ટોકામાક ફ્યુઝન રિએક્ટર્સ અને તેના મુખ્ય એન્જિનિયરિંગ પડકારોને સમજો
#GS-3 #વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી #ઊર્જા #ટોકામાક #ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન #ITER #ADITYA-U
મુખ્ય મુદ્દા
- ટોકામાક રિએક્ટર્સ ડનટ આકારના ચેમ્બરમાં 100 મિલિયન °Cથી પણ વધુ ગરમ કરાયેલા પ્લાઝ્માને કેદ કરવા માટે શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ કરે છે.
- ચીનના EAST રિએક્ટરે 1,066 સેકન્ડ સુધી હાઇ-કન્ફાઇનમેન્ટ પ્લાઝ્મા જાળવી રાખીને એક નવો માઇલસ્ટોન હાસલ કર્યો છે.
- ફ્રાન્સમાં સ્થિત આંતરરાષ્ટ્રીય ITER પ્રોજેક્ટનો મુખ્ય હેતુ 50 MW ઇનપુટ હીટિંગ પાવરમાંથી 500 MW ફ્યુઝન પાવર પેદા કરવાનો છે, જેમાં ભારત એક મહત્વપૂર્ણ ભાગીદાર છે.
- ભારત IPR ગાંધીનગર ખાતે ADITYA-U અને SST-1 જેવા સ્થાનિક સંશોધન મથકો ધરાવે છે, અને તે જ રીતે PRAGYA ટોકામાક જેવા ખાનગી પ્રયાસો પણ કાર્યરત છે.
- ડ્યુટેરિયમ અને ટાઇટિયમના ફ્યુઝનથી 3.4 × 10¹⁴ જ્યુલ પ્રતિ કિલોગ્રામ ઊર્જા મળે છે, પરંતુ માળખાકીય દીવાલોને થતું નુકસાન અને પ્લાઝ્માની અસ્થિરતા હજુ પણ વ્યાપારી ધોરણે વીજ ઉત્પાદનમાં અવરોધરૂપ છે.
શા માટે સમાચારમાં છે
- વૈજ્ઞાનિકોએ મેગ્નેટિક કન્ફાઇનમેન્ટ ફ્યુઝનમાં મોટી પ્રગતિ કરી છે, જેમાં ચીનના EAST રિએક્ટર દ્વારા પ્રાપ્ત થયેલ રેકોર્ડ પ્લાઝ્મા સમયનો પણ સમાવેશ થાય છે.
- આ તકનીકી પ્રગતિઓ છતાં, કોઈપણ ટોકામાક વ્યાપારી વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે તે પહેલાં હજુ પણ મોટા એન્જિનિયરિંગ પડકારો બાકી છે.
ટોકામાક વિશે
- ટોકામાક એ એક એવું યંત્ર છે જે ડનટ (દોનટ) આકારના વેક્યૂમ ચેમ્બરની અંદર અતિ-ગરમ પ્લાઝ્માને કેદ કરવા માટે મજબૂત ચુંબકીય ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ કરે છે.
- તેનો હેતુ સૂર્ય અને અન્ય તારાઓને ઉર્જા આપતી ન્યુક્લિયર ફ્યુઝન પ્રક્રિયાને પુનઃનિર્માણ કરવાનો છે.
- ટોકામાક નામ રશિયન શબ્દસમૂહ પરથી આવ્યું છે જેનો અર્થ થાય છે ચુંબકીય કોઇલ ધરાવતું ટોરોઇડલ ચેમ્બર.
- સોવિયત ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ ઇગોર તામ અને આન્દ્રે સખારોવ સૌપ્રથમ 1950ના દાયકાની શરૂઆતમાં આ ખ્યાલ લાવ્યા હતા.
વૈશ્વિક અને ભારતીય ટોકામાક
- ફ્રાન્સમાં ITER પ્રોજેક્ટ એ વિશ્વનો સૌથી મોટો પ્રાયોગિક ટોકામાક છે.
- સાત આંતરરાષ્ટ્રીય ભાગીદારો ITERને ટેકો આપે છે, જેમાં ભારત પણ સામેલ છે, જેનો લક્ષ્યાંક 50 MW ઇનપુટ હીટનો ઉપયોગ કરીને 500 MW ફ્યુઝન પાવર ઉત્પન્ન કરવાનો છે.
