क्या थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का कोई भविष्य है?

2024 लेखक: Seth Attwood | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-16 16:05

आधी सदी से भी अधिक समय से, वैज्ञानिक पृथ्वी पर एक ऐसी मशीन बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जिसमें तारों की आंत की तरह, थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया होती है। नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन की तकनीक मानव जाति को स्वच्छ ऊर्जा के लगभग अटूट स्रोत का वादा करती है। इस तकनीक के मूल में सोवियत वैज्ञानिक थे - और अब रूस दुनिया में सबसे बड़ा फ्यूजन रिएक्टर बनाने में मदद कर रहा है।

एक परमाणु के नाभिक के भाग एक विशाल बल द्वारा आपस में जुड़े रहते हैं। इसे जारी करने के दो तरीके हैं। पहली विधि आवर्त सारणी के सबसे दूर के छोर से बड़े भारी नाभिक की विखंडन ऊर्जा का उपयोग करना है: यूरेनियम, प्लूटोनियम। पृथ्वी पर सभी परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में, ऊर्जा का स्रोत ठीक भारी नाभिक का क्षय है।

लेकिन परमाणु की ऊर्जा को मुक्त करने का एक दूसरा तरीका भी है: विभाजित करने के लिए नहीं, बल्कि इसके विपरीत, नाभिक को संयोजित करने के लिए। विलय करते समय, उनमें से कुछ विखंडनीय यूरेनियम नाभिक से भी अधिक ऊर्जा छोड़ते हैं। नाभिक जितना हल्का होगा, संलयन के दौरान उतनी ही अधिक ऊर्जा मुक्त होगी (जैसा कि वे कहते हैं, संलयन), इसलिए परमाणु संलयन की ऊर्जा प्राप्त करने का सबसे प्रभावी तरीका सबसे हल्के तत्व के नाभिक - हाइड्रोजन - और इसके समस्थानिकों को विलय करने के लिए मजबूर करना है।.

हाथ का तारा: ठोस पेशेवर

1930 के दशक में तारों के अंदरूनी हिस्सों में होने वाली प्रक्रियाओं का अध्ययन करके परमाणु संलयन की खोज की गई थी। यह पता चला कि प्रत्येक सूर्य के अंदर परमाणु संलयन प्रतिक्रियाएं होती हैं, और प्रकाश और गर्मी इसके उत्पाद हैं। जैसे ही यह स्पष्ट हो गया, वैज्ञानिकों ने सोचा कि पृथ्वी पर सूर्य की आंतों में क्या हो रहा है, इसे कैसे दोहराया जाए। सभी ज्ञात ऊर्जा स्रोतों की तुलना में, "हैंड सन" के कई निर्विवाद फायदे हैं।

सबसे पहले, साधारण हाइड्रोजन इसके ईंधन के रूप में कार्य करता है, जिसका पृथ्वी पर भंडार कई हजारों वर्षों तक रहेगा। यहां तक कि इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि प्रतिक्रिया के लिए सबसे आम आइसोटोप, ड्यूटेरियम की आवश्यकता नहीं है, एक गिलास पानी एक छोटे से शहर को एक सप्ताह के लिए बिजली की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त है। दूसरे, हाइड्रोकार्बन के दहन के विपरीत, परमाणु संलयन प्रतिक्रिया विषाक्त उत्पादों का उत्पादन नहीं करती है - केवल तटस्थ गैस हीलियम।

संलयन ऊर्जा के लाभ

लगभग असीमित ईंधन आपूर्ति। एक संलयन रिएक्टर में, हाइड्रोजन समस्थानिक - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम - ईंधन के रूप में काम करते हैं; आप आइसोटोप हीलियम -3 का भी उपयोग कर सकते हैं। समुद्री जल में बहुत अधिक ड्यूटेरियम होता है - इसे पारंपरिक इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, और विश्व महासागर में इसका भंडार ऊर्जा के लिए मानव जाति की वर्तमान मांग पर लगभग 300 मिलियन वर्षों तक रहेगा।

प्रकृति में बहुत कम ट्रिटियम है, यह परमाणु रिएक्टरों में कृत्रिम रूप से उत्पादित होता है - लेकिन थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया के लिए बहुत कम आवश्यकता होती है। पृथ्वी पर लगभग कोई हीलियम -3 नहीं है, लेकिन चंद्र मिट्टी में बहुत कुछ है। यदि किसी दिन हमारे पास थर्मोन्यूक्लियर शक्ति होती है, तो संभवतः इसके लिए ईंधन के लिए चंद्रमा पर उड़ान भरना संभव होगा।

