การพัฒนาวิธีการควบคุมพลาสมาโดยสนามแม่เหล็กในเตาปฎิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน
28-07-2020 อ่าน 3,559
เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าแห่งอนาคต หนี่งในนั้น คือ การสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันที่เป็นการเลียนแบบปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชัน (thermal nuclear fusion) ภายในใจกลางดวงอาทิตย์ โดยที่กลุ่มก๊าซไฮโดรเจนภายใต้สภาวะที่มีความดันและอุณหภูมิสูงมากถึงขีดจำกัดค่าหนึ่งจึงเกิดการหลอมรวมกลายเป็นฮีเลียมพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างมากมาย จากกระบวนการนี้จึงมีหนึ่งในอุปสรรคใหญ่ของการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชัน คือ อุณหภูมิของเชื้อเพลิงฟิวชัน (ก๊าซไฮโดรเจน) ที่เทียบเท่ากับอุณหภูมิที่ใจกลางดวงอาทิตย์ซึ่งไม่มีวัสดุใดบนโลกนี้ที่สามารถทนความร้อนระดับนั้นได้ นักฟิสิกส์จึงมีแนวคิดในการสร้างเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน (fusion reactor) ที่สามารถเก็บกักเชื้อเพลิงฟิวชันในสถานะพลาสมา (plasma) ที่เป็นกลุ่มก๊าซประจุไฟฟ้าอุณหภูมิสูงด้วยการใช้สนามแม่เหล็กควบคุมทิศทางการไหลของพลาสมา เพื่อให้พลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงไม่ไปแตะกับกำแพงหรือผนังเตาปฏิกรณ์ฟิวชันจนเกิดความเสียหาย
รูปที่ 3 (ก). การติดตั้งขดแม่เหล็ก 8 วงใน stellarator (เครดิตรูป: แหล่งอ้างอิงที่ [2])
รูปที่ 3 (ข). แผนภาพทิศทาง วงรอบยาว (toroidal) และวงรอบขวาง (poloidal) (เครดิตรูป: Dave Burke)
ในช่วงต้นปี 2020 กลุ่มนักฟิสิกส์จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์พลาสมา (IPP) และห้องทดลองฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตัน (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยใน Physical Review Letter (PRL) ด้วยการเสนอนำหลักการที่น่าจะเป็นไปได้โดยใช้ขดลวดแม่เหล็กถาวร (permanent magnets) เพื่อทดแทนสนามแม่เหล็กจากขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ถูกถอดออกบางส่วน โดยจัดขดลวดสนามแม่เหล็กถาวรจำนวน 8 วง ในแนววงรอบขวาง (poloidal) ของเตาปฎิกรณ์ stellarator ดังรูปที่ 3 (ก). ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแนววงรอบขวางในการควบคุมการไหลของพลาสมา แต่ก็ไม่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กในแนววงรอบยาว (toroidal) ดังรูปที่ 3 (ข). จากการที่ใช้แม่เหล็กถาวรเพียงบางส่วนของเตาปฎิกรณ์ก็สามารถช่วยในการลดต้นทุนในการสร้างเตาปฎิกรณ์ฟิวชัน เหล่านักฟิสิกส์กลุ่มนี้ก็ยังคงหาวิธีในการลดจำนวนขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและปรับเปลี่ยนตำแหน่งขดลวดแม่เหล็กถาวร เพื่อลดความยุ่งยากในการสร้างเตาปฎิกรณ์ฟิวชัน stellarator และเตาปฎิกรณ์ฟิวชันประเภทอื่นๆ ที่มีการเก็บกักพลาสมา สู่การประยุกต์ใช้ในการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันที่ผลิตไฟฟ้าเพื่อมวลมนุษย์ในอนาคต
แหล่งอ้างอิง
รูปที่ 1. เตาปฎิกรณ์ tokamak (เครดิตรูป: แหล่งอ้างอิงที่ [3])
เตาปฏิกรณ์ฟิวชันที่เราเคยเห็นกันผ่านตากันมาบาง คือ tokamak ที่มีลักษณะคล้ายกับขนมโดนัทที่ติดตั้งขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (superconducting magnet coils) ล้อมรอบ ดังรูปที่ 1. ในปี 2015 สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์พลาสมา (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP) ได้เปิดตัว Wendelstein 7-X ซึ่งเป็นเตาปฏิกรณ์ฟิวชันประเภท stellarator ดังรูปที่ 2. ที่ประกอบด้วย 50 วงขดลวดไม่เป็นระนาบ (non-planar) และ 20 วงขดลวดระนาบ โดยขดลวดทั้ง 2 แบบเป็นแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด เพื่อควบคุมการไหลของพลาสมาที่เหมือนกับดินน้ำมันวงแหวนที่ถูกบิดเกลียว โดยเหล่านักฟิสิกส์คาดหวังว่า Wendelstein 7-X ที่เก็บกักเชื้อเพลิงฟิวชันจะสามารถรักษาสถานะพลาสมา ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 100 ล้านองศาเซลเซียสและคายประจุได้เป็นเวลานานถึง 30 นาทีรูปที่ 2. เตาปฎิกรณ์ stellarator ที่ประกอบด้วย 50 ขดลวดไม่เป็นระนาบ (สีแดง) และ 20 ขดลวดระนาบ
