Wendelstein 7-X तारकीय प्रकार का दुनिया का सबसे बड़ा संलयन रिएक्टर है , जो नियंत्रित संलयन करता है। थर्मोन्यूक्लियर पावर स्टेशन के रूप में इस प्रकार के उपकरण के उपयोग का परीक्षण करने के लिए ग्रीज़वल्ड में प्लाज़्मा भौतिकी के लिए मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट में एक विचित्र प्रयोगात्मक सेटअप बनाया गया था। कुछ पूर्वानुमानों के अनुसार, 2100 तक, पृथ्वी पर ऊर्जा की खपत लगभग 6 गुना बढ़ जाएगी। कुछ विशेषज्ञों का मानना है कि केवल थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा मानव जाति की बढ़ती ऊर्जा जरूरतों को पूरा कर सकती है।

ऐसे संयंत्र में 1 ग्राम हाइड्रोजन ईंधन (ड्यूटेरियम और ट्रिटियम) से 90,000 kWh ऊर्जा का उत्पादन होता है, जो 11 टन कोयले को जलाने के बराबर है।

थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा

अर्थशास्त्रियों और भविष्यवादियों के अनुसार, मानवता को ऊर्जा के एक विश्वसनीय और शक्तिशाली स्रोत की तत्काल आवश्यकता है। विश्व हाइड्रोकार्बन भंडार सीमित हैं। यदि ऊर्जा की खपत 2100 से छह गुना बढ़ जाती है, तो ऊर्जा प्रणाली को सुधारने और पुनर्गठन करने की आवश्यकता है, और जितनी जल्दी बेहतर हो। थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा समस्या का एक अच्छा समाधान लगती है।

परमाणु नाभिक में नाभिक (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) शामिल होते हैं, जो एक साथ मजबूत बातचीत द्वारा आयोजित किए जाते हैं। यदि हम नाभिकों को प्रकाश नाभिक में जोड़ते हैं या भारी परमाणुओं से नाभिक निकालते हैं, तो बाध्यकारी ऊर्जा में अंतर जारी किया जाएगा। कण गति की ऊर्जा परमाणुओं के ऊष्मीय गति में जाती है। इस प्रकार, परमाणु ऊर्जा हीटिंग के रूप में स्वयं प्रकट होती है। नाभिक की संरचना में परिवर्तन को एक परमाणु प्रतिक्रिया कहा जाता है। एक नाभिक में नाभिकों की संख्या में कमी के साथ एक परमाणु प्रतिक्रिया को परमाणु क्षय या परमाणु विखंडन कहा जाता है। नाभिक में नाभिकों की संख्या में वृद्धि के साथ एक परमाणु प्रतिक्रिया को थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया या परमाणु संलयन कहा जाता है।

नाभिकीय संलयन

नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन पारंपरिक परमाणु ऊर्जा से भिन्न होता है जिसमें बाद वाले एक क्षय प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं, जिसके दौरान हल्के नाभिक भारी नाभिक से प्राप्त होते हैं। प्रकाश नाभिक के संश्लेषण में, भारी को संश्लेषित किया जाता है। एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के विपरीत, परमाणु संलयन नियंत्रणीय है।

विश्व स्तर पर नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन का मुद्दा 20 वीं शताब्दी के मध्य में सामने आया, फिर टोकोमाक्स और तारकीय सहित नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन के लिए पहले रिएक्टरों की अवधारणाएं सामने आईं।

हाल तक तक, वैज्ञानिक यह साबित करने के लिए तकनीकी समस्याओं को दूर नहीं कर पाए हैं कि नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन वास्तव में अभ्यास में इस्तेमाल किया जा सकता है और ऐसे बिजली संयंत्र लागत प्रभावी होंगे। इस तथ्य को प्रायोगिक रिएक्टरों ITER और Wendelstein 7-X द्वारा सिद्ध किया जाना चाहिए।

stellarators

वेंडेलस्टीन 7-एक्स

एक संलयन रिएक्टर में, ईंधन को एक चुंबकीय क्षेत्र के अंदर रखा जाता है और लगभग 100 मिलियन डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गरम किया जाता है, जिस पर परमाणु संलयन की एक स्थिर नियंत्रित प्रतिक्रिया होती है।

स्टेलरेटर - नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन के कार्यान्वयन के लिए रिएक्टर का एक प्रकार। नाम लैट से आया है। स्टेला एक तारा है, जिसे तारकीय और तारों के अंदर होने वाली प्रक्रियाओं की समानता का संकेत देना चाहिए। 1958 में अमेरिकी खगोल वैज्ञानिक लिमन स्पिट्जर द्वारा आविष्कार किया गया । पहला मॉडल 1959 में स्पिट्जर के निर्देशन में गुप्त मैटरहॉर्न परियोजना के हिस्से के रूप में बनाया गया था, जिसे 1961 में, डीक्लासिफिकेशन के बाद, प्रिंसटन विश्वविद्यालय में प्लाज्मा भौतिकी की प्रयोगशाला का नाम दिया गया था ।

तारकीय उच्च तापमान प्लाज्मा रखने के लिए एक बंद चुंबकीय जाल है। एक तारकीय और एक टोकामक के बीच मूलभूत अंतर यह है कि टॉरॉइडल कक्ष की आंतरिक दीवारों से प्लाज्मा को अलग करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र पूरी तरह से बाहरी कॉइल द्वारा बनाया गया है, जो अन्य चीजों के अलावा, इसे निरंतर मोड में उपयोग करने की अनुमति देता है। बल की इसकी रेखाएं एक घूर्णी परिवर्तन से गुजरती हैं, जिसके परिणामस्वरूप ये रेखाएं बार-बार टोरस के चारों ओर जाती हैं और एक दूसरे में एम्बेडेड बंद चुंबकीय सतहों की एक प्रणाली बनाती हैं।

स्टेलर 50 और 60 के दशक में लोकप्रिय थे, लेकिन फिर वैज्ञानिक समुदाय का ध्यान टोकनम में स्थानांतरित हो गया, जिसने अधिक उत्साहजनक परिणाम दिखाए। 21 वीं सदी में सब कुछ बदल गया। कंप्यूटर प्रौद्योगिकी और कंप्यूटर ग्राफिक्स कार्यक्रमों के शक्तिशाली विकास के कारण, चुंबकीय तारकीय प्रणाली को अनुकूलित किया गया था। नतीजतन, घूर्णी परिवर्तन का एक पूरी तरह से नया विन्यास दिखाई दिया, दो वाइंडिंग के साथ नहीं, जैसा कि स्टेलरेटर के सभी पिछले डिजाइनों में है, लेकिन केवल एक विंडिंग के साथ । सच है, यह घुमावदार रूप में बहुत चालाक है।

चुंबकीय क्षेत्र लाइनों के साथ एक कंप्यूटर सिमुलेशन कार्यक्रम में वेंडेलस्टीन 7-एक्स तारकीय का टोपोलॉजी। प्लेनर (सपाट) घुमावदार कॉइल भूरे रंग में चिह्नित हैं, गैर-प्लैनर कॉइल ग्रे में इंगित किए गए हैं। इन संरचनाओं (दाएं) के लिए स्टेलरेटर (बाएं) और पॉइनकेयर वर्गों की नेस्टेड संरचनाओं की संरचना को प्रस्तुत करने के लिए रेंडर पर कुछ कॉइल गायब हैं। पांच में से चार बाहरी फिल्टर कॉइल पीले रंग में दिखाए गए हैं, पांचवां शीर्ष पर होना चाहिए। स्रोत: वैज्ञानिक पेपर " 30 नवंबर, 2016 को प्रकाशित 1 , 100,000 से बेहतर करने के लिए वेन्डेलस्टीन 7-X चुंबकीय क्षेत्र की टोपोलॉजी की पुष्टि , प्रकृति संचार, doi: 10.1038 / ncomms13493

एक तारकीय का इतना विचित्र आकार क्यों होगा?"