कोई विस्फोट नहीं। थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया बनाने और बनाए रखने में बहुत अधिक ऊर्जा लगती है। जैसे ही ऊर्जा की आपूर्ति बंद हो जाती है, प्रतिक्रिया बंद हो जाती है, और लाखों डिग्री तक गर्म होने वाले प्लाज्मा का अस्तित्व समाप्त हो जाता है। इसलिए, एक संलयन रिएक्टर को बंद करने की तुलना में चालू करना अधिक कठिन होता है।

कम रेडियोधर्मिता। एक थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया न्यूट्रॉन का एक प्रवाह उत्पन्न करती है जो चुंबकीय जाल से उत्सर्जित होती है और वैक्यूम कक्ष की दीवारों पर जमा हो जाती है, जिससे यह रेडियोधर्मी हो जाता है। प्लाज्मा परिधि के चारों ओर एक विशेष "कंबल" (कंबल) बनाकर, न्यूट्रॉन को कम करके, रिएक्टर के आसपास की जगह को पूरी तरह से सुरक्षित करना संभव है। समय के साथ कंबल अनिवार्य रूप से रेडियोधर्मी हो जाता है, लेकिन लंबे समय तक नहीं। इसे 20-30 वर्षों तक आराम करने दें, आप फिर से एक प्राकृतिक पृष्ठभूमि विकिरण के साथ सामग्री प्राप्त कर सकते हैं।

कोई ईंधन रिसाव नहीं। ईंधन के रिसाव का खतरा हमेशा बना रहता है, लेकिन एक संलयन रिएक्टर को इतने कम ईंधन की आवश्यकता होती है कि एक पूर्ण रिसाव से भी पर्यावरण को खतरा नहीं होता है। उदाहरण के लिए, ITER को लॉन्च करने के लिए केवल 3 किलो ट्रिटियम और थोड़ा अधिक ड्यूटेरियम की आवश्यकता होगी। सबसे खराब स्थिति में भी, रेडियोधर्मी समस्थानिकों की यह मात्रा पानी और हवा में जल्दी से घुल जाएगी और किसी को कोई नुकसान नहीं पहुंचाएगी।

हथियार नहीं। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर उन पदार्थों का उत्पादन नहीं करता है जिनका उपयोग परमाणु हथियार बनाने के लिए किया जा सकता है। इसलिए, कोई खतरा नहीं है कि थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के प्रसार से परमाणु दौड़ हो जाएगी।

"कृत्रिम सूरज" को कैसे रोशन किया जाए, सामान्य शब्दों में, यह पिछली शताब्दी के पचास के दशक में पहले से ही स्पष्ट हो गया था। महासागर के दोनों किनारों पर, गणना की गई जो एक नियंत्रित परमाणु संलयन प्रतिक्रिया के मुख्य मापदंडों को निर्धारित करती है। यह सैकड़ों लाखों डिग्री के विशाल तापमान पर होना चाहिए: ऐसी परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉनों को उनके नाभिक से अलग कर दिया जाता है। इसलिए, इस प्रतिक्रिया को थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन भी कहा जाता है। नंगे नाभिक, ब्रेकनेक गति से एक दूसरे से टकराते हुए, कूलम्ब के प्रतिकर्षण को दूर करते हैं और विलीन हो जाते हैं।

समस्याएं और समाधान

पहले दशकों का उत्साह कार्य की अविश्वसनीय जटिलता में दुर्घटनाग्रस्त हो गया। थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन को लॉन्च करना अपेक्षाकृत आसान हो गया - अगर विस्फोट के रूप में किया जाए। सेमिपालाटिंस्क और नोवाया ज़ेमल्या में प्रशांत एटोल और सोवियत परीक्षण स्थलों ने युद्ध के बाद के पहले दशक में पहले से ही थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया की पूरी शक्ति का अनुभव किया।

लेकिन इस शक्ति का उपयोग, विनाश को छोड़कर, थर्मोन्यूक्लियर चार्ज को विस्फोट करने से कहीं अधिक कठिन है। बिजली उत्पन्न करने के लिए थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा का उपयोग करने के लिए, प्रतिक्रिया को नियंत्रित तरीके से किया जाना चाहिए ताकि ऊर्जा छोटे हिस्से में निकल जाए।

यह कैसे करना है? जिस वातावरण में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया होती है उसे प्लाज्मा कहा जाता है। यह गैस के समान है, केवल सामान्य गैस के विपरीत इसमें आवेशित कण होते हैं। और आवेशित कणों के व्यवहार को विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके नियंत्रित किया जा सकता है।

इसलिए, अपने सबसे सामान्य रूप में, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर कंडक्टर और मैग्नेट में फंसा एक प्लाज्मा थक्का होता है। वे प्लाज्मा को बाहर निकलने से रोकते हैं, और जब वे ऐसा करते हैं, तो परमाणु नाभिक प्लाज्मा के अंदर विलीन हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा निकलती है। इस ऊर्जा को रिएक्टर से हटा दिया जाना चाहिए, शीतलक को गर्म करने के लिए उपयोग किया जाता है - और बिजली प्राप्त की जानी चाहिए।

