थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों के निर्माण की समस्याएं। एप्लाइड एंड बेसिक रिसर्च के इंटरनेशनल जर्नल

रिएक्टर में "भारी" आयनों, जैसे नियॉन या आर्गन को पेश करके भगोड़े इलेक्ट्रॉनों को प्रभावी ढंग से धीमा करने के लिए एक नई तकनीक विकसित की गई है।

एक कार्यात्मक संलयन रिएक्टर अभी भी एक सपना है, लेकिन स्वच्छ ऊर्जा की असीमित आपूर्ति को अनलॉक करने के लक्ष्य के साथ बहुत सारे शोध और प्रयोग के कारण यह अंततः सच हो सकता है। परमाणु संलयन प्राप्त करने में वैज्ञानिकों को जिन समस्याओं का सामना करना पड़ता है, वे निस्संदेह गंभीर और वास्तव में कठिन हैं, लेकिन सब कुछ पार करने योग्य है। और ऐसा लगता है कि मुख्य समस्याओं में से एक हल हो गई है।

परमाणु संलयन मानव जाति द्वारा आविष्कार की गई प्रक्रिया नहीं है, बल्कि मूल रूप से प्रकृति में विद्यमान है, यह प्रक्रिया हमारे सूर्य को खिलाती है। हमारे घर के तारे के अंदर, हाइड्रोजन परमाणु हीलियम बनाने के लिए एक साथ बैठते हैं, जो प्रक्रिया को किकस्टार्ट करता है। संलयन ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा को मुक्त करता है, लेकिन अत्यधिक उच्च दबाव और तापमान बनाने के लिए भारी लागत की आवश्यकता होती है, जिसे नियंत्रित तरीके से पृथ्वी पर पुन: उत्पन्न करना मुश्किल होता है।

पिछले साल, एमआईटी के शोधकर्ताओं ने प्लाज़्मा को सही दबाव में रखकर हमें संलयन के करीब लाया, अब चाल्मर्स विश्वविद्यालय के दो शोधकर्ताओं ने पहेली का एक और टुकड़ा खोजा है।

एक समस्या जिसका इंजीनियरों को सामना करना पड़ा है वह है भगोड़ा इलेक्ट्रॉन। ये अत्यंत उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन अचानक और अप्रत्याशित रूप से बहुत तेज गति में तेजी ला सकते हैं, जो बिना किसी चेतावनी के रिएक्टर की दीवार को नष्ट कर सकते हैं।

डॉक्टरेट के छात्रों लिनिया हेशलो और ओले एम्बरोस ने रिएक्टर में नियॉन या आर्गन जैसे "भारी" आयनों को पेश करके इन भगोड़े इलेक्ट्रॉनों को प्रभावी ढंग से धीमा करने के लिए एक नई तकनीक विकसित की है। नतीजतन, इन आयनों के नाभिक में एक उच्च चार्ज के साथ टकराने वाले इलेक्ट्रॉन धीमा हो जाते हैं और बहुत अधिक नियंत्रित हो जाते हैं।

"जब हम भगोड़े इलेक्ट्रॉनों को प्रभावी ढंग से धीमा कर सकते हैं, तो हम एक कार्यात्मक संलयन रिएक्टर के करीब एक कदम होंगे," लिनिया हेशलोव कहते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मॉडल बनाया है जो इलेक्ट्रॉन ऊर्जा और व्यवहार का प्रभावी ढंग से अनुमान लगा सकता है। गणितीय प्लाज्मा मॉडलिंग का उपयोग करते हुए, भौतिक विज्ञानी अब संलयन प्रक्रिया को बाधित किए बिना इलेक्ट्रॉनों के पलायन वेग को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकते हैं।

"बहुत से लोग मानते हैं कि यह काम करेगा, लेकिन विलय की तुलना में मंगल पर जाना आसान है," लिनिया हेशलोव कहते हैं: "आप कह सकते हैं कि हम यहां पृथ्वी पर सितारों को इकट्ठा करने की कोशिश कर रहे हैं, और इसमें कुछ समय लग सकता है। हमें यहां पृथ्वी पर सफलतापूर्वक विलय करने के लिए अविश्वसनीय रूप से उच्च तापमान, सूर्य के केंद्र से अधिक गर्म लगता है। इसलिए मुझे उम्मीद है कि यह सब समय की बात है।"

newatlas.com पर आधारित, अनुवाद

9 जुलाई 2016

कुछ आशावादी कहते हैं कि आधुनिक सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करने वाली नवीन परियोजनाएं जल्द ही नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की अनुमति देंगी। हालांकि, विशेषज्ञ भविष्यवाणी करते हैं कि व्यावहारिक अनुप्रयोग में कई दशक लगेंगे।

यह इतना कठिन क्यों हैं?

संलयन ऊर्जा को भविष्य के लिए ऊर्जा का संभावित स्रोत माना जाता है। यह परमाणु की शुद्ध ऊर्जा है। लेकिन यह क्या है और इसे हासिल करना इतना मुश्किल क्यों है? शुरू करने के लिए, हमें शास्त्रीय परमाणु विखंडन और थर्मोन्यूक्लियर संलयन के बीच के अंतर को समझने की जरूरत है।

परमाणु का विखंडन इस तथ्य में होता है कि रेडियोधर्मी समस्थानिक - यूरेनियम या प्लूटोनियम - विभाजित हो जाते हैं और अन्य अत्यधिक रेडियोधर्मी समस्थानिकों में परिवर्तित हो जाते हैं, जिन्हें तब दफन या पुनर्नवीनीकरण किया जाना चाहिए।

संलयन प्रतिक्रिया में यह तथ्य होता है कि हाइड्रोजन के दो समस्थानिक - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम - एक ही पूरे में विलीन हो जाते हैं, गैर-विषैले हीलियम और एक न्यूट्रॉन का निर्माण करते हैं, बिना रेडियोधर्मी अपशिष्ट का उत्पादन करते हैं।

नियंत्रण समस्या

सूर्य पर या हाइड्रोजन बम में होने वाली प्रतिक्रियाएं थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन हैं, और इंजीनियरों को एक कठिन काम का सामना करना पड़ता है - बिजली संयंत्र में इस प्रक्रिया को कैसे नियंत्रित किया जाए?

यह ऐसी चीज है जिस पर वैज्ञानिक 1960 के दशक से काम कर रहे हैं। वेन्डेलस्टीन 7-एक्स नामक एक अन्य प्रायोगिक संलयन रिएक्टर ने उत्तरी जर्मन शहर ग्रिफ़्सवाल्ड में काम करना शुरू कर दिया है। यह अभी तक एक प्रतिक्रिया बनाने के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है - यह केवल एक विशेष डिज़ाइन है जिसका परीक्षण किया जा रहा है (टोकमाक के बजाय एक तारकीय यंत्र)।

उच्च ऊर्जा प्लाज्मा

सभी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिष्ठानों में एक सामान्य विशेषता होती है - एक कुंडलाकार आकार। यह टोरस के आकार का एक मजबूत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बनाने के लिए शक्तिशाली इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग करने के विचार पर आधारित है - एक फुलाया हुआ साइकिल ट्यूब।

यह विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इतना घना होना चाहिए कि जब इसे माइक्रोवेव ओवन में दस लाख डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाए, तो रिंग के बिल्कुल केंद्र में एक प्लाज्मा दिखाई देना चाहिए। फिर इसे प्रज्वलित किया जाता है ताकि थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन शुरू हो सके।

संभावनाओं का प्रदर्शन

इस तरह के दो प्रयोग अभी यूरोप में चल रहे हैं। उनमें से एक वेंडेलस्टीन 7-एक्स है, जिसने हाल ही में अपना पहला हीलियम प्लाज्मा बनाया है। दूसरा है ITER, फ्रांस के दक्षिण में एक विशाल प्रायोगिक संलयन सुविधा जो अभी भी निर्माणाधीन है और 2023 में लाइव होने के लिए तैयार होगी।

वास्तविक परमाणु प्रतिक्रियाएं आईटीईआर में होने की उम्मीद है, यद्यपि केवल थोड़े समय के लिए और निश्चित रूप से 60 मिनट से अधिक नहीं। यह रिएक्टर परमाणु संलयन को वास्तविकता बनाने के रास्ते में कई चरणों में से एक है।

फ्यूजन रिएक्टर: छोटा और अधिक शक्तिशाली

हाल ही में, कई डिजाइनरों ने एक नए रिएक्टर डिजाइन की घोषणा की है। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के छात्रों के एक समूह के साथ-साथ हथियार कंपनी लॉकहीड मार्टिन के प्रतिनिधियों के अनुसार, फ्यूजन उन सुविधाओं में किया जा सकता है जो ITER से बहुत अधिक शक्तिशाली और छोटी हैं, और वे इसे दस के भीतर करने के लिए तैयार हैं। वर्षों।

नए डिजाइन का विचार इलेक्ट्रोमैग्नेट्स में आधुनिक उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करना है, जो पारंपरिक लोगों के बजाय तरल नाइट्रोजन के साथ ठंडा होने पर अपने गुणों का प्रदर्शन करते हैं, जिन्हें तरल हीलियम की आवश्यकता होती है। नई, अधिक लचीली तकनीक से रिएक्टर के डिजाइन को पूरी तरह से बदलना संभव हो जाएगा।

क्लाउस हेश, जो दक्षिण-पश्चिम जर्मनी में कार्लज़ूए इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी में परमाणु संलयन प्रौद्योगिकी के प्रभारी हैं, संशय में हैं। यह नए रिएक्टर डिजाइनों के लिए नए उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के उपयोग का समर्थन करता है। लेकिन, उनके अनुसार, भौतिकी के नियमों को ध्यान में रखते हुए, कंप्यूटर पर कुछ विकसित करना पर्याप्त नहीं है। किसी विचार को व्यवहार में लाते समय आने वाली चुनौतियों को ध्यान में रखना आवश्यक है।

कल्पित विज्ञान

हेश के अनुसार, एमआईटी छात्र मॉडल केवल एक परियोजना की संभावना को दर्शाता है। लेकिन यह वास्तव में बहुत सारी विज्ञान कथा है। परियोजना मानती है कि थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की गंभीर तकनीकी समस्याएं हल हो गई हैं। लेकिन आधुनिक विज्ञान को नहीं पता कि उन्हें कैसे हल किया जाए।

ऐसी ही एक समस्या है बंधनेवाला कॉइल का विचार। एमआईटी डिजाइन मॉडल में प्लाज्मा रखने वाली रिंग के अंदर जाने के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेट्स को नष्ट किया जा सकता है।

यह बहुत उपयोगी होगा क्योंकि कोई व्यक्ति आंतरिक प्रणाली में वस्तुओं तक पहुंचने और उन्हें बदलने में सक्षम होगा। लेकिन वास्तव में, सुपरकंडक्टर्स सिरेमिक सामग्री से बने होते हैं। सही चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए उनमें से सैकड़ों को परिष्कृत तरीके से आपस में जोड़ा जाना चाहिए। और यहाँ और अधिक मूलभूत कठिनाइयाँ हैं: उनके बीच का संबंध तांबे के केबलों के कनेक्शन जितना सरल नहीं है। किसी ने ऐसी अवधारणाओं के बारे में सोचा भी नहीं है जो ऐसी समस्याओं को हल करने में मदद कर सकें।

बहुत गर्म

उच्च तापमान भी एक समस्या है। संलयन प्लाज्मा के मूल में, तापमान लगभग 150 मिलियन डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाएगा। यह अत्यधिक ऊष्मा आयनित गैस के ठीक केंद्र में बनी रहती है। लेकिन इसके चारों ओर भी यह अभी भी बहुत गर्म है - रिएक्टर ज़ोन में 500 से 700 डिग्री तक, जो एक धातु पाइप की आंतरिक परत है जिसमें परमाणु संलयन होने के लिए आवश्यक ट्रिटियम "पुन: उत्पन्न" होगा।

फ्यूजन रिएक्टर की एक और भी बड़ी समस्या है - तथाकथित बिजली रिलीज। यह प्रणाली का वह हिस्सा है जो संलयन प्रक्रिया से प्रयुक्त ईंधन प्राप्त करता है, मुख्यतः हीलियम। गर्म गैस में प्रवेश करने वाले पहले धातु के घटकों को "डायवर्टर" कहा जाता है। यह 2000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तक गर्म हो सकता है।

डायवर्टर की समस्या

इस तरह के तापमान का सामना करने के लिए स्थापना के लिए, इंजीनियर पुराने जमाने के गरमागरम लैंप में इस्तेमाल होने वाले धातु के टंगस्टन का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं। टंगस्टन का गलनांक लगभग 3000 डिग्री होता है। लेकिन अन्य सीमाएँ भी हैं।

ITER में ऐसा किया जा सकता है, क्योंकि इसमें तापन लगातार नहीं होता है। यह माना जाता है कि रिएक्टर केवल 1-3% समय संचालित करेगा। लेकिन यह एक बिजली संयंत्र के लिए एक विकल्प नहीं है जिसे 24/7 चलाने की जरूरत है। और, यदि कोई यह दावा करता है कि वह ITER जैसी शक्ति के साथ एक छोटा रिएक्टर बनाने में सक्षम है, तो यह कहना सुरक्षित है कि उसके पास डायवर्टर समस्या का समाधान नहीं है।

कुछ दशकों में बिजली संयंत्र

फिर भी, वैज्ञानिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों के विकास के बारे में आशावादी हैं, हालांकि यह उतना तेज़ नहीं होगा जितना कुछ उत्साही भविष्यवाणी करते हैं।

ITER को यह दिखाना चाहिए कि नियंत्रित संलयन वास्तव में प्लाज्मा को गर्म करने पर खर्च होने वाली ऊर्जा की तुलना में अधिक ऊर्जा का उत्पादन कर सकता है। अगला कदम एक बिल्कुल नया हाइब्रिड प्रदर्शन बिजली संयंत्र बनाना है जो वास्तव में बिजली उत्पन्न करता है।

इंजीनियर पहले से ही इसके डिजाइन पर काम कर रहे हैं। उन्हें आईटीईआर से सीखना होगा, जो 2023 में लॉन्च होने वाला है। डिजाइन, योजना और निर्माण के लिए आवश्यक समय को देखते हुए, ऐसा लगता नहीं है कि पहला फ्यूजन पावर प्लांट 21 वीं सदी के मध्य की तुलना में बहुत पहले शुरू किया जाएगा।

कोल्ड फ्यूजन रॉसी

2014 में, ई-कैट रिएक्टर के एक स्वतंत्र परीक्षण ने निष्कर्ष निकाला कि डिवाइस ने 32 दिनों की अवधि में 900 वाट की खपत के साथ औसतन 2,800 वाट बिजली उत्पादन किया। यह किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया से अलग करने में सक्षम है। परिणाम या तो थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन में एक सफलता की बात करता है, या एकमुश्त धोखाधड़ी का। रिपोर्ट ने संदेहियों को निराश किया, जो संदेह करते हैं कि क्या परीक्षण वास्तव में स्वतंत्र था और परीक्षण के परिणामों के संभावित मिथ्याकरण का सुझाव देता है। अन्य "गुप्त सामग्री" का पता लगाने में व्यस्त हैं जो रॉसी के संलयन को प्रौद्योगिकी को दोहराने में सक्षम बनाती हैं।

रॉसी एक स्कैमर है?

एंड्रिया थोप रहा है। वह अपनी वेबसाइट के टिप्पणी अनुभाग में अद्वितीय अंग्रेजी में दुनिया के लिए उद्घोषणाओं को प्रकाशित करता है, जिसे दिखावटी रूप से जर्नल ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स कहा जाता है। लेकिन उनके पिछले असफल प्रयासों में एक इतालवी अपशिष्ट-से-ईंधन परियोजना और एक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर शामिल हैं। पेट्रोलड्रैगन, एक अपशिष्ट-से-ऊर्जा परियोजना, आंशिक रूप से विफल रही क्योंकि कचरे के अवैध डंपिंग को इतालवी संगठित अपराध द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिसने इसके खिलाफ अपशिष्ट प्रबंधन नियमों का उल्लंघन करने के लिए आपराधिक आरोप दायर किए हैं। उन्होंने यूएस आर्मी कोर ऑफ इंजीनियर्स के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस भी बनाया, लेकिन परीक्षण के दौरान, गैजेट ने घोषित शक्ति का केवल एक अंश ही उत्पन्न किया।

बहुत से लोग रॉसी पर भरोसा नहीं करते हैं, और न्यू एनर्जी टाइम्स के प्रधान संपादक ने स्पष्ट रूप से उसे एक अपराधी कहा जिसके पीछे असफल ऊर्जा परियोजनाओं की एक कड़ी थी।

स्वतंत्र सत्यापन

रॉसी ने अमेरिकी कंपनी इंडस्ट्रियल हीट के साथ एक 1-मेगावाट कोल्ड फ्यूजन प्लांट का एक साल का गुप्त परीक्षण करने के लिए एक अनुबंध पर हस्ताक्षर किए। डिवाइस दर्जनों ई-कैट्स से भरा एक शिपिंग कंटेनर था। प्रयोग को किसी तीसरे पक्ष द्वारा नियंत्रित किया जाना था जो पुष्टि कर सके कि गर्मी उत्पादन वास्तव में हो रहा था। रॉसी ने दावा किया है कि ई-कैट की व्यावसायिक व्यवहार्यता को साबित करने के लिए पिछले एक साल का अधिकांश समय वस्तुतः एक कंटेनर में रहकर और प्रतिदिन 16 घंटे से अधिक संचालन की देखरेख में बिताया है।

मार्च में परीक्षा समाप्त हुई। रॉसी के समर्थक पर्यवेक्षकों की रिपोर्ट का बेसब्री से इंतजार कर रहे थे, उम्मीद कर रहे थे कि उनके नायक को बरी कर दिया जाएगा। लेकिन अंत में उन पर मुकदमा चला।

परीक्षण

फ़्लोरिडा की एक अदालती फाइलिंग में, रॉसी का दावा है कि परीक्षण सफल रहा और एक स्वतंत्र मध्यस्थ ने पुष्टि की कि ई-कैट रिएक्टर खपत से छह गुना अधिक ऊर्जा का उत्पादन करता है। उन्होंने यह भी दावा किया कि 24 घंटे के परीक्षण के बाद इंडस्ट्रियल हीट उन्हें $ 100 मिलियन - $ 11.5 मिलियन का भुगतान करने के लिए सहमत हो गया (जाहिर तौर पर लाइसेंसिंग अधिकारों के लिए ताकि कंपनी यूएस में प्रौद्योगिकी बेच सके) और विस्तारित परीक्षण के सफल समापन के बाद $ 89 मिलियन का भुगतान करने के लिए सहमत हो गए। 350 दिनों के भीतर। रॉसी ने IH पर उसकी बौद्धिक संपदा की चोरी करने के लिए "धोखाधड़ी योजना" चलाने का आरोप लगाया। उन्होंने कंपनी पर ई-कैट रिएक्टरों का दुरुपयोग करने, अवैध रूप से नवीन तकनीकों और उत्पादों, कार्यक्षमता और डिजाइनों की नकल करने और उनकी बौद्धिक संपदा पर पेटेंट का दुरुपयोग करने का भी आरोप लगाया।

सोने की खान

कहीं और, रॉसी का दावा है कि अपने एक प्रदर्शन में, IH को शीर्ष चीनी अधिकारियों के एक रिप्ले के बाद निवेशकों से $50-60 मिलियन और चीन से $200 मिलियन प्राप्त हुए। अगर यह सच है, तो एक सौ मिलियन डॉलर से अधिक का बहुत कुछ दांव पर लगा है। इंडस्ट्रियल हीट ने इन दावों को निराधार बताते हुए खारिज कर दिया है और सक्रिय रूप से अपना बचाव करने जा रही है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि वह दावा करती है कि उसने "तीन साल से अधिक समय तक उन परिणामों की पुष्टि करने के लिए काम किया जो रॉसी ने कथित तौर पर अपनी ई-कैट तकनीक के साथ हासिल किए, बिना सफलता के।"

आईएच ई-कैट में विश्वास नहीं करता है, और न्यू एनर्जी टाइम्स को इसमें संदेह करने का कोई कारण नहीं दिखता है। जून 2011 में, प्रकाशन के एक प्रतिनिधि ने इटली का दौरा किया, रॉसी का साक्षात्कार लिया और अपनी ई-कैट का एक प्रदर्शन फिल्माया। एक दिन बाद, उन्होंने थर्मल पावर को मापने की विधि के बारे में अपनी गंभीर चिंताओं की सूचना दी। 6 दिन बाद पत्रकार ने अपना वीडियो यूट्यूब पर पोस्ट किया। दुनिया भर के विशेषज्ञों ने उन्हें विश्लेषण भेजा, जो जुलाई में प्रकाशित हुए थे। यह स्पष्ट हो गया कि यह एक घोटाला था।

प्रायोगिक पुष्टि

फिर भी, कई शोधकर्ता - रूस के पीपुल्स फ्रेंडशिप यूनिवर्सिटी के अलेक्जेंडर पार्कहोमोव और मार्टिन फ्लेशमैन मेमोरियल प्रोजेक्ट (एमएफपीएम) - रूस के ठंडे संलयन की नकल करने में सफल रहे हैं। एमएफपीएम रिपोर्ट का शीर्षक "द एंड ऑफ द कार्बन एरा इज़ नियर" था। इस तरह की प्रशंसा का कारण गामा विकिरण के फटने की खोज थी, जिसे थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के अलावा अन्यथा नहीं समझाया जा सकता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, रॉसी के पास ठीक वही है जिसके बारे में वह बात कर रहा है।

शीत संलयन के लिए एक व्यवहार्य खुला नुस्खा एक ऊर्जा सोने की भीड़ को चिंगारी कर सकता है। रॉसी के पेटेंट को दरकिनार करने और उसे अरबों डॉलर के ऊर्जा कारोबार से दूर रखने के लिए वैकल्पिक तरीके खोजे जा सकते हैं।

तो शायद रॉसी इस पुष्टि से बचना पसंद करेंगे।

3. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्याएं

सभी विकसित देशों के शोधकर्ताओं ने एक नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के साथ आने वाले ऊर्जा संकट पर काबू पाने की अपनी उम्मीदें टिका दी हैं। ऐसी प्रतिक्रिया - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम से हीलियम का संश्लेषण - लाखों वर्षों से सूर्य पर हो रहा है, और पचास वर्षों से अब वे इसे विशाल और बहुत महंगी लेजर सुविधाओं, टोकामक्स में ले जाने की कोशिश कर रहे हैं। (गर्म प्लाज्मा में थर्मोन्यूक्लियर संलयन प्रतिक्रिया करने के लिए एक उपकरण) और तारकीय (उच्च तापमान प्लाज्मा रखने के लिए बंद चुंबकीय जाल)। हालांकि, इस कठिन समस्या को हल करने के अन्य तरीके भी हैं, और थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के कार्यान्वयन के लिए विशाल टोकामकों के बजाय, एक कॉम्पैक्ट और सस्ती कोलाइडर - टकराने वाले बीम पर एक त्वरक - का उपयोग करना संभव होगा।

टोकामक को संचालित करने के लिए बहुत कम मात्रा में लिथियम और ड्यूटेरियम की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 1 गीगावॉट की विद्युत शक्ति वाला एक रिएक्टर प्रति वर्ष लगभग 100 किलोग्राम ड्यूटेरियम और 300 किलोग्राम लिथियम जलाता है। अगर हम मान लें कि सभी थर्मोन्यूक्लियर पावर प्लांट 10 ट्रिलियन का उत्पादन करेंगे। प्रति वर्ष kW / h बिजली, यानी आज पृथ्वी के सभी बिजली संयंत्रों का उत्पादन होता है, तो ड्यूटेरियम और लिथियम का विश्व भंडार कई लाखों वर्षों तक मानवता को ऊर्जा की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त होगा।

ड्यूटेरियम और लिथियम के संलयन के अलावा, दो ड्यूटेरियम परमाणुओं के संयुक्त होने पर विशुद्ध रूप से सौर संलयन संभव है। यदि इस प्रतिक्रिया में महारत हासिल है, तो ऊर्जा की समस्याएं तुरंत और हमेशा के लिए हल हो जाएंगी।

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (सीटीएफ) के किसी भी ज्ञात रूप में, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं बिजली में अनियंत्रित वृद्धि के मोड में प्रवेश नहीं कर सकती हैं, इसलिए, ऐसे रिएक्टर आंतरिक रूप से सुरक्षित नहीं हैं।

भौतिक दृष्टिकोण से, समस्या सरल रूप से तैयार की जाती है। एक आत्मनिर्भर परमाणु संलयन प्रतिक्रिया होने के लिए, दो शर्तों को पूरा करना आवश्यक और पर्याप्त है।

1. प्रतिक्रिया में भाग लेने वाले नाभिक की ऊर्जा कम से कम 10 केवी होनी चाहिए। परमाणु संलयन शुरू करने के लिए, प्रतिक्रिया में भाग लेने वाले नाभिक को परमाणु बलों के क्षेत्र में गिरना चाहिए, जिसकी त्रिज्या 10-12-10-13 s.cm है। हालांकि, परमाणु नाभिक में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है, और समान आवेश एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। परमाणु बलों की कार्रवाई की सीमा पर, कूलम्ब प्रतिकर्षण की ऊर्जा लगभग 10 केवी है। इस अवरोध को दूर करने के लिए, टक्कर में नाभिक की गतिज ऊर्जा कम से कम इस मान से कम नहीं होनी चाहिए।

2. अभिकारक नाभिकों की सांद्रता का गुणनफल और अवधारण समय जिसके दौरान वे संकेतित ऊर्जा को बनाए रखते हैं, कम से कम 1014 s.cm-3 होना चाहिए। यह स्थिति - तथाकथित लॉसन मानदंड - प्रतिक्रिया की ऊर्जा लाभप्रदता की सीमा निर्धारित करती है। संलयन प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा के लिए प्रतिक्रिया शुरू करने की ऊर्जा लागत को कम से कम कवर करने के लिए, परमाणु नाभिक को कई टकरावों से गुजरना होगा। प्रत्येक टक्कर में जिसमें ड्यूटेरियम (D) और ट्रिटियम (T) के बीच संलयन प्रतिक्रिया होती है, 17.6 MeV ऊर्जा निकलती है, अर्थात लगभग 3.10-12 J। यदि, उदाहरण के लिए, 10 MJ ऊर्जा प्रज्वलन पर खर्च की जाती है, तो प्रतिक्रिया टूट जाएगी भले ही कम से कम 3.1018 D-T जोड़े इसमें भाग लें। और इसके लिए, रिएक्टर में लंबे समय तक एक घने उच्च-ऊर्जा प्लाज्मा को रखा जाना चाहिए। यह स्थिति लॉसन मानदंड द्वारा व्यक्त की जाती है।

यदि दोनों आवश्यकताओं को एक साथ पूरा किया जा सकता है, तो नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्या हल हो जाएगी।

हालाँकि, इस भौतिक समस्या के तकनीकी कार्यान्वयन में भारी कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है। आखिरकार, 10 केवी की ऊर्जा 100 मिलियन डिग्री का तापमान है। इस तरह के तापमान पर एक पदार्थ को केवल एक वैक्यूम में एक सेकंड के अंशों के लिए रखा जा सकता है, इसे स्थापना की दीवारों से अलग करके।

लेकिन इस समस्या को हल करने का एक और तरीका है - एक ठंडा संलयन। शीत संलयन क्या है - यह कमरे के तापमान पर होने वाली "गर्म" थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया का एक एनालॉग है।

प्रकृति में, सातत्य के एक आयाम के भीतर पदार्थ को बदलने के कम से कम दो तरीके हैं। आप पानी को आग पर उबाल सकते हैं, यानी। थर्मली, या माइक्रोवेव ओवन में, यानी। आवृत्ति। परिणाम समान है - पानी उबलता है, अंतर केवल इतना है कि आवृत्ति विधि तेज है। यह परमाणु के नाभिक को विभाजित करने के लिए अति उच्च तापमान की उपलब्धि का भी उपयोग करता है। थर्मल विधि एक अनियंत्रित परमाणु प्रतिक्रिया देती है। शीत संलयन की ऊर्जा संक्रमण अवस्था की ऊर्जा है। शीत संलयन प्रतिक्रिया करने के लिए रिएक्टर के डिजाइन के लिए मुख्य शर्तों में से एक इसके पिरामिड-क्रिस्टलीय रूप की स्थिति है। एक अन्य महत्वपूर्ण स्थिति घूर्णन चुंबकीय और मरोड़ क्षेत्रों की उपस्थिति है। खेतों का प्रतिच्छेदन हाइड्रोजन नाभिक के अस्थिर संतुलन के बिंदु पर होता है।

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिक रूज़ी तलेयारखान, पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के रिचर्ड लीखी। रेंसिलिरा और शिक्षाविद रॉबर्ट निगमातुलिन - ने प्रयोगशाला में एक ठंडी थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया दर्ज की।

समूह ने दो से तीन गिलास के आकार के तरल एसीटोन के बीकर का उपयोग किया। ध्वनि तरंगों को तरल के माध्यम से तीव्रता से प्रेषित किया गया था, जिससे भौतिकी में ध्वनिक गुहिकायन के रूप में जाना जाने वाला प्रभाव उत्पन्न होता है, जिसका परिणाम सोनोल्यूमिनेसिसेंस होता है। गुहिकायन के दौरान तरल में छोटे-छोटे बुलबुले दिखाई दिए, जो व्यास में दो मिलीमीटर तक बढ़ गए और फट गए। विस्फोटों के साथ प्रकाश की चमक और ऊर्जा का विमोचन हुआ। विस्फोट के समय बुलबुले के अंदर का तापमान 10 मिलियन डिग्री केल्विन तक पहुंच गया, और प्रयोगकर्ताओं के अनुसार, जारी की गई ऊर्जा थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन को अंजाम देने के लिए पर्याप्त है।

"तकनीकी रूप से" प्रतिक्रिया का सार इस तथ्य में निहित है कि ड्यूटेरियम के दो परमाणुओं के संयोजन के परिणामस्वरूप, एक तीसरा बनता है - हाइड्रोजन का एक समस्थानिक, जिसे ट्रिटियम के रूप में जाना जाता है, और एक न्यूट्रॉन, जिसमें भारी मात्रा में ऊर्जा होती है .

अतिचालक अवस्था में धारा शून्य होती है, और इसलिए, चुंबकीय क्षेत्र को बनाए रखने पर बिजली की न्यूनतम मात्रा खर्च की जाएगी। 8. सुपरफास्ट सिस्टम। जड़त्वीय कारावास के साथ नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन प्लाज्मा के चुंबकीय कारावास से जुड़ी कठिनाइयों को सिद्धांत रूप में, बायपास किया जा सकता है यदि परमाणु ईंधन को बहुत कम समय में जलाया जाता है, जब ...

2004 के लिए। इस परियोजना पर अगली वार्ता मई 2004 में वियना में होगी। रिएक्टर 2006 में बनाया जाएगा और 2014 में लॉन्च होने वाला है। यह कैसे काम करता है फ्यूजन * ऊर्जा उत्पादन का एक सस्ता और पर्यावरण के अनुकूल तरीका है। अरबों वर्षों से सूर्य पर अनियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन होता रहा है - हाइड्रोजन ड्यूटेरियम के भारी समस्थानिक से हीलियम का निर्माण होता है। जिसमें...

प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर का नेतृत्व ई.पी. वेलिखोव कर रहे हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका, 15 अरब डॉलर खर्च कर, इस परियोजना से वापस ले लिया, शेष 15 अरब अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक संगठनों द्वारा पहले ही खर्च किया जा चुका है। 2. तकनीकी, पर्यावरण और चिकित्सा समस्याएं। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन (UTF) प्रतिष्ठानों के संचालन के दौरान। न्यूट्रॉन बीम और गामा विकिरण होते हैं, साथ ही...

ऊर्जा जारी करने की प्रक्रिया शुरू करने की लागत को कवर करने के लिए जारी ऊर्जा पर्याप्त होने के लिए ऊर्जा और किस गुणवत्ता की आवश्यकता होगी। थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्याओं के संबंध में हम नीचे इस प्रश्न पर चर्चा करेंगे। लेज़रों की ऊर्जा गुणवत्ता पर सरलतम मामलों में, निम्न-गुणवत्ता वाली ऊर्जा को उच्च-गुणवत्ता वाली ऊर्जा में बदलने की सीमाएं स्पष्ट हैं। यहां से कुछ उदाहरण दिए गए हैं...

1। परिचय

3. थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन कंट्रोल की समस्याएं

3.1 आर्थिक समस्याएं

3.2 चिकित्सा मुद्दे

4। निष्कर्ष

5. संदर्भ

1। परिचय

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्या मानव जाति के सामने सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक है।

ऊर्जा के बिना मानव सभ्यता अस्तित्व में नहीं रह सकती, विकास की तो बात ही छोड़िए। हर कोई अच्छी तरह से जानता है कि ऊर्जा के विकसित स्रोत, दुर्भाग्य से, जल्द ही समाप्त हो सकते हैं। विश्व ऊर्जा परिषद के अनुसार, पृथ्वी पर हाइड्रोकार्बन ईंधन के खोजे गए भंडार 30 वर्षों तक बने रहते हैं।

आज ऊर्जा के मुख्य स्रोत तेल, गैस और कोयला हैं।

जानकारों के मुताबिक इन खनिजों के भंडार खत्म हो रहे हैं। तेल क्षेत्रों के विकास के लिए उपयुक्त लगभग कोई खोज नहीं है, और पहले से ही हमारे पोते-पोतियों को ऊर्जा की कमी की एक बहुत ही गंभीर समस्या का सामना करना पड़ सकता है।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र, जो ईंधन के साथ सबसे अच्छी आपूर्ति करते हैं, निश्चित रूप से एक सौ से अधिक वर्षों के लिए बिजली के साथ मानवता की आपूर्ति कर सकते हैं।

अध्ययन की वस्तु: नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्याएं।

अध्ययन का विषय: थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन।

इस अध्ययन का उद्देश्य: थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन नियंत्रण की समस्या का समाधान;

अनुसंधान के उद्देश्य:

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के प्रकारों का अध्ययन करना।

थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा को किसी व्यक्ति तक पहुंचाने के लिए सभी संभावित विकल्पों पर विचार करें।

· ऊर्जा को बिजली में बदलने के बारे में एक सिद्धांत सामने रखें।

प्रारंभिक तथ्य:

परमाणु नाभिक के क्षय या संलयन के दौरान परमाणु ऊर्जा निकलती है। कोई भी ऊर्जा - भौतिक, रासायनिक या परमाणु उसकी कार्य करने की क्षमता, ऊष्मा या विकिरण को विकीर्ण करने की क्षमता से प्रकट होती है। किसी भी प्रणाली में ऊर्जा हमेशा संरक्षित होती है, लेकिन इसे किसी अन्य प्रणाली में स्थानांतरित किया जा सकता है या रूप में बदला जा सकता है।

उपलब्धिनियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की स्थितियां कई मुख्य समस्याओं से बाधित होती हैं:

· सबसे पहले, आपको गैस को बहुत अधिक तापमान पर गर्म करने की आवश्यकता है।

· दूसरे, पर्याप्त लंबे समय के लिए प्रतिक्रियाशील नाभिकों की संख्या को नियंत्रित करना आवश्यक है।

· तीसरा, जारी की गई ऊर्जा की मात्रा गैस के घनत्व को गर्म करने और सीमित करने के लिए खर्च की गई मात्रा से अधिक होनी चाहिए।

अगली समस्या इस ऊर्जा के संचयन और इसे बिजली में परिवर्तित करने की है

2. सूर्य पर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं

सौर ऊर्जा का स्रोत क्या है? उन प्रक्रियाओं की प्रकृति क्या है जिनके दौरान भारी मात्रा में ऊर्जा का उत्पादन होता है? सूरज कब तक चमकता रहेगा?