हेजहोग कॉम्बिंग प्रमेय

हेजहॉग कॉम्बिंग प्रमेय में कहा गया है कि एक क्षेत्र पर प्रत्येक बिंदु पर स्पर्शरेखा दिशा को चुनना असंभव है, जो कि गोले के सभी बिंदुओं पर परिभाषित होता है और लगातार बिंदु पर निर्भर करता है। अनौपचारिक रूप से कहें, तो एक गेंद में घुसे हुए हेजहॉग को कंघी करना असंभव है ताकि एक भी सुई बाहर न निकले - इसलिए प्रमेय के शीर्षक में हेजहोग का उल्लेख है। प्रमेय निश्चित बिंदु प्रमेय का एक परिणाम है , जो 1912 में ब्रूयर द्वारा सिद्ध किया गया था।

अन्य चीजों के बीच, हेजहोग का मुकाबला करने पर प्रमेय से, ग्रह की सतह पर हमेशा एक बिंदु होता है जिस पर हवा की गति शून्य होती है।

हेजहॉग कॉम्बिंग प्रमेय को जानते हुए, जर्मन इंजीनियरों ने स्टेलरेटर का एक विशिष्ट रूप डिजाइन किया, जिसमें चुंबकीय प्रेरण वैक्टर "कंघी" होते हैं ताकि परमाणु संलयन (हाइड्रोजन से हीलियम का गठन) चेंबर के केंद्र में पूरे बंद लूप के साथ जारी रहे। यह मशीन को चालू करने के लिए पर्याप्त है और ऊर्जा की रिहाई के साथ एक सतत प्रक्रिया शुरू होती है।

तारकीय का रूप हेजहॉग कॉम्बिंग प्रमेय के गणितीय समीकरणों से सटीक रूप से लिया गया है।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स स्टेलरेटर कॉन्सेप्ट

तारकीय का आकार कंप्यूटर पर अंकित किया गया था, सभी वैक्टर की गणना और सत्यापन किया जाता है। जो कुछ भी था वह सवाल था: क्या इंजीनियर सिद्धांत को जीवन में ला सकते हैं - और वास्तव में इस तरह के एक असामान्य आकार के एक धातु तारामंडल को बाहर निकालते हैं। यह तुरंत स्पष्ट हो गया कि परियोजना बहुत महंगी होगी (परिणामस्वरूप, स्टेलरेटर के निर्माण में स्वयं 370 मिलियन यूरो का खर्च आया, और साथ में भवन, वेतन और अन्य खर्च - 1.08 बिलियन यूरो; जर्मनी ने 80% से अधिक धन लिया, यूरोपीय संघ ने 20% लिया) । लेकिन दांव उच्च हैं: संलयन से ऊर्जा का स्रोत विश्व ऊर्जा में क्रांति का वादा करता है। इसलिए, इंजीनियरों ने काम करने के लिए निर्धारित किया है।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स स्टेलरेटर विधानसभा

तारकीय को अप्रैल 2005 से अप्रैल 2014 तक इकट्ठा किया गया था। निर्माण के नौ वर्षों में, सुविधा ने 1.1 मिलियन मानव-घंटे काम लिया। फिर प्रयोग के लिए तकनीकी तैयारी शुरू की। प्रत्येक तकनीकी प्रणाली का परीक्षण किया गया था: वैक्यूम वाहिकाओं, शीतलन प्रणाली, सुपरकंडक्टिंग कॉइल और उनके चुंबकीय क्षेत्र, नियंत्रण प्रणाली, साथ ही साथ हीटिंग डिवाइस और माप उपकरण।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स स्टेलरेटर, नवंबर 2011 को असेंबल करना। फोटो: आईपीपी, वोल्फगैंग फिल्ज़र

