Wendelstein 7-X ने 8 मिनट के प्लाज़्मा से 1.3 गीगाजूल ऊर्जा रूपांतरण हासिल किया

 (ipp.mpg.de)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2023-08-12 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • Greifswald के fusion प्रयोगात्मक डिवाइस Wendelstein 7-X ने 2022 की शरद ऋतु में फिर से चालू होने के बाद, 2023 के लक्ष्य 1 गीगाजूल को पार करते हुए 1.3 गीगाजूल ऊर्जा रूपांतरण हासिल किया
  • 15 फरवरी 2023 को दर्ज यह मान, modification से पहले के सर्वोच्च 75 मेगाजूल से 17 गुना है, जो डिवाइस completion कार्य के प्रभाव को दिखाता है
  • ऊर्जा रूपांतरण, प्लाज़्मा से जुड़ी heating power और discharge duration का गुणनफल है; इस प्रयोग में औसतन 2.7 मेगावॉट पर 480 सेकंड तक प्लाज़्मा बनाए रखा गया
  • 3 साल के completion कार्य में wall elements में water-cooling system जोड़ा गया और heating system को upgrade किया गया, जिससे पहले की तुलना में दोगुनी power प्लाज़्मा से जोड़ी जा सकी
  • अगला लक्ष्य कुछ वर्षों में इसे 18 गीगाजूल तक बढ़ाना और प्लाज़्मा को 30 मिनट तक स्थिर रूप से बनाए रखना है

1.3 गीगाजूल और 8 मिनट discharge का रिकॉर्ड

  • Wendelstein 7-X ने 2023 के लक्ष्य 1 गीगाजूल ऊर्जा रूपांतरण को पार कर 1.3 गीगाजूल तक पहुंच हासिल की
  • 15 फरवरी 2023 के प्रयोग में modification से पहले के सर्वोच्च रिकॉर्ड 75 मेगाजूल से 17 गुना अधिक मान दर्ज किया गया
  • ऊर्जा रूपांतरण की गणना प्लाज़्मा से जुड़ी heating power को discharge duration से गुणा करके की जाती है
  • power plant operation के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा को लंबे समय तक प्लाज़्मा से जोड़ते हुए, साथ ही उत्पन्न heat को हटाने में सक्षम होना जरूरी है

Water-cooled wall और heating system upgrade

  • Wendelstein 7-X ने 2022 की गर्मियों तक चले 3 साल के completion कार्य से गुजरकर यह क्षमता पाई
  • मुख्य बदलाव wall elements की water-cooling और heating system upgrade थे
  • upgraded heating system पहले की तुलना में दोगुनी power प्लाज़्मा से जोड़ सकता है
  • डिवाइस completion के बाद Wendelstein 7-X अब अधिक व्यापक parameter range में operate कर सकता है
  • IPP के Thomas Klinger ने कहा कि अधिक energy values की ओर बढ़ना है, लेकिन डिवाइस को overload या damage न हो, इसके लिए चरणबद्ध तरीके से आगे बढ़ना होगा

heat removal के लिए divertor structure

  • Wendelstein 7-X सबसे बड़े heat flow को हटाने के लिए खास तौर पर अधिक heat-resistant divertor baffle plates का उपयोग करता है
  • ये baffle plates inner wall का हिस्सा हैं और डिवाइस completion के बाद 6.8 km लंबे water piping system से cooled होती हैं
  • वर्तमान में दुनिया के अन्य fusion devices में Wendelstein 7-X की तरह पूरी inner wall को इतने comprehensive ढंग से cool करने वाली कोई facility नहीं है
  • infrared images प्लाज़्मा खुद नहीं, बल्कि water-cooled divertor baffles का temperature distribution दिखाती हैं
    • जिस central line पर प्लाज़्मा divertor को छूता है, वह strike line के रूप में दिखाई देती है
    • कुछ areas अधिकतम 600 डिग्री Celsius तक पहुंचते हैं
    • divertor tiles अधिकतम 1200 डिग्री Celsius सह सकती हैं

480 सेकंड discharge बनाने वाली heating conditions

  • Wendelstein 7-X की plasma heating तीन components से बनी है
    • नया install किया गया ion heating
    • neutral particle injection द्वारा heating
    • electron microwave heating
  • इस रिकॉर्ड में electron microwave heating system खास तौर पर महत्वपूर्ण था
    • यह system कई मिनट तक बड़ी power supply कर सकता है
  • 1.3 गीगाजूल energy conversion औसतन 2.7 मेगावॉट heating output से हासिल हुआ
  • plasma discharge 480 सेकंड, यानी 8 मिनट तक चला
    • यह Wendelstein 7-X का नया discharge time record है
    • वैश्विक स्तर पर भी यह उत्कृष्ट मानों में से एक है
  • completion कार्य से पहले Wendelstein 7-X का अधिकतम plasma time, काफी कम heating output पर 100 सेकंड था

18 गीगाजूल लक्ष्य और stellarator research

  • Wendelstein 7-X का लक्ष्य कुछ वर्षों में energy conversion को 18 गीगाजूल तक बढ़ाना है
  • इस लक्ष्य में प्लाज़्मा को 30 मिनट तक stable रखना होगा
  • fusion research का लक्ष्य climate और environment-friendly power plants विकसित करना है, और सूर्य की तरह atomic nuclei के fusion से ऊर्जा पैदा करने का तरीका अपनाती है
  • Max Planck Institute for Plasma Physics magnetic confinement fusion route पर research करता है
    • fusion reaction केवल 10 करोड़ डिग्री Celsius से अधिक पर ignite होती है
    • पतले hydrogen plasma fuel को ठंडी vessel walls के संपर्क में नहीं आना चाहिए
    • magnetic field में confined प्लाज़्मा vacuum chamber के भीतर लगभग बिना संपर्क के तैरता रहता है
  • Wendelstein 7-X का magnetic field cage 50 superconducting magnetic coils की ring से बना है
  • यह डिवाइस stellarator type facility है, और coils की विशेष geometry जटिल optimization calculations का परिणाम है
  • इन coils के जरिए stellarator की plasma confinement quality को प्रतिस्पर्धी तरीके tokamak facilities के स्तर तक पहुंचाने का लक्ष्य है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2023-08-12
Hacker News राय

  • आह, Wendelstein वही stellarator fusion reactor था। Stellarator सचमुच कमाल का डिज़ाइन है, और tokamak का विकल्प है
    Tokamak डोनट-आकार का reactor होता है, लेकिन बाहरी घेरे की तरफ plasma को magnetic तरीके से कम प्रभावी ढंग से confine करने की समस्या होती है। Stellarator भी मिलता-जुलता है, लेकिन plasma को ribbon की तरह confine करता है और उसे Möbius strip जैसी arrangement में मोड़कर ऊपर उठाता है
    पहले इस क्षेत्र में मेरी काफी रुचि थी, लेकिन कुछ साल बीतते-बीतते भूल गया था। यह सच में काम कर रहा है, यह देखकर अच्छा लगा
    https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator

    • इस तरह की संरचना की geometry वाकई दिलचस्प है। आम तौर पर हम triangle, square, बहुत हुआ तो hexagon जैसी सरल आकृतियों में ही सोचते रह जाते हैं
      मुझे अब भी वह पल याद है जब radians को पर्याप्त समझने के बाद circles और waveforms सच में समझ आने लगे थे। कई सालों तक मैं बस problems solve कर रहा था, बिना यह जाने कि कर क्या रहा हूं; फिर एक पल में समझ आया और दिमाग में जैसे कुछ बदल गया
      मैं Möbius की तरह सोचना चाहता हूं, लेकिन अभी मेरा दिमाग “नहीं, धन्यवाद” के करीब है
    • जिज्ञासा है कि Möbius strip जैसा रूप torus से बेहतर क्यों है। क्या इसका plasma flow की turbulence को control करना आसान होने से संबंध है?
    • दिलचस्प बात यह है कि stellarator कोई साधारण alternative नहीं, बल्कि पूरी तरह parallel evolution path था। इनमें से कोई एक दूसरे के बाद invent नहीं हुआ था, और ऐसा लगता है कि दोनों designs के authors को completion से पहले एक-दूसरे के काम की जानकारी भी नहीं थी
      और भी दिलचस्प यह है कि thermonuclear reactor के तौर पर संभव सबसे सरल design, fusor, शायद stellarator और tokamak के बाद invent हुआ था। अगर आप electrical engineering में अच्छे हों और suitable civilian equipment मिल जाए, तो इसे बनाना अपेक्षाकृत आसान है
      हालांकि निजी तौर पर मुझे stellarator design उतना पसंद नहीं था। इसकी complexity ही कहीं न कहीं गलत दिशा में और धक्का देने जैसी हल्की-सी महसूस होती है
      फिर भी, ऐसे मामले में मैं सच में चाहूंगा कि मैं गलत साबित होऊं। इस क्षेत्र को बहुत पहले से एक बड़े breakthrough की जरूरत रही है

  • Stellarator सैद्धांतिक रूप से tokamak से बेहतर design है, जिसे JxB force को cancel करने के लिए बनाया गया है। यहां J plasma में बहने वाला current है और B वह magnetic field है जो device के अंदर plasma को guide करता है
    B का rotation, यानी J के proportional value को B के parallel बना देने वाली helical form में plasma को twist करें, तो cross product 0 हो जाता है, और इसलिए plasma पर कोई net magnetohydrodynamic force लागू नहीं होती

    • यहां सैद्धांतिक रूप से शब्द निश्चित रूप से महत्वपूर्ण है। अगर मेरी याद सही है, तो Wendelstein की पिछली generation वाली machine ने parts बनाने वाली engineering companies को bankruptcy तक पहुंचा दिया था
      tolerances बहुत कड़े थे, और वे कई बार constraints के भीतर fit कराने में नाकाम रहीं
    • पिछली बार जब यह news में आया था, तो skeptical पक्ष ने stellarator की मुख्य कमी के रूप में tokamak की तुलना में plasma density बहुत कम होने की बात कही थी। इसलिए कहा जा रहा था कि energy breakeven point के करीब पहुंचना मुश्किल है

  • मैं सोच रहा था कि यहां energy turnover से क्या मतलब है
    खोजने पर मिला: “Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].” यहां “amount of heat” शायद “plasma को दी गई heating power” का मतलब है। time से multiply करके joule unit पाने के लिए starting value power ही होनी चाहिए
    1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...

    • सही। article में थोड़ा दबा हुआ है, लेकिन लिखा है: “The energy turnover results from the coupled heating power multiplied by the duration of the discharge”
      आंकड़ा यह है कि “औसतन 2.7 megawatt heating power के साथ 480 seconds तक discharge बनाए रखकर 1.3 gigajoule energy turnover हासिल किया गया”
      यह भी लिखा है कि “कुछ वर्षों के भीतर Wendelstein 7-X के energy turnover को 18 gigajoule तक बढ़ाने और plasma को 30 minutes तक stable बनाए रखने की योजना है।” यानी 10 megawatt को 30 minutes तक बनाए रखने जैसा है
    • क्या यह monetary sense वाले turnover जैसा नहीं है? turnover : profit का relation energy turnover : net energy output के relation जैसा लगता है

  • यह सवाल शायद obvious हो, फिर भी पूछना चाहता हूँ। यहाँ बनाई गई power को इस्तेमाल होने वाली बिजली में कैसे बदला जाता है?
    मुझे पता है कि सामान्य nuclear fission reactor में fission की heat से steam turbine चलाया जाता है। लेकिन अगर plasma बेहद गर्म है, और containment vessel की दीवारों को छूने से रोकने के लिए उसे magnetic field से levitate करना पड़ता है, तो उस heat को किसी दूसरे medium तक कैसे पहुँचाकर बिजली बनाई जा सकती है?

    • ज़्यादातर जवाब असल में प्रस्तावित mechanism को miss कर रहे हैं
      reaction energy का बड़ा हिस्सा high-energy neutrons लेकर जाते हैं। इसलिए energy recover करने के लिए उन neutrons को “capture” करना होगा। neutrons पर charge नहीं होता, इसलिए वे सीधे बिजली नहीं बना सकते, और आखिरकार उन्हें heat के रूप में ही इस्तेमाल करना पड़ता है
      समस्या यह है कि electrically neutral होने की वजह से उन्हें पकड़ना भी अपेक्षाकृत मुश्किल है। ऐसी dense material चाहिए जिसमें atomic nuclei से टकराने की संभावना ज़्यादा हो। प्रस्तावित designs में आमतौर पर reactor के चारों ओर circulate होने वाला liquid metal blanket होता है, जिसे पानी उबालने वाली जगह तक भेजकर steam बनाई जाती है और turbine चलाया जाता है
      सबसे ज़्यादा चर्चा lithium की होती है, जिसका फायदा यह भी है कि neutron लगने पर यह tritium बना सकता है। tritium reaction fuel के बेहद दुर्लभ आधे हिस्से के बराबर है
    • अभी हालत यह है कि एक विशाल heat sink चल रहा है, और इस project की मुख्य कठिन समस्याओं में से एक भी यही है कि उसे cool कैसे किया जाए। लेकिन अंततः उसी heat को बिजली में बदला जाएगा
      जिन लोगों को German आती है, उन्हें Alternativlos podcast के वे episodes recommend करूँगा जिनमें hosts ने site पर दो बार जाकर researchers से लंबी बातचीत की। nerds के बीच बातचीत जैसा feel है, इसलिए भाषा समझते हों तो सच में बहुत मज़ेदार है
      https://alternativlos.org/36/ (2016)
      https://alternativlos.org/51/ (सबसे हालिया, मई 2023)
    • यह ज़्यादातर बिजली बनाने के तरीकों जैसा ही है। बनाई गई energy से पानी को high-pressure steam में heat किया जाता है, वह steam turbine चलाती है, और turbine generator चलाकर 3-phase AC पैदा करता है
      यह device खास तौर पर इसके लिए configured नहीं है, और मेरी जानकारी में अभी ऐसा कोई device है भी नहीं। engineering के लिहाज़ से यह अपेक्षाकृत सरल समस्या है, और जब तक fusion को महीनों तक बनाए रखना संभव न हो, इसे बनाने की खास ज़रूरत भी नहीं है
      हालांकि Helion Energy जो तरीका develop कर रही है, वह उन promising fusion concepts में से एक है जिसे इस पूरे process की ज़रूरत नहीं पड़ती। उन्होंने अभी net output नहीं बनाया है, लेकिन idea में संभावना है और यह दूसरे fusion power approaches की common problems से बचता है। मुझे नहीं लगता कि यह इस field का ultimate answer है, लेकिन बड़े stellarator और fission के बीच transitional role निभाने की काफी संभावना दिखती है
    • plasma लाखों degrees का होता है, इसलिए दीवार को सीधे न छूने पर भी वह बहुत energy radiate करता है और दीवार को heat करता है। सिर्फ दीवार को cool करने से ही coolant fluid इतना गर्म हो सकता है कि बाद में steam बनाई जा सके
      हालांकि मेरी जानकारी में Wendelstein device बिजली उत्पादन के लिए configured नहीं है, इसलिए अभी cooling सचमुच सिर्फ cooling ही है
    • पता नहीं यह इस खास reactor पर भी लागू होता है या नहीं, लेकिन सामान्य जवाब यह है कि आसपास की दीवारों में cooling system लगाया जाता है, और दीवार से गुजरने वाला coolant heat को बाहर ले जाकर useful work करवाता है