इन सवालों के जवाब देने का पहला प्रयास खगोलविदों द्वारा 19वीं शताब्दी के मध्य में किया गया था, जब भौतिकविदों ने ऊर्जा संरक्षण का कानून तैयार किया था।

रॉबर्ट मेयर ने सुझाव दिया कि उल्कापिंडों और उल्का कणों द्वारा सतह पर लगातार बमबारी के कारण सूर्य चमकता है। इस परिकल्पना को खारिज कर दिया गया था, क्योंकि एक साधारण गणना से पता चलता है कि वर्तमान स्तर पर सूर्य की चमक बनाए रखने के लिए, यह आवश्यक है कि हर सेकंड 2∙10 15 किलो उल्कापिंड उस पर गिरे। एक वर्ष के लिए यह 6∙10 22 किग्रा होगा, और सूर्य के जीवनकाल के लिए, 5 बिलियन वर्षों के लिए - 3∙10 32 किग्रा। सूर्य द्रव्यमान M

= 2∙10 30 किग्रा, इसलिए पांच अरब वर्षों में सूर्य के द्रव्यमान से 150 गुना अधिक पदार्थ सूर्य पर गिरना चाहिए था।

दूसरी परिकल्पना भी 19वीं शताब्दी के मध्य में हेल्महोल्ट्ज़ और केल्विन द्वारा सामने रखी गई थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य सालाना 60-70 मीटर अनुबंध करके विकिरण करता है। संकुचन का कारण सूर्य के कणों का परस्पर आकर्षण है, इसलिए इस परिकल्पना को संकुचन कहा जाता है। यदि हम इस परिकल्पना के अनुसार गणना करें, तो सूर्य की आयु 20 मिलियन वर्ष से अधिक नहीं होगी, जो पृथ्वी की मिट्टी और चंद्रमा की मिट्टी के भूवैज्ञानिक नमूनों में तत्वों के रेडियोधर्मी क्षय के विश्लेषण से प्राप्त आधुनिक आंकड़ों का खंडन करती है। .

20वीं सदी की शुरुआत में जेम्स जीन्स ने सौर ऊर्जा के संभावित स्रोतों के बारे में तीसरी परिकल्पना सामने रखी थी। उन्होंने सुझाव दिया कि सूर्य की गहराई में भारी रेडियोधर्मी तत्व होते हैं जो अनायास क्षय हो जाते हैं, जबकि ऊर्जा उत्सर्जित होती है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम का थोरियम में और फिर लेड में परिवर्तन ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है। इस परिकल्पना के बाद के विश्लेषण ने भी इसकी विफलता को दिखाया; केवल यूरेनियम से बना एक तारा सूर्य की प्रेक्षित चमक प्रदान करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जारी नहीं करेगा। इसके अलावा, ऐसे तारे हैं जो हमारे तारे से कई गुना अधिक चमकते हैं। यह संभावना नहीं है कि उन सितारों में अधिक रेडियोधर्मी सामग्री भी होगी।

सितारों के अंदरूनी हिस्सों में परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप तत्वों के संश्लेषण की परिकल्पना सबसे संभावित परिकल्पना निकली।

1935 में, हंस बेथे ने परिकल्पना की कि हाइड्रोजन को हीलियम में परिवर्तित करने की थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया सौर ऊर्जा का स्रोत हो सकती है। इसके लिए बेथे को 1967 में नोबेल पुरस्कार मिला था।

सूर्य की रासायनिक संरचना लगभग अन्य तारों के समान ही है। लगभग 75% हाइड्रोजन है, 25% हीलियम है, और 1% से कम अन्य सभी रासायनिक तत्व (मुख्य रूप से कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, आदि) हैं। ब्रह्मांड के जन्म के तुरंत बाद, "भारी" तत्व बिल्कुल भी नहीं थे। वे सभी, अर्थात्। हीलियम से भारी तत्व और यहां तक कि कई अल्फा कण, थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के दौरान तारों में हाइड्रोजन के "जलने" के दौरान बने थे। सूर्य जैसे तारे का विशिष्ट जीवनकाल दस अरब वर्ष है।

ऊर्जा का मुख्य स्रोत प्रोटॉन-प्रोटॉन चक्र है - एक बहुत धीमी प्रतिक्रिया (विशेषता समय 7.9∙10 9 वर्ष), क्योंकि यह कमजोर बातचीत के कारण है। इसका सार इस तथ्य में निहित है कि चार प्रोटॉन से एक हीलियम नाभिक प्राप्त होता है। इस मामले में, पॉज़िट्रॉन की एक जोड़ी और न्यूट्रिनो की एक जोड़ी जारी की जाती है, साथ ही 26.7 MeV ऊर्जा भी जारी की जाती है। सूर्य द्वारा प्रति सेकंड उत्सर्जित न्यूट्रिनो की संख्या केवल सूर्य की चमक से निर्धारित होती है। जब से 26.7 MeV जारी किया जाता है, 2 न्यूट्रिनो पैदा होते हैं, न्यूट्रिनो उत्सर्जन दर है: 1.8∙10 38 न्यूट्रिनो/सेकेंड। इस सिद्धांत का प्रत्यक्ष परीक्षण सौर न्यूट्रिनो का अवलोकन है। उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो (बोरॉन) क्लोरीन-आर्गन प्रयोगों (डेविस प्रयोगों) में दर्ज किए जाते हैं और मानक सौर मॉडल के सैद्धांतिक मूल्य की तुलना में लगातार न्यूट्रिनो की कमी दिखाते हैं। पीपी प्रतिक्रिया में सीधे उत्पन्न होने वाले निम्न-ऊर्जा न्यूट्रिनो गैलियम-जर्मेनियम प्रयोगों (GALLEX at Gran Sasso (इटली-जर्मनी) और SAGE at Baksan (रूस-यूएसए)) में दर्ज किए जाते हैं; वे भी "लापता" हैं।

कुछ मान्यताओं के अनुसार, यदि न्यूट्रिनो में शून्य के अलावा अन्य द्रव्यमान होता है, तो विभिन्न प्रकार के न्यूट्रिनो के दोलन (रूपांतरण) संभव हैं (मिखेव-स्मिरनोव-वोल्फेंस्टीन प्रभाव) (न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं: इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टॉन न्यूट्रिनो) . क्योंकि अन्य न्यूट्रिनो में इलेक्ट्रॉनों की तुलना में पदार्थ के साथ बहुत कम अंतःक्रियात्मक क्रॉस सेक्शन होते हैं, देखे गए घाटे को सूर्य के मानक मॉडल को बदले बिना समझाया जा सकता है, जो खगोलीय डेटा के पूरे सेट के आधार पर बनाया गया है।

सूर्य हर सेकेंड में लगभग 600 मिलियन टन हाइड्रोजन का पुनर्चक्रण करता है। परमाणु ईंधन का भंडार अगले पांच अरब वर्षों तक चलेगा, जिसके बाद यह धीरे-धीरे एक सफेद बौने में बदल जाएगा।

सूर्य के मध्य भाग सिकुड़ेंगे, गर्म होंगे, और बाहरी आवरण में स्थानांतरित होने वाली गर्मी आधुनिक लोगों की तुलना में राक्षसी आकार में इसके विस्तार की ओर ले जाएगी: सूर्य इतना विस्तार करेगा कि वह बुध, शुक्र को अवशोषित करेगा और खर्च करेगा " ईंधन" वर्तमान की तुलना में सौ गुना तेज है। इससे सूर्य का आकार बढ़ेगा; हमारा तारा एक लाल विशालकाय बन जाएगा, जिसका आकार पृथ्वी से सूर्य की दूरी के बराबर है!

