40.0%, यूके में - 20.4%, रूस में - 17.1%। हालाँकि, प्रौद्योगिकी अभी भी खड़ी नहीं है, और भविष्य के देशों की ऊर्जा जरूरतों को पूरा करने के लिए, वैज्ञानिक कई नवीन परियोजनाओं पर काम कर रहे हैं, जिनमें से एक ITER (इंटरनेशनल थर्मोन्यूक्लियर एक्सपेरिमेंटल रिएक्टर) है।

यद्यपि इस स्थापना की लाभप्रदता अभी भी सवालों के घेरे में है, कई शोधकर्ताओं के काम के अनुसार, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रौद्योगिकी के निर्माण और उसके बाद के विकास से ऊर्जा का एक शक्तिशाली और सुरक्षित स्रोत प्राप्त हो सकता है। आइए ऐसी स्थापना के कुछ सकारात्मक पहलुओं पर नजर डालें:

• थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर का मुख्य ईंधन हाइड्रोजन है, जिसका अर्थ व्यावहारिक रूप से परमाणु ईंधन का अटूट भंडार है।
• समुद्री जल को संसाधित करके हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है, जो अधिकांश देशों के लिए उपलब्ध है। इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि ईंधन संसाधनों पर एकाधिकार उत्पन्न नहीं हो सकता।
• थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के संचालन के दौरान आपातकालीन विस्फोट की संभावना परमाणु रिएक्टर के संचालन की तुलना में बहुत कम होती है। शोधकर्ताओं के अनुसार, किसी दुर्घटना की स्थिति में भी, विकिरण उत्सर्जन आबादी के लिए खतरा पैदा नहीं करेगा, जिसका अर्थ है कि निकासी की कोई आवश्यकता नहीं है।
• परमाणु रिएक्टरों के विपरीत, संलयन रिएक्टर रेडियोधर्मी अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं जिनका आधा जीवन छोटा होता है, जिसका अर्थ है कि यह तेजी से क्षय होता है। इसके अलावा, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों में कोई दहन उत्पाद नहीं होते हैं।
• फ़्यूज़न रिएक्टर को उन सामग्रियों की आवश्यकता नहीं होती है जिनका उपयोग परमाणु हथियारों के लिए भी किया जाता है। इससे परमाणु रिएक्टर की जरूरतों के लिए सामग्री के प्रसंस्करण द्वारा परमाणु हथियारों के उत्पादन को कवर करने की संभावना समाप्त हो जाती है।

थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर - अंदर का दृश्य

हालाँकि, कई तकनीकी कमियाँ भी हैं जिनका शोधकर्ताओं को लगातार सामना करना पड़ता है।

उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मिश्रण के रूप में प्रस्तुत ईंधन के वर्तमान संस्करण के लिए नई प्रौद्योगिकियों के विकास की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, आज तक के सबसे बड़े जेट थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर में परीक्षणों की पहली श्रृंखला के अंत में, रिएक्टर इतना रेडियोधर्मी हो गया कि प्रयोग को पूरा करने के लिए एक विशेष रोबोटिक रखरखाव प्रणाली के विकास की आवश्यकता पड़ी। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के संचालन में एक और निराशाजनक कारक इसकी दक्षता है - 20%, जबकि परमाणु ऊर्जा संयंत्र की दक्षता 33-34% है, और थर्मल पावर प्लांट 40% है।

आईटीईआर परियोजना का निर्माण और रिएक्टर का प्रक्षेपण

आईटीईआर परियोजना 1985 की है, जब सोवियत संघ ने एक टोकामक के संयुक्त निर्माण का प्रस्ताव रखा था - चुंबकीय कॉइल वाला एक टोरॉयडल कक्ष जो चुंबक का उपयोग करके प्लाज्मा को पकड़ सकता है, जिससे थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रिया होने के लिए आवश्यक स्थितियां पैदा होती हैं। 1992 में, ITER के विकास पर एक चतुर्पक्षीय समझौते पर हस्ताक्षर किए गए, जिसके पक्षकार यूरोपीय संघ, अमेरिका, रूस और जापान थे। 1994 में, कजाकिस्तान गणराज्य इस परियोजना में शामिल हुआ, 2001 में - कनाडा, 2003 में - दक्षिण कोरिया और चीन, 2005 में - भारत। 2005 में, रिएक्टर के निर्माण के लिए स्थान निर्धारित किया गया था - कैडराचे परमाणु ऊर्जा अनुसंधान केंद्र, फ्रांस।

रिएक्टर का निर्माण नींव के लिए गड्ढे की तैयारी के साथ शुरू हुआ। तो गड्ढे का पैरामीटर 130 x 90 x 17 मीटर था। संपूर्ण टोकामक परिसर का वजन 360,000 टन होगा, जिसमें से 23,000 टन टोकामक ही है।

ITER कॉम्प्लेक्स के विभिन्न तत्वों को विकसित किया जाएगा और दुनिया भर से निर्माण स्थल पर पहुंचाया जाएगा। इसलिए 2016 में, पोलॉइडल कॉइल्स के लिए कंडक्टरों का एक हिस्सा रूस में विकसित किया गया था, जिसे बाद में चीन भेजा गया, जो खुद कॉइल्स का उत्पादन करेगा।

जाहिर है, इतने बड़े पैमाने पर काम को व्यवस्थित करना बिल्कुल भी आसान नहीं है; कई देश बार-बार परियोजना कार्यक्रम का पालन करने में विफल रहे हैं, जिसके परिणामस्वरूप रिएक्टर का प्रक्षेपण लगातार स्थगित होता रहा है। तो, पिछले साल (2016) जून संदेश के अनुसार: "पहला प्लाज्मा प्राप्त करने की योजना दिसंबर 2025 के लिए बनाई गई है।"

आईटीईआर टोकामक का संचालन तंत्र

शब्द "टोकामक" एक रूसी संक्षिप्त शब्द से आया है जिसका अर्थ है "चुंबकीय कुंडलियों वाला टोरॉयडल कक्ष।"

टोकामक का हृदय उसका टोरस के आकार का निर्वात कक्ष है। अंदर, अत्यधिक तापमान और दबाव में, हाइड्रोजन ईंधन गैस प्लाज्मा बन जाती है - एक गर्म, विद्युत आवेशित गैस। जैसा कि ज्ञात है, तारकीय पदार्थ को प्लाज्मा द्वारा दर्शाया जाता है, और सौर कोर में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं ऊंचे तापमान और दबाव की स्थितियों में होती हैं। प्लाज्मा के निर्माण, प्रतिधारण, संपीड़न और हीटिंग के लिए समान स्थितियां बड़े पैमाने पर चुंबकीय कॉइल्स के माध्यम से बनाई जाती हैं जो एक वैक्यूम पोत के आसपास स्थित होती हैं। चुम्बकों का प्रभाव बर्तन की दीवारों से गर्म प्लाज्मा को सीमित कर देगा।

प्रक्रिया शुरू होने से पहले, निर्वात कक्ष से हवा और अशुद्धियाँ हटा दी जाती हैं। फिर प्लाज्मा को नियंत्रित करने में मदद करने वाली चुंबकीय प्रणालियों को चार्ज किया जाता है और गैसीय ईंधन डाला जाता है। जब बर्तन के माध्यम से एक शक्तिशाली विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो गैस विद्युत रूप से विभाजित हो जाती है और आयनित हो जाती है (अर्थात, इलेक्ट्रॉन परमाणुओं को छोड़ देते हैं) और एक प्लाज्मा बनाते हैं।

जैसे-जैसे प्लाज़्मा कण सक्रिय होते हैं और टकराते हैं, वे भी गर्म होने लगते हैं। सहायक हीटिंग तकनीकें प्लाज्मा को पिघलने वाले तापमान (150 से 300 मिलियन डिग्री सेल्सियस) तक लाने में मदद करती हैं। इस हद तक "उत्तेजित" कण टकराव पर अपने प्राकृतिक विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण पर काबू पा सकते हैं, जिससे ऐसे टकरावों के परिणामस्वरूप भारी मात्रा में ऊर्जा निकलती है।

टोकामक डिज़ाइन में निम्नलिखित तत्व शामिल हैं:

निर्वात पात्र

("डोनट") स्टेनलेस स्टील से बना एक टोरॉयडल कक्ष है। इसका बड़ा व्यास 19 मीटर है, छोटा 6 मीटर है, और इसकी ऊंचाई 11 मीटर है, कक्ष का आयतन 1,400 मीटर 3 है, और इसका वजन 5,000 टन से अधिक है शीतलक दीवारों के बीच प्रसारित होगा, जो आसुत जल होगा। जल प्रदूषण से बचने के लिए, कक्ष की भीतरी दीवार को कंबल का उपयोग करके रेडियोधर्मी विकिरण से बचाया जाता है।

कंबल

("कंबल") - कक्ष की आंतरिक सतह को कवर करने वाले 440 टुकड़े होते हैं। भोज का कुल क्षेत्रफल 700m2 है। प्रत्येक टुकड़ा एक प्रकार का कैसेट है, जिसका शरीर तांबे से बना है, और सामने की दीवार हटाने योग्य है और बेरिलियम से बनी है। कैसेट के पैरामीटर 1x1.5 मीटर हैं, और द्रव्यमान 4.6 टन से अधिक नहीं है, ऐसे बेरिलियम कैसेट प्रतिक्रिया के दौरान बनने वाले उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन को धीमा कर देंगे। न्यूट्रॉन मॉडरेशन के दौरान, शीतलन प्रणाली द्वारा गर्मी जारी और हटा दी जाएगी। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि रिएक्टर संचालन के परिणामस्वरूप बनने वाली बेरिलियम धूल बेरिलियम नामक गंभीर बीमारी का कारण बन सकती है और इसका कैंसरजन्य प्रभाव भी होता है। इस कारण से, परिसर में सख्त सुरक्षा उपाय विकसित किए जा रहे हैं।

अनुभाग में टोकामक. पीला - सोलेनॉइड, नारंगी - टोरॉयडल फ़ील्ड (टीएफ) और पोलॉइडल फ़ील्ड (पीएफ) मैग्नेट, नीला - कंबल, हल्का नीला - वीवी - वैक्यूम पोत, बैंगनी - डायवर्टर

("ऐशट्रे") पोलॉइडल प्रकार का एक उपकरण है जिसका मुख्य कार्य कंबल से ढके कक्ष की दीवारों के गर्म होने और इसके साथ संपर्क के परिणामस्वरूप होने वाली गंदगी के प्लाज्मा को "साफ़" करना है। जब ऐसे संदूषक प्लाज्मा में प्रवेश करते हैं, तो वे तीव्रता से विकिरण करना शुरू कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अतिरिक्त विकिरण हानि होती है। यह टोकोमैक के निचले भाग में स्थित है और प्लाज्मा की ऊपरी परतों (जो सबसे अधिक दूषित हैं) को शीतलन कक्ष में निर्देशित करने के लिए चुंबक का उपयोग करता है। यहां प्लाज्मा ठंडा होकर गैस में बदल जाता है, जिसके बाद इसे चैंबर से वापस पंप कर दिया जाता है। बेरिलियम धूल, कक्ष में प्रवेश करने के बाद, व्यावहारिक रूप से प्लाज्मा में वापस लौटने में असमर्थ होती है। इस प्रकार, प्लाज्मा संदूषण केवल सतह पर ही रहता है और अधिक गहराई तक प्रवेश नहीं करता है।

cryostat

- टोकोमैक का सबसे बड़ा घटक, जो 16,000 मीटर 2 (29.3 x 28.6 मीटर) की मात्रा और 3,850 टन वजन वाला एक स्टेनलेस स्टील खोल है, सिस्टम के अन्य तत्व क्रायोस्टेट के अंदर स्थित होंगे, और यह स्वयं कार्य करता है टोकामक और बाहरी वातावरण के बीच एक बाधा के रूप में। इसकी भीतरी दीवारों पर 80 K (-193.15 डिग्री सेल्सियस) के तापमान पर नाइट्रोजन प्रसारित करके ठंडा किया जाने वाला थर्मल स्क्रीन होगा।