Wendelstein 7-X तारकीय वाइंडिंग में 50 नॉन-प्लानर और 20 प्लॉनर सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय कॉइल होते हैं। वे एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं जिसमें हाइड्रोजन प्लाज्मा 100 मिलियन डिग्री सेल्सियस तक गर्म होता है। कॉइल नाइओबियम-टाइटेनियम मिश्र धातु कंडक्टर का उपयोग करते हैं। यह सामग्री एक अतिचालक अवस्था में चली जाती है जब तापमान 9.2 ° K से नीचे चला जाता है। Magn270 डिग्री सेल्सियस पर तरल हीलियम के साथ चुंबक शीतलन मानक है। लगातार ठंडा करने की आवश्यकता के कारण, कॉइल एक क्रायोस्टैट के अंदर स्थापित होते हैं, जो एक आंतरिक और बाहरी खोल होते हैं, एक दूसरे से वैक्यूम द्वारा पृथक होते हैं। प्लाज्मा का अध्ययन करने और गर्म करने के लिए, शेल में 254 छेद का उपयोग किया जाता है।

तकनीकी रूप से, वेन्डेलस्टीन 7-एक्स स्टेलरेटर में पांच लगभग समान मॉड्यूल होते हैं। उनमें से प्रत्येक में एक प्लाज्मा खोल, थर्मल इन्सुलेशन, 10 सुपरकंडक्टिंग नॉन-प्लानर कॉइल, 4 कनेक्टेड प्लानर कॉइल, लिक्विड हीलियम के लिए ट्यूब की एक प्रणाली, केंद्रीय रिंग और एक बाहरी शेल का समर्थन करने के लिए एक सेगमेंट है।

प्लाज्मा को तीन तरीकों से गर्म किया जाता है: 10 मेगावाट की जनरेटर शक्ति के साथ माइक्रोवेव हीटिंग, 4 मेगावाट की रेडियो-आवृत्ति हीटिंग और 20 मेगावाट के तटस्थ कणों का एक बीम।

जब सभी पांच मॉड्यूल स्टेलरेटर के आधार पर स्थापित किए गए थे, तो उनकी वेल्डिंग पर काम शुरू हो गया, हीटिंग और प्लाज्मा मॉनिटरिंग के लिए सिस्टम कनेक्ट करना।

पूरे यूरोप की कंपनियां तारकीय निर्माण में शामिल थीं। मुख्य ठेकेदारों में से एक MAN डीजल और टर्बो था, जो प्लाज्मा चैम्बर के इस्पात खंडों के निर्माण में भी शामिल था। सामान्य तौर पर, इसमें 12.9 मीटर का बाहरी व्यास और 2.4 मीटर की ऊंचाई होती है। उन्हें कई तकनीकी समस्याओं को हल करना पड़ता था। उदाहरण के लिए, स्टील प्लाज्मा कक्षों में एक विचित्र आकार होता है और इसे +/− 2 मिमी की सहिष्णुता के साथ डाला जाना चाहिए। प्रत्येक कक्ष में 200 छल्ले होते हैं, और प्रत्येक अंगूठी में कई 15-सेंटीमीटर स्टील स्ट्रिप्स होते हैं, विशेष रूप से हेजहॉग कॉम्बिंग प्रमेय के सूत्रों के अनुसार कंप्यूटर सिमुलेशन कार्यक्रम में गणना की गई जटिल ज्यामिति के अनुसार घुमावदार होते हैं। मॉड्यूल डसेलडोर्फ में आदमी डीजल और टर्बो कारखाने में निर्मित किए गए थे।

कॉइल के लिए कूलिंग कॉइल पर एक ही सटीक और विशिष्ट वैज्ञानिक आवश्यकताओं को लगाया गया था।

बाहरी शेल के थर्मल इन्सुलेशन को इकट्ठा करना

आयोजकों का मानना है कि परियोजना में भाग लेने से प्रत्येक कंपनी को अमूल्य तकनीकी अनुभव मिला और यह अपने आप में प्रतिष्ठित था। उदाहरण के लिए, MAN डीजल और टर्बो विशेषज्ञों को ज्यामिति के मूल्यांकन के लिए विशिष्ट 3 डी-डिज़ाइन कार्यक्रमों और इलेक्ट्रॉनिक लेजर उपकरणों में महारत हासिल करनी थी। तब से, ये उपकरण कंपनी की चल रही उत्पादन प्रक्रिया का हिस्सा बन गए हैं।