बेशक, हमें इस तरह की घटना के बारे में पहले से सूचित किया जाएगा, क्योंकि एक नए चरण में संक्रमण में लगभग 100-200 मिलियन वर्ष लगेंगे। जब सूर्य के मध्य भाग का तापमान 100,000,000 K तक पहुँच जाता है, तो हीलियम भी जलना शुरू हो जाएगा, भारी तत्वों में बदल जाएगा, और सूर्य संकुचन और विस्तार के जटिल चक्रों के चरण में प्रवेश करेगा। अंतिम चरण में, हमारा तारा अपना बाहरी आवरण खो देगा, केंद्रीय कोर में पृथ्वी की तरह एक अविश्वसनीय रूप से बड़ा घनत्व और आकार होगा। कुछ और अरब वर्ष बीत जाएंगे, और सूर्य एक सफेद बौने में बदल कर ठंडा हो जाएगा।

3. नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्याएं

रूसी संघ के शिक्षा और विज्ञान मंत्रालय

शिक्षा के लिए संघीय एजेंसी

SEI HPE "ब्लागोवेशचेंस्क स्टेट पेडागोगिकल यूनिवर्सिटी"

भौतिकी और गणित के संकाय

सामान्य भौतिकी विभाग

कोर्स वर्क

विषय पर: थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की समस्याएं

अनुशासन: भौतिकी

कलाकार: वी.एस. क्लेचेंको

प्रमुख: वी.ए. एव्दोकिमोवा

ब्लागोवेशचेंस्क 2010

परिचय

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं और उनकी ऊर्जा दक्षता

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की घटना के लिए शर्तें

स्थलीय स्थितियों में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की प्राप्ति

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के कार्यान्वयन से जुड़ी मुख्य समस्याएं

टोकामक-प्रकार की सुविधाओं में नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का कार्यान्वयन

आईटीईआर परियोजना

प्लाज्मा और थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का आधुनिक अध्ययन

निष्कर्ष

साहित्य

परिचय

वर्तमान में, मानवता बिजली के बिना अपने जीवन की कल्पना नहीं कर सकती है। वह हर जगह है। लेकिन बिजली पैदा करने के पारंपरिक तरीके सस्ते नहीं हैं: बस एक हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर स्टेशन या परमाणु ऊर्जा संयंत्र रिएक्टर के निर्माण की कल्पना करें, यह तुरंत स्पष्ट हो जाता है कि क्यों। 20वीं शताब्दी में वैज्ञानिकों ने ऊर्जा संकट की स्थिति में पदार्थ से बिजली उत्पन्न करने का एक तरीका खोजा, जिसकी मात्रा सीमित नहीं है। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के क्षय के दौरान थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं होती हैं। एक लीटर पानी में इतना ड्यूटेरियम होता है कि थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन उतनी ही ऊर्जा छोड़ सकता है, जितनी 350 लीटर गैसोलीन को जलाने से प्राप्त होती है। अर्थात्, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि जल ऊर्जा का असीमित स्रोत है।

यदि थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की मदद से ऊर्जा प्राप्त करना उतना ही सरल होगा जितना कि हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर स्टेशनों की मदद से, तो मानवता को कभी भी ऊर्जा क्षेत्र में संकट का अनुभव नहीं होगा। इस प्रकार ऊर्जा प्राप्त करने के लिए सूर्य के केंद्र के तापमान के बराबर तापमान की आवश्यकता होती है। ऐसा तापमान कहाँ से प्राप्त करें, प्रतिष्ठानों पर कितना खर्च आएगा, इस तरह का ऊर्जा उत्पादन कितना लाभदायक है और क्या ऐसी स्थापना सुरक्षित है? इन सवालों के जवाब वर्तमान कार्य में दिए जाएंगे।

कार्य का उद्देश्य: थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के गुणों और समस्याओं का अध्ययन।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं और उनकी ऊर्जा दक्षता

थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन - ऊर्जा प्राप्त करने के लिए लाइटर से भारी परमाणु नाभिक का संश्लेषण, जिसे नियंत्रित किया जाता है।

यह ज्ञात है कि हाइड्रोजन परमाणु का नाभिक एक प्रोटॉन p है। प्रकृति में इस तरह के बहुत सारे हाइड्रोजन हैं - हवा में और पानी में। इसके अलावा, हाइड्रोजन के भारी समस्थानिक हैं। उनमें से एक के नाभिक में प्रोटॉन p के अलावा न्यूट्रॉन n भी होता है। इस समस्थानिक को ड्यूटेरियम डी कहा जाता है। एक अन्य समस्थानिक के नाभिक में प्रोटॉन р के अलावा, दो न्यूट्रॉन होते हैं और इसे ट्राइथेरियम (ट्रिटियम) कहा जाता है। भारी नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा। संलयन प्रतिक्रिया में, ऊर्जा निकलती है, जो प्रति 1 किलो पदार्थ, यूरेनियम विखंडन प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा से बहुत अधिक है। (यहाँ, मुक्त ऊर्जा प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप बनने वाले कणों की गतिज ऊर्जा को संदर्भित करती है।) उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम 1 2 D और ट्रिटियम 1 3 T नाभिक के एक हीलियम नाभिक में संलयन की प्रतिक्रिया में 2 4 He :

1 2 डी + 1 3 टी → 2 4 हे + 0 1 एन,

जारी की गई ऊर्जा लगभग 3.5 MeV प्रति न्यूक्लियॉन के बराबर है। विखंडन अभिक्रियाओं में प्रति न्यूक्लिऑन ऊर्जा लगभग 1 MeV होती है।

चार प्रोटॉन से एक हीलियम नाभिक के संश्लेषण में:

4 1 1 पी→ 2 4 नहीं + 2 +1 1 ई,

प्रति कण 6.7 MeV के बराबर और भी अधिक ऊर्जा निकलती है। थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं का ऊर्जा लाभ इस तथ्य से समझाया गया है कि हीलियम परमाणु के नाभिक में विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा हाइड्रोजन आइसोटोप के नाभिक की विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा से काफी अधिक है। इस प्रकार, नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के सफल कार्यान्वयन के साथ, मानवता को ऊर्जा का एक नया शक्तिशाली स्रोत प्राप्त होगा।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की घटना के लिए शर्तें

प्रकाश नाभिक के संलयन के लिए, धनावेशित नाभिकों की तरह प्रोटॉन के कूलम्ब प्रतिकर्षण के कारण उत्पन्न संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है। हाइड्रोजन नाभिक 1 2 डीएक्स के संलयन के लिए, उन्हें दूरी r के करीब लाना आवश्यक है, लगभग r 3 10 -15 मीटर के बराबर। ऐसा करने के लिए, आपको प्रतिकर्षण की इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा के बराबर काम करने की आवश्यकता है पी \u003d ई 2: (4πε 0 आर) 0.1 मेव। ड्यूटेरॉन नाभिक इस तरह के अवरोध को पार करने में सक्षम होंगे यदि उनकी औसत गतिज ऊर्जा 3/2 kT टक्कर के दौरान 0.1 MeV के बराबर हो। यह T = 2 10 9 K पर संभव है। व्यवहार में, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की घटना के लिए आवश्यक तापमान परिमाण के दो आदेशों से कम हो जाता है और मात्रा 10 7 K हो जाती है।

