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5 सितंबर, 2021 की सुबह के पहले घंटों में, इंजीनियरों ने एमआईटी के प्लाज्मा साइंस एंड फ्यूजन सेंटर (पीएसएफसी) की प्रयोगशालाओं में एक प्रमुख मील का पत्थर हासिल किया, जब एक नए प्रकार के चुंबक, उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग सामग्री से बने, ने एक बड़े पैमाने पर चुंब यह एक संलयन ऊर्जा संयंत्र के निर्माण के लिए आवश्यक तीव्रता है जो कि बिजली का शुद्ध उत्पादन करने की उम्मीद है और संभावित रूप से वस्तुतः असीमित बिजली उत्पादन के युग में प्रवेश करेगा।

इस परीक्षण को तुरंत सफल घोषित कर दिया गया, क्योंकि यह नए संलयन उपकरण के डिजाइन के लिए निर्धारित सभी मानदंडों को पूरा करता है, जिसे स्पार्क कहा जाता है, जिसके लिए चुंबक महत्वपूर्ण सक्षम तकनीक हैं। चम्पेन के कोर्प फट गए जब प्रयोगकर्ताओं की थकी हुई टीम, जिन्होंने इस उपलब्धि को संभव बनाने के लिए लंबे समय तक कड़ी मेहनत की थी, अपनी उपलब्धि का जश्न मना रही थी।

लेकिन यह प्रक्रिया का अंत नहीं था। इसके बाद के महीनों में, टीम ने चुंबक के घटकों को अलग-अलग कर दिया और उनका निरीक्षण किया, सैकड़ों उपकरणों के डेटा का अध्ययन किया और उनका विश्लेषण किया, जिन्होंने परीक्षणों के विवरण दर्ज किए, और उसी चुंबक पर दो अतिरिक्त परीक्षण रन किए, अंततः इसे किसी भी संभावित विफलता मोड के विवरण जानने के लिए अपने टूटने के

इस सारे काम का परिणाम अब पीएसएफसी और एमआईटी की स्पिनआउट कंपनी कॉमनवेल्थ फ्यूजन सिस्टम (सीएफएस) के शोधकर्ताओं द्वारा एक विस्तृत रिपोर्ट में आया है, जिसे मार्च अंक के एक विशेष संस्करण में छह सहकर्मी समीक्षा पत्रों के संग्रह में प्रकाशित किया गया है।लागू सुपरकंडक्टिविटी पर आईईईई लेनदेन. इन लेखों में एक साथ चुंबक के डिजाइन और निर्माण तथा इसके प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए आवश्यक नैदानिक उपकरण तथा इस प्रक्रिया से सीखे गए सबक का वर्णन किया गया है। कुल मिलाकर, टीम ने पाया कि भविष्यवाणियां और कंप्यूटर मॉडलिंग सही थीं, यह सत्यापित करते हुए कि चुंबक के अद्वितीय डिजाइन तत्व एक संलयन बिजली संयंत्र के लिए आधार के रूप में कार्य कर सकते हैं।

व्यावहारिक संलयन ऊर्जा को सक्षम करना

हिताची अमेरिका के इंजीनियरिंग प्रोफेसर डेनिस वाइट, जिन्होंने हाल ही में पीएसएफसी के निदेशक के रूप में पद छोड़ दिया है, कहते हैं कि चुंबक का सफल परीक्षण, मेरी राय में, पिछले 30 वर्षों के संलयन अनुसंधान में सबसे महत्वपूर्ण बात थी।

5 सितंबर के प्रदर्शन से पहले, सबसे अच्छा उपलब्ध सुपरकंडक्टिंग चुंबक संभावित रूप से संलयन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली थे लेकिन केवल आकार और लागत पर जो व्यावहारिक या आर्थिक रूप से व्यवहार्य कभी नहीं हो सकता था। फिर जब परीक्षणों ने बहुत कम आकार पर इतने मजबूत चुंबक की व्यावहारिकता दिखाई, तो यह मूल रूप से एक दिन में एक संलयन रिएक्टर की प्रति वाट लागत को लगभग 40 गुना बदल दिया, व्हाइट कहते हैं।

अब संलयन का मौका है, व्हाइट कहते हैं। टोकामाक्स, प्रयोगात्मक संलयन उपकरणों के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला डिजाइन, मेरी राय में, आर्थिक होने का मौका है क्योंकि आपको आपकी क्षमता में एक क्वांटम परिवर्तन मिला है, ज्ञात कैप्चर भौतिकी नियमों के साथ, बड़े पैमाने पर आकार और लागत को कम करने में सक्षम होने के बारे में जो