जाल और रिसाव

प्लाज़्मा सबसे मृदु पदार्थ निकला जिसका पृथ्वी पर लोगों को सामना करना पड़ा था। हर बार वैज्ञानिकों ने एक प्रकार के प्लाज्मा रिसाव को रोकने का एक तरीका खोजा, एक नया खोजा गया। 20वीं शताब्दी का पूरा दूसरा भाग किसी भी महत्वपूर्ण समय के लिए प्लाज्मा को रिएक्टर के अंदर रखना सीखने में व्यतीत हुआ। यह समस्या हमारे दिनों में ही उत्पन्न होने लगी, जब शक्तिशाली कंप्यूटर दिखाई दिए जिससे प्लाज्मा व्यवहार के गणितीय मॉडल बनाना संभव हो गया।

अभी भी इस बात पर कोई सहमति नहीं है कि प्लाज्मा कारावास के लिए कौन सी विधि सबसे अच्छी है। सबसे प्रसिद्ध मॉडल, टोकामक, एक डोनट के आकार का निर्वात कक्ष है (जैसा कि गणितज्ञ कहते हैं, एक टोरस) अंदर और बाहर प्लाज्मा जाल के साथ। इस कॉन्फ़िगरेशन में दुनिया में सबसे बड़ा और सबसे महंगा थर्मोन्यूक्लियर इंस्टॉलेशन होगा - वर्तमान में फ्रांस के दक्षिण में निर्माणाधीन ITER रिएक्टर।

टोकामक के अलावा, थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों के कई संभावित विन्यास हैं: गोलाकार, जैसा कि सेंट पीटर्सबर्ग ग्लोबस-एम में, विचित्र रूप से घुमावदार तारकीय (जैसे जर्मनी में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स में वेंडेलस्टीन 7-एक्स), लेजर जड़त्वीय जाल, जैसे अमेरिकी एनआईएफ। ITER की तुलना में उन्हें मीडिया का बहुत कम ध्यान मिलता है, लेकिन उनसे अपेक्षाएं भी बहुत अधिक हैं।

ऐसे वैज्ञानिक हैं जो तारकीय के डिजाइन को टोकामक की तुलना में मौलिक रूप से अधिक सफल मानते हैं: यह निर्माण के लिए सस्ता है, और प्लाज्मा कारावास समय बहुत अधिक देने का वादा करता है।ऊर्जा में लाभ प्लाज्मा ट्रैप की ज्यामिति द्वारा ही प्रदान किया जाता है, जो किसी को "डोनट" में निहित परजीवी प्रभावों और लीक से छुटकारा पाने की अनुमति देता है। लेजर पंप वाले संस्करण के भी अपने फायदे हैं।

उनमें हाइड्रोजन ईंधन को लेजर दालों द्वारा आवश्यक तापमान तक गर्म किया जाता है, और संलयन प्रतिक्रिया लगभग तुरंत शुरू हो जाती है। ऐसे प्रतिष्ठानों में प्लाज्मा जड़ता द्वारा धारण किया जाता है और इसमें बिखरने का समय नहीं होता है - सब कुछ इतनी जल्दी होता है।

पूरी दुनिया

आज दुनिया में मौजूद सभी थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टर प्रायोगिक मशीन हैं। उनमें से कोई भी बिजली पैदा करने के लिए उपयोग नहीं किया जाता है। थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन (लॉसन की कसौटी) के लिए मुख्य मानदंड को पूरा करने में अभी तक कोई भी सफल नहीं हुआ है: प्रतिक्रिया बनाने में खर्च की गई ऊर्जा से अधिक ऊर्जा प्राप्त करना। इसलिए, विश्व समुदाय ने विशाल आईटीईआर परियोजना पर ध्यान केंद्रित किया है। यदि आईटीईआर में लॉसन मानदंड पूरा हो जाता है, तो प्रौद्योगिकी को परिष्कृत करना और इसे वाणिज्यिक रेल में स्थानांतरित करने का प्रयास करना संभव होगा।

दुनिया का कोई भी देश अकेले ITER का निर्माण नहीं कर सकता। इसे अकेले 100 हजार किमी सुपरकंडक्टिंग तारों की जरूरत है, और दर्जनों सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट और प्लाज्मा रखने के लिए एक विशाल केंद्रीय सोलनॉइड, एक रिंग में एक उच्च वैक्यूम बनाने के लिए एक प्रणाली, मैग्नेट, नियंत्रक, इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए हीलियम कूलर … इसलिए, परियोजना 35 देशों और एक साथ हजारों वैज्ञानिक संस्थानों और कारखानों का निर्माण कर रही है।

