आधुनिक खगोलभौतिकी अवधारणाओं के अनुसार सूर्य तथा अन्य तारों की ऊर्जा का मुख्य स्रोत उनकी गहराई में होने वाला थर्मोन्यूक्लियर संलयन है। स्थलीय परिस्थितियों में, यह हाइड्रोजन बम के विस्फोट के दौरान किया जाता है। थर्मोन्यूक्लियर संलयन के साथ प्रतिक्रियाशील पदार्थों के प्रति यूनिट द्रव्यमान में भारी ऊर्जा रिलीज होती है (रासायनिक प्रतिक्रियाओं की तुलना में लगभग 10 मिलियन गुना अधिक)। इसलिए, इस प्रक्रिया में महारत हासिल करना और ऊर्जा का एक सस्ता और पर्यावरण के अनुकूल स्रोत बनाने के लिए इसका उपयोग करना बहुत दिलचस्प है। हालाँकि, इस तथ्य के बावजूद कि कई विकसित देशों में बड़ी वैज्ञानिक और तकनीकी टीमें नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (सीटीएफ) के अनुसंधान में लगी हुई हैं, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के औद्योगिक उत्पादन को वास्तविकता बनने से पहले अभी भी कई जटिल समस्याओं को हल करने की आवश्यकता है।

विखंडन प्रक्रिया का उपयोग करने वाले आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र केवल आंशिक रूप से दुनिया की बिजली की जरूरतों को पूरा करते हैं। उनके लिए ईंधन प्राकृतिक रेडियोधर्मी तत्व यूरेनियम और थोरियम हैं, जिनकी प्रकृति में प्रचुरता और भंडार बहुत सीमित हैं; इसलिए, कई देशों को इन्हें आयात करने की समस्या का सामना करना पड़ता है। थर्मोन्यूक्लियर ईंधन का मुख्य घटक हाइड्रोजन आइसोटोप ड्यूटेरियम है, जो समुद्र के पानी में पाया जाता है। इसके भंडार सार्वजनिक रूप से उपलब्ध हैं और बहुत बड़े हैं (दुनिया के महासागर पृथ्वी के सतह क्षेत्र का ~71% कवर करते हैं, और पानी बनाने वाले हाइड्रोजन परमाणुओं की कुल संख्या का लगभग 0.016% ड्यूटेरियम से आता है)। ईंधन की उपलब्धता के अलावा, थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा स्रोतों के परमाणु ऊर्जा संयंत्रों पर निम्नलिखित महत्वपूर्ण फायदे हैं: 1) यूटीएस रिएक्टर में परमाणु विखंडन रिएक्टर की तुलना में बहुत कम रेडियोधर्मी सामग्री होती है, और इसलिए रेडियोधर्मी उत्पादों की आकस्मिक रिहाई के परिणाम कम होते हैं खतरनाक; 2) थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं कम लंबे समय तक जीवित रहने वाले रेडियोधर्मी कचरे का उत्पादन करती हैं; 3) टीसीबी बिजली की सीधी प्राप्ति की अनुमति देता है।

परमाणु संलयन की भौतिक मूल बातें

संलयन प्रतिक्रिया का सफल कार्यान्वयन उपयोग किए गए परमाणु नाभिक के गुणों और घने उच्च तापमान वाले प्लाज्मा को प्राप्त करने की क्षमता पर निर्भर करता है, जो प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक है।

परमाणु बल और प्रतिक्रियाएँ।

परमाणु संलयन के दौरान ऊर्जा का विमोचन नाभिक के अंदर कार्य करने वाली अत्यंत तीव्र आकर्षक शक्तियों के कारण होता है; ये बल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ रखते हैं जो नाभिक बनाते हैं। वे ~10-13 सेमी की दूरी पर बहुत तीव्र होते हैं और बढ़ती दूरी के साथ बहुत जल्दी कमजोर हो जाते हैं। इन बलों के अलावा, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकारक बल बनाते हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों की सीमा परमाणु बलों की तुलना में बहुत अधिक है, इसलिए जब नाभिक एक दूसरे से दूर हो जाते हैं तो वे हावी होने लगते हैं।

जैसा कि जी. गामो ने दिखाया, दो निकटवर्ती प्रकाश नाभिकों के बीच प्रतिक्रिया की संभावना आनुपातिक है, जहां इ – प्राकृतिक लघुगणक का आधार, जेड 1 और जेड 2 - परस्पर क्रिया करने वाले नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या, डब्ल्यूउनके सापेक्ष दृष्टिकोण की ऊर्जा है, और क– स्थिर गुणक. किसी प्रतिक्रिया को पूरा करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रत्येक नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या पर निर्भर करती है। यदि यह तीन से अधिक है, तो यह ऊर्जा बहुत अधिक है और प्रतिक्रिया व्यावहारिक रूप से असंभव है। इस प्रकार, वृद्धि के साथ जेड 1 और जेड 2 प्रतिक्रिया की संभावना कम हो जाती है।

दो नाभिकों के परस्पर क्रिया करने की संभावना को "प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन" द्वारा दर्शाया जाता है, जिसे खलिहानों में मापा जाता है (1 बी = 10 -24 सेमी 2)। प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन एक नाभिक का प्रभावी क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र है जिसमें उनकी बातचीत होने के लिए दूसरे नाभिक को "गिरना" चाहिए। ट्रिटियम के साथ ड्यूटेरियम की प्रतिक्रिया के लिए क्रॉस सेक्शन अपने अधिकतम मूल्य (~5 बी) तक पहुंच जाता है जब परस्पर क्रिया करने वाले कणों की सापेक्ष दृष्टिकोण ऊर्जा 200 केवी के क्रम की होती है। 20 केवी की ऊर्जा पर, क्रॉस सेक्शन 0.1 बी से कम हो जाता है।

लक्ष्य से टकराने वाले दस लाख त्वरित कणों में से एक से अधिक परमाणु संपर्क में प्रवेश नहीं करता है। बाकी अपनी ऊर्जा को लक्ष्य परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों पर खर्च करते हैं और गति को धीमा कर देते हैं जिससे प्रतिक्रिया असंभव हो जाती है। नतीजतन, त्वरित नाभिक के साथ एक ठोस लक्ष्य पर बमबारी करने की विधि (जैसा कि कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन प्रयोग में मामला था) नियंत्रित संलयन के लिए अनुपयुक्त है, क्योंकि इस मामले में प्राप्त ऊर्जा खर्च की गई ऊर्जा से बहुत कम है।

संलयन ईंधन.

प्रतिक्रियाएँ सम्मिलित हैं पी, जो सूर्य और अन्य सजातीय सितारों पर परमाणु संलयन की प्रक्रियाओं में एक प्रमुख भूमिका निभाते हैं, स्थलीय परिस्थितियों में व्यावहारिक रुचि के नहीं हैं क्योंकि उनका क्रॉस-सेक्शन बहुत छोटा है। पृथ्वी पर थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लिए, जैसा कि ऊपर बताया गया है, एक अधिक उपयुक्त प्रकार का ईंधन ड्यूटेरियम है।

लेकिन सबसे संभावित प्रतिक्रिया ड्यूटेरियम और ट्रिटियम (डीटी मिश्रण) के बराबर मिश्रण में होती है। दुर्भाग्य से, ट्रिटियम रेडियोधर्मी है और, इसके छोटे आधे जीवन (टी 1/2 ~ 12.3 वर्ष) के कारण, व्यावहारिक रूप से प्रकृति में नहीं पाया जाता है। इसका उत्पादन विखंडन रिएक्टरों में कृत्रिम रूप से किया जाता है, और ड्यूटेरियम के साथ प्रतिक्रियाओं में उप-उत्पाद के रूप में भी किया जाता है। हालाँकि, प्रकृति में ट्रिटियम की अनुपस्थिति डीटी संलयन प्रतिक्रिया के उपयोग में कोई बाधा नहीं है संश्लेषण के दौरान उत्पन्न न्यूट्रॉन के साथ 6 ली आइसोटोप को विकिरणित करके ट्रिटियम का उत्पादन किया जा सकता है: एन+ 6 ली ® 4 हे + टी.

यदि आप थर्मोन्यूक्लियर चैम्बर को 6 ली (प्राकृतिक लिथियम में 7% होता है) की परत से घेरते हैं, तो आप उपभोज्य ट्रिटियम को पूरी तरह से पुन: उत्पन्न कर सकते हैं। और यद्यपि व्यवहार में कुछ न्यूट्रॉन अनिवार्य रूप से खो जाते हैं, उनके नुकसान की भरपाई शेल में बेरिलियम जैसे तत्व को पेश करके आसानी से की जा सकती है, जिसका नाभिक, जब एक तेज न्यूट्रॉन इससे टकराता है, तो दो उत्सर्जित करता है।

थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर का संचालन सिद्धांत।

प्रकाश नाभिक की संलयन प्रतिक्रिया, जिसका उद्देश्य उपयोगी ऊर्जा प्राप्त करना है, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन कहलाती है। यह सैकड़ों लाखों केल्विन के क्रम के तापमान पर किया जाता है। यह प्रक्रिया अभी तक केवल प्रयोगशालाओं में ही लागू की गई है।

समय और तापमान की स्थिति.

उपयोगी थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा प्राप्त करना तभी संभव है जब दो शर्तें पूरी हों। सबसे पहले, संश्लेषण के लिए इच्छित मिश्रण को ऐसे तापमान पर गर्म किया जाना चाहिए जिस पर नाभिक की गतिज ऊर्जा टकराव पर उनके संलयन की उच्च संभावना प्रदान करती है। दूसरे, प्रतिक्रिया करने वाले मिश्रण को बहुत अच्छी तरह से थर्मल रूप से इन्सुलेट किया जाना चाहिए (यानी, प्रतिक्रियाओं की आवश्यक संख्या होने के लिए उच्च तापमान को पर्याप्त समय तक बनाए रखा जाना चाहिए और इसके कारण जारी ऊर्जा ईंधन को गर्म करने पर खर्च की गई ऊर्जा से अधिक होनी चाहिए)।

मात्रात्मक रूप में इस स्थिति को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है। थर्मोन्यूक्लियर मिश्रण को गर्म करने के लिए उसके आयतन के एक घन सेंटीमीटर को ऊर्जा देनी होगी पी 1 = knT, कहाँ क– संख्यात्मक गुणांक, एन– मिश्रण का घनत्व (प्रति 1 सेमी3 गुठली की संख्या), टी– आवश्यक तापमान. प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए, थर्मोन्यूक्लियर मिश्रण को प्रदान की गई ऊर्जा को समय t तक बनाए रखा जाना चाहिए। किसी रिएक्टर के ऊर्जावान रूप से लाभदायक होने के लिए, यह आवश्यक है कि इस दौरान उसमें हीटिंग पर खर्च की गई तुलना में अधिक थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा जारी की जाए। जारी ऊर्जा (प्रति 1 सेमी3 भी) इस प्रकार व्यक्त की जाती है:

कहाँ एफ(टी) - मिश्रण के तापमान और उसकी संरचना के आधार पर गुणांक, आर- संश्लेषण की एक प्रारंभिक क्रिया में ऊर्जा जारी होती है। फिर ऊर्जा लाभप्रदता की स्थिति पी 2 > पी 1 फॉर्म लेगा

अंतिम असमानता, जिसे लॉसन मानदंड के रूप में जाना जाता है, सही थर्मल इन्सुलेशन के लिए आवश्यकताओं की एक मात्रात्मक अभिव्यक्ति है। दाहिना पक्ष - "लॉसन नंबर" - केवल मिश्रण के तापमान और संरचना पर निर्भर करता है, और यह जितना अधिक होगा, थर्मल इन्सुलेशन के लिए आवश्यकताएं उतनी ही कठोर होंगी, अर्थात। रिएक्टर बनाना उतना ही कठिन है। स्वीकार्य तापमान के क्षेत्र में, शुद्ध ड्यूटेरियम के लिए लॉसन संख्या 10 16 s/cm 3 है, और समान-घटक DT मिश्रण के लिए - 2×10 14 s/cm 3 है। इस प्रकार, डीटी मिश्रण पसंदीदा संलयन ईंधन है।

लॉसन के मानदंड के अनुसार, जो घनत्व और कारावास समय के उत्पाद के ऊर्जावान रूप से अनुकूल मूल्य को निर्धारित करता है, एक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर को जितना संभव हो उतना बड़ा उपयोग करना चाहिए एनया टी. इसलिए, नियंत्रित संलयन पर अनुसंधान दो अलग-अलग दिशाओं में विभाजित हो गया है: पहले में, शोधकर्ताओं ने पर्याप्त लंबे समय तक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके अपेक्षाकृत दुर्लभ प्लाज्मा को शामिल करने का प्रयास किया; दूसरे में, थोड़े समय के लिए बहुत अधिक घनत्व वाला प्लाज्मा बनाने के लिए लेजर का उपयोग किया जाता है। दूसरे की तुलना में पहले दृष्टिकोण पर बहुत अधिक काम किया गया है।

चुंबकीय प्लाज्मा कारावास.

संलयन प्रतिक्रिया के दौरान, गर्म अभिकर्मक का घनत्व एक ऐसे स्तर पर रहना चाहिए जो प्रति यूनिट मात्रा में उपयोगी ऊर्जा की पर्याप्त उच्च उपज प्रदान करेगा जो कि प्लाज्मा कक्ष झेल सकता है। उदाहरण के लिए, 10 8 K के तापमान पर ड्यूटेरियम-ट्रिटियम मिश्रण के लिए, उपज अभिव्यक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है

अगर हम स्वीकार करें पी 100 W/cm 3 के बराबर (जो लगभग परमाणु विखंडन रिएक्टरों में ईंधन तत्वों द्वारा जारी ऊर्जा से मेल खाती है), तो घनत्व एनलगभग होना चाहिए. 10 15 नाभिक/सेमी 3, और संगत दबाव एन.टी- लगभग 3 एमपीए। इस मामले में, लॉसन मानदंड के अनुसार, अवधारण समय कम से कम 0.1 सेकेंड होना चाहिए। 10 9 K के तापमान पर ड्यूटेरियम-ड्यूटेरियम प्लाज्मा के लिए

इस मामले में, जब पी= 100 डब्ल्यू/सेमी 3, एन»3Х10 15 नाभिक/सेमी 3 और लगभग 100 एमपीए का दबाव, आवश्यक अवधारण समय 1 एस से अधिक होगा। ध्यान दें कि ये घनत्व वायुमंडलीय वायु के घनत्व का केवल 0.0001 है, इसलिए रिएक्टर कक्ष को उच्च निर्वात में खाली किया जाना चाहिए।

कारावास समय, तापमान और घनत्व के उपरोक्त अनुमान एक संलयन रिएक्टर के संचालन के लिए आवश्यक विशिष्ट न्यूनतम पैरामीटर हैं, और ड्यूटेरियम-ट्रिटियम मिश्रण के मामले में अधिक आसानी से प्राप्त किए जाते हैं। हाइड्रोजन बम के विस्फोट के दौरान और तारों की गहराई में होने वाली थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के लिए, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि, पूरी तरह से अलग स्थितियों के कारण, पहले मामले में वे बहुत तेज़ी से आगे बढ़ते हैं, और दूसरे में - तुलना में बेहद धीमी गति से आगे बढ़ते हैं। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर में प्रक्रियाओं के लिए।

प्लाज्मा.

जब किसी गैस को जोर से गर्म किया जाता है, तो उसके परमाणु अपने कुछ या सभी इलेक्ट्रॉन खो देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सकारात्मक रूप से आवेशित कणों का निर्माण होता है जिन्हें आयन और मुक्त इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। दस लाख डिग्री से ऊपर के तापमान पर, प्रकाश तत्वों से युक्त गैस पूरी तरह से आयनित हो जाती है, अर्थात। इसका प्रत्येक परमाणु अपने सभी इलेक्ट्रॉन खो देता है। आयनित अवस्था में गैस को प्लाज्मा कहा जाता है (यह शब्द आई. लैंगमुइर द्वारा प्रस्तुत किया गया था)। प्लाज्मा के गुण तटस्थ गैस के गुणों से काफी भिन्न होते हैं। चूँकि प्लाज्मा में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, प्लाज्मा बहुत अच्छी तरह से बिजली का संचालन करता है, और इसकी चालकता आनुपातिक होती है टी 3/2. प्लाज्मा में विद्युत धारा प्रवाहित करके उसे गर्म किया जा सकता है। 10 8 K पर हाइड्रोजन प्लाज्मा की चालकता कमरे के तापमान पर तांबे के समान होती है। प्लाज्मा की तापीय चालकता भी बहुत अधिक होती है।

उदाहरण के लिए, प्लाज्मा को 10 8 K के तापमान पर रखने के लिए, इसे विश्वसनीय रूप से थर्मल रूप से इन्सुलेट किया जाना चाहिए। सिद्धांत रूप में, प्लाज्मा को एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में रखकर कक्ष की दीवारों से अलग किया जा सकता है। यह उन बलों द्वारा सुनिश्चित किया जाता है जो तब उत्पन्न होते हैं जब धाराएं प्लाज्मा में चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करती हैं।

चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में, आयन और इलेक्ट्रॉन इसकी क्षेत्र रेखाओं के साथ सर्पिल में चलते हैं। कण टकराव के दौरान और जब एक अनुप्रस्थ विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो एक क्षेत्र रेखा से दूसरे में संक्रमण संभव होता है। विद्युत क्षेत्रों की अनुपस्थिति में, उच्च तापमान वाले दुर्लभ प्लाज्मा, जिसमें टकराव दुर्लभ होते हैं, केवल चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं में धीरे-धीरे फैलेंगे। यदि चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को एक लूप का आकार देकर बंद कर दिया जाए, तो प्लाज्मा कण लूप क्षेत्र में रहकर इन रेखाओं के साथ आगे बढ़ेंगे। प्लाज्मा परिरोध के लिए ऐसे बंद चुंबकीय विन्यास के अलावा, खुली प्रणालियाँ (कक्ष के सिरों से बाहर की ओर फैली हुई क्षेत्र रेखाओं के साथ) प्रस्तावित की गई हैं, जिसमें कणों की गति को सीमित करने वाले चुंबकीय "प्लग" के कारण कण कक्ष के अंदर रहते हैं। कक्ष के सिरों पर चुंबकीय प्लग बनाए जाते हैं, जहां क्षेत्र की ताकत में क्रमिक वृद्धि के परिणामस्वरूप, क्षेत्र रेखाओं की एक संकीर्ण किरण बनती है।

व्यवहार में, पर्याप्त उच्च घनत्व वाले प्लाज्मा का चुंबकीय परिरोध आसान नहीं साबित हुआ है: मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक और गतिज अस्थिरताएं अक्सर इसमें उत्पन्न होती हैं।

मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक अस्थिरताएं चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के मोड़ और मोड़ से जुड़ी होती हैं। इस मामले में, प्लाज्मा गुच्छों के रूप में चुंबकीय क्षेत्र में घूमना शुरू कर सकता है, एक सेकंड के कुछ मिलियनवें हिस्से में यह कारावास क्षेत्र को छोड़ देगा और कक्ष की दीवारों को गर्मी छोड़ देगा। चुंबकीय क्षेत्र को एक निश्चित विन्यास देकर ऐसी अस्थिरताओं को दबाया जा सकता है।