पीएसएफसी के चुंबक परीक्षण के व्यापक आंकड़ों और विश्लेषण से, जैसा कि छह नए पत्रों में विस्तृत रूप से बताया गया है, यह प्रदर्शित किया गया है कि एक नई पीढ़ी के संलयन उपकरणों के लिए योजनाएं एमआईटी और सीएफएस द्वारा डिजाइन की गई, साथ ही अन्य वाणिज्यिक संलयन कंपनियों द्वारा समान डिजाइन

सुपरकंडक्टिंग की खोज

संलयन, हल्के परमाणुओं को मिलाकर भारी बनाने की प्रक्रिया, सूर्य और सितारों को शक्ति देती है, लेकिन पृथ्वी पर उस प्रक्रिया का लाभ उठाना एक चुनौतीपूर्ण चुनौती साबित हुई है, दशकों की कड़ी मेहनत और कई अरबों डॉलर प्रयोगात्मक उपकरणों पर खर्च किए गए हैं। लंबे समय से वांछित, लेकिन अभी तक प्राप्त नहीं हुआ, लक्ष्य एक संलयन बिजली संयंत्र का निर्माण करना है जो खपत की तुलना में अधिक ऊर्जा का उत्पादन करता है। इस तरह का बिजली संयंत्र संचालन के दौरान ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन के बिना बिजली का उत्पादन कर सकता है, और बहुत कम रेडियोधर्मी कचरा उत्पन्न कर सकता है। जल संलयन का ईंधन, हाइड्रोजन का एक रूप जो समुद्री जल से प्राप्त किया जा सकता है, वस्तुतः असीमित है।

लेकिन इसे काम करने के लिए ईंधन को असाधारण उच्च तापमान और दबाव पर संपीड़ित करना आवश्यक है, और चूंकि कोई ज्ञात सामग्री ऐसे तापमान का सामना नहीं कर सकती है, ईंधन को बेहद शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा जगह पर रखा जाना चाहिए। ऐसे मजबूत क्षेत्रों का उत्पादन करने के लिए सुपरकंडक्टिंग चुंबकों की आवश्यकता होती है, लेकिन सभी पूर्व संलयन चुंबकों को एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री के साथ बनाया गया है जिसके लिए पूर्ण शून्य से लगभग 4 डिग्री ऊपर (4 केल्विन, या -270 डिग्री सेल्सियस) के ठंडे तापमान की आवश्यकता होती है। पिछले कुछ वर्षों में, दुर्लभ पृथ्वी बैरियम तांबा ऑक्साइड के लिए रेबको उपनाम से एक नई सामग्री को संलयन चुंबकों में जोड़ा गया है, और उन्हें 20 केल्विन पर काम करने की अनुमति देता है, एक तापमान जो केवल 16 केल्विन गर्म होने के बावजूद, सामग्री गुणों और व्यावहारिक इंजीनियरिंग के संदर्भ में महत्वपूर्ण लाभ

इस उच्च तापमान वाली सुपरकंडक्टिंग सामग्री का लाभ उठाने के लिए केवल मौजूदा चुंबक डिजाइनों में इसका विकल्प नहीं था। इसके बजाय, यह लगभग सभी सिद्धांतों का आधारभूत रूप से पुनर्मूल्यांकन था जिनका उपयोग आप सुपरकंडक्टिंग चुंबकों के निर्माण के लिए करते हैं, व्हाइट कहते हैं। नई रेबको सामग्री पूर्ववर्ती पीढ़ी के सुपरकंडक्टरों से बेहद भिन्न है। आप सिर्फ अनुकूलित और प्रतिस्थापित नहीं होंगे, आप वास्तव में जमीनी स्तर से नवाचार करने जा रहे हैं। नए कागजात मेंलागू सुपरकंडक्टिविटी पर लेनदेनइस नए डिजाइन की प्रक्रिया के विवरण का वर्णन करें, अब जब पेटेंट संरक्षण लागू हो गया है।

एक महत्वपूर्ण नवाचार: कोई इन्सुलेशन नहीं

इस क्षेत्र में कई लोगों को सफलता की संभावनाओं के प्रति संदेह होने के कारण एक नाटकीय नवाचार चुंबक बनाने वाले सुपरकंडक्टिंग टेप के पतले, सपाट रिबन के चारों ओर की इन्सुलेशन को समाप्त करना था। लगभग सभी विद्युत तारों की तरह, पारंपरिक सुपरकंडक्टिंग चुंबक तारों के बीच शॉर्ट सर्किट को रोकने के लिए अछूता सामग्री द्वारा पूरी तरह से संरक्षित होते हैं। लेकिन नए चुंबक में, टेप पूरी तरह से नंगी छोड़ दिया गया था; इंजीनियरों ने सामग्री के माध्यम से धारा बहने के लिए REBCO की बहुत अधिक चालकता पर भरोसा किया।