चुंबकीय प्रणाली

- तत्वों का एक सेट जो वैक्यूम बर्तन के अंदर प्लाज्मा को रखने और नियंत्रित करने का काम करता है। यह 48 तत्वों का एक सेट है:

• टोरॉयडल फ़ील्ड कॉइल निर्वात कक्ष के बाहर और क्रायोस्टेट के अंदर स्थित होते हैं। इन्हें 18 टुकड़ों में प्रस्तुत किया गया है, प्रत्येक का आकार 15 x 9 मीटर है और वजन लगभग 300 टन है। साथ में, ये कॉइल प्लाज्मा टोरस के चारों ओर 11.8 टेस्ला का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं और 41 जीजे की ऊर्जा संग्रहीत करते हैं।
• पोलोइडल फ़ील्ड कॉइल्स - टोरॉयडल फ़ील्ड कॉइल्स के शीर्ष पर और क्रायोस्टेट के अंदर स्थित होते हैं। ये कॉइल एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार हैं जो प्लाज्मा द्रव्यमान को कक्ष की दीवारों से अलग करता है और रुद्धोष्म तापन के लिए प्लाज्मा को संपीड़ित करता है। ऐसी कुंडलियों की संख्या 6 है। दो कुंडलियों का व्यास 24 मीटर और द्रव्यमान 400 टन है। शेष चार कुंडलियाँ कुछ छोटी हैं।
• केंद्रीय सोलनॉइड टॉरॉयडल कक्ष के आंतरिक भाग में, या बल्कि "डोनट होल" में स्थित होता है। इसके संचालन का सिद्धांत एक ट्रांसफार्मर के समान है, और मुख्य कार्य प्लाज्मा में एक प्रेरक धारा को उत्तेजित करना है।
• सुधार कुंडलियाँ वैक्यूम पात्र के अंदर, कंबल और कक्ष की दीवार के बीच स्थित होती हैं। उनका कार्य प्लाज्मा के आकार को बनाए रखना है, जो स्थानीय रूप से "उभार" करने और यहां तक ​​कि पोत की दीवारों को छूने में सक्षम है। आपको प्लाज्मा के साथ चैम्बर की दीवारों की परस्पर क्रिया के स्तर को कम करने की अनुमति देता है, और इसलिए इसके संदूषण के स्तर को, और चैम्बर के घिसाव को भी कम करता है।

आईटीईआर कॉम्प्लेक्स की संरचना

ऊपर वर्णित टोकामक डिज़ाइन "संक्षेप में" कई देशों के प्रयासों के माध्यम से इकट्ठा किया गया एक अत्यधिक जटिल अभिनव तंत्र है। हालाँकि, इसके पूर्ण संचालन के लिए, टोकामक के पास स्थित इमारतों के एक पूरे परिसर की आवश्यकता होती है। उनमें से:

• नियंत्रण, डेटा पहुंच और संचार प्रणाली - CODAC। आईटीईआर परिसर की कई इमारतों में स्थित है।
• ईंधन भंडारण और ईंधन प्रणाली - टोकामक तक ईंधन पहुंचाने का कार्य करती है।
• वैक्यूम प्रणाली - इसमें चार सौ से अधिक वैक्यूम पंप होते हैं, जिनका कार्य थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया उत्पादों, साथ ही वैक्यूम कक्ष से विभिन्न दूषित पदार्थों को बाहर निकालना है।
• क्रायोजेनिक प्रणाली - नाइट्रोजन और हीलियम सर्किट द्वारा दर्शायी जाती है। हीलियम सर्किट टोकामक में तापमान को सामान्य कर देगा, जिसका कार्य (और इसलिए तापमान) लगातार नहीं होता है, बल्कि दालों में होता है। नाइट्रोजन सर्किट क्रायोस्टेट की हीट शील्ड और हीलियम सर्किट को ठंडा कर देगा। इसमें जल शीतलन प्रणाली भी होगी, जिसका उद्देश्य कंबल की दीवारों के तापमान को कम करना है।
• बिजली की आपूर्ति। टोकामक को लगातार संचालित करने के लिए लगभग 110 मेगावाट ऊर्जा की आवश्यकता होगी। इसे हासिल करने के लिए किलोमीटर लंबी बिजली लाइनें स्थापित की जाएंगी और उन्हें फ्रांसीसी औद्योगिक नेटवर्क से जोड़ा जाएगा। यह याद रखने योग्य है कि आईटीईआर प्रायोगिक सुविधा ऊर्जा उत्पादन प्रदान नहीं करती है, बल्कि केवल वैज्ञानिक हितों में काम करती है।

आईटीईआर फंडिंग

अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर आईटीईआर एक काफी महंगा उपक्रम है, जिसकी शुरुआत में अनुमान $12 बिलियन था, जिसमें रूस, अमेरिका, कोरिया, चीन और भारत का 1/11 हिस्सा, जापान का 2/11 और यूरोपीय संघ का 4 हिस्सा शामिल था। /11 । बाद में यह रकम बढ़कर 15 अरब डॉलर हो गई. उल्लेखनीय है कि वित्तपोषण कॉम्प्लेक्स के लिए आवश्यक उपकरणों की आपूर्ति के माध्यम से होता है, जिसे प्रत्येक देश में विकसित किया जाता है। इस प्रकार, रूस कंबल, प्लाज्मा हीटिंग डिवाइस और सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट की आपूर्ति करता है।

परियोजना परिप्रेक्ष्य

फिलहाल, आईटीईआर कॉम्प्लेक्स का निर्माण और टोकामक के लिए सभी आवश्यक घटकों का उत्पादन चल रहा है। 2025 में टोकामक के नियोजित लॉन्च के बाद, प्रयोगों की एक श्रृंखला शुरू होगी, जिसके परिणामों के आधार पर सुधार की आवश्यकता वाले पहलुओं पर ध्यान दिया जाएगा। आईटीईआर के सफल कमीशनिंग के बाद, थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन पर आधारित एक बिजली संयंत्र बनाने की योजना बनाई गई है जिसे डेमो (डेमोन्स्ट्रेशन पावर प्लांट) कहा जाएगा। डेमो का लक्ष्य संलयन शक्ति की तथाकथित "व्यावसायिक अपील" को प्रदर्शित करना है। यदि ITER केवल 500 मेगावाट ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम है, तो DEMO लगातार 2 GW ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम होगा।

हालाँकि, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि ITER प्रायोगिक सुविधा ऊर्जा का उत्पादन नहीं करेगी, और इसका उद्देश्य विशुद्ध रूप से वैज्ञानिक लाभ प्राप्त करना है। और जैसा कि आप जानते हैं, यह या वह भौतिक प्रयोग न केवल अपेक्षाओं को पूरा कर सकता है, बल्कि मानवता के लिए नया ज्ञान और अनुभव भी ला सकता है।

मानवता धीरे-धीरे पृथ्वी के हाइड्रोकार्बन संसाधनों की अपरिवर्तनीय कमी की सीमा के करीब पहुंच रही है। हम लगभग दो शताब्दियों से ग्रह के आंत्र से तेल, गैस और कोयला निकाल रहे हैं, और यह पहले से ही स्पष्ट है कि उनके भंडार जबरदस्त गति से समाप्त हो रहे हैं। दुनिया के अग्रणी देश लंबे समय से ऊर्जा का एक नया स्रोत, पर्यावरण के अनुकूल, संचालन के दृष्टिकोण से सुरक्षित, विशाल ईंधन भंडार के साथ बनाने के बारे में सोच रहे हैं।

संल्लयन संयंत्र

आज तथाकथित वैकल्पिक प्रकार की ऊर्जा - फोटोवोल्टिक, पवन ऊर्जा और जल विद्युत के रूप में नवीकरणीय स्रोतों के उपयोग के बारे में बहुत चर्चा हो रही है। स्पष्ट है कि अपने गुणों के कारण ये दिशाएँ केवल ऊर्जा आपूर्ति के सहायक स्रोत के रूप में ही कार्य कर सकती हैं।

मानवता के लिए दीर्घकालिक संभावना के रूप में केवल परमाणु प्रतिक्रियाओं पर आधारित ऊर्जा पर ही विचार किया जा सकता है।

एक ओर, अधिक से अधिक राज्य अपने क्षेत्र में परमाणु रिएक्टर बनाने में रुचि दिखा रहे हैं। लेकिन फिर भी, परमाणु ऊर्जा के लिए एक गंभीर समस्या रेडियोधर्मी कचरे का प्रसंस्करण और निपटान है, और यह आर्थिक और पर्यावरणीय संकेतकों को प्रभावित करता है। 20वीं सदी के मध्य में, दुनिया के प्रमुख भौतिकविदों ने, नई प्रकार की ऊर्जा की खोज में, पृथ्वी पर जीवन के स्रोत - सूर्य की ओर रुख किया, जिसकी गहराई में, लगभग 20 मिलियन डिग्री के तापमान पर, प्रतिक्रियाएँ हुईं। प्रकाश तत्वों का संश्लेषण (संलयन) विशाल ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है।

घरेलू विशेषज्ञों ने स्थलीय परिस्थितियों में परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं को लागू करने के लिए एक सुविधा विकसित करने का काम सबसे अच्छे तरीके से संभाला। रूस में प्राप्त नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (सीटीएफ) के क्षेत्र में ज्ञान और अनुभव ने परियोजना का आधार बनाया, जो अतिशयोक्ति के बिना, मानवता की ऊर्जा आशा है - अंतर्राष्ट्रीय प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर (आईटीईआर), जिसे बनाया जा रहा है कैडराचे (फ्रांस) में निर्मित।

थर्मोन्यूक्लियर संलयन का इतिहास

पहला थर्मोन्यूक्लियर अनुसंधान उन देशों में शुरू हुआ जो अपने परमाणु रक्षा कार्यक्रमों पर काम कर रहे थे। यह आश्चर्य की बात नहीं है, क्योंकि परमाणु युग की शुरुआत में, ड्यूटेरियम प्लाज्मा रिएक्टरों की उपस्थिति का मुख्य उद्देश्य गर्म प्लाज्मा में भौतिक प्रक्रियाओं का अध्ययन करना था, जिसका ज्ञान, अन्य बातों के अलावा, थर्मोन्यूक्लियर हथियारों के निर्माण के लिए आवश्यक था। . अवर्गीकृत आंकड़ों के अनुसार, यूएसएसआर और यूएसए की शुरुआत 1950 के दशक में लगभग एक साथ हुई थी। यूटीएस पर काम करें. लेकिन, साथ ही, इस बात के ऐतिहासिक प्रमाण भी हैं कि 1932 में विश्व सर्वहारा वर्ग के नेता निकोलाई बुखारिन के पुराने क्रांतिकारी और करीबी दोस्त, जिन्होंने उस समय सर्वोच्च आर्थिक परिषद समिति के अध्यक्ष का पद संभाला था और इसका पालन किया था। सोवियत विज्ञान के विकास ने नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए देश में एक परियोजना शुरू करने का प्रस्ताव रखा।