गतिज अस्थिरताएँ बहुत विविध हैं और उनका अध्ययन कम विस्तार से किया गया है। उनमें से वे हैं जो आदेशित प्रक्रियाओं को बाधित करते हैं, जैसे, उदाहरण के लिए, प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह का प्रवाह या प्लाज्मा के माध्यम से कणों की धारा। अन्य गतिज अस्थिरताएं शांत प्लाज्मा के लिए टकराव सिद्धांत की भविष्यवाणी की तुलना में चुंबकीय क्षेत्र में प्लाज्मा के अनुप्रस्थ प्रसार की उच्च दर का कारण बनती हैं।

बंद चुंबकीय विन्यास वाले सिस्टम।

यदि किसी आयनित संवाहक गैस पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो इसमें एक डिस्चार्ज करंट दिखाई देगा, साथ ही इसके चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र दिखाई देगा। धारा के साथ चुंबकीय क्षेत्र की अंतःक्रिया से आवेशित गैस कणों पर कार्य करने वाले संपीड़ित बलों की उपस्थिति होगी। यदि प्रवाहकीय प्लाज्मा कॉर्ड की धुरी के साथ धारा प्रवाहित होती है, तो परिणामी रेडियल बल, रबर बैंड की तरह, कॉर्ड को संपीड़ित करते हैं, जिससे प्लाज्मा सीमा उस कक्ष की दीवारों से दूर चली जाती है। यह घटना, सैद्धांतिक रूप से 1934 में डब्ल्यू. बेनेट द्वारा भविष्यवाणी की गई थी और पहली बार 1951 में ए. वेयर द्वारा प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित की गई थी, इसे पिंच प्रभाव कहा जाता है। प्लाज्मा को समाहित करने के लिए पिंच विधि का उपयोग किया जाता है; इसकी उल्लेखनीय विशेषता यह है कि गैस को विद्युत धारा (ओमिक हीटिंग) द्वारा ही उच्च तापमान तक गर्म किया जाता है। विधि की मौलिक सरलता के कारण गर्म प्लाज्मा को शामिल करने के पहले प्रयासों में ही इसका उपयोग किया गया और सरल चुटकी प्रभाव के अध्ययन ने, इस तथ्य के बावजूद कि बाद में इसे अधिक उन्नत तरीकों से प्रतिस्थापित कर दिया गया, समस्याओं को बेहतर ढंग से समझना संभव बना दिया। जिसका सामना प्रयोगकर्ता आज भी करते हैं।

रेडियल दिशा में प्लाज्मा प्रसार के अलावा, अनुदैर्ध्य बहाव और प्लाज्मा कॉर्ड के सिरों से इसका निकास भी देखा जाता है। प्लाज्मा चैम्बर को डोनट (टोरस) आकार देकर सिरों से होने वाले नुकसान को समाप्त किया जा सकता है। इस मामले में, एक टोरॉयडल चुटकी प्राप्त की जाती है।

ऊपर वर्णित सरल चुटकी के लिए, एक गंभीर समस्या इसकी अंतर्निहित मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक अस्थिरता है। यदि प्लाज्मा फिलामेंट में एक छोटा मोड़ होता है, तो मोड़ के अंदर चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं का घनत्व बढ़ जाता है (चित्र 1)। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं, जो संपीड़न का विरोध करने वाले बंडलों की तरह व्यवहार करती हैं, तेजी से "उभार" करना शुरू कर देंगी, जिससे कि प्लाज़्मा कॉर्ड की पूरी संरचना नष्ट होने तक मोड़ बढ़ जाएगा। परिणामस्वरूप, प्लाज्मा चैम्बर की दीवारों के संपर्क में आएगा और ठंडा हो जाएगा। इस विनाशकारी घटना को खत्म करने के लिए, मुख्य अक्षीय धारा को पारित करने से पहले, कक्ष में एक अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र बनाया जाता है, जो बाद में लागू परिपत्र क्षेत्र के साथ मिलकर, प्लाज्मा कॉलम के शुरुआती मोड़ को "सीधा" करता है (चित्र 2)। एक अक्षीय क्षेत्र द्वारा प्लाज्मा स्तंभ के स्थिरीकरण का सिद्धांत थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों की दो आशाजनक परियोजनाओं का आधार है - एक टोकामक और एक उल्टे चुंबकीय क्षेत्र के साथ एक चुटकी।

चुंबकीय विन्यास खोलें.

जड़त्वीय प्रतिधारण.

सैद्धांतिक गणना से पता चलता है कि चुंबकीय जाल के उपयोग के बिना थर्मोन्यूक्लियर संलयन संभव है। ऐसा करने के लिए, एक विशेष रूप से तैयार लक्ष्य (लगभग 1 मिमी की त्रिज्या के साथ ड्यूटेरियम की एक गेंद) को तेजी से इतनी उच्च घनत्व तक संपीड़ित किया जाता है कि ईंधन लक्ष्य के वाष्पित होने से पहले थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया को पूरा करने का समय मिल सके। थर्मोन्यूक्लियर तापमान पर संपीड़न और हीटिंग को अल्ट्रा-शक्तिशाली लेजर दालों के साथ किया जा सकता है, समान रूप से और एक साथ सभी तरफ से ईंधन की गेंद को विकिरणित किया जा सकता है (चित्र 4)। इसकी सतह परतों के तात्कालिक वाष्पीकरण के साथ, बाहर निकलने वाले कण बहुत तेज़ गति प्राप्त कर लेते हैं, और गेंद बड़े संपीड़न बलों के अधीन होती है। वे रॉकेट चलाने वाली प्रतिक्रियाशील ताकतों के समान हैं, केवल अंतर यह है कि यहां ये ताकतें लक्ष्य के केंद्र की ओर अंदर की ओर निर्देशित होती हैं। यह विधि 10 11 एमपीए के क्रम का दबाव और पानी के घनत्व से 10,000 गुना अधिक घनत्व बना सकती है। ऐसे घनत्व पर, लगभग सभी थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा ~10-12 सेकेंड के समय में एक छोटे विस्फोट के रूप में जारी की जाएगी। होने वाले सूक्ष्म विस्फोट, जिनमें से प्रत्येक 1-2 किलोग्राम टीएनटी के बराबर होता है, रिएक्टर को नुकसान नहीं पहुंचाएगा, और छोटे अंतराल पर ऐसे सूक्ष्म विस्फोटों के अनुक्रम के कार्यान्वयन से लगभग निरंतर महसूस करना संभव हो जाएगा उपयोगी ऊर्जा का उत्पादन. जड़त्वीय कारावास के लिए, ईंधन लक्ष्य का डिज़ाइन बहुत महत्वपूर्ण है। भारी और हल्के पदार्थों से बने संकेंद्रित गोले के रूप में एक लक्ष्य कणों के सबसे कुशल वाष्पीकरण और, परिणामस्वरूप, सबसे बड़े संपीड़न की अनुमति देगा।

गणना से पता चलता है कि मेगाजूल (10 6 जे) के क्रम की लेजर विकिरण ऊर्जा और कम से कम 10% की लेजर दक्षता के साथ, उत्पादित थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा लेजर को पंप करने पर खर्च की गई ऊर्जा से अधिक होनी चाहिए। थर्मोन्यूक्लियर लेजर इंस्टॉलेशन रूस, अमेरिका, पश्चिमी यूरोप और जापान में अनुसंधान प्रयोगशालाओं में उपलब्ध हैं। लेज़र किरण के स्थान पर भारी आयन किरण का उपयोग करने या ऐसी किरण को प्रकाश किरण के साथ संयोजित करने की संभावना का वर्तमान में अध्ययन किया जा रहा है। आधुनिक प्रौद्योगिकी के लिए धन्यवाद, प्रतिक्रिया शुरू करने की इस विधि का लेजर विधि की तुलना में लाभ है, क्योंकि यह व्यक्ति को अधिक उपयोगी ऊर्जा प्राप्त करने की अनुमति देती है। नुकसान लक्ष्य पर किरण को केंद्रित करने में कठिनाई है।

चुंबकीय धारण वाली इकाइयाँ

रूस, अमेरिका, जापान और कई यूरोपीय देशों में प्लाज्मा कारावास की चुंबकीय विधियों का अध्ययन किया जा रहा है। मुख्य ध्यान टोरॉयडल-प्रकार की स्थापनाओं पर दिया जाता है, जैसे टोकामक और उलट चुंबकीय क्षेत्र वाला पिंच, जो एक स्थिर अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र के साथ सरल पिंच के विकास के परिणामस्वरूप दिखाई दिया।

टोरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके प्लाज्मा परिरोध के लिए बीजेऐसी स्थितियाँ बनाना आवश्यक है जिसके तहत प्लाज्मा टोरस की दीवारों की ओर स्थानांतरित न हो। यह चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को "मोड़" (तथाकथित "घूर्णी परिवर्तन") द्वारा प्राप्त किया जाता है। यह घुमाव दो प्रकार से किया जाता है। पहली विधि में, प्लाज्मा के माध्यम से एक धारा प्रवाहित की जाती है, जिससे स्थिर पिंच का विन्यास पहले से ही चर्चा में आ जाता है। धारा का चुंबकीय क्षेत्र बीक्यू Ј - बीक्यू साथ में बी j आवश्यक कर्ल के साथ एक सारांश फ़ील्ड बनाता है। अगर बीजे बीक्यू, परिणामी विन्यास को टोकामक के रूप में जाना जाता है (अभिव्यक्ति "मैग्नेटिक कॉइल्स के साथ टॉरिडल चैंबर" का संक्षिप्त नाम)। टोकामक (चित्र 5) का विकास एल.ए. आर्टसिमोविच के नेतृत्व में परमाणु ऊर्जा संस्थान में किया गया था। मास्को में आई.वी. कुरचटोव। पर बीजे ~ बीक्यू हम उलटे चुंबकीय क्षेत्र के साथ एक पिंच कॉन्फ़िगरेशन प्राप्त करते हैं।

दूसरी विधि में, सीमित प्लाज्मा के संतुलन को सुनिश्चित करने के लिए टॉरॉयडल प्लाज्मा कक्ष के चारों ओर विशेष पेचदार वाइंडिंग का उपयोग किया जाता है। इन वाइंडिंग्स में धाराएं एक जटिल चुंबकीय क्षेत्र बनाती हैं, जिससे टोरस के अंदर कुल क्षेत्र की बल की रेखाएं मुड़ जाती हैं। ऐसी स्थापना, जिसे स्टेलरेटर कहा जाता है, प्रिंसटन यूनिवर्सिटी (यूएसए) में एल. स्पिट्जर और उनके सहयोगियों द्वारा विकसित की गई थी।

टोकामक.