जब हमने यह परियोजना शुरू की, मान लीजिए 2018 में, बड़े पैमाने पर उच्च-क्षेत्र वाले चुंबकों के निर्माण के लिए उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों का उपयोग करने की तकनीक अपनी प्रारंभिक अवस्था में थी, जैक हार्टविग कहते हैं, परमाणु विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में रॉबर्ट एन. नोयस कैरियर विकास प्रोफेसर। हार्टविग को पीएसएफसी में सह-नियुक्ति है और वह इसके इंजीनियरिंग समूह का प्रमुख है, जिसने चुंबक विकास परियोजना का नेतृत्व किया। कला का राज्य छोटे बेंचटॉप प्रयोग थे, वास्तव में प्रतिनिधित्व नहीं करते कि क्या एक पूर्ण आकार की चीज बनाने के लिए क्या लगता है। हमारी चुंबक विकास परियोजना बेंचटॉप पैमाने पर शुरू हुई और कम समय में पूर्ण पैमाने पर समाप्त हो गई, वह कहते हैं, यह देखते हुए कि टीम ने 20,000 पाउंड का चुंबक बनाया जिसने 20 टेस्ला से अधिक का एक स्थिर, समान चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न किया।

इन चुंबकों को बनाने का मानक तरीका यह है कि आप कंडक्टर को घुमाएं और आपके पास घुमाव के बीच इन्सुलेशन है, और आपको उच्च वोल्टेज से निपटने के लिए इन्सुलेशन की आवश्यकता है जो एक बंद होने जैसी असामान्य घटनाओं के दौरान उत्पन्न होती है। उन्होंने कहा कि इन्सुलेशन की परतों को खत्म करने का फायदा यह है कि यह कम वोल्टेज वाली प्रणाली है। यह विनिर्माण प्रक्रियाओं और समय-सीमा को बहुत सरल बनाता है। यह अन्य तत्वों के लिए भी अधिक स्थान छोड़ देता है, जैसे कि अधिक शीतलन या अधिक संरचना के लिए ताकत।

चुंबक संयोजन उन लोगों का थोड़ा छोटा संस्करण है जो अब डेवेंस, मैसाचुसेट्स में सीएफएस द्वारा निर्मित एसपीएआरसी संलयन उपकरण के डोनट के आकार के कक्ष का गठन करेंगे। इसमें 16 प्लेटें होती हैं, जिन्हें पैनकेक कहा जाता है, प्रत्येक में एक तरफ सुपरकंडक्टिंग टेप की सर्पिल लपेट होती है और दूसरी तरफ हीलियम गैस के लिए शीतलन चैनल होते हैं।

लेकिन बिना इन्सुलेशन के डिजाइन को जोखिम भरा माना गया, और परीक्षण कार्यक्रम पर बहुत कुछ निर्भर था। यह पर्याप्त पैमाने पर पहला चुंबक था जिसने वास्तव में इस तथाकथित नो-इंसोलेशन नो-ट्विस तकनीक के साथ चुंबक के डिजाइन, निर्माण और परीक्षण में क्या शामिल है, यह जांच की, हार्टविग कहते हैं। जब हमने घोषणा की कि यह एक गैर-इन्सुलेशन कॉइल है तो यह समुदाय के लिए बहुत आश्चर्यजनक था।

सीमा तक धक्का... और परे

पहले के लेखों में वर्णित प्रारंभिक परीक्षण से यह साबित हुआ कि डिजाइन और निर्माण प्रक्रिया न केवल काम करती है बल्कि अत्यधिक स्थिर भी है कुछ शोधकर्ताओं ने इस पर संदेह किया था। अगले दो परीक्षण रन, जो 2021 के अंत में भी किए गए थे, ने जानबूझकर अस्थिर परिस्थितियों को बनाकर डिवाइस को सीमा तक धकेल दिया, जिसमें आने वाली शक्ति का पूर्ण शटआउट शामिल है जो एक विनाशकारी ओवरहीटिंग का कारण बन सकता है। इस प्रकार के चुंबकों के संचालन के लिए सबसे खराब स्थिति के रूप में माना जाता है, जिससे उपकरण नष्ट हो सकता है।

परीक्षण कार्यक्रम का एक हिस्सा, हार्टविग कहते हैं, वास्तव में जाने के लिए था और जानबूझकर एक पूर्ण पैमाने पर चुंबक को बुझाने के लिए, ताकि हम सही पैमाने पर महत्वपूर्ण डेटा प्राप्त कर सकें और विज्ञान को आगे बढ़ाने के लिए सही परिस्थितियां, डिजाइन कोड को मान्य करने के लिए, और फिर चुंबक को अलग करने के लिए और यह

