การพัฒนาวิธีการควบคุมพลาสมาโดยสนามแม่เหล็กในเตาปฎิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน

          เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าแห่งอนาคต หนี่งในนั้น คือ การสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันที่เป็นการเลียนแบบปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชัน (thermal nuclear fusion) ภายในใจกลางดวงอาทิตย์ โดยที่กลุ่มก๊าซไฮโดรเจนภายใต้สภาวะที่มีความดันและอุณหภูมิสูงมากถึงขีดจำกัดค่าหนึ่งจึงเกิดการหลอมรวมกลายเป็นฮีเลียมพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างมากมาย จากกระบวนการนี้จึงมีหนึ่งในอุปสรรคใหญ่ของการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชัน คือ อุณหภูมิของเชื้อเพลิงฟิวชัน (ก๊าซไฮโดรเจน) ที่เทียบเท่ากับอุณหภูมิที่ใจกลางดวงอาทิตย์ซึ่งไม่มีวัสดุใดบนโลกนี้ที่สามารถทนความร้อนระดับนั้นได้ นักฟิสิกส์จึงมีแนวคิดในการสร้างเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน (fusion reactor) ที่สามารถเก็บกักเชื้อเพลิงฟิวชันในสถานะพลาสมา (plasma) ที่เป็นกลุ่มก๊าซประจุไฟฟ้าอุณหภูมิสูงด้วยการใช้สนามแม่เหล็กควบคุมทิศทางการไหลของพลาสมา เพื่อให้พลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงไม่ไปแตะกับกำแพงหรือผนังเตาปฏิกรณ์ฟิวชันจนเกิดความเสียหาย

            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 นาที

            เตาปฏิกรณ์ฟิวชัน stellarator ที่ประกอบด้วยขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ถูกบิดแบบพิเศษ (ขดลวดไม่เป็นระนาบ) ซึ่งมีราคาแพงเนื่องจากความยากในการผลิตและต้องใช้ฮีเลียมเหลวในการหล่อเย็นให้ขดลวดมีอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (ศูนย์เคลวิน) เพื่อให้ขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างสนามแม่เหล็กทรงพลังในการควบคุมทิศทางพลาสมาได้เต็มประสิทธิภาพ ในขณะที่พลาสมาในเตาปฏิกรณ์มีอุณหภูมิที่ร้อนมากๆ เมื่อมองโดยภาพรวมแล้วน่าจะมีวิธีที่สามารถลดต้นทุนในการผลิตไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชันได้ในบางส่วน   
   

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