एक महत्वपूर्ण पैरामीटर जिस पर टोरॉयडल प्लाज्मा का कारावास निर्भर करता है वह है "स्थिरता मार्जिन" क्यू, बराबर आरबीजे/ आर.बी.क्यू, कहाँ आरऔर आरक्रमशः टोरॉयडल प्लाज्मा की छोटी और बड़ी त्रिज्याएँ हैं। थोड़े पर क्यूपेचदार अस्थिरता विकसित हो सकती है - एक सीधी चुटकी की झुकने वाली अस्थिरता का एक एनालॉग। मॉस्को के वैज्ञानिकों ने प्रायोगिक तौर पर यह दिखाया है कि कब क्यू> 1 (अर्थात् बीजे बीक्यू) पेंच अस्थिरता की घटना की संभावना बहुत कम हो जाती है। इससे प्लाज्मा को गर्म करने के लिए करंट द्वारा उत्पन्न गर्मी का प्रभावी ढंग से उपयोग करना संभव हो जाता है। कई वर्षों के शोध के परिणामस्वरूप, टोकामक्स की विशेषताओं में काफी सुधार हुआ है, विशेष रूप से क्षेत्र की एकरूपता में वृद्धि और वैक्यूम कक्ष की प्रभावी सफाई के कारण।

रूस में प्राप्त उत्साहजनक परिणामों ने दुनिया भर की कई प्रयोगशालाओं में टोकामक्स के निर्माण को प्रेरित किया और उनका विन्यास गहन शोध का विषय बन गया।

टोकामक में प्लाज्मा का ओमिक ताप थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त नहीं है। यह इस तथ्य के कारण है कि जब प्लाज्मा को गर्म किया जाता है, तो इसका विद्युत प्रतिरोध बहुत कम हो जाता है, और परिणामस्वरूप, धारा के पारित होने के दौरान गर्मी का उत्पादन तेजी से कम हो जाता है। टोकामक में करंट को एक निश्चित सीमा से ऊपर बढ़ाना असंभव है, क्योंकि प्लाज्मा कॉर्ड स्थिरता खो सकता है और चैम्बर की दीवारों पर फेंका जा सकता है। इसलिए, प्लाज्मा को गर्म करने के लिए विभिन्न अतिरिक्त तरीकों का उपयोग किया जाता है। उनमें से सबसे प्रभावी उच्च-ऊर्जा तटस्थ परमाणु किरणों और माइक्रोवेव विकिरण का इंजेक्शन है। पहले मामले में, 50-200 केवी की ऊर्जा तक त्वरित आयनों को बेअसर कर दिया जाता है (चैंबर में पेश किए जाने पर चुंबकीय क्षेत्र द्वारा वापस "प्रतिबिंबित" होने से बचने के लिए) और प्लाज्मा में इंजेक्ट किया जाता है। यहां वे फिर से आयनित हो जाते हैं और टकराव की प्रक्रिया में अपनी ऊर्जा प्लाज्मा को छोड़ देते हैं। दूसरे मामले में, माइक्रोवेव विकिरण का उपयोग किया जाता है, जिसकी आवृत्ति आयन साइक्लोट्रॉन आवृत्ति (चुंबकीय क्षेत्र में आयनों के घूमने की आवृत्ति) के बराबर होती है। इस आवृत्ति पर, सघन प्लाज्मा बिल्कुल काले शरीर की तरह व्यवहार करता है, अर्थात। आपतित ऊर्जा को पूर्णतः अवशोषित कर लेता है। यूरोपीय संघ के जेट टोकामक में, 280 मिलियन केल्विन के आयन तापमान और 0.85 एस के कारावास समय के साथ प्लाज्मा तटस्थ कणों के इंजेक्शन द्वारा प्राप्त किया गया था। 2 मेगावाट तक पहुंचने वाली थर्मोन्यूक्लियर बिजली ड्यूटेरियम-ट्रिटियम प्लाज्मा का उपयोग करके प्राप्त की गई थी। प्रतिक्रिया को बनाए रखने की अवधि चैम्बर की दीवारों के फटने के कारण अशुद्धियों की उपस्थिति से सीमित होती है: अशुद्धियाँ प्लाज्मा में प्रवेश करती हैं और, जब आयनित होती हैं, तो विकिरण के कारण ऊर्जा हानि में काफी वृद्धि होती है। वर्तमान में, जेट कार्यक्रम के तहत काम अशुद्धियों को नियंत्रित करने और उन्हें तथाकथित रूप से हटाने की संभावना पर शोध पर केंद्रित है। "चुंबकीय डायवर्टर"।

संयुक्त राज्य अमेरिका में बड़े टोकामक भी बनाए गए - टीएफटीआर, रूस में - टी15 और जापान में - जेटी60। इन और अन्य सुविधाओं पर किए गए अनुसंधान ने नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन के क्षेत्र में काम के अगले चरण की नींव रखी: तकनीकी परीक्षण के लिए एक बड़ा रिएक्टर 2010 में लॉन्च होने वाला है। उम्मीद है कि यह संयुक्त राज्य अमेरिका, रूस, यूरोपीय संघ और जापान के बीच एक संयुक्त प्रयास होगा। यह सभी देखेंटोकामक.

रिवर्स्ड फील्ड पिंच (एफआरपी)।

पीओपी कॉन्फ़िगरेशन टोकामक से इस मायने में भिन्न है बीक्यू~ बीजे, लेकिन इस मामले में प्लाज्मा के बाहर टोरॉयडल क्षेत्र की दिशा प्लाज्मा कॉलम के अंदर इसकी दिशा के विपरीत है। जे. टेलर ने दिखाया कि ऐसी प्रणाली न्यूनतम ऊर्जा वाली स्थिति में है और इसके बावजूद क्यू

पीओपी कॉन्फ़िगरेशन का लाभ यह है कि इसमें प्लाज्मा और चुंबकीय क्षेत्र (मान बी) की वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व का अनुपात टोकामक की तुलना में अधिक है। यह मौलिक रूप से महत्वपूर्ण है कि बी जितना संभव हो उतना बड़ा हो, क्योंकि इससे टोरॉयडल क्षेत्र कम हो जाएगा, और इसलिए इसे बनाने वाले कॉइल्स और संपूर्ण सहायक संरचना की लागत कम हो जाएगी। पीओपी की कमजोरी यह है कि इन प्रणालियों का थर्मल इन्सुलेशन टोकामक्स की तुलना में खराब है, और उलट क्षेत्र को बनाए रखने की समस्या हल नहीं हुई है।

तारामंडल.

एक तारकीय यंत्र में, एक बंद टोरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र कैमरा बॉडी के चारों ओर एक विशेष पेंच घुमावदार घाव द्वारा बनाए गए क्षेत्र द्वारा आरोपित होता है। कुल चुंबकीय क्षेत्र प्लाज्मा को केंद्र से दूर जाने से रोकता है और कुछ प्रकार की मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक अस्थिरताओं को दबा देता है। टोकामक में उपयोग की जाने वाली किसी भी विधि द्वारा प्लाज्मा को स्वयं बनाया और गर्म किया जा सकता है।

तारकीय यंत्र का मुख्य लाभ यह है कि इसमें उपयोग की जाने वाली कारावास विधि प्लाज्मा में वर्तमान की उपस्थिति से जुड़ी नहीं है (जैसे कि टोकामक्स में या पिंच प्रभाव के आधार पर प्रतिष्ठानों में), और इसलिए तारकीय स्थिर मोड में काम कर सकता है। इसके अलावा, स्क्रू वाइंडिंग में "डायवर्टर" प्रभाव हो सकता है, अर्थात। प्लाज्मा को अशुद्धियों से शुद्ध करना और प्रतिक्रिया उत्पादों को हटाना।

यूरोपीय संघ, रूस, जापान और संयुक्त राज्य अमेरिका में सुविधाओं पर तारकीय यंत्रों में प्लाज्मा कारावास का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। जर्मनी में वेंडेलस्टीन VII तारकीय यंत्र में, 5×10 6 केल्विन से अधिक के तापमान के साथ एक गैर-वर्तमान-ले जाने वाले प्लाज्मा को बनाए रखना संभव था, इसे उच्च-ऊर्जा परमाणु किरण को इंजेक्ट करके गर्म करना संभव था।

हाल के सैद्धांतिक और प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि अधिकांश वर्णित प्रतिष्ठानों में, और विशेष रूप से बंद टोरॉयडल सिस्टम में, प्लाज्मा कारावास समय को इसके रेडियल आयाम और सीमित चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाकर बढ़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक टोकामक के लिए यह गणना की जाती है कि लॉसन का मानदंड ~50 x 100 केजी के चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और लगभग टोरॉयडल कक्ष के एक छोटे त्रिज्या पर संतुष्ट होगा (और कुछ मार्जिन के साथ भी)। 2 मी. ये 1000 मेगावाट बिजली के लिए स्थापना पैरामीटर हैं।

चुंबकीय प्लाज्मा कारावास के साथ इतने बड़े प्रतिष्ठान बनाते समय, पूरी तरह से नई तकनीकी समस्याएं उत्पन्न होती हैं। जल-ठंडा तांबे के कॉइल का उपयोग करके कई घन मीटर की मात्रा में 50 किलोग्राम के क्रम का चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए, कई सौ मेगावाट की क्षमता वाले बिजली के स्रोत की आवश्यकता होगी। इसलिए, यह स्पष्ट है कि कॉइल वाइंडिंग्स सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों से बनी होनी चाहिए, जैसे कि टाइटेनियम या टिन के साथ नाइओबियम की मिश्र धातु। अतिचालक अवस्था में विद्युत धारा के प्रति इन सामग्रियों का प्रतिरोध शून्य है, और इसलिए, चुंबकीय क्षेत्र को बनाए रखने के लिए न्यूनतम मात्रा में बिजली की खपत होगी।

रिएक्टर प्रौद्योगिकी.

थर्मोन्यूक्लियर अनुसंधान की संभावनाएँ।

टोकामक-प्रकार की स्थापनाओं पर किए गए प्रयोगों से पता चला है कि यह प्रणाली सीटीएस रिएक्टर के लिए संभावित आधार के रूप में बहुत आशाजनक है। अब तक के सबसे अच्छे परिणाम टोकामक्स के साथ प्राप्त हुए हैं, और उम्मीद है कि प्रतिष्ठानों के पैमाने में इसी वृद्धि के साथ, उन पर औद्योगिक सीटीएस लागू करना संभव होगा। हालाँकि, टोकामक पर्याप्त किफायती नहीं है। इस खामी को दूर करने के लिए यह आवश्यक है कि यह स्पंदित मोड में नहीं, जैसा कि अभी है, बल्कि निरंतर मोड में संचालित हो। लेकिन इस समस्या के भौतिक पहलुओं का अभी तक पर्याप्त अध्ययन नहीं किया गया है। तकनीकी साधन विकसित करना भी आवश्यक है जो प्लाज्मा मापदंडों में सुधार करेगा और इसकी अस्थिरता को खत्म करेगा। यह सब देखते हुए, हमें अन्य संभावित, हालांकि कम विकसित, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के विकल्पों के बारे में नहीं भूलना चाहिए, उदाहरण के लिए, एक तारकीय यंत्र या फ़ील्ड-रिवर्स पिंच। इस क्षेत्र में अनुसंधान की स्थिति उस स्तर पर पहुंच गई है जहां उच्च तापमान वाले प्लाज़्मा और कुछ जड़त्वीय कारावास प्रणालियों के लिए अधिकांश चुंबकीय कारावास प्रणालियों के लिए वैचारिक रिएक्टर डिजाइन हैं। टोकामक के औद्योगिक विकास का एक उदाहरण एरीज़ प्रोजेक्ट (यूएसए) है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया- यह हल्के नाभिकों के भारी नाभिकों में संलयन की प्रतिक्रिया है।

इसके कार्यान्वयन के लिए, यह आवश्यक है कि मूल न्यूक्लियॉन या प्रकाश नाभिक परमाणु आकर्षक बलों की कार्रवाई के क्षेत्र की त्रिज्या के बराबर या उससे कम दूरी (यानी, 10 -15 मीटर की दूरी) के करीब आएं। नाभिकों के इस पारस्परिक दृष्टिकोण को धनावेशित नाभिकों के बीच कार्य करने वाले कूलम्ब प्रतिकारक बलों द्वारा रोका जाता है। संलयन प्रतिक्रिया होने के लिए, उच्च घनत्व वाले पदार्थ को अति-उच्च तापमान (सैकड़ों लाखों केल्विन के क्रम पर) तक गर्म करना आवश्यक है ताकि नाभिक की तापीय गति की गतिज ऊर्जा कूलम्ब पर काबू पाने के लिए पर्याप्त हो। प्रतिकारक ताकतें. ऐसे तापमान पर पदार्थ प्लाज्मा के रूप में मौजूद रहता है। चूंकि संलयन केवल बहुत उच्च तापमान पर ही हो सकता है, परमाणु संलयन प्रतिक्रियाओं को थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं (ग्रीक से) कहा जाता है। थर्मामीटरों"गर्मी, गर्मी")।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं से भारी ऊर्जा निकलती है। उदाहरण के लिए, हीलियम के निर्माण के साथ ड्यूटेरियम संश्लेषण की प्रतिक्रिया में

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

3.2 MeV ऊर्जा निकलती है। ट्रिटियम के निर्माण के साथ ड्यूटेरियम संश्लेषण की प्रतिक्रिया में

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

प्रतिक्रिया में 4.0 MeV ऊर्जा निकलती है

\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

17.6 MeV ऊर्जा मुक्त होती है।

चावल। 1. ड्यूटेरियम-ट्रिटियम प्रतिक्रिया की योजना

वर्तमान में, एक नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया ड्यूटेरियम \(~^2H\) और ट्रिटियम \(~^3H\) के संश्लेषण द्वारा की जाती है। ड्यूटेरियम भंडार लाखों वर्षों तक रहना चाहिए, और आसानी से खनन किए गए लिथियम भंडार (ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए) सैकड़ों वर्षों तक जरूरतों को पूरा करने के लिए पर्याप्त हैं।

हालाँकि, इस प्रतिक्रिया के दौरान, जारी गतिज ऊर्जा का अधिकांश (80% से अधिक) न्यूट्रॉन से आता है। अन्य परमाणुओं के साथ टुकड़ों के टकराव के परिणामस्वरूप, यह ऊर्जा तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इसके अलावा, तेज़ न्यूट्रॉन महत्वपूर्ण मात्रा में रेडियोधर्मी कचरा पैदा करते हैं।

इसलिए, सबसे आशाजनक "न्यूट्रॉन-मुक्त" प्रतिक्रियाएं हैं, उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम + हीलियम -3।

\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)

इस प्रतिक्रिया में कोई न्यूट्रॉन आउटपुट नहीं होता है, जो शक्ति का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हटा देता है और रिएक्टर डिजाइन में प्रेरित रेडियोधर्मिता उत्पन्न करता है। इसके अलावा, पृथ्वी पर हीलियम-3 का भंडार 500 किलोग्राम से 1 टन तक है, लेकिन चंद्रमा पर यह महत्वपूर्ण मात्रा में पाया जाता है: 10 मिलियन टन तक (न्यूनतम अनुमान के अनुसार - 500 हजार टन)। साथ ही, मौजूदा परमाणु विखंडन रिएक्टरों का उपयोग करके, इसे पृथ्वी पर लिथियम -6 से आसानी से उत्पादित किया जा सकता है, जो प्रकृति में व्यापक है।

थर्मोन्यूक्लियर हथियार

पृथ्वी पर, पहली थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया 12 अगस्त, 1953 को सेमिपालाटिंस्क परीक्षण स्थल पर हाइड्रोजन बम के विस्फोट के दौरान की गई थी। "उनके पिता" शिक्षाविद आंद्रेई दिमित्रिच सखारोव थे, जिन्हें थर्मोन्यूक्लियर हथियारों के विकास के लिए तीन बार हीरो ऑफ सोशलिस्ट लेबर की उपाधि से सम्मानित किया गया था। हाइड्रोजन बम में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक उच्च तापमान इसकी संरचना में शामिल परमाणु बम के विस्फोट के परिणामस्वरूप प्राप्त किया गया था, जिसने डेटोनेटर की भूमिका निभाई थी। हाइड्रोजन बम विस्फोट के दौरान होने वाली थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं अनियंत्रित होती हैं।

चावल। 2. हाइड्रोजन बम

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नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं

यदि स्थलीय परिस्थितियों में आसानी से नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं को अंजाम देना संभव होता, तो मानवता को ऊर्जा का व्यावहारिक रूप से अटूट स्रोत प्राप्त होता, क्योंकि पृथ्वी पर हाइड्रोजन का भंडार बहुत बड़ा है। हालाँकि, ऊर्जावान रूप से अनुकूल नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं को लागू करने के रास्ते में बड़ी तकनीकी कठिनाइयाँ खड़ी हैं। सबसे पहले, 10 8 K के क्रम का तापमान बनाना आवश्यक है। ऐसे अति-उच्च तापमान को प्लाज्मा में उच्च-शक्ति विद्युत निर्वहन बनाकर प्राप्त किया जा सकता है।

tokamak

इस पद्धति का उपयोग "टोकामक" प्रकार के प्रतिष्ठानों (चुंबकीय कॉइल्स के साथ टीओ-रियोडल चैंबर) में किया जाता है, जिसे पहली बार परमाणु ऊर्जा संस्थान के नाम पर बनाया गया था। आई. वी. कुरचटोवा। ऐसे प्रतिष्ठानों में, प्लाज्मा एक टोरॉयडल कक्ष में बनाया जाता है, जो एक शक्तिशाली पल्स ट्रांसफार्मर की द्वितीयक वाइंडिंग है। इसकी प्राथमिक वाइंडिंग बहुत बड़ी क्षमता के कैपेसिटर के एक बैंक से जुड़ी होती है। चैम्बर ड्यूटेरियम से भरा होता है। जब कैपेसिटर की एक बैटरी को टोरॉयडल कक्ष में प्राथमिक वाइंडिंग के माध्यम से डिस्चार्ज किया जाता है, तो एक भंवर विद्युत क्षेत्र उत्तेजित होता है, जिससे ड्यूटेरियम का आयनीकरण होता है और इसमें विद्युत प्रवाह की एक शक्तिशाली नाड़ी दिखाई देती है, जिससे गैस का मजबूत ताप होता है और उच्च तापमान वाले प्लाज्मा का निर्माण जिसमें थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया हो सकती है।

चावल। 3. रिएक्टर संचालन का योजनाबद्ध आरेख

मुख्य कठिनाई प्लाज्मा को कक्ष की दीवारों के संपर्क के बिना 0.1-1 सेकेंड तक कक्ष के अंदर रखना है, क्योंकि ऐसी कोई सामग्री नहीं है जो इतने उच्च तापमान का सामना कर सके। इस कठिनाई को टोरॉयडल चुंबकीय क्षेत्र की मदद से आंशिक रूप से दूर किया जा सकता है जिसमें कैमरा स्थित है। चुंबकीय बलों के प्रभाव में, प्लाज्मा को एक कॉर्ड में घुमाया जाता है और, जैसा कि यह था, कक्ष की दीवारों को छुए बिना, चुंबकीय क्षेत्र प्रेरण लाइनों पर "लटकता" है।

थर्मोन्यूक्लियर संलयन की संभावनाओं के अध्ययन में आधुनिक युग की शुरुआत 1969 मानी जानी चाहिए, जब रूसी टोकामक टी 3 स्थापना में लगभग 1 मीटर 3 की मात्रा वाले प्लाज्मा में 3 एम डिग्री सेल्सियस का तापमान पहुंच गया था। इसके बाद, दुनिया भर के वैज्ञानिकों ने टोकामक डिज़ाइन को चुंबकीय प्लाज्मा कारावास के लिए सबसे आशाजनक माना। कुछ वर्षों के भीतर, काफी बड़े प्लाज्मा वॉल्यूम (100 मीटर 3) के साथ जेट (ज्वाइंट यूरोपियन टोरस) इंस्टॉलेशन बनाने का साहसिक निर्णय लिया गया। यूनिट का संचालन चक्र लगभग 1 मिनट का है, क्योंकि इसके टॉरॉयडल कॉइल तांबे से बने होते हैं और जल्दी गर्म हो जाते हैं। इस इंस्टॉलेशन का संचालन 1983 में शुरू हुआ और यह दुनिया का सबसे बड़ा टोकामक बना हुआ है, जो 150 M°C के तापमान पर प्लाज्मा हीटिंग प्रदान करता है।

चावल। 4. जेट रिएक्टर डिजाइन

2006 में, रूस, दक्षिण कोरिया, चीन, जापान, भारत, यूरोपीय संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका के प्रतिनिधियों ने पहले अंतर्राष्ट्रीय टोकामक प्रायोगिक रिएक्टर (आईटीईआर) के निर्माण पर काम शुरू करने के लिए पेरिस में एक समझौते पर हस्ताक्षर किए। आईटीईआर रिएक्टर के चुंबकीय कॉइल सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों पर आधारित होंगे (जो सिद्धांत रूप में, जब तक प्लाज्मा में करंट बना रहता है तब तक निरंतर संचालन की अनुमति देता है), इसलिए डिजाइनर कम से कम 10 मिनट का गारंटीशुदा कर्तव्य चक्र प्रदान करने की उम्मीद करते हैं।

चावल। 5. आईटीईआर रिएक्टर डिजाइन।

रिएक्टर फ्रांस के दक्षिण में मार्सिले से 60 किलोमीटर दूर स्थित कैडाराचे शहर के पास बनाया जाएगा। निर्माण स्थल को तैयार करने का काम अगले वसंत में शुरू होगा। रिएक्टर का निर्माण 2009 में शुरू होने वाला है।

निर्माण कार्य दस साल तक चलेगा, रिएक्टर पर काम बीस साल तक चलने की उम्मीद है। परियोजना की कुल लागत लगभग 10 बिलियन डॉलर है। लागत का चालीस प्रतिशत यूरोपीय संघ द्वारा वहन किया जाएगा, साठ प्रतिशत अन्य परियोजना प्रतिभागियों द्वारा समान शेयरों में साझा किया जाएगा।

यह सभी देखें

1. अंतर्राष्ट्रीय प्रायोगिक संलयन रिएक्टर
2. थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन लॉन्च करने के लिए नई स्थापना: 01/25/2010

लेज़र फ़्यूज़न (एलएसएफ)

इस लक्ष्य को प्राप्त करने का दूसरा तरीका लेजर थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन है। इस विधि का सार इस प्रकार है. 1 मिमी से कम व्यास वाली गेंदों के रूप में तैयार ड्यूटेरियम और ट्रिटियम का एक जमे हुए मिश्रण को शक्तिशाली लेजर विकिरण के साथ सभी तरफ से समान रूप से विकिरणित किया जाता है। इससे गेंदों की सतह से पदार्थ का ताप और वाष्पीकरण होता है। इस स्थिति में, गेंदों के अंदर का दबाव 10 15 Pa के क्रम के मान तक बढ़ जाता है। इस तरह के दबाव के प्रभाव में, गेंदों के मध्य भाग में पदार्थ के घनत्व और मजबूत हीटिंग में वृद्धि होती है और थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया शुरू होती है।

चुंबकीय प्लाज्मा कारावास के विपरीत, लेजर कारावास में कारावास समय (यानी, उच्च घनत्व और तापमान वाले प्लाज्मा का जीवनकाल, जो थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की अवधि निर्धारित करता है) 10-10 - 10-11 सेकंड है, इसलिए एलटीएस केवल हो सकता है स्पंदित मोड में किया गया। थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लिए लेजर का उपयोग करने का प्रस्ताव सबसे पहले फिजिकल इंस्टीट्यूट में बनाया गया था। 1961 में एन. जी. बसोव और ओ. एन. क्रोखिन द्वारा यूएसएसआर एकेडमी ऑफ साइंसेज के पी. एन. लेबेदेव।

कैलिफ़ोर्निया में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी में, दुनिया के सबसे शक्तिशाली लेजर कॉम्प्लेक्स का निर्माण पूरा हो गया (मई 2009)। इसे यूएस नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (एनआईएफ) कहा जाता था। निर्माण 12 साल तक चला। लेजर कॉम्प्लेक्स पर 3.5 बिलियन डॉलर खर्च किए गए।

चावल। 7. यूएलएस का योजनाबद्ध आरेख

एनआईएफ 192 शक्तिशाली लेजर पर आधारित है, जो एक साथ एक मिलीमीटर गोलाकार लक्ष्य (लगभग 150 माइक्रोग्राम थर्मोन्यूक्लियर ईंधन - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम का मिश्रण) पर निर्देशित किया जाएगा; भविष्य में, रेडियोधर्मी ट्रिटियम को हीलियम -3 के हल्के आइसोटोप से बदला जा सकता है ). परिणामस्वरूप, लक्ष्य का तापमान 100 मिलियन डिग्री तक पहुंच जाएगा, जबकि गेंद के अंदर का दबाव पृथ्वी के वायुमंडल के दबाव से 100 अरब गुना अधिक होगा।

यह सभी देखें

1. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन: टोकामाकी बनाम लेजर संलयन 05/16/2009

संश्लेषण के लाभ

बिजली उत्पादन के लिए फ़्यूज़न रिएक्टरों का उपयोग करने के समर्थक अपने पक्ष में निम्नलिखित तर्क देते हैं:

• व्यावहारिक रूप से ईंधन (हाइड्रोजन) का अटूट भंडार। उदाहरण के लिए, 1 गीगावॉट की क्षमता वाले थर्मल पावर प्लांट को संचालित करने के लिए आवश्यक कोयले की मात्रा 10,000 टन प्रति दिन (दस रेलवे कारें) है, और उसी शक्ति का थर्मोन्यूक्लियर प्लांट प्रति दिन केवल 1 किलोग्राम मिश्रण की खपत करेगा। डी + टी . एक मध्यम आकार की झील किसी भी देश को सैकड़ों वर्षों तक ऊर्जा प्रदान कर सकती है। इससे एक या देशों के समूह के लिए ईंधन पर एकाधिकार स्थापित करना असंभव हो जाता है;
• दहन उत्पादों की अनुपस्थिति;
• ऐसी सामग्रियों का उपयोग करने की कोई आवश्यकता नहीं है जिनका उपयोग परमाणु हथियार बनाने के लिए किया जा सकता है, जिससे तोड़फोड़ और आतंकवाद के मामले खत्म हो जाएंगे;
• परमाणु रिएक्टरों की तुलना में, कम आधे जीवन के साथ थोड़ी मात्रा में रेडियोधर्मी अपशिष्ट उत्पन्न होता है;
• संलयन प्रतिक्रिया से वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन नहीं होता है, जो ग्लोबल वार्मिंग में एक प्रमुख योगदानकर्ता है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों के निर्माण में इतना समय क्यों लगा?

1. लंबे समय से यह माना जाता था कि थर्मोन्यूक्लियर संलयन ऊर्जा के व्यावहारिक उपयोग की समस्या के लिए तत्काल निर्णय और कार्यों की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि पिछली शताब्दी के 80 के दशक में, जीवाश्म ईंधन स्रोत अटूट लगते थे, और पर्यावरणीय समस्याएं और जलवायु परिवर्तन जनता की चिंता नहीं की. अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण (2009) के अनुमानों के आधार पर, वैश्विक तेल उत्पादन की वृद्धि अगले 20 वर्षों से अधिक नहीं जारी रहेगी (अन्य विशेषज्ञों का अनुमान है कि अधिकतम उत्पादन 5-10 वर्षों में पहुंच जाएगा), जिसके बाद की मात्रा उत्पादित तेल वर्ष में लगभग 3% की दर से घटने लगेगा। प्राकृतिक गैस उत्पादन की संभावनाएँ बहुत बेहतर नहीं दिखतीं। आमतौर पर कहा जाता है कि हमारे पास अगले 200 वर्षों के लिए पर्याप्त कोयला होगा, लेकिन यह पूर्वानुमान उत्पादन और खपत के मौजूदा स्तर को बनाए रखने पर आधारित है। इस बीच, कोयले की खपत अब 4.5% प्रति वर्ष की दर से बढ़ रही है, जो 200 वर्षों की उल्लिखित अवधि को तुरंत घटाकर केवल 50 वर्ष कर देती है! जो कुछ कहा गया है, उससे यह स्पष्ट है कि हमें अब अंत के लिए तैयारी करनी चाहिए जीवाश्म ईंधन के उपयोग का युग. 2. थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन को छोटे आकार में नहीं बनाया और प्रदर्शित किया जा सकता है। थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन की वैज्ञानिक और तकनीकी क्षमताओं और फायदों का परीक्षण और प्रदर्शन केवल काफी बड़े स्टेशनों पर किया जा सकता है, जैसे कि उल्लिखित आईटीईआर रिएक्टर। समाज इतनी बड़ी परियोजनाओं को वित्तपोषित करने के लिए तब तक तैयार नहीं था जब तक सफलता का पर्याप्त भरोसा न हो।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन एक दिलचस्प भौतिक प्रक्रिया है जो (अभी भी सिद्धांत रूप में) दुनिया को जीवाश्म ईंधन स्रोतों पर ऊर्जा निर्भरता से बचा सकती है। यह प्रक्रिया ऊर्जा की रिहाई के साथ हल्के से भारी परमाणु नाभिक के संश्लेषण पर आधारित है। परमाणु के एक अन्य उपयोग के विपरीत - परमाणु रिएक्टरों में परमाणु रिएक्टरों में ऊर्जा जारी करने के विपरीत - कागज पर संलयन वस्तुतः कोई रेडियोधर्मी उप-उत्पाद नहीं छोड़ेगा।

