ก้าวใหม่ของเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน

Share

20 ธันวาคม 2559

ล่าสุดเมื่อต้นเดือนธันวาคม 2559 นักฟิสิกส์อเมริกันและเยอรมันยืนยันการทำงานของเตาปฏิกรณ์ฟิวชันที่ชื่อ Wendelstein 7-X ว่าสามารถทำงานได้อย่างแม่นยำตามที่ออกแบบไว้  การทำแผนที่สนามแม่เหล็กภายในเตาปฏิกรณ์ทำให้นักฟิสิกส์พบว่ามันมีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 1ในแสนส่วน 

ภาพเส้นสนามแม่เหล็กภายในเตาปฏิกรณ์ Wendelstein 7-X

 

        กล่าวได้ว่านักฟิสิกส์กลุ่มนี้ควบคุมสนามแม่เหล็กอันรุนแรงได้อย่างแม่นยำเป็นประวัติการณ์ 

 

ภายนอกเตาปฏิกรณ์ Wendelstein 7-X

 

        เตาปฏิกรณ์ฟิวชันถูกประเภทถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาอย่างหนึ่งนั่นคือ ต้องพยายามเก็บกักพลาสมาที่ร้อนจัดไว้ให้ได้เพราะหากพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงมากๆสัมผัสเข้ากับส่วนใดส่วนหนึ่งของเตาปฏิกรณ์ย่อมก่อให้เกิดความเสียหายอย่างแน่นอน

        วิธีการที่ตรงไปตรงมาที่สุดคือ การนำลวดมาม้วนเข้ากับทรงกระบอกยาวๆ ขดลวดลักษณะดังกล่าวเรียกว่า โซลินอยด์(solenoid) จากนั้นปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปในลวดเส้นนั้น ผลลัพธ์คือสนามแม่เหล็กที่เกิดภายในขดลวดจะกักให้พลาสมาวิ่งในท่อทรงกระบอกได้โดยไม่สัมผัสกับส่วนใดๆของขดลวดเลย แต่ปัญหาคือมันมีปลายเปิดอยู่สองด้าน ลำพลาสมาที่วิ่งมาจนสุดที่ปลายด้านหนึ่งย่อมหลุดออกมาทำความเสียหายได้

 

 

        ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงม้วนลวดทรงกระบอกมาประกบกันเป็นทรงโดนัทที่เรียกว่า  ทอรอยด์ (toroid) เพื่อไม่ให้มีปลายเปิดและกักพลาสมาให้วิ่งในนั้นได้นานเท่าที่ต้องการ

        เตาปฏิกรณ์ฟิวชันทั่วไปที่เป็นแบบ tokamak จะควบคุมให้พลาสมาวิ่งในท่อรูปโดนัท แต่เครื่อง Wendelstein 7-X ควบคุมให้พลาสมาวิ่งเป็นรูปโดนัทที่บิดเป็นเกลียว ซึ่งมีข้อได้เปรียบเตาแบบ tokamak 

        ท่อทรงโดนัทแบบ tokamak จะทำให้สนามแม่เหล็กบริเวณขอบด้านในมีความเข้มมากกว่าขอบด้านนอก ผลที่เกิดคือเมื่อเดินเครื่องไปนานๆพลาสมาจะถูกดันออกมาบริเวณขอบด้านนอก ทางออกหนึ่งของปัญหานี้คือออกแบบเตาปิกรณ์ให้คดโค้งขึ้นลงเล็กน้อยจนมีรูปทรงเป็น Wendelstein 7-Xซึ่งจะสามารถเดินเครื่องได้อย่างต่อเนื่องและพลาสมาภายในจะมีความเสถียรสูงมาก

 

พลาสมาสีแดงเข้มวิ่งเป็นรูปโดนัทในเตาปฏิกรณ์ tokamak  

 

วงสีน้ำเงินคือ ขดลวดที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็ก, เส้นสีเหลืองคือ ลำพลาสมา

 

       เตาปฏิกรณ์อย่าง Wendelstein 7-X เป็นเตาปฏิกรณ์ฟิวชันประเภท stellarator ถูกคิดค้นขึ้นมาตั้งแต่ช่วงปี 1950-1960 แล้วโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ Lyman Spitzer  (คำว่า stellarator หมายถึงการสร้างและควบคุมพลังงานของดาวฤกษ์ มาจากคำว่า stellar ซึ่งแปลว่าดาวฤกษ์) 

        แต่ด้วยความซับซ้อนของมันและการทำงานได้ผลที่ดีเยี่ยมของเตาแบบ tokamak ในช่วงปี 1970 ทำให้เตาแบบ stellarator ไม่ได้รับความสนใจ

        ทว่าในตอนนี้มันกลับมาได้รับความสนใจอีกครั้ง  เนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ช่วยให้การออกแบบเป็นไปได้ง่ายขึ้นและลักษณะของสนามแม่เหล็กที่แสนซับซ้อนภายในนั้นสามารถวิเคราะห์คำนวณได้แล้ว 

        ปัจจุบัน เตาปฏิกรณ์ประเภท stellarator ไม่ได้มีแค่ที่เยอรมัน แต่ยังมีเตาปฏิกรณ์ Helically Symmetric Experiment ของสหรัฐอเมริกา ที่รัฐวิสคอนซิน และเตาปฏิกรณ์ Large Helical Device ของประเทศญี่ปุ่นที่เมืองกิฟุ

        อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์มองว่าพวกเรายังต้องวิจัยเตาปฏิกรณ์ทั้งสองแบบร่วมกับพลังงานทางเลือกอื่นๆอีกต่อไป เผื่อทางใดทางหนึ่งเกิดปัญหาขึ้นจะได้มีทางอื่นช่วยสนับสนุน และทางที่เคยพัฒนาอย่างเชื่องช้า ในอนาคตอาจก้าวหน้าได้เร็วกว่าทางอื่นๆก็ได้

 

 

อ้างอิง

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468080X16300322

http://www.nature.com/articles/ncomms13493

 

เรียบเรียงโดยสำนักบริการวิชาการและสื่อสารดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)