Tokamak Fusion Test Reactor
ٹوکامک فیوژن ٹیسٹ ری ایکٹر (ٹی ایف ٹی آر) ایک تجرباتی ٹوکامک تھا جو تقریبا 1980 میں پرنسٹن پلازما فزکس لیبارٹری (پی پی پی ایل) میں بنایا گیا تھا اور 1982 میں خدمت میں داخل ہوا تھا۔ ٹی ایف ٹی آر کو سائنسی بریک ایون تک پہنچنے کے واضح مقصد کے ساتھ ڈیزائن کیا گیا تھا، وہ مقام جہاں پلازما میں فیوژن رد عمل سے خارج ہونے والی حرارت پلازما کو گرم کرنے کے لیے بیرونی آلات کے ذریعے فراہم کی جانے والی حرارت کے برابر یا اس سے زیادہ ہوتی ہے۔ ٹی ایف ٹی آر نے یہ ہدف کبھی حاصل نہیں کیا، لیکن اس نے قید کے وقت اور توانائی کی کثافت میں بڑی پیش رفت کی۔ یہ دنیا کا پہلا مقناطیسی فیوژن ڈیوائس تھا جس نے 50/50 ڈیوٹیریم/ٹریٹیئم (D-T) پر مشتمل پلازما کے ساتھ وسیع سائنسی تجربات کیے، جو عملی فیوژن پاور پروڈکشن کے لیے درکار ایندھن کا مرکب ہے، اور 10 میگاواٹ سے زیادہ فیوژن پاور پیدا کرنے والا بھی پہلا آلہ ہے۔ اس نے بجلی کی پیداوار، زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت، اور فیوژن ٹرپل پروڈکٹ کے لیے کئی ریکارڈ قائم کیے۔ ٹی ایف ٹی آر پندرہ سال کے آپریشن کے بعد 1997 میں بند ہو گیا۔ پی پی پی ایل نے اپنے قومی کروی ٹورس تجربے میں ایک اور نقطہ نظر، کروی ٹوکامک کا مطالعہ شروع کرنے کے لیے ٹی ایف ٹی آر کے علم کا استعمال کیا۔ جاپانی جے ٹی-60 ٹی ایف ٹی آر سے بہت ملتا جلتا ہے، دونوں اپنے ڈیزائن کا سراغ 1970 کی دہائی میں پی پی پی ایل میں اپنے دور میں شوچی یوشیکاوا (1934-2010) کے متعارف کردہ کلیدی اختراعات سے لگاتے ہیں۔ نیوکلیئر فیوژن میں، دو قسم کے ری ایکٹر ہوتے ہیں جو فیوژن کرنے کے لیے کافی مستحکم ہوتے ہیں: مقناطیسی کنفینمنٹ ری ایکٹر اور انیرٹیل کنفینمنٹ ری ایکٹر۔ فیوژن کا سابقہ طریقہ اس وقت کو طول دینے کی کوشش کرتا ہے جو آئنوں کو ایک ساتھ فیوز کرنے کے لیے ایک دوسرے کے قریب گزارتے ہیں، جبکہ مؤخر الذکر کا مقصد آئنوں کو اتنی تیزی سے فیوز کرنا ہے کہ ان کے پاس الگ ہونے کا وقت نہ ہو۔ انٹریئل کنفینمنٹ ری ایکٹر، مقناطیسی کنفینمنٹ ری ایکٹر کے برعکس، فیوژن کرنے کے لیے لیزر فیوژن اور آئن بیم فیوژن کا استعمال کرتے ہیں۔ تاہم، مقناطیسی کنفینمنٹ ری ایکٹروں کے ساتھ آپ ایسے مواد کو تلاش کرنے کے مسئلے سے بچتے ہیں جو نیوکلیئر فیوژن رد عمل کے اعلی درجہ حرارت کو برداشت کر سکے۔ حرارتی کرنٹ مرکزی انڈکشن کنڈلی میں بدلتے ہوئے مقناطیسی میدانوں سے متاثر ہوتا ہے اور ایک ملین ایمپیر سے تجاوز کرتا ہے۔ مقناطیسی فیوژن آلات گرم پلازما کو چارج شدہ ذرات پر مقناطیسی قوت کے ذریعے اور حرکت پذیر ذرات پر کام کرنے والی سنٹریپیٹل قوت کے ذریعے سرکلر یا ہیلیکل راستوں میں حرکت کرتے ہوئے اس کے کنٹینر کی دیواروں سے رابطے سے دور رکھتے ہیں۔ 1960 کی دہائی کے اوائل تک، فیوژن پاور فیلڈ اتنا بڑا ہو گیا تھا کہ محققین نے نیم سالانہ اجلاسوں کا اہتمام کرنا شروع کر دیا جو مختلف تحقیقی اداروں کے گرد گھومتے رہے۔ 1968 میں، نووسیبیرسک میں اب سالانہ اجلاس منعقد ہوا، جہاں سوویت وفد نے یہ دعوی کر کے سب کو حیران کر دیا کہ ان کے ٹوکامک ڈیزائن کم از کم کارکردگی کی سطح تک پہنچ چکے ہیں جو کسی بھی دوسرے آلے سے بہتر ہے۔ ان دعووں کو ابتدائی طور پر شکوک و شبہات کا سامنا کرنا پڑا، لیکن جب اگلے سال برطانیہ کی ایک ٹیم نے نتائج کی تصدیق کی تو یہ بہت بڑی پیشرفت ٹوکامک کی تعمیر کے "ورچوئل بھگدڑ" کا باعث بنی۔ امریکہ میں، اس مقام تک جن بڑے طریقوں کا مطالعہ کیا جا رہا تھا ان میں سے ایک اسٹارلیٹر تھا، جس کی ترقی تقریبا مکمل طور پر پی پی پی ایل تک محدود تھی۔ ان کا تازہ ترین ڈیزائن، ماڈل سی، حال ہی میں عمل میں آیا تھا اور اس نے مفید اعداد و شمار سے دور، نظریاتی حسابات سے بہت نیچے کارکردگی کا مظاہرہ کیا تھا۔ نووسیبیرسک کے نتائج کی تصدیق کے ساتھ، انہوں نے فوری طور پر ماڈل سی کو ٹوکامک ترتیب میں تبدیل کرنا شروع کر دیا، جسے سمیٹریکل ٹوکامک (ایس ٹی) کہا جاتا ہے۔ یہ صرف آٹھ ماہ کے مختصر وقت میں مکمل ہوا، مئی 1970 میں خدمت میں داخل ہوا۔ ایس ٹی کی کمپیوٹرائزڈ تشخیص نے اسے سوویت نتائج سے تیزی سے ملنے کی اجازت دی، اور اس وقت سے، پوری فیوژن دنیا کسی بھی دوسرے پر اس ڈیزائن پر تیزی سے توجہ مرکوز کر رہی تھی۔ پرنسٹن لارج ٹورس 1970 کی دہائی کے اوائل میں، شوچی یوشیکاوا ٹوکامک تصور کو دیکھ رہے تھے۔ انہوں نے نوٹ کیا کہ جیسے جیسے ری ایکٹر کے معمولی محور (ٹیوب کا قطر) کا سائز اس کے بڑے محور (پورے نظام کا قطر) کے مقابلے میں بڑھتا گیا نظام زیادہ موثر ہوتا گیا۔ ایک اضافی فائدہ یہ تھا کہ جیسے جیسے معمولی محور میں اضافہ ہوتا گیا، قید کا وقت اس سادہ وجہ سے بہتر ہوتا گیا کہ ایندھن کے آئنوں کو ری ایکٹر کے باہر تک پہنچنے میں زیادہ وقت لگا۔ اس کی وجہ سے وسیع پیمانے پر قبولیت ہوئی کہ کم پہلو تناسب والے ڈیزائن پہلے کے ماڈلز کے مقابلے میں ایک اہم پیش رفت تھے۔ اس کی وجہ سے پرنسٹن لارج ٹورس (پی ایل ٹی) بنا، جو 1975 میں مکمل ہوا۔ یہ نظام اس حد تک کامیاب رہا جہاں یہ تیزی سے اپنے اومک ہیٹنگ سسٹم کی حدود تک پہنچ گیا، وہ نظام جو پلازما کے ذریعے کرنٹ کو گرم کرنے کے لیے گزرتا ہے۔ مزید ہیٹنگ کے لیے تجویز کردہ بہت سے خیالات میں، اوک رج نیشنل لیبارٹری کے تعاون سے، پی پی پی ایل نے نیوٹرل بیم انجیکشن کا خیال تیار کیا۔ اس نے ایندھن کے ایٹموں کو براہ راست پلازما میں داخل کرنے کے لیے چھوٹے ذرہ ایکسلریٹرز کا استعمال کیا، دونوں اسے گرم کرتے ہیں اور تازہ ایندھن فراہم کرتے ہیں۔ بیم انجیکشن سسٹم میں متعدد ترامیم کے بعد، نئے لیس پی ایل ٹی نے ریکارڈ قائم کرنا شروع کیا اور بالآخر 60 ملین کے پر کئی ٹیسٹ رن بنائے، جو فیوژن ری ایکٹر کے لیے کافی سے زیادہ ہیں۔ اگنیشن کے لیے لاسن کے معیار تک پہنچنے کے لیے، جس چیز کی ضرورت تھی وہ زیادہ پلازما کی کثافت تھی، اور ایسا لگتا تھا کہ اس کی کوئی وجہ نہیں تھی کہ یہ کسی بڑی مشین میں ممکن نہ ہو۔ وسیع پیمانے پر یہ خیال تھا کہ 1970 کی دہائی کے دوران بریک ایون تک پہنچ جائے گا۔ ٹی ایف ٹی آر تصور پی ایل ٹی اور دیگر فالو آن ڈیزائنوں کی کامیابی کے بعد، بنیادی تصور کو اچھی طرح سے سمجھا گیا۔ پی پی پی ایل نے پی ایل ٹی کے بہت بڑے جانشین کا ڈیزائن شروع کیا جو پلسڈ آپریشن میں پلازما جلانے کا مظاہرہ کرے گا۔ جولائی 1974 میں محکمہ توانائی (ڈی او ای) نے ایک بڑی میٹنگ کی جس میں تمام بڑی فیوژن لیبز نے شرکت کی۔ حاضرین میں قابل ذکر مارشل روزن بلوتھ تھے، جو ایک تھیوریسٹ تھے جنہیں مشینوں کا مطالعہ کرنے اور مختلف قسم کی نئی عدم استحکام تلاش کرنے کی عادت تھی جو قید کو تباہ کر دے گی۔ سب کے لیے حیرت کی بات یہ ہے کہ اس ملاقات میں وہ کوئی نیا خدشات اٹھانے میں ناکام رہے۔ ایسا لگتا تھا کہ بریک ایون کا راستہ صاف تھا۔ بریک ایون پر حملے سے پہلے آخری قدم ایک ری ایکٹر بنانا ہوگا جو ڈیوٹیریم اور ٹریٹیئم کے مرکب پر چلتا ہو، جیسا کہ پہلے کی مشینوں کے برعکس جو صرف ڈیوٹیریم پر چلتی تھیں۔ اس کی وجہ یہ تھی کہ ٹریٹیئم تابکار تھا اور جسم میں آسانی سے جذب ہو جاتا تھا، جس سے حفاظتی مسائل پیش آتے تھے جس کی وجہ سے اسے استعمال کرنا مہنگا ہو جاتا تھا۔ یہ وسیع پیمانے پر مانا جاتا تھا کہ صرف ڈیوٹیریم پر چلنے والی مشین کی کارکردگی بنیادی طور پر ڈی-ٹی پر چلنے والی مشین سے ملتی جلتی ہوگی، لیکن اس مفروضے کو جانچنے کی ضرورت ہے۔ میٹنگ میں پیش کردہ ڈیزائنوں کو دیکھتے ہوئے، ڈی او ای ٹیم نے پرنسٹن ڈیزائن کا انتخاب کیا۔ باب ہرش، جنہوں نے حال ہی میں ڈی او ای اسٹیئرنگ کمیٹی سنبھالی تھی، اوک رج نیشنل لیبارٹری (او آر این ایل) میں ٹیسٹ مشین بنانا چاہتے تھے، لیکن محکمہ کے دیگر افراد نے انہیں یقین دلایا کہ پی پی پی ایل میں ایسا کرنا زیادہ سمجھدار ہوگا۔ انہوں نے استدلال کیا کہ پرنسٹن کی ٹیم کسی اور کے ڈیزائن کو چلانے والی او آر این ایل ٹیم سے زیادہ ملوث ہوگی۔ اگر کسی تجارتی نظام کے انجینئرنگ پروٹو ٹائپ کی پیروی کی جائے تو اسے اوک رج میں بنایا جا سکتا ہے۔ انہوں نے اس منصوبے کو ٹی ایف ٹی آر کا نام دیا اور فنڈنگ کے لیے کانگریس کے پاس گئے، جسے جنوری 1975 میں منظور کیا گیا۔ تصوراتی ڈیزائن کا کام پورے 1975 میں کیا گیا، اور تفصیلی ڈیزائن اگلے سال شروع ہوا۔ ٹی ایف ٹی آر دنیا کا سب سے بڑا ٹوکامک ہوگا ؛ موازنہ کے لیے، اصل ایس ٹی کا پلازما قطر تھا، جبکہ فالو آن پی ایل ٹی ڈیزائن تھا، اور ٹی ایف ٹی آر کو اس طرح ڈیزائن کیا گیا تھا۔ اس نے اسے اس دور کی دیگر بڑے پیمانے کی مشینوں کے سائز سے تقریبا دگنا بنا دیا۔ 1978 کا جوائنٹ یورپی ٹورس اور تقریبا ہم آہنگ جے ٹی-60 دونوں کا قطر تقریبا نصف تھا۔ جیسا کہ پی ایل ٹی نے بہتر اور بہتر نتائج پیدا کرنا جاری رکھا، 1978 اور 79 میں، اضافی فنڈنگ شامل کی گئی اور ڈیزائن میں ترمیم کی گئی تاکہ "سائنسی بریک ایون" کے طویل مدتی ہدف تک پہنچ سکے جب پلازما میں فیوژن رد عمل سے پیدا ہونے والی طاقت کی مقدار آپریٹنگ درجہ حرارت پر گرم کرنے کے لیے اس میں دی جانے والی طاقت کی مقدار کے برابر تھی۔ ق = 1 کے نام سے بھی جانا جاتا ہے، یہ مفید بجلی پیدا کرنے والے ڈیزائنوں کی راہ پر ایک اہم قدم ہے۔ اس ضرورت کو پورا کرنے کے لیے حرارتی نظام کو 50 میگاواٹ اور آخر میں 80 میگاواٹ تک اپ گریڈ کیا گیا۔ آپریشنز کنسٹرکشن 1980 میں شروع ہوا اور ٹی ایف ٹی آر نے 1982 میں ابتدائی آپریشن شروع کیا۔ اس کے بعد بریک ان اور ٹیسٹنگ کا ایک طویل عرصہ گزرا۔ 1980 کی دہائی کے وسط تک، ڈیوٹیریم کے ساتھ ٹیسٹ اس کی کارکردگی کو سمجھنے کے لیے سنجیدگی سے شروع ہو گئے۔ 1986 میں اس نے پہلا 'سپر شاٹس' تیار کیا جس نے بہت سے فیوژن نیوٹرون تیار کیے۔ ان سے یہ ظاہر ہوا کہ یہ نظام 1976 کے ابتدائی ڈیزائن کے اہداف تک پہنچ سکتا ہے۔ ڈیوٹیریم پر چلتے وقت کارکردگی ایسی تھی کہ اگر ٹریٹیم متعارف کرایا گیا تو اس سے تقریبا 3.5 میگاواٹ فیوژن پاور پیدا ہونے کی توقع تھی۔ حرارتی نظام میں توانائی کو دیکھتے ہوئے، یہ تقریبا 0.2 کے ق کی نمائندگی کرتا ہے، یا بریک ایون کی ضرورت کا صرف 20 فیصد ہے۔ تاہم مزید جانچ میں اہم مسائل کا انکشاف ہوا۔ بریک ایون تک پہنچنے کے لیے، نظام کو ایک ہی وقت میں کئی اہداف کو پورا کرنا ہوگا، درجہ حرارت، کثافت اور ایندھن کے محدود ہونے کے وقت کا مجموعہ۔ اپریل 1986 میں، ٹی ایف ٹی آر کے تجربات نے ان ضروریات میں سے آخری دو کا مظاہرہ کیا جب اس نے 1.5 ایکس کیلون سیکنڈ فی مکعب سینٹی میٹر کا فیوژن ٹرپل پروڈکٹ تیار کیا، جو ایک عملی ری ایکٹر کے ہدف کے قریب ہے اور بریک ایون کے لیے درکار پانچ سے سات گنا زیادہ ہے۔ تاہم، یہ ایک ایسے درجہ حرارت پر ہوا جو ضرورت سے بہت کم تھا۔ جولائی 1986 میں، ٹی ایف ٹی آر نے 200 ملین کیلون (200 ایم کے) کا پلازما درجہ حرارت حاصل کیا، جو اس وقت کسی لیبارٹری میں اب تک کا سب سے زیادہ درجہ حرارت تھا۔ درجہ حرارت سورج کے مرکز سے 10 گنا زیادہ ہے، اور بریک ایون کے لیے کافی سے زیادہ ہے۔ بدقسمتی سے، ان درجہ حرارت تک پہنچنے کے لیے ٹرپل پروڈکٹ کو بہت کم کر دیا گیا تھا، جو بریک ایون کے لیے دو یا تین گنا بہت چھوٹا تھا۔ ان حالات تک پہنچنے کی بڑی کوششیں بیک وقت جاری رہیں۔ ٹی ایف ٹی آر کے پراجیکٹ مینیجر ڈونلڈ گروو نے کہا کہ انہیں توقع ہے کہ وہ 1987 میں اس ہدف کو حاصل کر لیں گے۔ اس کے بعد ڈی-ٹی ٹیسٹ کیے جائیں گے جو دراصل بریک ایون پیدا کریں گے، جس کا آغاز 1989 میں ہوا تھا۔ بدقسمتی سے، نظام ان میں سے کسی بھی مقصد کو پورا کرنے میں ناکام رہا۔ ان مسائل کی وجوہات کا اگلے سالوں میں گہرائی سے مطالعہ کیا گیا، جس سے اعلی کارکردگی والے پلازما کی عدم استحکام کے بارے میں ایک نئی تفہیم پیدا ہوئی جو چھوٹی مشینوں میں نہیں دیکھی گئی تھی۔ ٹی ایف ٹی آر کی پریشانیوں کا ایک بڑا نتیجہ انتہائی غیر یکساں پلازما کراس سیکشنز کی نشوونما تھی، خاص طور پر ڈی کی شکل کے پلازما جو اب میدان پر حاوی ہیں۔ بعد کے تجربات اگرچہ یہ واضح ہو گیا کہ ٹی ایف ٹی آر بریک ایون تک نہیں پہنچ پائے گا، لیکن ٹریٹیئم کا استعمال کرتے ہوئے تجربات دسمبر 1993 میں شروع ہوئے، جو بنیادی طور پر اس ایندھن کی طرف منتقل ہونے والا اس طرح کا پہلا آلہ تھا۔ 1994 میں اس نے ایک 50-50 D-T پلازما سے 10.7 میگاواٹ فیوژن پاور کا اس وقت کا عالمی ریکارڈ بنایا (برطانیہ میں جے ای ٹی سے تجاوز کر گیا، جس نے 1997 میں انجکشن شدہ تھرمل پاور ان پٹ کے 24 میگاواٹ سے 16 میگاواٹ پیدا کیا)۔ دونوں تجربات نے ڈیوٹیریم-ٹریٹیئم رد عمل میں پیدا ہونے والے الفا ذرات پر زور دیا تھا، جو پلازما کو خود گرم کرنے کے لیے اہم ہیں اور کسی بھی آپریشنل ڈیزائن کا ایک اہم حصہ ہیں۔ 1995 میں، ٹی ایف ٹی آر نے 510 ملین ڈگری سیلسیس کا عالمی ریکارڈ درجہ حرارت حاصل کیا-جو سورج کے مرکز سے 25 گنا زیادہ ہے۔ اسے بعد میں اگلے سال جے ٹی-60 ٹوکامک نے شکست دی جس نے 522 ملین ڈگری سیلسیس (45 کے وی) کا آئن درجہ حرارت حاصل کیا۔ اس کے علاوہ 1995 میں، ٹی ایف ٹی آر کے سائنس دانوں نے پلازما کی افراتفری کو کم کرنے کے لیے پلازما کی قید کے ایک نئے بنیادی طریقے-بہتر الٹا شیر کی کھوج کی۔ ٹی ایف ٹی آر 1997 تک استعمال میں رہا۔ اسے 15 سال کے آپریشن کے بعد ستمبر 2002 میں ختم کر دیا گیا تھا۔ اس کے بعد این ایس ٹی ایکس گول ٹوکامک آیا۔ فیوژن تجربات کی فہرست بھی دیکھیں حوالہ جات ٹوکامکس پرنسٹن پلازما فزکس لیبارٹری