फ़्यूज़न रिएक्टर सूर्य के अंदर परमाणु प्रक्रिया की नकल करते हैं, हल्के परमाणुओं को एक साथ तोड़ते हैं और उन्हें भारी परमाणुओं में बदल देते हैं, जिससे भारी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। सूर्य पर यह प्रक्रिया गुरुत्वाकर्षण द्वारा संचालित होती है। पृथ्वी पर, इंजीनियर लगभग 150 मिलियन डिग्री के अत्यधिक उच्च तापमान का उपयोग करके परमाणु संलयन के लिए स्थितियों को फिर से बनाने की कोशिश कर रहे हैं - लेकिन उन्हें परमाणुओं को जोड़ने के लिए आवश्यक प्लाज्मा रखने में परेशानी हो रही है।

निर्मित समाधानों में से एक का प्रतिनिधित्व ITER द्वारा किया जाता है, जिसे पहले अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर के रूप में जाना जाता था, जो 2010 से कैराडाचेस, फ्रांस में निर्माणाधीन है। पहला प्रयोग, जो मूल रूप से 2018 के लिए नियोजित था, 2025 तक के लिए स्थगित कर दिया गया है।

अभी कुछ दिन पहले हमने इसकी पहली सूचना दी थी

यह सर्वविदित है कि जब परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान भारी परमाणु नाभिक का विखंडन होता है, तो बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। हालाँकि, यह स्थापित करना संभव था कि प्रकाश नाभिक के संलयन से और भी अधिक मात्रा में ऊर्जा निकलती है। ऐसी प्रतिक्रियाओं को थर्मोन्यूक्लियर कहा जाता था।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की प्रकृति

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं प्रकाश नाभिक के संलयन की प्रतिक्रियाएं हैं जो उच्च तापमान पर होती हैं और बड़ी मात्रा में ऊर्जा छोड़ती हैं। हाइड्रोजन से हीलियम का संश्लेषण t = 108 ˚C पर होता है। एक ग्राम हीलियम के संश्लेषण से 4.2*1011 J निकलता है। यह ऊर्जा 4 ग्राम यूरेनियम के पूर्ण विखंडन के दौरान या 10 टन डीजल ईंधन जलाने पर निकलने वाली ऊर्जा के बराबर है। थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं तारों में पाई जा सकती हैं, जहां पदार्थ का तापमान और दबाव विलय के लिए उपयुक्त स्थितियां बनाते हैं।

हीलियम संलयन की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया में हाइड्रोजन आइसोटोप शामिल होते हैं: ट्रिटियम और ड्यूटेरियम:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

जब ड्यूटेरियम और ट्रिटियम हीलियम नाभिक में संलयन होते हैं, तो एक न्यूट्रॉन और ऊर्जा E = 17.6 MeV निकलते हैं।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के लिए शर्तें

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के घटित होने के लिए कुछ शर्तों की आवश्यकता होती है। इन आइसोटोप के नाभिकों को एक साथ लाने की आवश्यकता है। परमाणुओं के नाभिकों पर धनात्मक आवेश होता है, और इसलिए, जब वे एक साथ आते हैं, तो कूलम्ब बल कार्य करते हैं, इन आवेशों को अलग कर देते हैं।

तदनुसार, परमाणु संलयन होने के लिए, प्रतिकारक शक्तियों पर काबू पाना होगा। यह केवल तभी संभव है जब नाभिकों में स्वयं बहुत अधिक ऊर्जा हो, मुख्य रूप से गति की गतिज ऊर्जा, यानी जब उनकी गति पर्याप्त रूप से अधिक हो।

समस्थानिक नाभिकों की ऐसी गति केवल अत्यधिक उच्च तापमान पर ही हो सकती है। कणों को पर्याप्त गति देना आवश्यक है ताकि वे ≈ 10^-14 मीटर की दूरी पर एक दूसरे के पास आ सकें, इतनी दूरी पर परमाणु आकर्षक बल कार्य करना शुरू कर देते हैं।

इतना तापमान केवल परमाणु बम के विस्फोट से ही प्राप्त किया जा सकता है। अर्थात्, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए, पहले परमाणु प्रतिक्रिया उत्पन्न करना आवश्यक है, और फिर तापमान हाइड्रोजन आइसोटोप के नाभिक को एक साथ लाने और थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त होगा। यह प्रक्रिया मनुष्य द्वारा आविष्कृत सबसे शक्तिशाली हाइड्रोजन बम में लागू की गई थी।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं

हालाँकि, आज एक अनियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया प्रासंगिक नहीं रह गई है। परिणामी ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया में महारत हासिल करना आवश्यक है। लेकिन एक समस्या है। प्रकाश नाभिक की संलयन प्रतिक्रिया के लिए पर्याप्त तापमान तक पहुंचने पर, पदार्थ न केवल ठोस, तरल या गैसीय होना बंद हो जाता है, बल्कि यह प्लाज्मा बन जाता है.

यानी ऐसे तापमान पर कोई भी रिएक्टर तुरंत वाष्पित हो जाएगा। इसके लिए बिल्कुल अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता है। आज अल्ट्रा-शक्तिशाली विद्युत चुम्बकों का उपयोग करके प्लाज्मा को एक सीमित क्षेत्र में रखना संभव है। लेकिन थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप प्राप्त ऊर्जा का पूरी तरह से उपयोग करना अभी तक संभव नहीं हो पाया है।

“हमने कहा कि हम सूर्य को एक बक्से में रख देंगे। विचार बहुत बढ़िया है. लेकिन समस्या यह है कि हम नहीं जानते कि यह बॉक्स कैसे बनाया जाए" - पियरे गाइल्स डी गेनेस, 1991 भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेता।

जबकि पृथ्वी पर और सामान्य रूप से अंतरिक्ष में परमाणु प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत सारे भारी तत्वों की आवश्यकता होती है, पृथ्वी और अंतरिक्ष दोनों पर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत सारे हल्के तत्व होते हैं। इसलिए, मानवता के लाभ के लिए थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का उपयोग करने का विचार इसके अंतर्निहित प्रक्रियाओं की समझ के साथ लगभग तुरंत आया - इसने वास्तव में असीमित संभावनाओं का वादा किया, क्योंकि पृथ्वी पर थर्मोन्यूक्लियर ईंधन का भंडार हजारों लोगों के लिए पर्याप्त होना चाहिए था। आने वाले वर्षों के।

पहले से ही 1951 में, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों के विकास के लिए दो मुख्य दिशाएँ सामने आईं: आंद्रेई सखारोव और इगोर टैम ने एक टोकामक वास्तुकला विकसित की, जिसमें काम करने वाला कक्ष एक टोरस था, जबकि लिमन स्पिट्जर ने एक अधिक जटिल डिजाइन की वास्तुकला का प्रस्ताव रखा, जो आकार में सबसे अधिक याद दिलाती थी। मोबियस स्ट्रिप को एक बार नहीं, बल्कि कई बार उलटा किया।

टोकामक के मौलिक डिज़ाइन की सादगी ने पारंपरिक और सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट की विशेषताओं को बढ़ाकर, साथ ही रिएक्टर के आकार को धीरे-धीरे बढ़ाकर इस दिशा को लंबे समय तक विकसित करना संभव बना दिया। लेकिन प्लाज्मा मापदंडों में वृद्धि के साथ, इसके अस्थिर व्यवहार के साथ समस्याएं धीरे-धीरे सामने आने लगीं, जिससे प्रक्रिया धीमी हो गई।

स्टेलेटर डिज़ाइन की जटिलता ने इस तथ्य को पूरी तरह से जन्म दिया कि 50 के दशक में पहले प्रयोगों के बाद, इस दिशा का विकास लंबे समय तक रुका रहा। आधुनिक कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन सिस्टम के आगमन के साथ इसे हाल ही में एक नया जीवन मिला, जिससे इसके संचालन के लिए आवश्यक मापदंडों और डिज़ाइन सटीकता के साथ वेंडेलस्टीन 7-एक्स स्टेलेटर को डिज़ाइन करना संभव हो गया।

प्रक्रिया का भौतिकी और इसके कार्यान्वयन में समस्याएं

लोहे के परमाणुओं में प्रति न्यूक्लियॉन अधिकतम बाध्यकारी ऊर्जा होती है - अर्थात, ऊर्जा का एक माप जो एक परमाणु को उसके घटक न्यूट्रॉन और प्रोटॉन में विभाजित करने के लिए खर्च किया जाना चाहिए, जो उनकी कुल संख्या से विभाजित होता है। निम्न और उच्च द्रव्यमान वाले सभी परमाणुओं में यह संकेतक लोहे से नीचे होता है:

इस मामले में, लोहे तक प्रकाश परमाणुओं के संलयन की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं में, ऊर्जा जारी होती है, और परिणामी परमाणु का द्रव्यमान प्रारंभिक परमाणुओं के द्रव्यमान के योग से थोड़ा कम हो जाता है जो कि जारी ऊर्जा से संबंधित होता है सूत्र E = mc² (तथाकथित द्रव्यमान दोष) के अनुसार। इसी प्रकार लोहे से भी भारी परमाणुओं की नाभिकीय विखंडन अभिक्रिया के दौरान ऊर्जा निकलती है।

परमाणुओं के संलयन की प्रतिक्रियाओं के दौरान, भारी ऊर्जा निकलती है, लेकिन इस ऊर्जा को निकालने के लिए, हमें पहले सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए परमाणु नाभिकों के बीच प्रतिकारक बलों को दूर करने के लिए एक निश्चित प्रयास करने की आवश्यकता होती है (कूलम्ब बाधा पर काबू पाएं)। जब हम परमाणुओं के एक जोड़े को आवश्यक दूरी तक एक साथ लाने में कामयाब हो जाते हैं, तो मजबूत परमाणु संपर्क काम में आता है, जो न्यूट्रॉन और प्रोटॉन को बांधता है। प्रत्येक प्रकार के ईंधन के लिए, प्रतिक्रिया की शुरुआत के लिए कूलम्ब बाधा अलग होती है, जैसे इष्टतम प्रतिक्रिया तापमान अलग होता है:

इस मामले में, परमाणुओं की पहली थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं पदार्थ के औसत तापमान के इस अवरोध तक पहुंचने से बहुत पहले दर्ज की जाने लगती हैं, इस तथ्य के कारण कि परमाणुओं की गतिज ऊर्जा मैक्सवेल वितरण के अधीन है:

लेकिन अपेक्षाकृत कम तापमान (कई मिलियन डिग्री सेल्सियस के क्रम पर) पर प्रतिक्रिया बेहद धीमी गति से आगे बढ़ती है। तो मान लीजिए कि केंद्र में तापमान 14 मिलियन डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है, लेकिन ऐसी स्थितियों में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया की विशिष्ट शक्ति केवल 276.5 W/m³ है, और सूर्य को अपने ईंधन को पूरी तरह से उपभोग करने में कई अरब वर्ष लगते हैं। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर के लिए ऐसी स्थितियां अस्वीकार्य हैं, क्योंकि ऊर्जा रिलीज के इतने कम स्तर पर हम अनिवार्य रूप से प्रतिक्रिया से प्राप्त होने वाले थर्मोन्यूक्लियर ईंधन को गर्म करने और संपीड़ित करने पर अधिक खर्च करेंगे।

जैसे-जैसे ईंधन का तापमान बढ़ता है, परमाणुओं के बढ़ते अनुपात में कूलम्ब बाधा से अधिक ऊर्जा होने लगती है और प्रतिक्रिया की दक्षता बढ़ जाती है, जो अपने चरम पर पहुंच जाती है। तापमान में और वृद्धि के साथ, प्रतिक्रिया दर इस तथ्य के कारण फिर से गिरना शुरू हो जाती है कि परमाणुओं की गतिज ऊर्जा बहुत अधिक हो जाती है और वे एक-दूसरे से आगे निकल जाते हैं, मजबूत परमाणु संपर्क द्वारा एक साथ रखने में असमर्थ होते हैं।

इस प्रकार, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया से ऊर्जा कैसे प्राप्त की जाए इसका समाधान बहुत जल्दी प्राप्त हो गया था, लेकिन इस कार्य के कार्यान्वयन में आधी सदी लग गई और अभी तक पूरा नहीं हुआ है। इसका कारण वास्तव में उन्मत्त परिस्थितियों में निहित है जिसमें थर्मोन्यूक्लियर ईंधन को रखना आवश्यक हो गया - प्रतिक्रिया से सकारात्मक उपज के लिए, इसका तापमान कई दसियों लाख डिग्री सेल्सियस होना चाहिए।

भौतिक रूप से कोई भी दीवार इतने तापमान का सामना नहीं कर सकती, लेकिन इस समस्या ने लगभग तुरंत ही इसका समाधान निकाल लिया: चूंकि ऐसे तापमान पर गर्म किया गया पदार्थ एक गर्म प्लाज्मा (पूरी तरह से आयनित गैस) होता है जो सकारात्मक रूप से चार्ज होता है, समाधान सतह पर निकला - हमें बस ऐसे गर्म प्लाज्मा को एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में रखना था, जो थर्मोन्यूक्लियर ईंधन को दीवारों से सुरक्षित दूरी पर रखेगा।

इसके कार्यान्वयन की दिशा में प्रगति

इस विषय पर शोध एक साथ कई दिशाओं में हो रहा है:

1. सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग करके, वैज्ञानिक प्रतिक्रिया को प्रज्वलित करने और बनाए रखने पर खर्च होने वाली ऊर्जा को कम करने की कोशिश कर रहे हैं;
2. सुपरकंडक्टर्स की नई पीढ़ियों की मदद से, रिएक्टर के अंदर चुंबकीय क्षेत्र प्रेरण बढ़ जाता है, जिससे उच्च घनत्व और तापमान के साथ प्लाज्मा को बनाए रखना संभव हो जाता है, जिससे प्रति यूनिट वॉल्यूम रिएक्टरों की विशिष्ट शक्ति बढ़ जाती है;
3. गर्म प्लाज्मा अनुसंधान और कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकी में प्रगति प्लाज्मा प्रवाह के बेहतर नियंत्रण की अनुमति दे रही है, जिससे संलयन रिएक्टर उनकी सैद्धांतिक दक्षता सीमा के करीब आ रहे हैं;
4. पिछले क्षेत्र में प्रगति से हमें प्लाज़्मा को लंबे समय तक स्थिर स्थिति में रखने की भी अनुमति मिलती है, जिससे रिएक्टर की दक्षता बढ़ जाती है क्योंकि हमें प्लाज़्मा को बार-बार गर्म करने की आवश्यकता नहीं होती है।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के रास्ते में आने वाली सभी कठिनाइयों और समस्याओं के बावजूद, यह कहानी पहले से ही अपने अंत के करीब पहुंच रही है। ऊर्जा उद्योग में, ईंधन दक्षता की गणना करने के लिए ईआरओईआई संकेतक - ऊर्जा निवेश पर ऊर्जा रिटर्न (ईंधन के उत्पादन में खर्च की गई ऊर्जा का अनुपात जो हम अंततः इससे प्राप्त करते हैं) का उपयोग करने के लिए प्रथागत है। और जबकि कोयले का EROEI लगातार बढ़ रहा है, तेल और गैस के लिए यह संकेतक पिछली शताब्दी के मध्य में अपने चरम पर पहुंच गया था और अब इस तथ्य के कारण लगातार गिर रहा है कि इन ईंधनों के नए भंडार तेजी से दुर्गम स्थानों पर स्थित हैं और हमेशा के लिए अधिक गहराई:

साथ ही, हम कोयले का उत्पादन भी नहीं बढ़ा सकते क्योंकि इससे ऊर्जा प्राप्त करना एक बहुत ही गंदी प्रक्रिया है और वस्तुतः विभिन्न फेफड़ों की बीमारियों से लोगों की जान ले रही है। किसी भी तरह, हम अब जीवाश्म ईंधन के युग के अंत की दहलीज पर खड़े हैं - और यह पर्यावरणविदों की साजिश नहीं है, बल्कि भविष्य को देखते हुए सामान्य आर्थिक गणना है। इसी समय, प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों का ईआरओआई, जो पिछली सदी के मध्य में भी सामने आया था, लगातार बढ़ता गया और 2007 में एक के मनोवैज्ञानिक अवरोध तक पहुंच गया - यानी, इस साल पहली बार मानवता अधिक ऊर्जा प्राप्त करने में कामयाब रही। इसके कार्यान्वयन पर खर्च की तुलना में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के माध्यम से। और इस तथ्य के बावजूद कि रिएक्टर के कार्यान्वयन, इसके साथ प्रयोग और आईटीईआर के कार्यान्वयन के दौरान प्राप्त अनुभव के आधार पर पहले प्रदर्शन थर्मोन्यूक्लियर पावर प्लांट डेमो के उत्पादन में अभी भी बहुत समय लगेगा। इसमें अब कोई संदेह नहीं रह गया है कि हमारा भविष्य ऐसे रिएक्टरों में ही निहित है।

शोध की आलोचना

फ्यूज़न रिएक्टर अनुसंधान की मुख्य आलोचना यह है कि अनुसंधान अत्यंत धीमी गति से आगे बढ़ रहा है। और यह सच है - पहले प्रयोगों से लेकर ब्रेक-ईवन थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के उत्पादन तक हमें 66 साल लग गए। लेकिन यहां समस्या की जड़ यह है कि इस तरह के शोध के लिए फंडिंग कभी भी आवश्यक स्तर तक नहीं पहुंची है - यहां फ्यूजन रिएक्टर परियोजना के लिए फंडिंग के स्तर और इसके पूरा होने के समय के अमेरिकी ऊर्जा अनुसंधान और विकास प्रशासन के अनुमान का एक उदाहरण दिया गया है:

जैसा कि इस ग्राफ से देखा जा सकता है, यह न केवल आश्चर्यजनक है कि हमारे पास अभी भी वाणिज्यिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर नहीं हैं जो बिजली का उत्पादन करते हैं, बल्कि यह कि हम इस समय प्रायोगिक रिएक्टरों से कोई सकारात्मक ऊर्जा उत्पादन प्राप्त करने में सक्षम हैं।