- હેફેઇ ખાતેના ચીનના EAST રિએક્ટરે 1,066 સેકન્ડ સુધી હાઇ-કન્ફાઇનમેન્ટ પ્લાઝ્મા જાળવી રાખીને વિશ્વ રેકોર્ડ બનાવ્યો હતો.
- ભારતમાં, ગાંધીનગર સ્થિત ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ફોર પ્લાઝ્મા રિસર્ચ (IPR) દ્વારા ADITYA-U અને SST-1 ટોકામાક કાર્યરત કરાયા છે.
- પ્રાણોસ ફ્યુઝન નામની બેંગલુરુ સ્થિત ખાનગી કંપનીએ PRAGYA નું નિર્માણ કર્યું છે, જે એક કોમ્પેક્ટ રિસર્ચ ટોકામાક છે.
ટોકામાક કેવી રીતે કાર્ય કરે છે
- ડનટ આકારનું ટોરોઇડલ ચેમ્બર ખુલ્લા છેડાઓને દૂર કરે છે, જે ચાર્જ્ડ પ્લાઝ્મા કણોને બહાર નીકળતા અટકાવે છે.
- આ મશીન પ્લાઝ્માને સ્થિર કરવા માટે ટોરોઇડલ અને પોલોઇડલ ચુંબકીય ક્ષેત્રોને ટ્વિસ્ટેડ આકારમાં જોડે છે.
- ઓપરેટરો ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ, રેડિયો તરંગો અને કણ બીમનો ઉપયોગ કરીને ડ્યુટેરિયમ અને ટાઇટિયમ ઇંધણને 100 મિલિયન °Cથી વધુ ગરમ કરે છે.
- ફ્યુઝનમાંથી નીકળતા ઉચ્ચ-ઊર્જા ન્યુટ્રોન લિથિયમ બ્લેન્કેટને ગરમ કરે છે, જે વીજળી બનાવવા માટે સ્ટીમ ટર્બાઇન ચલાવે છે અને વધુ ટાઇટિયમ બ્લેન્કેટ ઇંધણ ઉત્પન્ન કરે છે.
ફ્યુઝન રિએક્ટરના મુખ્ય લક્ષણો
- મજબૂત ચુંબકીય ક્ષેત્રો ગરમ પ્લાઝ્માને હવામાં જ અદ્ધર રાખે છે જેથી તે ચેમ્બરની દીવાલોને ક્યારેય સ્પર્શે નહીં.
- ડ્યુટેરિયમ અને ટાઇટિયમના જોડાણથી 3.4 × 10¹⁴ જ્યુલ પ્રતિ કિલોગ્રામ ઊર્જા મુક્ત થાય છે, જે અશ્મિભૂત ઇંધણ કરતાં ઘણી વધારે ઊર્જા પૂરી પાડે છે.
- લિથિયમ બ્લેન્કેટ્સ નવું ટાઇટિયમ બનાવવા માટે બહાર નીકળતા ન્યુટ્રોનને શોષી લે છે, જે રિએક્ટરને તેનું પોતાનું ભાવિ ઇંધણ ઉત્પન્ન કરવામાં મદદ કરે છે.
- આ સિસ્ટમ કોઈપણ ક્ષણે ખૂબ જ ઓછું ઇંધણ ધરાવે છે, તેથી કોઈ પણ ઓપરેશનલ નિષ્ફળતા વિસ્ફોટના જોખમ વિના પ્રતિક્રિયાને ઝડપથી અટકાવી દે છે.
પડકારો અને મર્યાદાઓ
- અતિ-ગરમ પ્લાઝ્મા અસ્થિરતા અને ચુંબકીય વિક્ષેપ બનાવે છે જે ચુંબકીય ટ્રેપને તોડી શકે છે અને અંદરની દીવાલની સપાટીને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે.
- ઝડપથી ગતિ કરતા ન્યુટ્રોન સતત રિએક્ટરની દીવાલો સાથે અથડાય છે, જે સમય જતાં માળખાકીય સામગ્રીને નબળી પાડે છે.
- અદ્યતન કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ અને શક્તિશાળી સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ્સ ચલાવવા માટે મોટી માત્રામાં ઊર્જા અને નાણાંનો ખર્ચ થાય છે.
- આ તકનીકી વિઘ્નોને લીધે, વિશ્વમાં હજુ સુધી એકપણ ટોકામાકે પાવર ગ્રીડને ચોખ્ખી વીજળી પૂરી પાડી નથી.