सोवियत थर्मोन्यूक्लियर परियोजना का इतिहास एक मज़ेदार तथ्य से रहित नहीं है। भविष्य के प्रसिद्ध शिक्षाविद और हाइड्रोजन बम के निर्माता, आंद्रेई दिमित्रिच सखारोव, एक सोवियत सेना के सैनिक के एक पत्र से उच्च तापमान प्लाज्मा के चुंबकीय थर्मल इन्सुलेशन के विचार से प्रेरित थे। 1950 में, सखालिन में कार्यरत सार्जेंट ओलेग लावेरेंटयेव ने ऑल-यूनियन कम्युनिस्ट पार्टी की केंद्रीय समिति को एक पत्र भेजा जिसमें उन्होंने हाइड्रोजन बम में तरलीकृत ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के बजाय लिथियम -6 ड्यूटेराइड का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा, साथ ही एक हाइड्रोजन बम भी बनाया। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन करने के लिए गर्म प्लाज्मा के इलेक्ट्रोस्टैटिक कारावास के साथ प्रणाली। पत्र की समीक्षा तत्कालीन युवा वैज्ञानिक आंद्रेई सखारोव ने की थी, जिन्होंने अपनी समीक्षा में लिखा था कि वह "कॉमरेड लावेरेंटिव की परियोजना की विस्तृत चर्चा करना आवश्यक मानते हैं।"

अक्टूबर 1950 तक, आंद्रेई सखारोव और उनके सहयोगी इगोर टैम ने चुंबकीय थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर (एमटीआर) का पहला अनुमान लगाया था। आई. टैम और ए. सखारोव के विचारों के आधार पर, एक मजबूत अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र के साथ पहली टोरॉयडल स्थापना, 1955 में LIPAN में बनाई गई थी। इसे टीएमपी कहा जाता था - एक चुंबकीय क्षेत्र वाला टोरस। "टोरिडल चैम्बर मैग्नेटिक कॉइल" वाक्यांश में प्रारंभिक अक्षरों के संयोजन के बाद, बाद की स्थापनाओं को पहले से ही टोकामक कहा जाता था। अपने क्लासिक संस्करण में, टोकामक एक डोनट के आकार का टॉरॉयडल कक्ष है जो टॉरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है। 1955 से 1966 तक कुरचटोव इंस्टीट्यूट में 8 ऐसे प्रतिष्ठान बनाए गए, जिन पर कई अलग-अलग अध्ययन किए गए। यदि 1969 से पहले टोकामक यूएसएसआर के बाहर केवल ऑस्ट्रेलिया में बनाया गया था, तो बाद के वर्षों में वे संयुक्त राज्य अमेरिका, जापान, यूरोपीय देशों, भारत, चीन, कनाडा, लीबिया, मिस्र सहित 29 देशों में बनाए गए थे। कुल मिलाकर, आज तक दुनिया में लगभग 300 टोकामक बनाए गए हैं, जिनमें यूएसएसआर और रूस में 31, संयुक्त राज्य अमेरिका में 30, यूरोप में 32 और जापान में 27 शामिल हैं। वास्तव में, तीन देश - यूएसएसआर, ग्रेट ब्रिटेन और यूएसए - एक अनकही प्रतियोगिता में लगे हुए थे कि कौन सबसे पहले प्लाज्मा का उपयोग करेगा और वास्तव में "पानी से" ऊर्जा का उत्पादन शुरू करेगा।

थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर का सबसे महत्वपूर्ण लाभ सभी आधुनिक परमाणु ऊर्जा रिएक्टरों की तुलना में विकिरण जैविक खतरे को लगभग एक हजार गुना कम करना है।

एक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर CO2 उत्सर्जित नहीं करता है और "भारी" रेडियोधर्मी कचरा उत्पन्न नहीं करता है। इस रिएक्टर को कहीं भी, कहीं भी रखा जा सकता है।

आधी सदी का एक कदम

1985 में, यूएसएसआर की ओर से शिक्षाविद् एवगेनी वेलिखोव ने प्रस्ताव दिया कि यूरोप, अमेरिका और जापान के वैज्ञानिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर बनाने के लिए मिलकर काम करें, और 1986 में जिनेवा में स्थापना के डिजाइन पर एक समझौता हुआ, जो बाद में हुआ। ITER नाम प्राप्त हुआ। 1992 में, भागीदारों ने रिएक्टर के लिए एक इंजीनियरिंग डिजाइन विकसित करने के लिए एक चतुर्पक्षीय समझौते पर हस्ताक्षर किए। निर्माण का पहला चरण 2020 तक पूरा होने वाला है, जब पहला प्लाज्मा प्राप्त करने की योजना है। 2011 में, ITER साइट पर वास्तविक निर्माण शुरू हुआ।

ITER डिज़ाइन क्लासिक रूसी टोकामक का अनुसरण करता है, जिसे 1960 के दशक में विकसित किया गया था। यह योजना बनाई गई है कि पहले चरण में रिएक्टर 400-500 मेगावाट की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की शक्ति के साथ स्पंदित मोड में काम करेगा, दूसरे चरण में रिएक्टर के निरंतर संचालन, साथ ही ट्रिटियम प्रजनन प्रणाली का परीक्षण किया जाएगा। .

यह अकारण नहीं है कि आईटीईआर रिएक्टर को मानवता का ऊर्जा भविष्य कहा जाता है। सबसे पहले, यह दुनिया की सबसे बड़ी वैज्ञानिक परियोजना है, क्योंकि फ्रांस में इसे लगभग पूरी दुनिया द्वारा बनाया जा रहा है: यूरोपीय संघ + स्विट्जरलैंड, चीन, भारत, जापान, दक्षिण कोरिया, रूस और संयुक्त राज्य अमेरिका भाग ले रहे हैं। स्थापना के निर्माण पर समझौते पर 2006 में हस्ताक्षर किए गए थे। यूरोपीय देश परियोजना के वित्तपोषण में लगभग 50% योगदान करते हैं, रूस कुल राशि का लगभग 10% योगदान देता है, जिसे उच्च तकनीक उपकरणों के रूप में निवेश किया जाएगा। लेकिन रूस का सबसे महत्वपूर्ण योगदान टोकामक तकनीक ही है, जिसने आईटीईआर रिएक्टर का आधार बनाया।

दूसरे, बिजली उत्पन्न करने के लिए सूर्य में होने वाली थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया का उपयोग करने का यह पहला बड़े पैमाने पर प्रयास होगा। तीसरा, इस वैज्ञानिक कार्य को बहुत व्यावहारिक परिणाम लाने चाहिए, और सदी के अंत तक दुनिया को वाणिज्यिक थर्मोन्यूक्लियर पावर प्लांट के पहले प्रोटोटाइप की उपस्थिति की उम्मीद है।

वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि अंतरराष्ट्रीय प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर में पहला प्लाज्मा दिसंबर 2025 में उत्पादित किया जाएगा।

वस्तुतः संपूर्ण विश्व वैज्ञानिक समुदाय ने ऐसे रिएक्टर का निर्माण क्यों शुरू किया? तथ्य यह है कि आईटीईआर के निर्माण में जिन कई तकनीकों का उपयोग करने की योजना है, वे एक ही बार में सभी देशों से संबंधित नहीं हैं। एक राज्य, यहां तक ​​​​कि वैज्ञानिक और तकनीकी दृष्टि से सबसे अधिक विकसित, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर जैसी उच्च तकनीक और सफलता परियोजना में उपयोग की जाने वाली प्रौद्योगिकी के सभी क्षेत्रों में उच्चतम विश्व स्तर की सौ प्रौद्योगिकियां तुरंत नहीं हो सकती हैं। लेकिन ITER में सैकड़ों समान प्रौद्योगिकियाँ शामिल हैं।

रूस कई थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन प्रौद्योगिकियों में वैश्विक स्तर से आगे निकल गया है। लेकिन, उदाहरण के लिए, जापानी परमाणु वैज्ञानिकों के पास भी इस क्षेत्र में अद्वितीय दक्षताएं हैं, जो आईटीईआर में काफी लागू हैं।

इसलिए, परियोजना की शुरुआत में, भागीदार देशों ने इस बात पर सहमति जताई कि साइट पर किसे और क्या आपूर्ति की जाएगी, और यह केवल इंजीनियरिंग में सहयोग नहीं होना चाहिए, बल्कि प्रत्येक भागीदार के लिए नई प्रौद्योगिकियां प्राप्त करने का अवसर होना चाहिए। अन्य प्रतिभागियों से, ताकि भविष्य में उन्हें स्वयं विकसित करें।

एंड्री रेटिंगर, अंतर्राष्ट्रीय पत्रकार

फ्यूजन रिएक्टर ई.पी. वेलिखोव, एस.वी. पुटविंस्की

ई.पी. वेलिखोव, एस.वी. पुटविंस्की.
22 अक्टूबर 1999 की रिपोर्ट, वर्ल्ड फेडरेशन ऑफ साइंटिस्ट्स के ऊर्जा केंद्र के ढांचे के भीतर की गई

टिप्पणी

यह लेख संलयन अनुसंधान की वर्तमान स्थिति का एक संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करता है और 21वीं सदी की ऊर्जा प्रणाली में संलयन शक्ति की संभावनाओं की रूपरेखा प्रस्तुत करता है। यह समीक्षा भौतिकी और इंजीनियरिंग की बुनियादी बातों से परिचित पाठकों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए है।

आधुनिक भौतिक अवधारणाओं के अनुसार, ऊर्जा के केवल कुछ ही मूलभूत स्रोत हैं, जिन पर सैद्धांतिक रूप से मानवता द्वारा महारत हासिल की जा सकती है और उनका उपयोग किया जा सकता है। परमाणु संलयन अभिक्रियाएँ ऊर्जा का एक ऐसा स्रोत हैं और... संलयन प्रतिक्रियाओं में, प्रकाश तत्वों के नाभिक के संलयन और भारी नाभिक के निर्माण के दौरान किए गए परमाणु बलों के कार्य के कारण ऊर्जा उत्पन्न होती है। ये प्रतिक्रियाएँ प्रकृति में व्यापक हैं - ऐसा माना जाता है कि सूर्य सहित सितारों की ऊर्जा, परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है जो हाइड्रोजन परमाणु के चार नाभिकों को हीलियम नाभिक में परिवर्तित करती है। हम कह सकते हैं कि सूर्य एक बड़ा प्राकृतिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर है जो पृथ्वी के पारिस्थितिक तंत्र को ऊर्जा की आपूर्ति करता है।

