เครื่องโทคาแมคเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลาสมาพลังงานสูงโดยใช้สนามแม่เหล็ก เป็นเครื่องมือหลักอย่างหนึ่งที่ใช้ควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น มีการใช้มาตั้งแต่ ค.ศ. 1975 ในสหภาพโซเวียต โดยเครื่องที่มีชื่อว่า T-10 สำหรับในปัจจุบันนั้น เครื่อง JET ในอังกฤษ [1] เป็นเครื่องโทคาแมคที่สร้างพลังงานจากฟิวชั่นได้สูงสุด (ที่ 30 MW) นอกจากนี้ประเทศสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ฝรั่งเศส โปรตุเกส เกาหลีใต้ และจีน ก็เป็นตัวอย่างของกลุ่มประเทศที่มีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับโทคาแมคอย่างจริงจัง

สสารในสภาวะปกติ จะอยู่ในลักษณะของโมเลกุล ซึ่งประกอบไปด้วยอะตอม อะตอมเหล่านี้มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ เนื่องจากมีประจุบวกของโปรตอน และประจุลบของอิเลคตรอน อยู่ด้วยกัน ในจำนวนที่เท่ากัน พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่มีไอออนบวกกับอิเลคตรอนที่แยกกันอยู่ส่วนหนึ่ง จึงมีประจุอยู่ทั่วพลาสมา

โทคาแมคมีลักษณะรูปทรงคล้ายโดนัท พลาสมาจะวิ่งเป็นทางไขว้แบบ helix (นึกภาพเส้นลวดของสปริง นั่นคือรูปร่างของ helix) หลักการในการควบคุมพลาสมานี้คือการใช้แรงแม่เหล็กจากสมการลอว์เรนซ์ (F = qvB*sin(t)) โดยที่ F คือแรงแม่เหล็ก q คือประจุของอนุภาค v คื่อความเร็วของอนุภาคตัวนั้น B คือความแรงของสนามแม่เหล็กในโทคาแมค และ t คือมุมระหว่างทิศทางการเดินทางของอนุภาคกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยมีการควบคุมในสองแนว คือวงรอบยาว (toroidal) และรอบขวาง (poloidal) รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงแรงทางแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 1. ไดอะแกรมแสดงถึงทิศทางของแรงแม่เหล็ก และภาพสนามแม่เหล็กในเครื่องโทคาแมค ITER

การจะสร้างฟิวชั่นให้เกิดในพลาสมาได้นั้น ต้องให้พลังงานที่สูง โดยมีวิธีการหลักๆในปัจจุบันคือ

• ใช้กระแสวิ่งผ่าน (ohmic heating) โดยใช้คุณสมบัติการเป็นตัวนำไฟฟ้าของพลาสมา คล้ายกับการที่อิเลคตรอนสร้างความร้อนในสายไฟ
• ใช้ลำอนุภาคไร้ประจุ (neutral beam injection) วิ่งเข้าชนกับพลาสมาและให้ถ่ายเทพลังงานให้กับพลาสมา
• ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (radio frequency heating) โดยคลื่นนี้มีพลังงานในช่วงคลื่นวิทยุ โดยอนุภาคมีประจุในพลาสมา จะถูกเร่งและเข้าชนกับอนุภาคตัวอื่นๆ

การควบคุมพลาสมาพลังงานสูงไม่ใช่สิ่งง่าย เนื่องจากมีความแปรปรวนที่อาจเกิดขึ้นได้ เช่นการเสียอนุภาคหรือพลังงานออกไปจากแกนกลาง (core) ของพลาสมา ซึ่งทำให้ความหนาแน่นของพลังงานของพลาสมาตกลง ทำให้การเกิดฟิวชั่นเกิดได้ไม่ต่อเนื่อง หรือไม่เกิดเลย ซึ่งการศึกษาปรากฏการณ์ crash เช่นนี้ รวมถึงตำแหน่งซึ่งการส่งถ่ายพลังงานออกไปยังขอบพลาสมา (boundary) ยังเป็นเรื่องที่ยังอยู่ในช่วงการวิจัยอย่างต่อเนื่องในหลายประเทศ [Zhu2000, Horton2000] ผลที่ได้มาจะช่วยให้เราเข้าใจพลาสมามากขึ้น ทำให้เราทราบว่าจะต้องทำเช่นไรให้พลาสมามีความเสถียรสูงสุด เพื่อทำให้โทคาแมคควบคุมพลาสมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องโทคาแมคเป็นความหวังของการสร้างฟิวชั่นให้เกิดขึ้นบนโลก เพื่อสร้างพลังงานสำหรับอนาคต เมื่อเชื้อเพลิงชนิดอื่นมีราคาแพงมากขึ้น หรือกระทั่งหมดไป โดยเครื่องโทคาแมคขนาดใหญ่ อย่างเช่น ITER [4] ที่กำลังก่อสร้าง ในฝรั่งเศส โดยใช้ความรู้และเทคโนโลยีจากเครื่องโทคาแมครุ่นก่อนหน้านี้ เช่น JT-60 (ญี่ปุ่น) JET (สหราชอาณาจักร, แสดงในรูปที่ 2) และ TFTR (สหรัฐอเมริกา) สามารถสร้างพลาสมาที่มีความร้อนที่สูงมาก จากการนำดิวทีเรียมและทริเทียมมารวมกัน (ธาตุสองตัวนี้เป็นไฮโดรเจนที่มีนิวตรอน 1 และ 2 ตัวตามลำดับ) และมีพลังงานจากฟิวชั่นประมาณ 10 เท่าของพลังงานที่ป้อนเข้าไป โดยตามการคำนวณของ ITER พลังงานที่คนๆหนึ่งใช้ทั้งชีวิตนั้น สามารถนำมาจากเชื้อเพลิงดิวทีเรียมเพียง 10 กรัม และทริเทียมเพียง 15 กรัม เท่านั้น ดังนั้นฟิวชั่นจึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจที่สุดทางหนึ่งสำหรับพลังงานแห่งอนาคต และโทคาแมคก็น่าจะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการนำพลังงานจากฟิวชั่นมาใช้ได้จริง

 

รูปที่ 2. เครื่องโทคาแมค JET ที่ Culham, UK

อ้างอิง (References):

1. JET http://www.jet.efda.org/
2. Zhu2000: 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
3. Horton2000: W. Horton and P. Zhu, Transport barrier dynamics, Phys. of Plasmas, Vol 7, Number 11, November 2000
4. ITER http://www.iter.org/

Dr. Roppon Picha
Advanced Technology Division
Research and Development Group
Thailand Institute of Nuclear Technology
last updated: 03/07/2010 11:50:54

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved