STKC 2553

ความท้าทายของฟิวชันโดยสนามแม่เหล็ก

รพพน พิชา
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

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

Figure 1: ซ้าย: สปิตเซอร์กับเครื่องสเตลลาเรเตอร์; ขวา: เครื่องโทคาแมค

การให้พลังงานกับอนุภาคในพลาสมามี 3 วิธีหลักคือ 1. การให้พลาสมาเสียดสีกันและถ่ายเทพลังงาน ลักษณะคล้ายกับ กระแสไฟฟ้าที่ทำให้เกิดความร้อนขึ้นในสายไฟ (electrical resistance heating) 2. การยิงอนุภาคไร้ประจุเข้าไปใน พลาสมา (neutral beam heating) และ 3. การใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถ่ายเทพลังงานเข้าไปในพลาสมาเป็นจังหวะที่ เหมาะสม (radio wave heating)

ในราวสองทศวรรษที่แล้ว (ช่วงปี 1990-1999) นั้น มีการทดลองหลักสองแห่ง คือ ที่ JET ในอังกฤษ และ TFTR ใน สหรัฐอเมริกา ที่ได้ผลิตพลังงานจากฟิวชันออกมาในปริมาณที่เกือบจะเท่ากับพลังงานที่ใส่เข้าไปในเครื่องโทคาแมค ซึ่งเป็นการเริ่มต้นที่ดีในการนำไปสู่เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ซึ่งผลิตพลังงานออกมาให้เราใช้งานได้มากกว่าพลังงาน ที่เราใส่เข้าไป

Figure 2: หน้าตัดขวางของเครื่อง TFTR ที่ปรินซ์ตัน รัศมีหลัก 2.52 เมตร รัศมีรอง 0.87 เมตร กระแสพลาสมา 2.7 เมกะแอมแปร์
เครื่อง JET และ TFTR เป็นเครื่องที่มีลักษณะที่เราเรียกว่ามีอัตราส่วนทางมิติสูง (รัศมีหลักยาวกว่ารัศมีรองมาก) ซึ่ง จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ และในอนาคต ซึ่งเราคงต้องสร้างเครื่องโทคาแมคขนาดใหญ่ขึ้นไปอีก ก็จะทำให้ ค่าใช้จ่ายในการสร้างสูงมากขึ้นไปด้วย มีทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ คือการสร้างโทคาแมคซึ่งมีอัตราส่วนทางมิติต่ำ (ความยาวรัศมีหลักไม่สูงกว่ารัศมีรองมากนัก) ดังเช่นเครื่องโทคาแมค NSTX (National Spherical Tokamak Experiment) ที่มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างศูนย์ปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาแห่งปรินซ์ตัน (PPPL) ม. โคลัมเบีย กับศูนย์ปฏิบัติการวิจัยโอกริดจ์ และกับ ม. วอชิงตัน
 
  Figure 3: แบบของเครื่อง NSTX ที่ปรินซ์ตัน รัศมีหลักไม่สูงกว่า 0.85 เมตร รัศมีรองไม่สูงกว่า 0.68 เมตร กระแสพลาสมา 1 เมกะแอมแปร์
   
 
  Figure 4: ทีมนักฟิสิกส์ วิศวกร และเจ้าหน้าที่ ของเครื่อง NSTX ที่ปรินซ์ตัน
เครื่อง NSTX สามารถสร้างพลาสมาที่มีความดันต่อสนามแม่เหล็กสูง ซึ่งแปลว่าผลิตพลังงานให้กับพลาสมาได้มากเมื่อ เทียบกับพลังงานจากไฟฟ้าที่ต้องใช้ป้อนเข้าไปในเครื่อง สาเหตุหนึ่งน่าจะเป็นเพราะเครื่องในลักษณะของ NSTX นั้น มีค่าที่เรียกว่า safety factor สูง คือมีการหมุนของสนามแม่เหล็กไปในแนวโทรอยดัลหลายครั้งต่อการหมุนในแนว โพลอยดัลหนึ่งครั้ง ซึ่งลักษณะของเครื่องโทคาแมคแบบนี้ จะควบคุมความไม่เสถียรของพลาสมาได้ดีขึ้น เมื่อเทียบกับ เครื่องโทคาแมคในสมัยก่อน ทำให้พลาสมาถูกกักเก็บไว้ในระดับที่ดีขึ้น
 
 
Figure 5: หน่วยตรวจวัดรังเอกซ์พลังงานสูงของ NSTX
แต่อย่างไรก็ดีเครื่องโทคาแมคแบบ NSTX นั้นก็มีความยากในการสร้าง ด้วยขนาดที่ค่อนข้างจำกัด ซึ่งทำให้การ ถ่ายโอนพลังงานเป็นไปได้ยาก นำไปสู่การส่งความร้อนไปให้กับวัสดุเป็นปริมาณที่สูงมาก ทางออกหนึ่งที่นักวิจัยกำลัง ทำการศึกษาอยู่ ณ NSTX ก็คือ การใช้โลหะเหลวในการกระจายและระบายความร้อน แทนที่จะใช้วัสดุในสถานะของแข็ง อย่างที่ใช้กันมายาวนาน
 
 
Figure 6: พื้นล่างของเครื่อง NSTX ซึ่งเป็นบริเวณของไดเวิร์ตเทอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการทำให้พลาสมามีความบริสุทธิ์ ส่วนนี้ (สีอ่อนในภาพ) จะถูกชนด้วยอนุภาคที่หลุดออกจากแกนกลางของพลาสมา จึงเป็นอีกบริเวณหนึ่ง ที่การเลือกวัสดุที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

บทความนี้มีพื้นฐานจากการบรรยายพิเศษ ของ ดร. รอเบิร์ต ไคอิตะ (Robert Kaita) หัวหน้าหน่วยปฏิบัติการวินิจฉัย (Diagnostic Operations) แห่งศูนย์ปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาแห่งปรินซ์ตัน (PPPL) เมื่อวันที่ 14 กรกฎาคม 2553 “The National Spherical Torus Experiment: Physics and Engineering Challenges in a Low Aspect Ratio Magnetic Fusion Device”

นอกจากการบรรยายเชิงวิชาการเกี่ยวกับเครื่องโทคาแมคแล้ว ดร. ไคอิตะได้เล่าถึงเรื่องที่น่าสนใจอื่น ๆ อีกหลายอย่าง ให้ผู้เข้าฟังได้ทราบ ทั้งชีวิตบรรพบุรุษ ซึ่งอพยพมาจากญี่ปุ่นตั้งแต่ก่อนสงครามโลก ความเห็นเกี่ยวกับความสำคัญของ การทดลองจริง และไม่ยึดติดกับทฤษฎี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องพลาสมา ซึ่งทฤษฎียังครอบคลุมได้ไม่ทั่วถึงหรือ ลึกซึ้งนัก นอกจากนี้ ดร. ไคอิตะได้แสดงความเห็นเกี่ยวกับการสร้างฟิวชัน ด้วยเทคนิคการบีบอัดด้วยเลเซอร์ ซึ่ง ดร. ไคอิตะเชื่อว่า เป็นการวิจัยวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่น่าสนใจอย่างยิ่ง แต่ก็ไม่น่าจะเป็นวิธีที่เหมาะสม สำหรับการจะสร้าง ฟิวชันเพื่อผลิตไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์อย่างจริงจัง

 
 
 
 

ผู้เข้าฟังรู้สึกขอบคุณ ดร. ไคอิตะ ที่ให้โอกาสมาเรียนรู้ถึงเทคโนโลยีโทคาแมค จากผู้เชี่ยวชาญแนวหน้าคนหนึ่งใน วงการฟิสิกส์พลาสมา การบรรยายครั้งนี้จัดโดยหน่วยวิจัย PFRU (Plasma and Fusion Research Unit) โดยมีผู้เข้าร่วม เป็นอาจารย์ นักวิจัย และนักศึกษา จากสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ รวมทั้งสิ้น 13 คน

ภาพโดย: จิราภรณ์ พรมพิงค์ และ ยุทธพงศ์ เพียรโรจน์ (Plasma and Fusion Research Unit)