(สีส้ม) และพลาสมา (สีฟ้า) (เครดิตรูป: แหล่งอ้างอิงที่ [1])
เตาปฏิกรณ์ฟิวชัน stellarator ที่ประกอบด้วยขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ถูกบิดแบบพิเศษ (ขดลวดไม่เป็นระนาบ) ซึ่งมีราคาแพงเนื่องจากความยากในการผลิตและต้องใช้ฮีเลียมเหลวในการหล่อเย็นให้ขดลวดมีอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (ศูนย์เคลวิน) เพื่อให้ขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างสนามแม่เหล็กทรงพลังในการควบคุมทิศทางพลาสมาได้เต็มประสิทธิภาพ ในขณะที่พลาสมาในเตาปฏิกรณ์มีอุณหภูมิที่ร้อนมากๆ เมื่อมองโดยภาพรวมแล้วน่าจะมีวิธีที่สามารถลดต้นทุนในการผลิตไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันได้ในบางส่วน
(สีส้ม) และพลาสมา (สีฟ้า) (เครดิตรูป: แหล่งอ้างอิงที่ [1])
รูปที่ 3 (ก). การติดตั้งขดแม่เหล็ก 8 วงใน stellarator (เครดิตรูป: แหล่งอ้างอิงที่ [2])
รูปที่ 3 (ข). แผนภาพทิศทาง วงรอบยาว (toroidal) และวงรอบขวาง (poloidal) (เครดิตรูป: Dave Burke)
ในช่วงต้นปี 2020 กลุ่มนักฟิสิกส์จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์พลาสมา (IPP) และห้องทดลองฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตัน (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยใน Physical Review Letter (PRL) ด้วยการเสนอนำหลักการที่น่าจะเป็นไปได้โดยใช้ขดลวดแม่เหล็กถาวร (permanent magnets) เพื่อทดแทนสนามแม่เหล็กจากขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ถูกถอดออกบางส่วน โดยจัดขดลวดสนามแม่เหล็กถาวรจำนวน 8 วง ในแนววงรอบขวาง (poloidal) ของเตาปฎิกรณ์ stellarator ดังรูปที่ 3 (ก). ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแนววงรอบขวางในการควบคุมการไหลของพลาสมา แต่ก็ไม่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กในแนววงรอบยาว (toroidal) ดังรูปที่ 3 (ข). จากการที่ใช้แม่เหล็กถาวรเพียงบางส่วนของเตาปฎิกรณ์ก็สามารถช่วยในการลดต้นทุนในการสร้างเตาปฎิกรณ์ฟิวชัน เหล่านักฟิสิกส์กลุ่มนี้ก็ยังคงหาวิธีในการลดจำนวนขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและปรับเปลี่ยนตำแหน่งขดลวดแม่เหล็กถาวร เพื่อลดความยุ่งยากในการสร้างเตาปฎิกรณ์ฟิวชัน stellarator และเตาปฎิกรณ์ฟิวชันประเภทอื่นๆ ที่มีการเก็บกักพลาสมา สู่การประยุกต์ใช้ในการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันที่ผลิตไฟฟ้าเพื่อมวลมนุษย์ในอนาคต
บทความโดย
ดร. ธีระวัฒน์ ชัชวาลธีรัตต์
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
ผู้ช่วยงานวิจัย ภาคฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
แหล่งอ้างอิง
- [1] T. Klinger et al. Overview of first Wendelstein 7-X high-performance operation. Nucl. Fusion 59 112004 (2019)
- [2] P. Helander, M. Drevlak, M. Zarnstorff, and S. C. Cowley. Stellarators with Permanent Magnets. Phys. Rev. Lett. 124, 095001 (2020)
- [3] S. Li, H. Jiang, Z. Ren, C. Xu - S. Li et. al. Optimal Tracking for a Divergent-Type Parabolic PDE System in Current Profile Control , Abstract and Applied Analysis doi:10.1155/2014/940965
- [4] “Introduction – the Wendelstein 7-X stellarator” https://www.ipp.mpg.de/16931/einfuehrung
- [5] “Permanent magnets stronger than those on refrigerator could be a solution for delivering fusion energy” https://phys.org/news/2020-03-permanent-magnets-stronger-refrigerator-solution.html
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2
29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1
09-02-2024