वर्तमान में, मनुष्यों द्वारा उत्पादित ऊर्जा का 85% से अधिक जैविक ईंधन - कोयला, तेल और प्राकृतिक गैस को जलाने से प्राप्त होता है। ऊर्जा के इस सस्ते स्रोत पर लगभग 200-300 साल पहले मनुष्य ने कब्ज़ा कर लिया, जिससे मानव समाज का तेजी से विकास हुआ, उसका कल्याण हुआ और परिणामस्वरूप, पृथ्वी की जनसंख्या में वृद्धि हुई। यह माना जाता है कि जनसंख्या वृद्धि और सभी क्षेत्रों में अधिक समान ऊर्जा खपत के कारण, ऊर्जा उत्पादन वर्तमान स्तर की तुलना में 2050 तक लगभग तीन गुना बढ़ जाएगा और प्रति वर्ष 10 21 जे तक पहुंच जाएगा। इसमें कोई संदेह नहीं है कि निकट भविष्य में ऊर्जा के पिछले स्रोत - जैविक ईंधन - को अन्य प्रकार के ऊर्जा उत्पादन से बदलना होगा। यह प्राकृतिक संसाधनों की कमी और पर्यावरण प्रदूषण दोनों के कारण होगा, जो विशेषज्ञों के अनुसार, सस्ते प्राकृतिक संसाधनों के विकसित होने से बहुत पहले होना चाहिए (ऊर्जा उत्पादन की वर्तमान विधि वातावरण को कचरे के ढेर के रूप में उपयोग करती है, बाहर फेंकती है) 17 मिलियन टन दैनिक कार्बन डाइऑक्साइड और ईंधन के दहन के साथ आने वाली अन्य गैसें)। 21वीं सदी के मध्य में जीवाश्म ईंधन से बड़े पैमाने पर वैकल्पिक ऊर्जा में परिवर्तन की उम्मीद है। यह माना जाता है कि भविष्य की ऊर्जा प्रणाली नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों सहित विभिन्न प्रकार के ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करेगी, जो वर्तमान ऊर्जा प्रणाली की तुलना में अधिक व्यापक रूप से उपयोग की जाएगी, जैसे कि सौर ऊर्जा, पवन ऊर्जा, पनबिजली, बढ़ती और जलती हुई बायोमास और परमाणु ऊर्जा। कुल ऊर्जा उत्पादन में प्रत्येक ऊर्जा स्रोत की हिस्सेदारी ऊर्जा खपत की संरचना और इनमें से प्रत्येक ऊर्जा स्रोत की आर्थिक दक्षता द्वारा निर्धारित की जाएगी।

आज के औद्योगिक समाज में, आधे से अधिक ऊर्जा का उपयोग दिन और मौसम के समय से स्वतंत्र, निरंतर उपभोग मोड में किया जाता है। इस स्थिर आधार शक्ति पर दैनिक और मौसमी परिवर्तन आरोपित होते हैं। इस प्रकार, ऊर्जा प्रणाली में आधार ऊर्जा शामिल होनी चाहिए, जो समाज को स्थिर या अर्ध-स्थायी स्तर पर ऊर्जा की आपूर्ति करती है, और ऊर्जा संसाधन, जिनका आवश्यकतानुसार उपयोग किया जाता है। यह उम्मीद की जाती है कि सौर ऊर्जा, बायोमास दहन आदि जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग मुख्य रूप से ऊर्जा खपत के परिवर्तनीय घटक में किया जाएगा। आधार ऊर्जा के लिए मुख्य और एकमात्र उम्मीदवार परमाणु ऊर्जा है। वर्तमान में, केवल परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं, जिनका उपयोग आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में किया जाता है, को ऊर्जा उत्पादन में महारत हासिल है। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन, अब तक, केवल बुनियादी ऊर्जा के लिए एक संभावित उम्मीदवार है।

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं पर थर्मोन्यूक्लियर संलयन के क्या फायदे हैं, जो हमें थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के बड़े पैमाने पर विकास की आशा करने की अनुमति देते हैं? मुख्य और मूलभूत अंतर लंबे समय तक रहने वाले रेडियोधर्मी कचरे की अनुपस्थिति है, जो परमाणु विखंडन रिएक्टरों के लिए विशिष्ट है। और यद्यपि थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के संचालन के दौरान पहली दीवार न्यूट्रॉन द्वारा सक्रिय होती है, उपयुक्त कम-सक्रियण संरचनात्मक सामग्रियों का चयन थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर बनाने की मौलिक संभावना को खोलता है जिसमें पहली दीवार की प्रेरित गतिविधि पूरी तरह से कम हो जाएगी रिएक्टर बंद होने के तीस साल बाद सुरक्षित स्तर। इसका मतलब यह है कि एक ख़त्म हो चुके रिएक्टर को केवल 30 वर्षों तक मॉथबॉल करने की आवश्यकता होगी, जिसके बाद सामग्रियों को पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है और एक नए संश्लेषण रिएक्टर में उपयोग किया जा सकता है। यह स्थिति मूल रूप से विखंडन रिएक्टरों से भिन्न है, जो रेडियोधर्मी अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं जिन्हें हजारों वर्षों तक पुन: प्रसंस्करण और भंडारण की आवश्यकता होती है। कम रेडियोधर्मिता के अलावा, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा में ईंधन और अन्य आवश्यक सामग्रियों का विशाल, व्यावहारिक रूप से अटूट भंडार होता है, जो हजारों नहीं तो सैकड़ों वर्षों तक ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त है।

ये वे फायदे थे जिन्होंने प्रमुख परमाणु देशों को 50 के दशक के मध्य में नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पर बड़े पैमाने पर शोध शुरू करने के लिए प्रेरित किया। इस समय तक, सोवियत संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका में हाइड्रोजन बम का पहला सफल परीक्षण पहले ही किया जा चुका था, जिसने स्थलीय परिस्थितियों में ऊर्जा और परमाणु संलयन के उपयोग की मौलिक संभावना की पुष्टि की थी। शुरुआत से ही, यह स्पष्ट हो गया कि नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन का कोई सैन्य अनुप्रयोग नहीं था। अनुसंधान को 1956 में अवर्गीकृत कर दिया गया था और तब से इसे व्यापक अंतर्राष्ट्रीय सहयोग के ढांचे के भीतर किया गया है। हाइड्रोजन बम कुछ ही वर्षों में बनाया गया था, और उस समय ऐसा लग रहा था कि लक्ष्य करीब था, और 50 के दशक के अंत में निर्मित पहली बड़ी प्रायोगिक सुविधाएं, थर्मोन्यूक्लियर प्लाज्मा का उत्पादन करेंगी। हालाँकि, ऐसी स्थितियाँ बनाने में 40 वर्षों से अधिक का शोध हुआ जिसके तहत थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा की रिहाई प्रतिक्रियाशील मिश्रण की ताप शक्ति के बराबर है। 1997 में, सबसे बड़े थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन, यूरोपीय टोकामक (जेईटी) को 16 मेगावाट थर्मोन्यूक्लियर पावर प्राप्त हुई और वह इस सीमा के करीब आ गया।

इस देरी का कारण क्या था? यह पता चला कि लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, भौतिकविदों और इंजीनियरों को बहुत सारी समस्याओं को हल करना पड़ा जिनके बारे में उन्हें यात्रा की शुरुआत में कोई जानकारी नहीं थी। इन 40 वर्षों के दौरान, प्लाज़्मा भौतिकी विज्ञान का निर्माण हुआ, जिसने प्रतिक्रियाशील मिश्रण में होने वाली जटिल भौतिक प्रक्रियाओं को समझना और उनका वर्णन करना संभव बना दिया। इंजीनियरों को समान रूप से जटिल समस्याओं को हल करने की आवश्यकता थी, जिसमें बड़ी मात्रा में गहरे वैक्यूम बनाना सीखना, उपयुक्त निर्माण सामग्री का चयन और परीक्षण करना, बड़े सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट, शक्तिशाली लेजर और एक्स-रे स्रोतों को विकसित करना, कणों के शक्तिशाली बीम बनाने में सक्षम स्पंदित पावर सिस्टम विकसित करना शामिल है। , मिश्रण के उच्च-आवृत्ति हीटिंग के लिए तरीके विकसित करें और भी बहुत कुछ।

§4 चुंबकीय नियंत्रित संलयन के क्षेत्र में अनुसंधान की समीक्षा के लिए समर्पित है, जिसमें चुंबकीय कारावास और स्पंदित सिस्टम वाले सिस्टम शामिल हैं। इस समीक्षा का अधिकांश भाग चुंबकीय प्लाज्मा कारावास, टोकामक-प्रकार की स्थापनाओं के लिए सबसे उन्नत प्रणालियों के लिए समर्पित है।

इस समीक्षा का दायरा हमें नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पर अनुसंधान के केवल सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं पर चर्चा करने की अनुमति देता है। इस समस्या के विभिन्न पहलुओं के अधिक गहन अध्ययन में रुचि रखने वाले पाठक को समीक्षा साहित्य देखने की सलाह दी जा सकती है। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पर एक व्यापक साहित्य उपलब्ध है। विशेष रूप से, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर अनुसंधान के संस्थापकों द्वारा लिखी गई अब क्लासिक पुस्तकों के साथ-साथ हाल के प्रकाशनों का भी उल्लेख किया जाना चाहिए, जैसे कि, उदाहरण के लिए, जो थर्मोन्यूक्लियर अनुसंधान की वर्तमान स्थिति को रेखांकित करते हैं।

यद्यपि बहुत सारी परमाणु संलयन प्रतिक्रियाएं हैं जो ऊर्जा की रिहाई का कारण बनती हैं, परमाणु ऊर्जा का उपयोग करने के व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, केवल तालिका 1 में सूचीबद्ध प्रतिक्रियाएं रुचि की हैं यहां और नीचे हम हाइड्रोजन आइसोटोप के लिए मानक पदनाम का उपयोग करते हैं: पी - परमाणु द्रव्यमान 1 के साथ प्रोटॉन, डी - ड्यूटेरॉन, परमाणु द्रव्यमान 2 के साथ और टी - ट्रिटियम, द्रव्यमान 3 के साथ आइसोटोप। ट्रिटियम के अपवाद के साथ इन प्रतिक्रियाओं में भाग लेने वाले सभी नाभिक स्थिर हैं। ट्रिटियम हाइड्रोजन का एक रेडियोधर्मी आइसोटोप है जिसका आधा जीवन 12.3 वर्ष है। β-क्षय के परिणामस्वरूप, यह कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन का उत्सर्जन करते हुए He 3 में बदल जाता है। परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं के विपरीत, संलयन प्रतिक्रियाएं भारी नाभिक के लंबे समय तक रहने वाले रेडियोधर्मी टुकड़े का उत्पादन नहीं करती हैं, जो सैद्धांतिक रूप से "स्वच्छ" रिएक्टर बनाना संभव बनाती है, जो रेडियोधर्मी कचरे के दीर्घकालिक भंडारण की समस्या से बोझिल नहीं होती है।

तालिका नंबर एक।
नियंत्रित संलयन के लिए रुचि की परमाणु प्रतिक्रियाएँ

तालिका 1 में दर्शाई गई सभी प्रतिक्रियाएँ, अंतिम प्रतिक्रिया को छोड़कर, गतिज ऊर्जा और प्रतिक्रिया उत्पादों, q के रूप में ऊर्जा की रिहाई के साथ होती हैं, जिसे लाखों इलेक्ट्रॉन वोल्ट (MeV) की इकाइयों में कोष्ठक में दर्शाया गया है।
(1 ईवी = 1.6·10-19 जे = 11600 डिग्रीके)। अंतिम दो प्रतिक्रियाएं नियंत्रित संलयन में एक विशेष भूमिका निभाती हैं - उनका उपयोग ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए किया जाएगा, जो प्रकृति में मौजूद नहीं है।

परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं 1-5 में अपेक्षाकृत उच्च प्रतिक्रिया दर होती है, जो आमतौर पर प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन, σ द्वारा विशेषता होती है। तालिका 1 से प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन को द्रव्यमान प्रणाली के केंद्र में ऊर्जा और टकराने वाले कणों के कार्य के रूप में चित्र 1 में दिखाया गया है।

नाभिकों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण की उपस्थिति के कारण, कम ऊर्जा और कणों पर प्रतिक्रियाओं के लिए क्रॉस सेक्शन नगण्य हैं, और इसलिए, सामान्य तापमान पर, हाइड्रोजन आइसोटोप और अन्य प्रकाश परमाणुओं का मिश्रण व्यावहारिक रूप से प्रतिक्रिया नहीं करता है। इनमें से किसी भी प्रतिक्रिया के लिए ध्यान देने योग्य क्रॉस सेक्शन होने के लिए, टकराने वाले कणों में उच्च गतिज ऊर्जा की आवश्यकता होती है। तब कण कूलम्ब बाधा को पार करने में सक्षम होंगे, परमाणु के क्रम में दूरी पर पहुंचेंगे और प्रतिक्रिया करेंगे। उदाहरण के लिए, ट्रिटियम के साथ ड्यूटेरियम की प्रतिक्रिया के लिए अधिकतम क्रॉस सेक्शन लगभग 80 केवी की कण ऊर्जा पर प्राप्त किया जाता है, और डीटी मिश्रण की उच्च प्रतिक्रिया दर के लिए, इसका तापमान एक सौ मिलियन के पैमाने पर होना चाहिए डिग्री, टी = 10 8° के.

ऊर्जा और परमाणु संलयन उत्पन्न करने का सबसे सरल तरीका जो तुरंत दिमाग में आता है वह है एक आयन त्वरक और बमबारी का उपयोग करना, कहते हैं, ट्रिटियम आयनों को 100 केवी की ऊर्जा तक त्वरित किया जाता है, एक ठोस या गैस लक्ष्य जिसमें ड्यूटेरियम आयन होते हैं। हालाँकि, लक्ष्य के ठंडे इलेक्ट्रॉनों से टकराने पर इंजेक्ट किए गए आयन बहुत तेज़ी से धीमे हो जाते हैं, और प्रारंभिक (लगभग 100 केवी) में भारी अंतर के बावजूद, उनके त्वरण की ऊर्जा लागत को कवर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उत्पन्न करने का समय नहीं होता है। प्रतिक्रिया में उत्पन्न ऊर्जा (लगभग 10 MeV)। दूसरे शब्दों में, ऊर्जा उत्पादन की इस "विधि" और ऊर्जा प्रजनन गुणांक के साथ,
क्यू फ्यूस = पी संश्लेषण / पी लागत 1 से कम होगी।

क्यू फ़्यूज़ को बढ़ाने के लिए, लक्ष्य इलेक्ट्रॉनों को गर्म किया जा सकता है। तब तेज़ आयन अधिक धीरे-धीरे कम हो जाएंगे और क्यू फ़्यूज़ बढ़ जाएगा। हालाँकि, एक सकारात्मक उपज केवल बहुत उच्च लक्ष्य तापमान पर प्राप्त की जाती है - कई केवी के क्रम पर। इस तापमान पर, तेज़ आयनों का इंजेक्शन अब महत्वपूर्ण नहीं है; मिश्रण में पर्याप्त मात्रा में ऊर्जावान थर्मल आयन होते हैं, जो स्वयं प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करते हैं। दूसरे शब्दों में, मिश्रण में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं या थर्मोन्यूक्लियर संलयन होता है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की दर की गणना संतुलन मैक्सवेलियन कण वितरण फ़ंक्शन पर चित्र 1 में दिखाए गए प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन को एकीकृत करके की जा सकती है। परिणामस्वरूप, प्रतिक्रिया दर प्राप्त करना संभव है के(टी), जो प्रति इकाई आयतन में होने वाली प्रतिक्रियाओं की संख्या निर्धारित करता है, एन 1 एन 2 के(टी), और, परिणामस्वरूप, प्रतिक्रियाशील मिश्रण में जारी ऊर्जा का आयतन घनत्व,

पी फ़स = क्यू एन 1 एन 2 के(टी) (1)

आखिरी सूत्र में एन 1 एन 2- प्रतिक्रियाशील घटकों की मात्रा सांद्रता, टी- प्रतिक्रियाशील कणों का तापमान और क्यू- तालिका 1 में दी गई प्रतिक्रिया की ऊर्जा उपज।

प्रतिक्रियाशील मिश्रण की विशेषता वाले उच्च तापमान पर, मिश्रण प्लाज्मा अवस्था में होता है, अर्थात। इसमें मुक्त इलेक्ट्रॉन और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन होते हैं जो सामूहिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के माध्यम से एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। प्लाज्मा कणों की गति के अनुरूप, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र प्लाज्मा की गतिशीलता निर्धारित करते हैं और, विशेष रूप से, इसकी अर्ध-तटस्थता बनाए रखते हैं। बहुत उच्च सटीकता के साथ, प्लाज्मा में आयनों और इलेक्ट्रॉनों का चार्ज घनत्व बराबर होता है, n e = Zn z, जहां Z आयन का चार्ज है (हाइड्रोजन आइसोटोप Z = 1 के लिए)। आयन और इलेक्ट्रॉन घटक कूलम्ब टकराव के कारण ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं और थर्मोन्यूक्लियर अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट प्लाज्मा मापदंडों पर, उनका तापमान लगभग बराबर होता है।

मिश्रण के उच्च तापमान के लिए आपको अतिरिक्त ऊर्जा लागत का भुगतान करना होगा। सबसे पहले, हमें आयनों से टकराते समय इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्सर्जित ब्रेम्सस्ट्रालंग को ध्यान में रखना होगा:

ब्रेम्सस्ट्रालंग की शक्ति, साथ ही मिश्रण में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की शक्ति, प्लाज्मा घनत्व के वर्ग के समानुपाती होती है और इसलिए, अनुपात पी फ्यू /पी बी केवल प्लाज्मा तापमान पर निर्भर करता है। थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की शक्ति के विपरीत, ब्रेम्सस्ट्रालंग, प्लाज्मा तापमान पर कमजोर रूप से निर्भर करता है, जिससे प्लाज्मा तापमान पर एक निचली सीमा की उपस्थिति होती है, जिस पर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की शक्ति ब्रेम्सस्ट्रालंग घाटे की शक्ति के बराबर होती है, पी फ्यूस / पी बी = 1. ब्रेम्सस्ट्रालंग थ्रेशोल्ड से नीचे के तापमान पर बिजली की हानि ऊर्जा के थर्मोन्यूक्लियर रिलीज से अधिक होती है और, और इसलिए ठंडे मिश्रण में सकारात्मक ऊर्जा रिलीज असंभव है। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मिश्रण का सीमित तापमान सबसे कम होता है, लेकिन इस मामले में भी मिश्रण का तापमान 3 KeV (3.5 · 10 7 °K) से अधिक होना चाहिए। डीडी और डीएचई 3 प्रतिक्रियाओं के लिए सीमा तापमान लगभग डीटी प्रतिक्रिया की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है। बोरान के साथ एक प्रोटॉन की प्रतिक्रिया के लिए, किसी भी तापमान पर ब्रेम्सस्ट्रालंग विकिरण प्रतिक्रिया उपज से अधिक होता है, और इसलिए, इस प्रतिक्रिया का उपयोग करने के लिए, विशेष जाल की आवश्यकता होती है जिसमें इलेक्ट्रॉन तापमान आयन तापमान से कम होता है, या प्लाज्मा घनत्व होता है उच्च कि विकिरण कार्यशील मिश्रण द्वारा अवशोषित हो जाता है।

मिश्रण के उच्च तापमान के अलावा, एक सकारात्मक प्रतिक्रिया होने के लिए, गर्म मिश्रण को प्रतिक्रिया होने के लिए पर्याप्त समय तक मौजूद रहना चाहिए। परिमित आयामों वाले किसी भी थर्मोन्यूक्लियर सिस्टम में, ब्रेम्सस्ट्रालंग के अलावा प्लाज्मा से ऊर्जा हानि के अतिरिक्त चैनल होते हैं (उदाहरण के लिए, तापीय चालकता, अशुद्धियों के लाइन विकिरण आदि के कारण), जिनकी शक्ति थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा से अधिक नहीं होनी चाहिए मुक्त करना। सामान्य स्थिति में, अतिरिक्त ऊर्जा हानि को प्लाज्मा टी ई के ऊर्जा जीवनकाल द्वारा दर्शाया जा सकता है, जिसे इस तरह से परिभाषित किया गया है कि अनुपात 3 एनटी / टी ई प्रति यूनिट प्लाज्मा मात्रा में बिजली हानि देता है। जाहिर है, एक सकारात्मक उपज के लिए यह आवश्यक है कि थर्मोन्यूक्लियर शक्ति अतिरिक्त नुकसान की शक्ति से अधिक हो, पी फ्यूस > 3एनटी / टी ई, जो घनत्व और प्लाज्मा जीवनकाल के न्यूनतम उत्पाद, एनटी ई के लिए एक शर्त देता है। उदाहरण के लिए, डीटी प्रतिक्रिया के लिए यह आवश्यक है

एनटी ई > 5 10 19 एस/एम 3 (3)

इस स्थिति को आमतौर पर लॉसन मानदंड कहा जाता है (सख्ती से कहें तो, मूल कार्य में, लॉसन मानदंड एक विशिष्ट थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर डिजाइन के लिए प्राप्त किया गया था और, (3) के विपरीत, थर्मल ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की दक्षता शामिल है)। जिस रूप में यह ऊपर लिखा गया है, मानदंड व्यावहारिक रूप से थर्मोन्यूक्लियर सिस्टम से स्वतंत्र है और सकारात्मक आउटपुट के लिए एक सामान्यीकृत आवश्यक शर्त है। अन्य प्रतिक्रियाओं के लिए लॉसन मानदंड डीटी प्रतिक्रिया की तुलना में अधिक परिमाण का एक या दो क्रम है, और थ्रेशोल्ड तापमान भी अधिक है। सकारात्मक आउटपुट प्राप्त करने के लिए डिवाइस की निकटता को आमतौर पर टी-एनटी ई विमान पर दर्शाया गया है, जिसे चित्र 2 में दिखाया गया है।

एनटी ई

अंक 2। टी-एनटी ई विमान पर परमाणु प्रतिक्रिया की सकारात्मक उपज वाला क्षेत्र।
थर्मोन्यूक्लियर प्लाज्मा को सीमित करने के लिए विभिन्न प्रायोगिक प्रतिष्ठानों की उपलब्धियों को दिखाया गया है।

यह देखा जा सकता है कि डीटी प्रतिक्रियाएं अधिक आसानी से संभव हैं - उन्हें डीडी प्रतिक्रियाओं की तुलना में काफी कम प्लाज्मा तापमान की आवश्यकता होती है और इसके प्रतिधारण पर कम कठोर शर्तें लागू होती हैं। आधुनिक थर्मोन्यूक्लियर कार्यक्रम का उद्देश्य डीटी-नियंत्रित संलयन को लागू करना है।

इस प्रकार, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं, सिद्धांत रूप में, संभव हैं, और थर्मोन्यूक्लियर अनुसंधान का मुख्य कार्य एक व्यावहारिक उपकरण का विकास है जो ऊर्जा के अन्य स्रोतों के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धा कर सकता है।

50 वर्षों में आविष्कार किए गए सभी उपकरणों को दो बड़े वर्गों में विभाजित किया जा सकता है: 1) गर्म प्लाज्मा के चुंबकीय कारावास पर आधारित स्थिर या अर्ध-स्थिर प्रणालियाँ; 2) पल्स सिस्टम। पहले मामले में, प्लाज्मा घनत्व कम है और सिस्टम में अच्छी ऊर्जा प्रतिधारण के कारण लॉसन मानदंड प्राप्त किया जाता है, अर्थात। लंबी ऊर्जा प्लाज्मा जीवनकाल। इसलिए, चुंबकीय परिरोध वाले सिस्टम में कई मीटर के क्रम का एक विशिष्ट प्लाज्मा आकार और अपेक्षाकृत कम प्लाज्मा घनत्व होता है, n ~ 10 20 m -3 (यह सामान्य दबाव और कमरे के तापमान पर परमाणु घनत्व से लगभग 10 5 गुना कम है) .

