परमाणु संलयन को एक विश्वसनीय ऊर्जा स्रोत बनाने के लिए, हमें ऊष्मा और विकिरण-लचीली सामग्री की आवश्यकता होगी

संलयन ऊर्जा में एक प्रभावी स्वच्छ ऊर्जा स्रोत होने की क्षमता है, क्योंकि इसकी प्रतिक्रियाएं उत्पन्न होती हैं अविश्वसनीय रूप से बड़ी मात्रा में ऊर्जा. फ़्यूज़न रिएक्टरों का लक्ष्य पृथ्वी पर जो होता है उसे पुन: उत्पन्न करना है सूर्य के मूल मेंजहां बहुत हल्के तत्व विलीन हो जाते हैं और इस प्रक्रिया में ऊर्जा छोड़ते हैं। इंजीनियर इस ऊर्जा का उपयोग पानी को गर्म करने और भाप टरबाइन के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए कर सकते हैं, लेकिन संलयन का मार्ग पूरी तरह से सीधा नहीं है।

नियंत्रित परमाणु संलयन होता है अनेक फायदे बिजली पैदा करने के लिए अन्य ऊर्जा स्रोतों पर। एक के लिए, संलयन प्रतिक्रिया स्वयं कोई कार्बन डाइऑक्साइड उत्पन्न नहीं करती है। पिघलने का कोई जोखिम नहीं है, और प्रतिक्रिया से कोई दीर्घकालिक रेडियोधर्मी अपशिष्ट उत्पन्न नहीं होता है।

मैं एक हूँ नाभिकीय अभियंता जो उन सामग्रियों का अध्ययन करता है जिनका उपयोग वैज्ञानिक संलयन रिएक्टरों में कर सकते हैं। संलयन अविश्वसनीय रूप से उच्च तापमान पर होता है। इसलिए एक दिन संलयन को एक व्यवहार्य ऊर्जा स्रोत बनाने के लिए, रिएक्टरों का निर्माण करना होगा ऐसी सामग्रियां जो गर्मी से बच सकती हैं और विकिरण संलयन प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न.

संलयन सामग्री चुनौतियाँ

संलयन प्रतिक्रिया के दौरान कई प्रकार के तत्व विलीन हो सकते हैं। जिसे अधिकांश वैज्ञानिक पसंद करते हैं वह है ड्यूटेरियम प्लस ट्रिटियम. इन दोनों तत्वों में एक रिएक्टर द्वारा बनाए जा सकने वाले तापमान पर संलयन की संभावना सबसे अधिक होती है। यह प्रतिक्रिया एक हीलियम परमाणु और एक न्यूट्रॉन उत्पन्न करती है, जो प्रतिक्रिया से अधिकांश ऊर्जा वहन करती है।

मानव ने पृथ्वी पर सफलतापूर्वक संलयन अभिक्रियाएँ उत्पन्न की हैं 1952 से– कुछ अपने में भी गैरेज. लेकिन अब तरकीब इसे इसके लायक बनाने की है। आपको प्रतिक्रिया शुरू करने में जितनी ऊर्जा खर्च करनी पड़ती है, उससे अधिक ऊर्जा इस प्रक्रिया से प्राप्त करने की आवश्यकता होती है।

संलयन प्रतिक्रियाएं ए में घटित होता है बहुत गर्म प्लाज्माजो गैस के समान पदार्थ की एक अवस्था है लेकिन आवेशित कणों से बनी होती है। प्रतिक्रिया की अवधि के लिए प्लाज्मा को अत्यधिक गर्म – 100 मिलियन डिग्री सेल्सियस से अधिक – और संघनित रहने की आवश्यकता होती है।

प्लाज़्मा को गर्म और संघनित रखने और ऐसी प्रतिक्रिया बनाने के लिए जो चलती रह सके, आपको रिएक्टर की दीवारें बनाने वाली विशेष सामग्री की आवश्यकता होती है। आपको ईंधन के सस्ते और विश्वसनीय स्रोत की भी आवश्यकता है।

जबकि ड्यूटेरियम बहुत आम है और पानी से प्राप्त होता है, ट्रिटियम बहुत दुर्लभ है। 1 गीगावाट फ्यूजन रिएक्टर से सालाना 56 किलोग्राम ट्रिटियम जलने की उम्मीद है। हालाँकि, दुनिया के पास केवल इसके बारे में है 25 किलोग्राम ट्रिटियम व्यावसायिक तौर पर उपलब्ध।

संलयन ऊर्जा जमीन पर उतरने से पहले शोधकर्ताओं को ट्रिटियम के लिए वैकल्पिक स्रोत खोजने की जरूरत है। एक विकल्प यह है कि प्रत्येक रिएक्टर एक प्रणाली के माध्यम से अपना स्वयं का ट्रिटियम उत्पन्न करे जिसे कहा जाता है प्रजनन कम्बल.

प्रजनन कंबल की पहली परत बनाता है प्लाज्मा कक्ष दीवारों और इसमें लिथियम होता है जो संलयन प्रतिक्रिया में उत्पन्न न्यूट्रॉन के साथ प्रतिक्रिया करके ट्रिटियम का उत्पादन करता है। कंबल इन न्यूट्रॉनों द्वारा ली गई ऊर्जा को गर्मी में भी परिवर्तित करता है।

आईटीईआर में संलयन प्रतिक्रिया कक्ष प्लाज्मा को विद्युतीकृत करेगा।

संलयन उपकरण डायवर्टर की भी जरूरत हैजो प्रतिक्रिया में उत्पन्न गर्मी और राख को निकालता है। डायवर्टर प्रतिक्रियाओं को लंबे समय तक जारी रखने में मदद करता है।

ये सामग्रियां अभूतपूर्व स्तर की गर्मी और कण बमबारी के संपर्क में आएंगी। और वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में इन स्थितियों और परीक्षण सामग्रियों को पुन: पेश करने के लिए वर्तमान में कोई प्रायोगिक सुविधाएं नहीं हैं। इसलिए, मेरे शोध का फोकस मॉडल और कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इस अंतर को पाटना है।

परमाणु से पूर्ण उपकरण तक

मैं और मेरे सहकर्मी ऐसे उपकरण बनाने पर काम कर रहे हैं जो यह अनुमान लगा सकें कि फ़्यूज़न रिएक्टर में सामग्री कैसे नष्ट होती है, और जब वे अत्यधिक गर्मी और बहुत सारे कण विकिरण के संपर्क में आते हैं तो उनके गुण कैसे बदल जाते हैं।

जैसे ही वे विकिरणित होते हैं, इन सामग्रियों में दोष बन सकते हैं और बढ़ सकते हैं, जो प्रभावित करते हैं कि वे गर्मी और तनाव पर कितनी अच्छी तरह प्रतिक्रिया करते हैं। भविष्य में, हमें उम्मीद है कि सरकारी एजेंसियां ​​और निजी कंपनियां फ्यूजन पावर प्लांट डिजाइन करने के लिए इन उपकरणों का उपयोग कर सकती हैं।

हमारा दृष्टिकोण, कहा जाता है मल्टीस्केल मॉडलिंगकम्प्यूटेशनल मॉडल की एक श्रृंखला के साथ विभिन्न समय और लंबाई के पैमाने पर इन सामग्रियों में भौतिकी को देखना शामिल है।

हम पहले सटीक लेकिन महंगे सिमुलेशन के माध्यम से परमाणु पैमाने पर इन सामग्रियों में होने वाली घटनाओं का अध्ययन करते हैं। उदाहरण के लिए, एक सिमुलेशन यह जांच कर सकता है कि विकिरण के दौरान किसी सामग्री के भीतर हाइड्रोजन कैसे चलता है।

इन सिमुलेशन से, हम देखते हैं प्रसार जैसे गुणजो हमें बताता है कि हाइड्रोजन पूरे पदार्थ में कितना फैल सकता है।

हम इन परमाणु स्तर के सिमुलेशन से जानकारी को कम महंगे सिमुलेशन में एकीकृत कर सकते हैं, जो देखते हैं कि सामग्री बड़े पैमाने पर कैसे प्रतिक्रिया करती है। ये बड़े पैमाने के सिमुलेशन कम महंगे हैं क्योंकि वे प्रत्येक परमाणु पर विचार करने के बजाय सामग्रियों को एक सातत्य के रूप में मॉडल करते हैं।

