การนำฟิวชันหรือกระบวนการหลอมนิวเคลียส (fusion) มาทดลองบนโลกของเรา เป็นสิ่งที่สร้างความหวังให้กับ มนุษยชาติ ที่จะมีพลังงานอันสะอาด และปลอดภัยไว้ใช้งาน ในระยะเวลาที่ยาวนาน แต่ก็มีความท้าทายมากมายทั้ง ทางด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ให้เราต้องหาหนทางแก้ไขและเอาชนะให้ได้ เราจะมาเน้นกับฟิวชันในสนามแม่เหล็ก (magnetic confinement fusion, MCF) ในบทความนี้
ในทางวิทยาศาสตร์นั้น เนื่องจากพลาสมาเป็นสถานะของสสารที่ไม่มีความเสถียรในอนุภาคเอง สมการทางฟิสิกส์ที่จะ นำมาอธิบายคุณสมบัติของพลาสมาจึงมีความซับซ้อนสูง และความเปลี่ยนแปลงของพลาสมานั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้สมการต่าง ๆ และผลการคำนวณขึ้นกับช่วงเวลาที่เราสนใจด้วย
ในทางวิศวกรรมนั้น อาจเป็นสิ่งที่ยิ่งยากขึ้นไปกว่าปัญหาทางวิทยาศาสตร์เสียอีก เนื่องจากการที่จะออกแบบและสร้าง สนามแม่เหล็ก ที่มีความแม่นยำตามความต้องการชองการทดลองนั้น เป็นสิ่งที่ท้าทายความสามารถของมนุษย์อย่างยิ่ง และการที่จะเลือกใช้วัสดุที่มีความเหมาะสมในการเป็นส่วนหันเข้าหาพลาสมา (plasma-facing components, PFC) นั้นก็ไม่ใช่สิ่งที่ง่าย
เราได้รับและใช้งานพลังงานจากดวงอาทิตย์ในทุกวันที่เรามีชีวิตอยู่ เซอร์ อาร์เทอร์ เอดดิงตันได้คาดการณ์ไว้ตั้งแต่ ค.ศ. 1920 จากผลการทดลองของ ฟรานซิส วิลเลียม แอสตัน ที่พบว่านิวเคลียสสี่นิวเคลียสของไฮโดรเจนนั้น มีมวล หนักกว่านิวเคลียสของฮีเลียม โดยกล่าวว่าดวงอาทิตย์เปล่งแสงสว่างและปล่อยความร้อนออกมา โดยทำให้โปรตอนมา หลอมรวมกัน ซึ่งจะเป็นจุดเริ่มต้นในเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่น ๆ ต่อไปได้ โดยเอดดิงตันสามารถใช้สมการของแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ มาคำนวณหาพลังงานจากกระบวนการฟิวชันในดวงอาทิตย์ได้
ในขณะที่การหลอมรวมกันของโปรตอน (p-p fusion) เป็นกระบวนการหลัก ที่ดวงอาทิตย์ใช้ผลิตพลังงาน นิวเคลียร์ฟิวชัน แต่โอกาสในการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวบนโลกนั้นมีต่ำมาก จากการทดลองที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้วัดและ คำนวณค่าโอกาสการเกิดฟิวชันของอนุภาคอื่น ๆ และพบว่า ดิวเทอรอน (D) ซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนนั้น สามารถหลอมรวมกับไทรทอน (T) ซึ่งก็เป็นไอโซโทปอีกชนิดหนึ่งของไฮโดรเจนได้ดี ที่อุณหภูมิที่ต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับ อนุภาคคู่อื่น ๆ กระบวนการหลอม D-T นี้จะผลิตอนุภาคแอลฟาและอนุภาคนิวตรอนออกมา
เครื่องมือซึ่งเป็นทางเลือกหลักที่จะนำมาควบคุมนิวเคลียร์ฟิวชันบนโลกโดยสนามแม่เหล็กนั้นคือ โทคาแมค โดยใช้ สนามแม่เหล็กในสองแนว เรียกว่าโทรอยดัล (toroidal) และ โพลอยดัล (poloidal) มารวมกันและเกิดเป็น สนามแม่เหล็กของเฮลิกซ์ไปตามเครื่องโทคาแมค (ซึ่งมีแรงดลใจมาจากเครื่องสเตลลาเรเตอร์ (stellarator) ของ ไลแมน สปิตเซอร์) อนุภาคมีประจุ ทั้งไอออนบวกและอิเล็กตรอนก็จะวิ่งลดเลี้ยวไปตามเส้นแรงแม่เหล็กตามกฎมือขวา ของแรงแม่เหล็ก |