रूस परियोजना में भाग लेने वाले प्रमुख देशों में से एक है; रूस में भविष्य के रिएक्टर की 25 तकनीकी प्रणालियों को डिजाइन और निर्मित किया जा रहा है। ये सुपरकंडक्टर्स हैं, प्लाज्मा मापदंडों को मापने के लिए सिस्टम, स्वचालित नियंत्रक और डायवर्टर के घटक, टोकामक की आंतरिक दीवार का सबसे गर्म हिस्सा।

ITER के लॉन्च के बाद, रूसी वैज्ञानिकों के पास इसके सभी प्रायोगिक डेटा तक पहुंच होगी। हालांकि, आईटीईआर की गूंज न केवल विज्ञान में महसूस की जाएगी: अब कुछ क्षेत्रों में उत्पादन सुविधाएं दिखाई दी हैं, जो रूस में पहले मौजूद नहीं थीं। उदाहरण के लिए, परियोजना की शुरुआत से पहले, हमारे देश में सुपरकंडक्टिंग सामग्री का कोई औद्योगिक उत्पादन नहीं था, और पूरी दुनिया में प्रति वर्ष केवल 15 टन का उत्पादन किया जाता था। अब, केवल राज्य निगम "रोसाटॉम" के चेपेत्स्क मैकेनिकल प्लांट में प्रति वर्ष 60 टन उत्पादन करना संभव है।

ऊर्जा और उससे आगे का भविष्य

आईटीईआर में पहला प्लाज्मा 2025 में प्राप्त करने की योजना है। पूरी दुनिया इस इवेंट का इंतजार कर रही है. लेकिन एक, यहां तक कि सबसे शक्तिशाली, मशीन ही सब कुछ नहीं है। पूरी दुनिया में और रूस में, वे नए थर्मोन्यूक्लियर रिएक्टरों का निर्माण जारी रखते हैं, जो अंततः प्लाज्मा के व्यवहार को समझने और इसका उपयोग करने का सबसे अच्छा तरीका खोजने में मदद करेंगे।

पहले से ही 2020 के अंत में, कुरचटोव संस्थान एक नया टोकामक टी -15 एमडी लॉन्च करने जा रहा है, जो परमाणु और थर्मोन्यूक्लियर तत्वों के साथ एक हाइब्रिड इंस्टॉलेशन का हिस्सा बन जाएगा। हाइब्रिड इंस्टॉलेशन में थर्मोन्यूक्लियर रिएक्शन ज़ोन में बनने वाले न्यूट्रॉन का उपयोग भारी नाभिक - यूरेनियम और थोरियम के विखंडन को शुरू करने के लिए किया जाएगा। भविष्य में, ऐसी हाइब्रिड मशीनों का उपयोग पारंपरिक परमाणु रिएक्टरों - थर्मल और फास्ट न्यूट्रॉन दोनों के लिए ईंधन का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है।

थोरियम मोक्ष

थोरियम नाभिक में क्षय शुरू करने के लिए न्यूट्रॉन के स्रोत के रूप में थर्मोन्यूक्लियर "नाभिक" का उपयोग करने की संभावना विशेष रूप से आकर्षक है। यूरेनियम की तुलना में ग्रह पर अधिक थोरियम है, और परमाणु ईंधन के रूप में इसका उपयोग आधुनिक परमाणु ऊर्जा की कई समस्याओं को एक साथ हल करता है।

इस प्रकार, थोरियम के क्षय उत्पादों का उपयोग सैन्य रेडियोधर्मी सामग्री के उत्पादन के लिए नहीं किया जा सकता है। इस तरह के उपयोग की संभावना एक राजनीतिक कारक के रूप में कार्य करती है जो छोटे देशों को अपनी परमाणु ऊर्जा विकसित करने से रोकती है। थोरियम ईंधन इस समस्या को हमेशा के लिए हल कर देता है।

प्लाज्मा ट्रैप न केवल ऊर्जा में, बल्कि अन्य शांतिपूर्ण उद्योगों में भी उपयोगी हो सकते हैं - यहां तक कि अंतरिक्ष में भी। अब रोसाटॉम और कुरचटोव संस्थान अंतरिक्ष यान के लिए इलेक्ट्रोडलेस प्लाज्मा रॉकेट इंजन और सामग्री के प्लाज्मा संशोधन के लिए सिस्टम के घटकों पर काम कर रहे हैं।ITER परियोजना में रूस की भागीदारी उद्योग को बढ़ावा देती है, जिससे नए उद्योगों का निर्माण होता है, जो पहले से ही नए रूसी विकास का आधार बन रहे हैं।