परमाणु-स्तर के सिमुलेशन को चलने में कई सप्ताह लग सकते हैं सुपर कंप्यूटरजबकि सातत्य में केवल कुछ घंटे लगेंगे।

कंप्यूटर पर होने वाले इस सभी मॉडलिंग कार्य की तुलना प्रयोगशालाओं में प्राप्त प्रयोगात्मक परिणामों से की जाती है।

उदाहरण के लिए, यदि सामग्री के एक तरफ हाइड्रोजन गैस है, तो हम जानना चाहते हैं सामग्री के दूसरी तरफ कितना हाइड्रोजन लीक होता है. यदि मॉडल और प्रयोगात्मक परिणाम मेल खाते हैं, तो हम मॉडल पर भरोसा कर सकते हैं और इसका उपयोग उन स्थितियों के तहत उसी सामग्री के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए कर सकते हैं जिनकी हम एक संलयन डिवाइस में अपेक्षा करते हैं।

यदि वे मेल नहीं खाते हैं, तो हम यह जांचने के लिए परमाणु-स्तर के सिमुलेशन पर वापस जाते हैं कि हम क्या चूक गए।

इसके अतिरिक्त, हम कर सकते हैं बड़े पैमाने के सामग्री मॉडल को प्लाज्मा मॉडल से जोड़ें. ये मॉडल हमें बता सकते हैं कि फ़्यूज़न रिएक्टर के कौन से हिस्से सबसे गर्म होंगे या उनमें सबसे अधिक कण बमबारी होगी। वहां से, हम अधिक परिदृश्यों का मूल्यांकन कर सकते हैं।

उदाहरण के लिए, यदि संलयन रिएक्टर के संचालन के दौरान सामग्री के माध्यम से बहुत अधिक हाइड्रोजन का रिसाव होता है, तो हम कुछ स्थानों पर सामग्री को मोटा बनाने या हाइड्रोजन को फंसाने के लिए कुछ जोड़ने की सिफारिश कर सकते हैं।

नई सामग्री डिजाइन करना

चूँकि व्यावसायिक संलयन ऊर्जा की खोज जारी है, वैज्ञानिकों को अधिक लचीली सामग्रियों को इंजीनियर करने की आवश्यकता होगी। संभावनाओं का क्षेत्र चुनौतीपूर्ण है – इंजीनियर कई तरीकों से एक साथ कई तत्वों का निर्माण कर सकते हैं।

आप एक नई सामग्री बनाने के लिए दो तत्वों को जोड़ सकते हैं, लेकिन आप कैसे जानेंगे कि प्रत्येक तत्व का सही अनुपात क्या है? और यदि आप मिश्रण का प्रयास करना चाहें तो क्या होगा? पाँच या अधिक तत्व एक साथ? इन सभी संभावनाओं के लिए हमारे सिमुलेशन चलाने का प्रयास करने में बहुत लंबा समय लगेगा।

शुक्र है, कृत्रिम बुद्धिमत्ता सहायता के लिए यहाँ है. प्रयोगात्मक और सिमुलेशन परिणामों को मिलाकर, विश्लेषणात्मक ऐ हम उन संयोजनों की अनुशंसा कर सकते हैं जिनमें वे गुण होने की सबसे अधिक संभावना है जिनकी हम तलाश कर रहे हैं, जैसे गर्मी और तनाव प्रतिरोध।

इसका उद्देश्य उन सामग्रियों की संख्या को कम करना है जिनका समय और धन बचाने के लिए एक इंजीनियर को उत्पादन और प्रयोगात्मक परीक्षण करना होगा।

सोफी ब्लोंडेल टेनेसी विश्वविद्यालय में परमाणु इंजीनियरिंग की अनुसंधान सहायक प्रोफेसर हैं। यह आलेख से पुनः प्रकाशित किया गया है बातचीत एक के तहत क्रिएटिव कामन्स लाइसेंस. को पढ़िए मूल लेख.