स्पंदित प्रणालियों में, लॉसन मानदंड को लेजर या एक्स-रे विकिरण के साथ संलयन लक्ष्यों को संपीड़ित करके और एक बहुत ही उच्च घनत्व मिश्रण बनाकर प्राप्त किया जाता है। स्पंदित प्रणालियों में जीवनकाल छोटा होता है और लक्ष्य के मुक्त विस्तार से निर्धारित होता है। नियंत्रित संलयन की इस दिशा में मुख्य भौतिक चुनौती कुल ऊर्जा और विस्फोट को उस स्तर तक कम करना है जिससे एक व्यावहारिक संलयन रिएक्टर बनाना संभव हो सके।

दोनों प्रकार की प्रणालियाँ पहले से ही सकारात्मक ऊर्जा आउटपुट और क्यू फ्यूस > 1 के साथ प्रायोगिक मशीनें बनाने के करीब आ चुकी हैं, जिसमें भविष्य के थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों के मुख्य तत्वों का परीक्षण किया जाएगा। हालाँकि, संलयन उपकरणों की चर्चा पर आगे बढ़ने से पहले, हम भविष्य के संलयन रिएक्टर के ईंधन चक्र पर विचार करेंगे, जो सिस्टम के विशिष्ट डिजाइन से काफी हद तक स्वतंत्र है।

1) टोकामक टी-15 अब तक केवल प्लाज्मा के ओमिक हीटिंग के साथ मोड में संचालित होता है और इसलिए, इस इंस्टॉलेशन के साथ प्राप्त प्लाज्मा पैरामीटर काफी कम हैं। भविष्य में, 10 मेगावाट न्यूट्रल इंजेक्शन और 10 मेगावाट इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन हीटिंग शुरू करने की योजना है।

2) दिए गए क्यू फ़्यूज़ को डीटी प्लाज़्मा के सेटअप में प्राप्त डीडी प्लाज़्मा के मापदंडों से पुनर्गणना की गई थी।

और यद्यपि इन TOKAMAKs पर प्रायोगिक कार्यक्रम अभी तक पूरा नहीं हुआ है, मशीनों की इस पीढ़ी ने इसे सौंपे गए कार्यों को व्यावहारिक रूप से पूरा कर लिया है। टोकामैक्स जेट और टीएफटीआर को पहली बार प्लाज्मा में डीटी प्रतिक्रियाओं की उच्च थर्मोन्यूक्लियर शक्ति, टीएफटीआर में 11 मेगावाट और जेट में 16 मेगावाट प्राप्त हुई। चित्र 6 डीटी प्रयोगों में थर्मोन्यूक्लियर पावर की समय निर्भरता को दर्शाता है।

चित्र 6. जेट और टीएफटीआर टोकामक्स पर रिकॉर्ड ड्यूटेरियम-ट्रिटियम डिस्चार्ज में समय पर थर्मोन्यूक्लियर पावर की निर्भरता।

TOKAMAK की यह पीढ़ी थ्रेशोल्ड वैल्यू Q फ्यूस = 1 तक पहुंच गई और पूर्ण पैमाने के TOKAMAK रिएक्टर के लिए आवश्यक से कई गुना कम एनटी ई प्राप्त किया। TOKAMAKs ने आरएफ फ़ील्ड और न्यूट्रल बीम का उपयोग करके स्थिर प्लाज्मा करंट को बनाए रखना सीख लिया है। थर्मोन्यूक्लियर अल्फा कणों सहित तेज कणों द्वारा प्लाज्मा को गर्म करने की भौतिकी का अध्ययन किया गया, डायवर्टर के संचालन का अध्ययन किया गया, और कम तापीय भार के साथ इसके संचालन के तरीके विकसित किए गए। इन अध्ययनों के परिणामों ने अगले चरण के लिए आवश्यक भौतिक नींव बनाना संभव बना दिया - पहला टोकामक रिएक्टर, जो दहन मोड में काम करेगा।

TOKAMAKs में प्लाज्मा मापदंडों पर क्या भौतिक प्रतिबंध हैं?

टोकामक में अधिकतम प्लाज्मा दबाव या अधिकतम मूल्य β प्लाज्मा की स्थिरता से निर्धारित होता है और लगभग ट्रॉयॉन के संबंध द्वारा वर्णित है,

कहाँ β में व्यक्त किया %, आईपी– प्लाज्मा में प्रवाहित होने वाली धारा और β एनएक आयामहीन स्थिरांक है जिसे ट्रॉयॉन गुणांक कहा जाता है। (5) में मापदंडों में एमए, टी, एम के आयाम हैं। ट्रॉयॉन गुणांक के अधिकतम मान β एन= 3÷5, प्रयोगों में प्राप्त, प्लाज्मा स्थिरता की गणना के आधार पर सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ अच्छे समझौते में हैं। चित्र 7 सीमा मान दिखाता है β , विभिन्न टोकामकों में प्राप्त किया गया।

चित्र 7. सीमा मानों की तुलना β ट्रॉयॉन स्केलिंग प्रयोगों में हासिल किया गया।

यदि सीमा मान पार हो गया है β , टोकामक प्लाज्मा में बड़े पैमाने पर पेचदार गड़बड़ी विकसित होती है, प्लाज्मा जल्दी ठंडा हो जाता है और दीवार पर मर जाता है। इस घटना को प्लाज्मा स्टॉल कहा जाता है।

जैसा कि चित्र 7 से देखा जा सकता है, टोकामक को कम मूल्यों की विशेषता है β कई प्रतिशत के स्तर पर. मूल्य में वृद्धि की मूलभूत संभावना है β प्लाज्मा पहलू अनुपात को आर/ के बेहद कम मूल्यों तक कम करके ए= 1.3÷1.5. सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि ऐसी मशीनों में β कई दसियों प्रतिशत तक पहुँच सकता है। इंग्लैंड में कई साल पहले निर्मित पहला अल्ट्रा-लो पहलू अनुपात टोकामक, स्टार्ट, पहले ही मान प्राप्त कर चुका है β = 30%. दूसरी ओर, ये सिस्टम तकनीकी रूप से अधिक मांग वाले हैं और टोरॉयडल कॉइल, डायवर्टर और न्यूट्रॉन सुरक्षा के लिए विशेष तकनीकी समाधान की आवश्यकता होती है। वर्तमान में, START की तुलना में कई बड़े प्रायोगिक TOKAMAK कम पहलू अनुपात और 1 MA से ऊपर प्लाज्मा करंट के साथ बनाए जा रहे हैं। उम्मीद है कि अगले 5 वर्षों में, प्रयोग यह समझने के लिए पर्याप्त डेटा प्रदान करेंगे कि क्या प्लाज्मा मापदंडों में अपेक्षित सुधार हासिल किया जाएगा और क्या यह इस दिशा में अपेक्षित तकनीकी कठिनाइयों की भरपाई करने में सक्षम होगा।

TOKAMAKs में प्लाज्मा कारावास के दीर्घकालिक अध्ययनों से पता चला है कि चुंबकीय क्षेत्र में ऊर्जा और कण स्थानांतरण की प्रक्रियाएं प्लाज्मा में जटिल अशांत प्रक्रियाओं द्वारा निर्धारित होती हैं। और यद्यपि असामान्य प्लाज्मा हानियों के लिए जिम्मेदार प्लाज्मा अस्थिरताओं की पहचान पहले ही की जा चुकी है, लेकिन पहले सिद्धांतों के आधार पर प्लाज्मा जीवनकाल का वर्णन करने के लिए नॉनलाइनियर प्रक्रियाओं की सैद्धांतिक समझ अभी तक पर्याप्त नहीं है। इसलिए, आधुनिक प्रतिष्ठानों में प्राप्त प्लाज्मा जीवनकाल को टोकामक रिएक्टर के पैमाने पर एक्सट्रपलेशन करने के लिए, अनुभवजन्य कानून-स्केलिंग-वर्तमान में उपयोग किए जाते हैं। इनमें से एक स्केलिंग (ITER-97(y)), जो विभिन्न TOKAMAKs से एक प्रयोगात्मक डेटाबेस के सांख्यिकीय प्रसंस्करण का उपयोग करके प्राप्त की गई है, भविष्यवाणी करती है कि जीवनकाल प्लाज्मा आकार, आर, प्लाज्मा वर्तमान I p, और प्लाज्मा क्रॉस सेक्शन k = के बढ़ाव के साथ बढ़ता है। बी/ ए= 4 और बढ़ती प्लाज्मा ताप शक्ति के साथ घटती है, पी:

टी ई ~ आर 2 के 0.9 आई आर 0.9 / पी 0.66

अन्य प्लाज्मा मापदंडों पर ऊर्जा जीवनकाल की निर्भरता कमजोर है। चित्र 8 से पता चलता है कि लगभग सभी प्रायोगिक TOKAMAKs में मापा गया जीवनकाल इस स्केलिंग द्वारा अच्छी तरह से वर्णित है।

चित्र.8. ITER-97(y) स्केलिंग द्वारा अनुमानित ऊर्जा जीवनकाल पर प्रयोगात्मक रूप से देखी गई ऊर्जा जीवनकाल की निर्भरता।
स्केलिंग से प्रायोगिक बिंदुओं का औसत सांख्यिकीय विचलन 15% है।
अलग-अलग लेबल अलग-अलग TOKAMAK और अनुमानित TOKAMAK रिएक्टर ITER से मेल खाते हैं।

यह स्केलिंग भविष्यवाणी करती है कि एक टोकामक जिसमें आत्मनिर्भर थर्मोन्यूक्लियर दहन होगा, उसकी बड़ी त्रिज्या 7-8 मीटर और प्लाज्मा करंट 20 एमए होना चाहिए। ऐसे टोकामक में, ऊर्जा जीवनकाल 5 सेकंड से अधिक होगा, और थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की शक्ति 1-1.5 गीगावॉट के स्तर पर होगी।

1998 में, टोकामक रिएक्टर ITER का इंजीनियरिंग डिजाइन पूरा हो गया। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मिश्रण के थर्मोन्यूक्लियर दहन को प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया पहला प्रायोगिक टोकामक रिएक्टर बनाने के उद्देश्य से चार पक्षों: यूरोप, रूस, अमेरिका और जापान द्वारा संयुक्त रूप से काम किया गया था। स्थापना के मुख्य भौतिक और इंजीनियरिंग पैरामीटर तालिका 3 में दिए गए हैं, और इसका क्रॉस-सेक्शन चित्र 9 में दिखाया गया है।

चित्र.9. डिज़ाइन किए गए टोकामक रिएक्टर ITER का सामान्य दृश्य।

आईटीईआर में टोकामक रिएक्टर की सभी मुख्य विशेषताएं पहले से ही मौजूद होंगी। इसमें पूरी तरह से सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय प्रणाली, एक ठंडा कंबल और न्यूट्रॉन विकिरण से सुरक्षा, और स्थापना के लिए एक दूरस्थ रखरखाव प्रणाली होगी। यह माना जाता है कि 1 मेगावाट/मीटर 2 की शक्ति घनत्व के साथ न्यूट्रॉन प्रवाह और 0.3 मेगावाट × वर्ष/मीटर 2 का कुल प्रवाह पहली दीवार पर प्राप्त किया जाएगा, जो पुन: उत्पन्न करने में सक्षम सामग्रियों और कंबल मॉड्यूल के परमाणु प्रौद्योगिकी परीक्षणों की अनुमति देगा। ट्रिटियम.