सूर्य के मध्य भाग के लिए लगभग 10 7 K का तापमान विशिष्ट है। वर्णक्रमीय विश्लेषण से पता चला है कि सूर्य के मामले में, कई अन्य सितारों की तरह, 80% तक हाइड्रोजन और लगभग 20% हीलियम होता है। कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन सितारों के द्रव्यमान का 1% से अधिक नहीं बनाते हैं। सूर्य के विशाल द्रव्यमान (≈ 2 10 27 किग्रा) के साथ, इन गैसों की मात्रा काफी बड़ी है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं सूर्य और सितारों में होती हैं और ऊर्जा का स्रोत हैं जो उन्हें विकिरण प्रदान करती हैं। हर सेकंड, सूर्य 3.8 10 26 J की ऊर्जा विकीर्ण करता है, जो इसके द्रव्यमान में 4.3 मिलियन टन की कमी के अनुरूप है। सौर ऊर्जा का विशिष्ट विमोचन, अर्थात्। एक सेकंड में सूर्य के प्रति इकाई द्रव्यमान में ऊर्जा की रिहाई 1.9 10 -4 J/s kg के बराबर होती है। यह बहुत छोटा है और चयापचय की प्रक्रिया में एक जीवित जीव में विशिष्ट ऊर्जा रिलीज का लगभग 10 -3% है। सौर मंडल के अस्तित्व के कई अरबों वर्षों में सूर्य की विकिरण शक्ति में बहुत अधिक परिवर्तन नहीं हुआ है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के सूर्य पर आगे बढ़ने के तरीकों में से एक कार्बन-नाइट्रोजन चक्र है, जिसमें एक हीलियम नाभिक में हाइड्रोजन नाभिक का संयोजन कार्बन 6 12 सी नाभिक की उपस्थिति में सुगम होता है जो उत्प्रेरक की भूमिका निभाते हैं। चक्र की शुरुआत में, एक तेज़ प्रोटॉन कार्बन परमाणु 6 12 C के नाभिक में प्रवेश करता है और γ-क्वांटम विकिरण के साथ नाइट्रोजन समस्थानिक 7 13 N का एक अस्थिर नाभिक बनाता है:

6 12 + 1 1 पी → 7 13 एन + ।

14 मिनट के आधे जीवन के साथ, परिवर्तन 1 1 पी→ 0 1 एन + +1 0 ई + 0 0 ई 7 13 एन नाभिक में होता है और 6 13 सी आइसोटोप का नाभिक बनता है:

7 13 एन → 6 13 + +1 0 ई + 0 0 ई।

लगभग हर 32 मिलियन वर्षों में, 7 14 N नाभिक एक प्रोटॉन को पकड़ता है और ऑक्सीजन नाभिक 8 15 O में बदल जाता है:

7 14 एन+ 1 1 पी→ 8 15 ओ + ।

3 मिनट के आधे जीवन के साथ एक अस्थिर 8 15 O नाभिक एक पॉज़िट्रॉन और एक न्यूट्रिनो का उत्सर्जन करता है और एक 7 15 N नाभिक में बदल जाता है:

8 15 → 7 15 एन+ +1 0 ई+ 0 0 ई।

चक्र 7 15 N नाभिक द्वारा एक कार्बन 6 12 नाभिक और एक α-कण में क्षय के साथ एक प्रोटॉन के अवशोषण की प्रतिक्रिया के साथ समाप्त होता है। यह लगभग 100 हजार वर्षों के बाद होता है:

7 15 एन+ 1 1 पी → 6 12 + 2 4 हे।

कार्बन द्वारा 6 12 सी प्रोटॉन के अवशोषण के साथ फिर से एक नया चक्र शुरू होता है, जो औसतन 13 मिलियन वर्षों के बाद निकलता है। चक्र की व्यक्तिगत प्रतिक्रियाओं को समय के अंतराल से अलग किया जाता है जो कि सांसारिक समय के पैमाने पर निषेधात्मक रूप से बड़े होते हैं। हालांकि, चक्र बंद है और लगातार होता रहता है। इसलिए, चक्र की विभिन्न प्रतिक्रियाएं सूर्य पर एक साथ होती हैं, जो अलग-अलग समय पर शुरू होती हैं।

इस चक्र के परिणामस्वरूप, चार प्रोटॉन दो पॉज़िट्रॉन और -विकिरण की उपस्थिति के साथ एक हीलियम नाभिक में विलीन हो जाते हैं। इसमें प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों के साथ पॉज़िट्रॉन के संलयन से उत्पन्न होने वाले विकिरण को जोड़ा जाना चाहिए। एक हीलियम गामा परमाणु के बनने से 700 हजार kWh ऊर्जा निकलती है। ऊर्जा की यह मात्रा विकिरण के लिए सौर ऊर्जा के नुकसान की भरपाई करती है। गणना से पता चलता है कि सूर्य में उपलब्ध हाइड्रोजन की मात्रा अरबों वर्षों तक थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं और सौर विकिरण का समर्थन करने के लिए पर्याप्त होगी।

स्थलीय स्थितियों में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं की प्राप्ति

स्थलीय परिस्थितियों में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के कार्यान्वयन से ऊर्जा प्राप्त करने के बड़े अवसर पैदा होंगे। उदाहरण के लिए, एक लीटर पानी में निहित ड्यूटेरियम का उपयोग करते समय, एक संलयन प्रतिक्रिया में उतनी ही ऊर्जा जारी की जाएगी जितनी कि लगभग 350 लीटर गैसोलीन को जलाने पर जारी की जाएगी। लेकिन अगर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया अनायास आगे बढ़ती है, तो एक विशाल विस्फोट होगा, क्योंकि इस मामले में जारी ऊर्जा बहुत बड़ी है।

सूर्य की आंतों में महसूस होने वाली स्थितियों के करीब की स्थिति हाइड्रोजन बम में महसूस की गई थी। विस्फोटक प्रकृति की एक आत्मनिर्भर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया होती है। विस्फोटक ट्रिटियम 1 3 टी के साथ ड्यूटेरियम 1 2 डी का मिश्रण है। आगे बढ़ने के लिए प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक उच्च तापमान थर्मोन्यूक्लियर के अंदर रखे पारंपरिक परमाणु बम के विस्फोट से प्राप्त होता है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के कार्यान्वयन से जुड़ी मुख्य समस्याएं

एक संलयन रिएक्टर में, संलयन प्रतिक्रिया धीमी होनी चाहिए, और इसे नियंत्रित करना संभव होना चाहिए। उच्च तापमान ड्यूटेरियम प्लाज्मा में होने वाली प्रतिक्रियाओं का अध्ययन कृत्रिम नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने का सैद्धांतिक आधार है। मुख्य कठिनाई एक आत्मनिर्भर थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए आवश्यक शर्तों को बनाए रखना है। ऐसी अभिक्रिया के लिए यह आवश्यक है कि जिस निकाय में अभिक्रिया होती है, उसमें ऊर्जा मुक्त होने की दर, निकाय से ऊर्जा निष्कासन की दर से कम न हो। 10 8 K के तापमान पर, ड्यूटेरियम प्लाज्मा में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं में ध्यान देने योग्य तीव्रता होती है और बड़ी ऊर्जा की रिहाई के साथ होती है। प्लाज्मा आयतन की एक इकाई में, जब ड्यूटेरियम नाभिक संयुक्त होते हैं, तो 3 kW/m 3 की शक्ति निकलती है। 10 6 K के तापमान पर, शक्ति केवल 10 -17 W/m 3 है।

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