हार्टविग कहते हैं कि अंतिम परीक्षण में 16 पैनकेक में से एक के एक कोने का पिघलना हुआ और इससे बहुत सारी नई जानकारी मिली। एक बात के लिए, वे चुंबक के प्रदर्शन के विभिन्न पहलुओं के प्रदर्शन को डिजाइन और भविष्यवाणी करने के लिए कई अलग-अलग कम्प्यूटेशनल मॉडल का उपयोग कर रहे थे, और अधिकांश भाग के लिए, मॉडल अपनी समग्र भविष्यवाणियों में सहमत थे और परीक्षणों और वास्तविक दुनिया के मापों की श्रृंखला द्वारा अच्छी तरह से मान्य किए गए थे। लेकिन बुझाने के प्रभाव की भविष्यवाणी करने में, मॉडल भविष्यवाणियां अलग-अलग थीं, इसलिए मॉडल की वैधता का मूल्यांकन करने के लिए प्रयोगात्मक डेटा प्राप्त करना आवश्यक था।

हमने जो उच्चतम विश्वसनीयता वाले मॉडल बनाए थे, उन्होंने लगभग सटीक रूप से भविष्यवाणी की थी कि चुंबक कैसे गर्म होगा, यह किस हद तक गर्म होगा जब यह बुझने लगेगा, और चुंबक को होने वाली क्षति कहां होगी, वह कहते हैं। जैसा कि एक नई रिपोर्ट में विस्तार से वर्णित है, यह परीक्षण वास्तव में हमें बताता है कि वास्तव में क्या भौतिकी चल रही है, और यह हमें बताता है कि कौन से मॉडल आगे बढ़ने में उपयोगी हैं और कौन सा रास्ते के किनारे छोड़ दिया जाना चाहिए क्योंकि वे सही नहीं हैं।

Whyte कहते हैं, मूल रूप से हम एक कॉइल के लिए सबसे खराब संभव बात किया, जानबूझकर, हम कॉइल के प्रदर्शन के अन्य सभी पहलुओं का परीक्षण किया था के बाद. और हमने पाया कि अधिकांश कॉइल बिना किसी क्षति के जीवित रहे, जबकि एक अलग क्षेत्र में कुछ पिघल गया। यह कॉइल की मात्रा का कुछ प्रतिशत क्षतिग्रस्त हो गया है। और इसने डिजाइन में संशोधन किया जो कि सबसे चरम परिस्थितियों में भी, वास्तविक संलयन उपकरण चुंबकों में इस तरह के नुकसान को रोकने की उम्मीद है।

हार्टविग ने जोर देकर कहा कि टीम इस तरह के एक नए रिकॉर्ड-सेटिंग चुंबक डिजाइन को पूरा करने में सक्षम थी, और इसे पहली बार और एक ब्रेकिंग शेड्यूल पर सही करने में सक्षम थी, यह अल्काटर सी-मोड टोकामैक, फ्रांसिस बिटर चुंबक प्रयोगशाला और पीएसएफसी में किए यह इस तरह के स्थान की संस्थागत क्षमताओं के मूल में जाता है, वह कहते हैं। हमारे पास एक ही छत के नीचे ये सब करने की क्षमता, बुनियादी ढांचा, स्थान और लोग थे।

उन्होंने कहा कि सीएफएस के साथ सहयोग भी महत्वपूर्ण था, एमआईटी और सीएफएस ने एक अकादमिक संस्थान और निजी कंपनी के सबसे शक्तिशाली पहलुओं को एक साथ करने के लिए जो काम अकेले नहीं कर सकते थे, उन्हें एक साथ करने के लिए मिलाया। उदाहरण के लिए, सीएफएस के प्रमुख योगदानों में से एक एक निजी कंपनी की शक्ति का लाभ उठाना था ताकि परियोजना में सबसे महत्वपूर्ण सामग्री के लिए अभूतपूर्व स्तर और समय सीमा पर आपूर्ति श्रृंखला स्थापित और बढ़ी जा सकेः 300 किलोमीटर (186 मील) उच्च तापमान सुपरकंडक्टर, जिसे एक वर्ष से भी कम समय में कठोर गुणवत्ता नियंत्रण

उन्होंने कहा कि दोनों टीमों का एकीकरण, एमआईटी और सीएफएस की टीमों का एकीकरण भी सफलता के लिए महत्वपूर्ण था। हमने अपने आप को एक टीम के रूप में सोचा, और इसने जो किया वह करना संभव बना दिया।