  • मुझे यह team वाकई पसंद है। fusion flow को पूरी तरह characterize और control करने की योजना में ये engineering चुनौतियों को एक-एक करके तोड़ रहे हैं
    काम करने वाले fusion power plant की race में कभी-कभी ये कछुए जैसे दिखते हैं, लेकिन wall temperature management और flow में fusion बनाए रखने[1] जैसे उन सवालों के जवाब दे रहे हैं जिन्हें tokamak पक्ष अभी हल नहीं कर पाया है। हालांकि मेरा bias R&D के “D” हिस्से के कहीं ज़्यादा करीब है, इसलिए ITER को follow करते हुए अक्सर यह pure “R” जैसा लगता है
    [1] https://www.iter.org/of-interest/1188

  • fusion की बात चली है, तो क्या किसी को पता है कि Commonwealth Fusion Systems का SPARC कैसा चल रहा है?
    मुझे उनके system से बड़ी उम्मीदें थीं, लेकिन 2 billion dollar investment मिलने के बाद उनका deep development और construction cycle में जाना समझ में आता है। इसलिए पिछले एक साल में news page पर सिर्फ business contracts और awards के updates आए हैं। सुनना चाहूँगा कि reactor construction कैसे आगे बढ़ रहा है

    • मेरा सबसे करीबी दोस्त वहाँ diagnostics subsystem development पर काम कर रहा है। product delivery में अभी बहुत समय है, और कई systems actively design और improve हो रहे हैं
      मूल रूप से वे बेहद busy हैं, लेकिन फिर भी लगता है कि कम से कम 3–5 साल और लगेंगे

  • मैं इस project को 10 साल से देख रहा हूँ और इसे सफल मानता हूँ। लेकिन ऐसे projects और तेज़ कैसे चल सकते हैं?
    Wendelstein 7-X usable electricity produce नहीं करेगा, और इसे power-generation reactor के precursor stage के रूप में बनाया गया device है

    • खासकर stellarator के साथ समस्या यह है कि development cycle बहुत लंबा होता है। coil geometry optimize करने वाले algorithms develop करने में ही कई सालों की research लगती है, और उसके बाद coil बनाना और coils के अंदर vacuum vessel assemble करना भी tokamak की तुलना में कहीं ज्यादा कठिन है
      coils की shape बहुत irregular होती है और tolerances भी tight होते हैं, इसलिए उन्हें बनाना मुश्किल है; और vacuum vessel assembly इसलिए कठिन है क्योंकि coils tokamak की तुलना में “torus जैसी” surface area को बहुत ज़्यादा cover करते हैं
      अभी stellarator design optimization में बहुत दिलचस्प काम चल रहा है, लेकिन उस research को असली reactor में implement होने में शायद लंबा समय लगेगा
    • ज़्यादातर चीज़ें इससे तेज़ नहीं होंगी
      इस field में ज्यादा funding आनी चाहिए, लेकिन किसी point पर आखिरकार चीज़ बनानी ही पड़ती है और वह अपने-आप में बहुत time लेती है। regulations और bureaucracy बेहतर हो सकते हैं, लेकिन अंत में safely कम किया जा सकने वाला time बहुत ज़्यादा नहीं है
      working model बन जाने पर iterations बहुत तेज़ हो जाएँगी, लेकिन हम दशकों से दीवार से टकराते आए हैं
    • German podcast Alternativlos में दो nerds ने Wendelstein 7-X के लोगों का interview करते हुए specifically पूछा कि faster progress को क्या रोकता है, और जवाब था पैसा
    • HSX ने 10 साल से भी पहले यह कर लिया था। छोटा बनाना आसान है
      लेकिन अफसोस, बनाने लायक machine—यानी generator से relevant scale वाला device—छोटा नहीं होता। practice से मदद मिलती है
    • “Wendelstein 7-X usable electricity produce नहीं करेगा” इसकी वजह क्या है?