टेबल तीन।
पहले प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर टोकामक रिएक्टर, आईटीईआर के बुनियादी पैरामीटर।

ITER को 2010-2011 में बनाने की योजना है। प्रायोगिक कार्यक्रम, जो इस प्रायोगिक रिएक्टर पर लगभग बीस वर्षों तक जारी रहेगा, 2030-2035 में निर्माण के लिए आवश्यक प्लाज्मा-भौतिक और परमाणु-तकनीकी डेटा प्राप्त करना संभव बना देगा। पहला प्रदर्शन रिएक्टर - टोकामक, जो पहले से ही बिजली का उत्पादन करेगा। आईटीईआर का मुख्य कार्य बिजली पैदा करने के लिए टोकामक रिएक्टर की व्यावहारिकता को प्रदर्शित करना होगा।

टोकामक के साथ, जो वर्तमान में नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन को लागू करने के लिए सबसे उन्नत प्रणाली है, अन्य चुंबकीय जाल भी हैं जो टोकामक के साथ सफलतापूर्वक प्रतिस्पर्धा करते हैं।

TOKAMAKs और STELLARATORS के अलावा, प्रयोग, हालांकि छोटे पैमाने पर, बंद चुंबकीय विन्यास के साथ कुछ अन्य प्रणालियों पर जारी हैं। उनमें से, फील्ड-रिवर्स्ड पिंच, स्फेरोमैक्स और कॉम्पैक्ट टोरी पर ध्यान दिया जाना चाहिए। फील्ड-रिवर्स्ड पिंच में अपेक्षाकृत कम टॉरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र होता है। SPHEROMAK या कॉम्पैक्ट टोरी में कोई टॉरॉयडल चुंबकीय प्रणाली नहीं होती है। तदनुसार, ये सभी प्रणालियाँ उच्च पैरामीटर मान के साथ प्लाज्मा बनाने की क्षमता का वादा करती हैं β और, इसलिए, भविष्य में डीएचई 3 या आरबी जैसी वैकल्पिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके कॉम्पैक्ट फ्यूजन रिएक्टर या रिएक्टर के निर्माण के लिए आकर्षक हो सकता है, जिसमें चुंबकीय ब्रेम्सस्ट्रालंग को कम करने के लिए कम क्षेत्र की आवश्यकता होती है। इन जालों में प्राप्त वर्तमान प्लाज्मा पैरामीटर अभी भी TOKAMAKS और STELLARATORS में प्राप्त की तुलना में काफी कम हैं।

पदार्थ के साथ लेज़र विकिरण की अंतःक्रिया के एक अध्ययन से पता चला है कि लेज़र विकिरण 2÷4 · 10 14 W/cm 2 की आवश्यक शक्ति घनत्व तक लक्ष्य शेल के वाष्पित होने वाले पदार्थ द्वारा अच्छी तरह से अवशोषित होता है। अवशोषण गुणांक 40÷80% तक पहुंच सकता है और विकिरण तरंग दैर्ध्य घटने के साथ बढ़ता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, यदि संपीड़न के दौरान ईंधन का बड़ा हिस्सा ठंडा रहता है तो एक बड़ी थर्मोन्यूक्लियर उपज प्राप्त की जा सकती है। ऐसा करने के लिए, यह आवश्यक है कि संपीड़न रुद्धोष्म हो, अर्थात। लक्ष्य को पहले से गर्म करने से बचना आवश्यक है, जो लेजर विकिरण द्वारा ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों, शॉक तरंगों या कठोर एक्स-रे की पीढ़ी के कारण हो सकता है। कई अध्ययनों से पता चला है कि इन अवांछित प्रभावों को विकिरण पल्स को प्रोफाइल करके, गोलियों को अनुकूलित करके और विकिरण तरंग दैर्ध्य को कम करके कम किया जा सकता है। कार्य से उधार लिया गया चित्र 16, समतल पर क्षेत्र की सीमाओं को दर्शाता है शक्ति घनत्व - तरंग दैर्ध्यलक्ष्य संपीड़न के लिए उपयुक्त लेजर।

चित्र 16. पैरामीटर विमान पर वह क्षेत्र जिसमें लेजर थर्मोन्यूक्लियर लक्ष्य (छायांकित) को संपीड़ित करने में सक्षम हैं।

लक्ष्य प्रज्वलन प्राप्त करने के लिए पर्याप्त लेजर मापदंडों वाला पहला लेजर इंस्टॉलेशन (एनआईएफ) 2002 में संयुक्त राज्य अमेरिका में बनाया जाएगा। इंस्टॉलेशन से लक्ष्य संपीड़न की भौतिकी का अध्ययन करना संभव हो जाएगा, जिसमें 1- के स्तर पर थर्मोन्यूक्लियर आउटपुट होगा। 20 एमजे और, तदनुसार, उच्च मान प्राप्त करने की अनुमति देगा Q>1.

यद्यपि लेज़र लक्ष्यों के संपीड़न और प्रज्वलन पर प्रयोगशाला अनुसंधान करना संभव बनाते हैं, लेकिन उनका नुकसान उनकी कम दक्षता है, जो कि, अब तक, 1-2% तक पहुंच गया है। इतनी कम दक्षता पर, लक्ष्य की थर्मोन्यूक्लियर उपज 10 3 से अधिक होनी चाहिए, जो एक बहुत मुश्किल काम है। इसके अलावा, ग्लास लेजर में पल्स रिपीटेबिलिटी कम होती है। लेज़रों को फ़्यूज़न पावर प्लांट के लिए रिएक्टर ड्राइवर के रूप में काम करने के लिए, उनकी लागत परिमाण के लगभग दो आदेशों से कम होनी चाहिए। इसलिए, लेजर तकनीक के विकास के समानांतर, शोधकर्ताओं ने अधिक कुशल ड्राइवरों - आयन बीम के विकास की ओर रुख किया।

आयन किरणें

वर्तमान में, दो प्रकार के आयन बीम पर विचार किया जा रहा है: प्रकाश आयनों के बीम, प्रकार ली, कई दसियों MeV की ऊर्जा के साथ, और भारी आयनों के बीम, प्रकार Pb, 10 GeV तक की ऊर्जा के साथ। यदि हम रिएक्टर अनुप्रयोगों के बारे में बात करते हैं, तो दोनों ही मामलों में लगभग 10 एनएस के समय में कई मिलीमीटर के त्रिज्या वाले लक्ष्य को कई एमजे की ऊर्जा की आपूर्ति करना आवश्यक है। यह न केवल बीम पर ध्यान केंद्रित करने के लिए आवश्यक है, बल्कि इसे रिएक्टर कक्ष में त्वरक आउटपुट से लक्ष्य तक लगभग कई मीटर की दूरी पर संचालित करने में सक्षम होने के लिए भी आवश्यक है, जो कि कण बीम के लिए बिल्कुल भी आसान काम नहीं है।

कई दसियों MeV की ऊर्जा वाले प्रकाश आयनों की किरणें अपेक्षाकृत उच्च दक्षता के साथ बनाई जा सकती हैं। डायोड पर लागू पल्स वोल्टेज का उपयोग करना। आधुनिक स्पंदित तकनीक लक्ष्यों को संपीड़ित करने के लिए आवश्यक शक्तियाँ प्राप्त करना संभव बनाती है, और इसलिए प्रकाश आयन किरणें ड्राइवर के लिए सबसे सस्ता उम्मीदवार हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका में सैंडीवुड नेशनल लेबोरेटरी में पीबीएफए-11 सुविधा में कई वर्षों से प्रकाश आयनों के साथ प्रयोग किए जा रहे हैं। सेटअप 3.5 एमए की चरम धारा और लगभग 1 एमजे की कुल ऊर्जा के साथ 30 एमईवी ली आयनों की छोटी (15 एनएस) दालें बनाना संभव बनाता है। अंदर एक लक्ष्य के साथ बड़े-जेड सामग्री से बना एक आवरण गोलाकार सममित डायोड के केंद्र में रखा गया था, जिससे बड़ी संख्या में रेडियल रूप से निर्देशित आयन बीम के उत्पादन की अनुमति मिली। आयन ऊर्जा को लक्ष्य और आवरण के बीच होहलरम आवरण और छिद्रपूर्ण भराव में अवशोषित किया गया था और नरम एक्स-रे में परिवर्तित किया गया था जिसने लक्ष्य को संपीड़ित किया था।

लक्ष्य को संपीड़ित करने और प्रज्वलित करने के लिए आवश्यक 5 × 10 13 W/cm 2 से अधिक की शक्ति घनत्व प्राप्त करने की उम्मीद थी। हालाँकि, प्राप्त शक्ति घनत्व लगभग अपेक्षा से कम परिमाण का एक क्रम था। चालक के रूप में प्रकाश आयनों का उपयोग करने वाले रिएक्टर को लक्ष्य के निकट उच्च कण घनत्व वाले तेज कणों के विशाल प्रवाह की आवश्यकता होती है। ऐसे बीमों को मिलीमीटर लक्ष्यों पर केंद्रित करना अत्यधिक जटिलता का कार्य है। इसके अलावा, दहन कक्ष में अवशिष्ट गैस में प्रकाश आयनों को स्पष्ट रूप से बाधित किया जाएगा।

भारी आयनों और उच्च कण ऊर्जाओं में संक्रमण से इन समस्याओं को महत्वपूर्ण रूप से कम करना संभव हो जाता है और, विशेष रूप से, कण वर्तमान घनत्व को कम करना और इस प्रकार, कण फोकसिंग की समस्या को कम करना संभव हो जाता है। हालाँकि, आवश्यक 10 GeV कण प्राप्त करने के लिए, कण संचायक और अन्य जटिल त्वरक उपकरणों के साथ विशाल त्वरक की आवश्यकता होती है। आइए मान लें कि कुल बीम ऊर्जा 3 एमजे है, पल्स समय 10 एनएस है, और जिस क्षेत्र पर बीम को केंद्रित किया जाना चाहिए वह 3 मिमी की त्रिज्या वाला एक वृत्त है। लक्ष्य संपीड़न के लिए काल्पनिक ड्राइवरों के तुलनात्मक पैरामीटर तालिका 6 में दिए गए हैं।

तालिका 6.
हल्के और भारी आयनों पर चालकों की तुलनात्मक विशेषताएँ।

*)- लक्ष्य क्षेत्र में

भारी आयनों की किरणों के साथ-साथ हल्के आयनों के लिए होहलरम के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिसमें आयनों की ऊर्जा को एक्स-रे विकिरण में परिवर्तित किया जाता है, जो समान रूप से लक्ष्य को विकिरणित करता है। भारी आयन किरण के लिए होहलराम का डिज़ाइन लेजर विकिरण के लिए होहलराम से थोड़ा ही भिन्न होता है। अंतर यह है कि बीमों को छेद की आवश्यकता नहीं होती है जिसके माध्यम से लेजर किरणें होहलरम में प्रवेश करती हैं। इसलिए, बीम के मामले में, विशेष कण अवशोषक का उपयोग किया जाता है, जो उनकी ऊर्जा को एक्स-रे विकिरण में परिवर्तित करता है। एक संभावित विकल्प चित्र 14बी में दिखाया गया है। यह पता चला है कि ऊर्जा और आयनों में वृद्धि और उस क्षेत्र के आकार में वृद्धि के साथ रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है जिस पर बीम केंद्रित है। इसलिए, ऊर्जा और कणों को 10 GeV से ऊपर बढ़ाना अव्यावहारिक है।

