| ดร.รพพน พิชา กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์ สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) |
| เครื่องโทคาแมกเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลาสมาพลังงานสูงโดยใช้สนามแม่เหล็ก และเป็นเครื่องมือหลักอย่างหนึ่งที่ใช้ควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน มีการใช้มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1975 ในสหภาพโซเวียต โดยเครื่องที่มีชื่อว่า T-10 สำหรับในปัจจุบันนั้น เครื่อง JET ในอังกฤษ [1] เป็นเครื่องโทคาแมกที่สร้างพลังงานจากฟิวชันได้สูงสุด (ที่ 30 MW) นอกจากนี้ประเทศสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ฝรั่งเศส โปรตุเกส เกาหลีใต้ และจีน ก็เป็นตัวอย่างของกลุ่มประเทศที่มีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับโทคาแมกอย่างจริงจัง
สสารในสภาวะปกติจะอยู่ในลักษณะของโมเลกุลซึ่งประกอบไปด้วยอะตอม อะตอมเหล่านี้มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์เนื่องจากมีประจุบวกของโปรตอนและประจุลบของอิเล็กตรอนอยู่ด้วยกันในจำนวนที่เท่ากัน พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่มีไอออนบวกกับอิเล็กตรอนที่แยกกันอยู่ส่วนหนึ่ง จึงมีประจุอยู่ทั่วพลาสมา โทคาแมกมีลักษณะรูปทรงคล้ายโดนัต พลาสมาจะวิ่งเป็นทางไขว้แบบ helix (นึกภาพเส้นลวดของสปริง นั่นคือรูปร่างของ helix) หลักการในการควบคุมพลาสมานี้คือการใช้แรงแม่เหล็กจากสมการลอว์เรนซ์ (F = qvB*sin(t)) โดยที่ F คือแรงแม่เหล็ก q คือประจุของอนุภาค v คือความเร็วของอนุภาคตัวนั้น B คือความแรงของสนามแม่เหล็กในโทคาแมก และ t คือมุมระหว่างทิศทางการเดินทางของอนุภาคกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยมีการควบคุมในสองแนว คือวงรอบยาวที่มีทรงคล้ายห่วงยาง (toroidal) และรอบขวาง (poloidal) รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงแรงทางแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็ก
|
การจะสร้างฟิวชันให้เกิดในพลาสมาได้นั้น ต้องให้พลังงานที่สูง โดยมีวิธีการหลัก ๆ ในปัจจุบันคือ
- ใช้กระแสวิ่งผ่าน (ohmic heating) โดยใช้สมบัติการเป็นตัวนำไฟฟ้าของพลาสมา คล้ายกับการที่อิเล็กตรอนสร้างความร้อนในสายไฟ
- ใช้ลำอนุภาคไร้ประจุ (neutral beam injection) วิ่งเข้าชนกับพลาสมาและให้ถ่ายเทพลังงานให้กับพลาสมา
- ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (radio frequency heating) โดยคลื่นนี้มีพลังงานในช่วงคลื่นวิทยุ โดยอนุภาคมีประจุในพลาสมา จะถูกเร่งและเข้าชนกับอนุภาคตัวอื่น ๆ การควบคุมพลาสมาพลังงานสูงไม่ใช่สิ่งง่าย เนื่องจากมีความแปรปรวนที่อาจเกิดขึ้นได้ เช่นการเสียอนุภาคหรือพลังงานออกไปจากแกนกลาง (core) ของพลาสมา ซึ่งทำให้ความหนาแน่นของพลังงานของพลาสมาตกลง ทำให้การเกิดฟิวชันเกิดได้ไม่ต่อเนื่อง หรือไม่เกิดเลย ซึ่งการศึกษาปรากฏการณ์ crash เช่นนี้ รวมถึงตำแหน่งซึ่งการส่งถ่ายพลังงานออกไปยังขอบพลาสมา (boundary) ยังเป็นเรื่องที่ยังอยู่ในช่วงการวิจัยอย่างต่อเนื่องในหลายประเทศ [2-3] ผลที่ได้มาจะช่วยให้เราเข้าใจพลาสมามากขึ้น ทำให้เราทราบว่าจะต้องทำเช่นไรให้พลาสมามีความเสถียรสูงสุด เพื่อทำให้โทคาแมกควบคุมพลาสมาได้อย่างมีประสิทธิภาพเครื่องโทคาแมกเป็นความหวังของการสร้างฟิวชันให้เกิดขึ้นบนโลก เพื่อสร้างพลังงานสำหรับอนาคต เมื่อเชื้อเพลิงชนิดอื่นมีราคาแพงมากขึ้น หรือกระทั่งหมดไป โดยเครื่องโทคาแมกขนาดใหญ่ อย่างเช่น ITER [4] ที่กำลังก่อสร้างในประเทศฝรั่งเศส โดยใช้ความรู้และเทคโนโลยีจากเครื่องโทคาแมกรุ่นก่อนหน้านี้ เช่น JT-60 (ญี่ปุ่น) JET (สหราชอาณาจักร, แสดงในรูปที่ 2) และ TFTR (สหรัฐอเมริกา) สามารถสร้างพลาสมาที่มีความร้อนที่สูงมาก จากการนำดิวเทอเรียมและทริเทียม (ไฮโดรเจนที่มีนิวตรอน 1 และ 2 อนุภาค ตามลำดับ) มารวมกัน และมีพลังงานจากฟิวชันประมาณ 10 เท่าของพลังงานที่ป้อนเข้าไป โดยตามการคำนวณของ ITER พลังงานที่คน ๆ หนึ่งใช้ทั้งชีวิตนั้น สามารถนำมาจากเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมเพียง 10 กรัม และทริเทียมเพียง 15 กรัม เท่านั้น ดังนั้นฟิวชันจึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจที่สุดทางหนึ่งสำหรับพลังงานแห่งอนาคต และโทคาแมกก็น่าจะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการนำพลังงานจากฟิวชันมาใช้ได้จริง
รูปที่ 2. เครื่องโทคาแมก JET ที่ Culham สหราชอาณาจักรอ้างอิง (References):
- JET
- www.jet.efda.org
- P. Zhu, G. Bateman, A. H. Kritz, and W. Horton, Predictive transport simulations of internal transport barriers using the Multi-Mode model, Phys. of Plasmas, Vol 7, Number 7, July 2000
- W. Horton and P. Zhu, Transport barrier dynamics, Phys. of Plasmas, Vol 7, Number 11, November 2000
- ITER www.iter.org