प्लाज्मा हीटिंग सिस्टम थेल्स इलेक्ट्रॉन डिवाइसेस (फ्रांस), एलिमेंट सिक्स (ग्रेट ब्रिटेन), डायमंड मटेरियल (जर्मनी) और रीटर टेक्नोलोजी (जर्मनी) द्वारा निर्मित किया गया था।

थेल्स इलेक्ट्रॉन डिवाइसेस, जर्मन भौतिकविदों के साथ मिलकर, प्रमुख प्लाज्मा हीटिंग उपकरणों का निर्माण कर रही थी - जिरोट्रॉन।

गायरोट्रॉन एक इलेक्ट्रिक वैक्यूम माइक्रोवेव जनरेटर है, जो साइक्लोट्रॉन रेजोनेंस मेसर का एक प्रकार है। माइक्रोवेव विकिरण का स्रोत एक इलेक्ट्रॉन बीम है जो एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में घूमता है। विकिरण एक आवृत्ति में cyclotron के बराबर आवृत्ति पर उत्पन्न होता है, एक महत्वपूर्ण आवृत्ति के साथ उत्पन्न होता है। Gyrotron का अविष्कार USSR में NIRFI में गोर्की (अब निज़नी केगोरोड) शहर में हुआ था।

— Wendelstein 7-X 1 , — , , Diamond Materials Element Six

रिएक्टर के अंदर का प्लाज्मा एक चुंबकीय क्षेत्र में आयोजित किया जाता है, लेकिन सभी समान, आंतरिक शेल के साथ इसके संपर्क से बचा नहीं जा सकता है। हालाँकि प्लाज्मा का तापमान 100,000 ° C तक कम हो जाता है, फिर भी स्टील के चैंबर के अंदर गर्मी प्रतिरोधी सामग्री के साथ कवर करना आवश्यक है जो एक साथ गर्मी को हटा देता है। ऐसे डायवर्टर का निर्माण ऑस्ट्रियाई कंपनी प्लानसी ने संभाला था। इंजीनियरों ने नई सामग्री से संरचनात्मक तत्व बनाए: कार्बन फाइबर प्रबलित कार्बन ब्लॉक (कार्बन-ग्रेफाइट समग्र), और पानी-ठंडा धातु। कुल मिलाकर, तारकीय के लिए, 18,000 ब्लॉकों से 890 डायवर्टर तत्वों का निर्माण करना आवश्यक था। नई सामग्री को EXTREMAT नामक आविष्कारकों द्वारा पहले ही पेटेंट करा लिया गया है ।

प्लासी ताप अंतरण डायवर्टर 10 मेगावाट प्रति वर्ग मीटर लगातार अवशोषित करता है

स्टेलरेटर के लिए नायबियम और टाइटेनियम के जटिल आकार के मिश्र धातु के सुपरकंडक्टिंग कॉइल का निर्माण बैबॉक नोएल (जर्मनी) द्वारा किया गया था।

निर्माण के दस वर्षों के लिए, सभी तकनीकी समस्याओं को हल करना और स्टेलरेटर के मेगा-डिज़ाइन को चालू करना संभव था।

प्लाज़्मा भौतिकी के लिए मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट में एक तारामंडल का निर्माण

10 दिसंबर, 2015 को एक ऐतिहासिक घटना हुई: वेंडेलस्टीन 7-एक्स प्रायोगिक स्टेलरेटर को पहले ग्रिस्वाल्ड में मैक्स प्लांक इंस्टीट्यूट फॉर प्लाज़्मा फिजिक्स (आईपीपी) में लॉन्च किया गया था ।