वर्तमान में, यूरोप और संयुक्त राज्य अमेरिका दोनों में, भारी आयन बीम पर आधारित ड्राइवरों के विकास पर मुख्य प्रयासों पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया गया है। उम्मीद है कि ये ड्राइवर 2010-2020 तक विकसित हो जाएंगे और सफल होने पर, अगली पीढ़ी के एनआईएफ इंस्टॉलेशन में लेजर की जगह ले लेंगे। अभी तक, जड़त्वीय संलयन के लिए आवश्यक त्वरक मौजूद नहीं हैं। उनके निर्माण में मुख्य कठिनाई कण प्रवाह घनत्व को उस स्तर तक बढ़ाने की आवश्यकता से जुड़ी है जिस पर आयनों का स्थानिक चार्ज घनत्व पहले से ही कणों की गतिशीलता और फोकसिंग को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। अंतरिक्ष आवेश के प्रभाव को कम करने के लिए, बड़ी संख्या में समानांतर बीम बनाने का प्रस्ताव है, जो रिएक्टर कक्ष में जुड़े होंगे और लक्ष्य की ओर निर्देशित होंगे। एक रैखिक त्वरक का विशिष्ट आकार कई किलोमीटर होता है।

रिएक्टर कक्ष में कई मीटर की दूरी पर आयन बीम का संचालन करना और उन्हें कई मिलीमीटर आकार के क्षेत्र पर केंद्रित करना कैसा माना जाता है? एक संभावित योजना बीम का स्व-फ़ोकसिंग है, जो कम दबाव वाली गैस में हो सकती है। बीम गैस के आयनीकरण और प्लाज्मा के माध्यम से प्रवाहित होने वाली क्षतिपूर्ति काउंटर विद्युत धारा का कारण बनेगी। अज़ीमुथल चुंबकीय क्षेत्र, जो परिणामी धारा (बीम धारा और रिवर्स प्लाज्मा धारा के बीच का अंतर) द्वारा निर्मित होता है, किरण के रेडियल संपीड़न और उसके फोकस को बढ़ावा देगा। संख्यात्मक मॉडलिंग से पता चलता है कि, सिद्धांत रूप में, ऐसी योजना संभव है यदि गैस का दबाव 1-100 टोर की वांछित सीमा में बनाए रखा जाता है।

और यद्यपि भारी आयन किरणें एक संलयन रिएक्टर के लिए एक प्रभावी ड्राइवर बनाने की संभावना प्रदान करती हैं, फिर भी उन्हें भारी तकनीकी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जिन्हें लक्ष्य प्राप्त करने से पहले अभी भी दूर करने की आवश्यकता है। थर्मोन्यूक्लियर अनुप्रयोगों के लिए, एक त्वरक की आवश्यकता होती है जो कई दसियों अंतरिक्ष यान की चरम धारा और लगभग 15 मेगावाट की औसत शक्ति के साथ 10 GeV आयनों का एक बीम बनाएगा। ऐसे त्वरक की चुंबकीय प्रणाली की मात्रा टोकामक रिएक्टर की चुंबकीय प्रणाली की मात्रा के बराबर है और इसलिए, कोई उम्मीद कर सकता है कि उनकी लागत उसी क्रम की होगी।

पल्स रिएक्टर चैम्बर

चुंबकीय संलयन रिएक्टर के विपरीत, जहां उच्च वैक्यूम और प्लाज्मा शुद्धता की आवश्यकता होती है, ऐसी आवश्यकताएं स्पंदित रिएक्टर के कक्ष पर नहीं लगाई जाती हैं। स्पंदित रिएक्टर बनाने में मुख्य तकनीकी कठिनाइयाँ ड्राइवर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में हैं, सटीक लक्ष्यों और प्रणालियों का निर्माण जो कक्ष में लक्ष्य की स्थिति को खिलाना और नियंत्रित करना संभव बनाता है। पल्स रिएक्टर कक्ष का डिज़ाइन अपेक्षाकृत सरल है। अधिकांश परियोजनाओं में खुले शीतलक द्वारा बनाई गई तरल दीवार का उपयोग शामिल होता है। उदाहरण के लिए, HYLIFE-11 रिएक्टर डिज़ाइन पिघले हुए नमक Li 2 BeF 4 का उपयोग करता है, एक तरल पर्दा जिससे उस क्षेत्र को घेर लिया जाता है जहां लक्ष्य पहुंचते हैं। तरल दीवार न्यूट्रॉन विकिरण को अवशोषित कर लेगी और लक्ष्य के अवशेषों को धो देगी। यह सूक्ष्म विस्फोटों के दबाव को भी कम करता है और इसे कक्ष की मुख्य दीवार पर समान रूप से स्थानांतरित करता है। कक्ष का विशिष्ट बाहरी व्यास लगभग 8 मीटर है, इसकी ऊंचाई लगभग 20 मीटर है।

शीतलक तरल की कुल प्रवाह दर लगभग 50 मीटर 3/सेकेंड होने का अनुमान है, जो काफी प्राप्त करने योग्य है। यह माना जाता है कि मुख्य, स्थिर प्रवाह के अलावा, कक्ष में एक स्पंदित तरल शटर बनाया जाएगा, जो भारी आयनों की किरण को संचारित करने के लिए लगभग 5 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ लक्ष्य की आपूर्ति के साथ सिंक्रनाइज़ खुलेगा।

लक्ष्य फीडिंग की आवश्यक सटीकता मिलीमीटर का अंश है। यह स्पष्ट है कि एक कक्ष में इतनी सटीकता के साथ कई मीटर की दूरी पर एक लक्ष्य को निष्क्रिय रूप से पहुंचाना जिसमें पिछले लक्ष्यों के विस्फोटों के कारण अशांत गैस प्रवाहित होगा, एक व्यावहारिक रूप से असंभव कार्य है। इसलिए, रिएक्टर को एक नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होगी जो लक्ष्य की स्थिति को ट्रैक करने और बीम को गतिशील रूप से केंद्रित करने की अनुमति देती है। सिद्धांत रूप में, ऐसा कार्य संभव है, लेकिन यह रिएक्टर नियंत्रण को काफी जटिल बना सकता है।

"लॉकहीड मार्टिन ने एक कॉम्पैक्ट थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर विकसित करना शुरू कर दिया है... कंपनी की वेबसाइट का कहना है कि पहला प्रोटोटाइप एक साल के भीतर बनाया जाएगा। अगर यह सच साबित हुआ, तो एक साल में हम पूरी तरह से अलग दुनिया में रहेंगे," यह "द अटारी" में से एक की शुरुआत है। इसके प्रकाशन को तीन साल बीत चुके हैं, और तब से दुनिया उतनी नहीं बदली है।

आज, परमाणु ऊर्जा संयंत्र रिएक्टरों में भारी नाभिक के क्षय से ऊर्जा उत्पन्न होती है। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों में, ऊर्जा नाभिक के संलयन की प्रक्रिया के दौरान प्राप्त की जाती है, जिसके दौरान मूल द्रव्यमान के योग से कम द्रव्यमान के नाभिक बनते हैं, और "अवशेष" ऊर्जा के रूप में खो जाते हैं। परमाणु रिएक्टरों से निकलने वाला कचरा रेडियोधर्मी होता है और इसका सुरक्षित निपटान एक बड़ा सिरदर्द है। फ़्यूज़न रिएक्टरों में यह खामी नहीं होती है, और वे हाइड्रोजन जैसे व्यापक रूप से उपलब्ध ईंधन का भी उपयोग करते हैं।

उनकी केवल एक बड़ी समस्या है - औद्योगिक डिज़ाइन अभी तक मौजूद नहीं हैं। कार्य आसान नहीं है: थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के लिए, ईंधन को संपीड़ित किया जाना चाहिए और सैकड़ों लाखों डिग्री तक गर्म किया जाना चाहिए - सूर्य की सतह की तुलना में अधिक गर्म (जहां थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं स्वाभाविक रूप से होती हैं)। इतना उच्च तापमान प्राप्त करना कठिन है, लेकिन यह संभव है, लेकिन ऐसा रिएक्टर उत्पादन से अधिक ऊर्जा की खपत करता है।

हालाँकि, उनके पास अभी भी इतने सारे संभावित लाभ हैं कि, निश्चित रूप से, न केवल लॉकहीड मार्टिन विकास में शामिल है।

आईटीईआर

आईटीईआर इस क्षेत्र की सबसे बड़ी परियोजना है। इसमें यूरोपीय संघ, भारत, चीन, कोरिया, रूस, अमेरिका और जापान शामिल हैं, और रिएक्टर स्वयं 2007 से फ्रांसीसी क्षेत्र पर बनाया गया है, हालांकि इसका इतिहास अतीत में बहुत गहरा है: रीगन और गोर्बाचेव इसके निर्माण पर सहमत हुए 1985. रिएक्टर एक टोरॉयडल कक्ष, एक "डोनट" है, जिसमें प्लाज्मा चुंबकीय क्षेत्र द्वारा रखा जाता है, यही कारण है कि इसे टोकामक कहा जाता है - वह roidal काके साथ मापें एमएसड़ा हुआ को atushki. रिएक्टर हाइड्रोजन आइसोटोप - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के संलयन के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करेगा।

यह योजना बनाई गई है कि आईटीईआर को खपत से 10 गुना अधिक ऊर्जा प्राप्त होगी, लेकिन यह जल्द ही नहीं होगा। शुरुआत में यह योजना बनाई गई थी कि रिएक्टर 2020 में प्रायोगिक मोड में काम करना शुरू कर देगा, लेकिन फिर इस तारीख को 2025 तक के लिए टाल दिया गया। साथ ही, औद्योगिक ऊर्जा उत्पादन 2060 से पहले शुरू नहीं होगा, और हम केवल 21वीं सदी के अंत में ही इस तकनीक के प्रसार की उम्मीद कर सकते हैं।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स

वेंडेलस्टीन 7-एक्स सबसे बड़ा तारकीय-प्रकार का संलयन रिएक्टर है। तारकीय यंत्र उस समस्या को हल करता है जो टोकामक्स को परेशान करती है - टोरस के केंद्र से इसकी दीवारों तक प्लाज्मा का "प्रसार"। चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति के कारण टोकामक जिस चीज से निपटने की कोशिश करता है, तारकीय यंत्र अपने जटिल आकार के कारण उसे हल कर देता है: प्लाज्मा को धारण करने वाला चुंबकीय क्षेत्र आवेशित कणों की प्रगति को रोकने के लिए झुक जाता है।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स, जैसा कि इसके रचनाकारों को उम्मीद है, 21 में आधे घंटे तक काम करने में सक्षम होगा, जो समान डिजाइन के थर्मोन्यूक्लियर स्टेशनों के विचार को "जीवन का टिकट" देगा।

राष्ट्रीय इग्निशन सुविधा

एक अन्य प्रकार का रिएक्टर ईंधन को संपीड़ित और गर्म करने के लिए शक्तिशाली लेजर का उपयोग करता है। अफसोस, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के उत्पादन के लिए सबसे बड़ा लेजर इंस्टॉलेशन, अमेरिकी एनआईएफ, खपत से अधिक ऊर्जा का उत्पादन करने में असमर्थ था।

इन सभी परियोजनाओं में से कौन सी परियोजना वास्तव में शुरू होगी और किसका एनआईएफ जैसा ही हश्र होगा, इसकी भविष्यवाणी करना मुश्किल है। हम बस इंतजार कर सकते हैं, आशा कर सकते हैं और समाचार का अनुसरण कर सकते हैं: 2020 परमाणु ऊर्जा के लिए एक दिलचस्प समय होने का वादा करता है।

"परमाणु प्रौद्योगिकी" स्कूली बच्चों के लिए एनटीआई ओलंपियाड के प्रोफाइल में से एक है।