  • जर्मन समझने वालों के लिए एक संबंधित recommendation है
    Felix Von Leitner और Frank Rieger के podcast Alternativlos ने Greifswald जाकर Wendelstein से जुड़े लोगों का दो बार interview किया था। पहला episode (http://alternativlos.org/36 , 2016) मुख्य रूप से development, construction process और history पर केंद्रित था, और दूसरा इस साल का है, जिसमें achievements और nuclear fusion के भविष्य पर चर्चा है (http://alternativlos.org/51/)

  • इस क्षेत्र को अच्छी तरह जानने वालों से पूछना चाहता हूँ। कौन से nuclear fusion startups promising लगते हैं? inertial confinement approach कैसी लगती है? हाल ही में funding पाने वाली Blue Laser Fusion कैसी है? पुराने player TAE का क्या? Commonwealth, Helion और बाकी कंपनियाँ?

    • Zap Energy. कम-से-कम वे मौजूदा infrastructure को repurpose करने की संभावना पर विचार कर रहे हैं
      https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
      और उनका concept अपने-आप में इतना अजीब है कि मुझे पसंद है। worst case में भी यह space में fusion propulsion engine के रूप में काम कर सकता है, ऐसा लगता है :)
      मेरा अनुमान है कि government funding के बिना ज्यादातर fail हो जाने की संभावना ज्यादा है। जब तक कोई चमत्कार होकर पहली ही कोशिश में उन्होंने सचमुच कोई खास low-cost operating method न खोज लिया हो, जो आज की highly optimized power-generation solutions को पछाड़ दे
    • मैंने अपने private funds में से एक ignore न की जा सकने वाली रकम TAE (Tri-Alpha Energy) में invest की है। वे periodically additional funds raise करते हैं, इसलिए participate करना बहुत मुश्किल नहीं है
      कुल मिलाकर Tokamak Energy भी promising लगती है, इसलिए उसमें invest करने का plan है
    • Helion को सबसे promising मानने के मेरे दो कारण हैं
      पहला, भले ही ज्यादा traditional fusion power plant plasma को खुद बहुत महंगे न होने वाले device में बना सके—जो अपने-आप में एक बड़ा assumption है—heat-exchange mechanism खुद बेहद complex और महंगा लगता है। और क्योंकि यह heat-engine power plant है, इसलिए इसे कहाँ install किया जा सकता है और इसका economic scale क्या होगा, इस पर भी constraints आते हैं
      दूसरा, CO2 emissions घटने पर heat-engine power plants का global warming में योगदान भी ध्यान खींचेगा, ऐसा लगता है। Helion भी पृथ्वी में ऐसी heat जो पहले नहीं थी, जोड़ेगा, लेकिन समान electric energy के लिए पैदा होने वाली heat कम होगी। यह उस तरीके पर भी depend नहीं करता जिसमें सारी heat नदी में डाल दी जाती है
      Helion feasible है या नहीं, मुझे नहीं पता, लेकिन यह इकलौती ऐसी technology लगती है जो feasible हो सकती है
    • अभी चल रहे projects में से कोई भी commercial electricity के तौर पर 1 erg भी नहीं बनाएगा। हाँ, interesting plasma-based material processing technologies spin off हो सकती हैं
      similar capacity वाले fission power plant की तुलना में fusion power plant बनाने की cost कहीं ज्यादा होगी, जबकि fission खुद भी पहले से competitive नहीं है और दिन-ब-दिन और पीछे छूट रहा है। fusion न करने वाले, stably confined plasma के uses पर serious होकर सोचना चाहिए। फायदा यह है कि इसे खास तौर पर बहुत hot होना जरूरी नहीं। हमारे पास अभी जो है, वह भी कुछ plausible uses के लिए काफी hot है

  • “Wendelstein 7-X के discharge time का नया record: hot plasma को 8 मिनट तक maintain किया जा सका” निश्चित रूप से एक milestone है
    हालांकि ध्यान रखना चाहिए कि अभी जिस चीज़ का test हो रहा है, वह heating system है। इसका मतलब यह नहीं है कि वास्तविक nuclear fusion reaction हुआ है