वेंडेलस्टीन 7-एक्स: पहला प्लाज्मा

तारकीय के ऑपरेटरों ने एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए एक कमांड दी और प्रयोग के लिए एक कंप्यूटर नियंत्रण प्रणाली शुरू की। उन्होंने प्लाज्मा डिब्बे में हीलियम के लगभग एक मिलीग्राम को खिलाया, 1.3-मेगावाट मेगावाट की पल्स के लिए माइक्रोवेव हीटिंग चालू किया - और स्थापित कैमरों और माप उपकरणों द्वारा पहले प्लाज्मा को रिकॉर्ड किया गया। पहला प्लाज्मा 0.1 सेकंड के लिए स्थिर रहा और लगभग एक मिलियन डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंच गया।

परियोजना प्रबंधक प्रोफेसर थॉमस क्लिंगर ने कहा कि यह योजना हीलियम के साथ शुरू होनी थी क्योंकि प्लाज्मा राज्य प्राप्त करना आसान है। 2016 में, हाइड्रोजन प्लाज्मा के साथ प्रयोग शुरू हुआ।

चुंबकीय क्षेत्र माप

प्लाज्मा को एक लाख डिग्री या उससे अधिक गर्म करना अच्छा है, लेकिन मुख्य प्रश्न खुला रहा कि क्या वैज्ञानिक वास्तव में सही आकार के तारामंडल को इकट्ठा करने में कामयाब रहे, हेजहोग का मुकाबला करने पर प्रमेय के अनुसार। क्या परिणाम गणितीय मॉडल के अनुरूप है? यह सबसे महत्वपूर्ण सवाल है, क्योंकि इससे पहले किसी ने भी इस तरह के फ्यूजन रिएक्टर को इकट्ठा नहीं किया है। क्या वास्तव में दिए गए मापदंडों के साथ संलयन होने वाला है?

30 नवंबर, 2016 को हमें इस सवाल का जवाब मिला। इस दिन, जर्नल नेचर कम्युनिकेशंस ने वैज्ञानिक लेख "Wendelstein 7-X चुंबकीय क्षेत्र की टोपोलॉजी की पुष्टि 1: 100,000 से बेहतर करने के लिए प्रकाशित किया "(ओपन एक्सेस)। यह टॉरॉइडल कक्ष के अंदर चुंबकीय क्षेत्र के माप के परिणाम प्रस्तुत करता है, जो गणना किए गए मापदंडों के अनुसार वेन्डेलस्टीन 7-एक्स तारकीय के वास्तविक प्रदर्शन की पुष्टि करता है। प्लाज्मा गर्म होने से पहले माप किए गए थे, लेकिन वे बताते हैं कि निर्माण स्थल पर इंजीनियर वास्तव में एक मेगा-डिज़ाइन को इकट्ठा करने में कामयाब रहे जो पूरी तरह से गणना किए गए मापदंडों से मेल खाती है। मशीन के चुंबकीय टोपोलॉजी को जर्मन इंजीनियरों द्वारा आवश्यक सटीकता के साथ बनाया गया है।

तटस्थ गैस (जल वाष्प और नाइट्रोजन का मिश्रण) का उपयोग करके तारकीय में चुंबकीय क्षेत्र का दृश्य। तीन उज्ज्वल स्पॉट - कैमरे के लिए कैलिब्रेटर्स।

एक बंद चुंबकीय सर्किट का पॉइंकेयर अनुभाग। इलेक्ट्रॉन बीम 40 से अधिक बार, यानी 1 किमी से अधिक से गुजरा

सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के विरूपण के कारण चुंबकीय क्षेत्र में थोड़ी सी बदलाव

, दुनिया का सबसे बड़ा तारकीय वास्तव में काम करता है।

Megakonstruktsii। जर्मन तारकीय Wendelstein 7-X

थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा

stellarators

हेजहोग कॉम्बिंग प्रमेय

वेंडेलस्टीन 7-एक्स स्टेलरेटर विधानसभा

चुंबकीय क्षेत्र माप

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