SciStory EP3 – Tokamak เตาปฏิกรณ์วาดฝันของมนุษย์
คุยกันก่อน : ขอบคุณทุกคนที่ติดตามนะครับ ตั้งแต่คนแรกจนถึงสองพันกว่าคน สำหรับผม เพจนี้ถือว่ามาไกลมาก ทำมาหนึ่งปี เริ่มจาก passion ล้วน ๆ อยากให้ทุกคนได้อ่านแง่มุมทางวิทยาศาสตร์ใหม่ ๆ แปลก ๆ ว้าว ๆ ผมขอปิดท้ายบทความของปี ค.ศ. 2019 ด้วยเรื่องเกี่ยวกับ "เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน " เพราะว่าเทคโนโลยีพลังงานของมนุษย์ไปได้ช้ามากครับ แต่ก็มีนักฟิสิกส์กลุ่มหนึ่ง พยายามพัฒนาให้มันดียิ่งขึ้น และบทความนี้ใส่รูปเยอะมาก เพราะอยากให้ทุกคนเข้าใจ idea ของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion Reactor)
สำหรับผู้ที่สนใจหนังแนว Sci Fi ไม่ว่าจะเป็น Spider Man หรือ Iron Man ไม่ควรพลาดอย่างยิ่ง และสวัสดีปีใหม่ 2020 ล่วงหน้าครับ มาเริ่มอ่านกันเลย
Tokamak เป็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิวชันออกแบบโดยสองนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Igor Tamm และ Andrei Sakharov ในปี ค.ศ. 1950
ทั้งสองได้รับแรงบันดาลใจจากผลงานการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ของ Oleg Lavrentiev ซึ่งก็เป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียอีกเช่นกัน คำว่า “Tokamak” มาจากประโยคที่ในภาษารัสเซียที่ว่า
ороидальная камера с магнитными катушками
toroidal’naya kamera s magnitnymi katushkami
ประโยคดังกล่าวคิดโดย Igor Golovin รองผู้อำนวยการจากห้องปฏิบัติการเครื่องมือวัดของสถาบันวิทยาศาสตร์ Kurchatov ในปี ค.ศ. 1957 และตรงกับประโยคในภาษาอังกฤษที่ว่า
toroidal chamber with magnetic coils หรือแปลได้ว่า ห้องวงแหวนกับขดลวดแม่เหล็ก
ดังนั้น Tokamak จึงเป็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่อาศัยสนามแม่เหล็กในการควบคุมพลาสมาที่ไหลวนในห้องรูปทรงคล้ายวงแหวนนั่นเอง
ของเล่นลูกบอลพลาสมา ที่เราเห็นอยู่บ่อยครั้ง จะสังเกตได้ว่าพลาสมาเคลื่อนที่อย่างสะเปะสะปะ แต่มีจุดเด่นคือ มีลักษณะเป็นเส้น เราเรียกว่า filamentation แต่หากเราใช้สนามแม่เหล็กบังคับให้มันวิ่งได้ นั่นคือแนวคิดคล้ายกับการสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน
ปัจจุบันเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่จะใช้ปฏิกิริยาแบบฟิชชัน (Fission Reactor) เป็นหลัก หรืออาศัยการแตกตัวของธาตุกัมมันตรังสีธาตุหนัก ควบคุมปฏิกิริยาผ่านปริมาณสารตั้งต้น และการชนของนิวตรอนกับธาตุกัมมันตรังสี แต่อะไรทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชันเป็นที่น่าสนใจของเหล่านักฟิสิกส์
ข้อได้เปรียบของปฏิกิริยาฟิวชัน
ทั้งสองปฏิกิริยาต่างก็ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลเช่นกัน แต่ปฏิกิริยาฟิวชันจะให้พลังงานที่มากกว่ามาก ๆ อีกทั้งปฏิกิริยาแบบฟิวชันจะไม่สร้างกัมมันตรังสีที่เป็นอันตรายและกากกัมมันตรังสี
ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชันนั้นค่อนข้างให้พลังงานต่อเนื่องและยาวนานกว่า (หากวัสดุที่ใช้สร้างห้อง Tokamak ทนความร้อนระดับล้านองศาเซลเซียสได้) หนึ่งในตัวอย่างที่ดีที่สุดใกล้ตัวเราที่สุดของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่ธรรมชาติสร้างขึ้น นั่นก็คือ ดวงอาทิตย์
นี่คือ เป้าหมายของมนุษย์ที่ต้องการสร้างดวงอาทิตย์เทียม (Artificial Sun) ไม่ต้องใหญ่ แต่เพียงพอต่อการใช้งานบนโลกได้
หากใครเคยชมหนัง Spider man จากปี ค.ศ. 2004 ภาคที่ตัวร้ายคือ Dr.Octopus ถือเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่หนังใช้แนวคิดที่ว่ามนุษย์ต้องการที่จะควบคุมพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน แต่มันเป็นเรื่องที่ยากมาก แต่หนังก็คือหนังครับ เพราะความจริงแล้ว ในปัจจุบันเราไม่ได้สร้างออกมาเป็นดวงอาทิตย์เหมือนแบบเป๊ะ ๆ ทั้งในแง่รูปทรงและลักษณะพื้นผิว
Spider-man 2 (2004)
ทำไมการควบคุมพลังงานนิวเคลียร์แบบฟิวชันถึงเป็นเรื่องยาก
ในปี ค.ศ. 1934 Mark Oliphant, Paul Harteck และ Ernest Rutherford (โดยเฉพาะคนสุดท้ายหลายคนน่าจะรู้จักกันดี เพราะเขาคือ บิดาแห่งนิวเคลียร์ฟิสิกส์ – ชายที่ค้นพบโปรตอน และผู้ค้นพบรังสี alpha และ beta)
ทั้งสามคนสามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบนโลกได้เป็นครั้งแรก โดยการยิงนิวคลีไอของธาตุดิวเทอเรียม (Deuterium Nuclei) ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคเข้าไปในห้องโลหะฟอยล์ที่เต็มไปด้วยดิวเทอเรียมและธาตุอื่น ๆ ผลจากปฏิกิริยา Deuterium-Deuterium ทำให้เกิดพลังงานสูงสุดที่ 100,000 อิเล็กตรอนโวลต์ แต่เครื่องเร่งอนุภาคดังกล่าวมีขนาดเล็ก และอนุภาคส่วนใหญ่กระจายออกจากห้องปฏิกิริยา เป็นผลให้อนุภาคสูญเสียการรวมตัวและขาดพลังงานจนปฏิกิริยาหยุดลง แต่ถือได้ว่าเป็นการเริ่มต้นที่ดี
อุณหภูมิปฏิกิริยาสูง แต่วัสดุไม่สามารถทนอุณหภูมิสูงได้
เราอาจสร้างความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้สูงมากระดับ 10 ล้านองศาเซลเซียส และวัสดุที่ใช้สร้างห้อง Tokamak ก็ต้องทนการหลอมเหลวได้มากเช่นกัน
หนึ่งในธาตุที่นำมาใช้สร้างห้อง Tokamak ก็คือ โมลิบดินัม (Molybdenum) เป็นโลหะทรานซิชันชนิดหนึ่ง มีสีขาวเงิน เนื้อแข็งมาก และเป็นธาตุที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดประมาณ 2,623 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ส่วนต่าง ๆ ภายในห้อง Tokamak ยังใช้ธาตุทังสเตน (Tungsten) และแกรไฟต์ (Graphite) ร่วมด้วย
แต่จะเห็นว่าในขณะที่อุณหภูมิพลาสมาภายในห้อง Tokamak นั้นสูงระดับล้านองศาเซลเซียส จึงทำให้ปฏิกิริยาจริงในห้อง Tokamak ทำได้เพียงในช่วงเวลาอันสั้น เพื่อถนอมห้อง Tokamak ไม่ให้เสียหาย (แก้ไขด้วยการใส่ตัวควบคุมรูปทรงพลาสมา ไม่ให้ไปแตะแกนปฏิกรณ์)
หนึ่งในเตาปฏิกรณ์ Tokamk ชื่อดังของจีน นามว่า EAST – Experimental Advanced Superconducting Tokamak สามารถสร้างอุณหภูมิได้สูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าแกนกลางดวงอาทิตย์ถึง 6 เท่า แต่คงสถานะได้เพียง 10 วินาทีเท่านั้น
จะเห็นว่าความท้าทาย คือ ทำอย่างไรให้ปฏิกิริยาฟิวชันคงอยู่ได้นาน ก่อนนำความร้อนที่ได้ไปใช้ประโยชน์ต่อไป
พัฒนาการและรูปแบบของเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน
1. Megnetic Confinement Fusion (MCF)
หรืออาจเรียกได้ว่าเป็นเตาปฏิกรณ์ฟิวชันแบบแรก ๆ เลยก็ว่าได้ โดยมีเอกลักษณ์คือ ห้องกักเก็บพลาสมาจะเป็นรูปทรงวงแหวนคล้ายโดนัท (Toroidal) โดยสนามแม่เหล็กจะบังคับและควบคุมกระแสพลาสมาให้วิ่งไหลวนรอบแกนปฏิกรณ์ ช่วยป้องกันการสูญเสียพลังงานความร้อนของพลาสมา
ตัวอย่างห้องเตาปฏิกรณ์ DIII-D ของห้องปฏิบัติการทดลอง Tokamak – Gerneral Atomics ที่ซานดิเอโก
เตาปฏิกรณ์ MCF มีข้อด้อย ก็คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมักหยุดกลางคันบ่อยครั้ง แต่อย่างไรก็ตามในปี ค.ศ. 2006 งานวิจัยของดร. V. Zozhansky และคณะได้แก้ไขโดยการเพิ่มความเร็วให้กับพลาสมา โดยการใช้หัวฉีดแรงดันสูงจนพลาสมาวิ่งเร็วระดับเหนือเสียง (Supersonic jets) ทำให้พลาสมามีความเสถียรยิ่งขึ้น
2. Inertial Confinement Fusion (ICF)
เตาปฏิกรณ์ฟิวชันชนิดนี้ต่างจาก MCF ตรงที่อาศัยความร้อนและความดันในการบีบอัดเชื้อเพลิงเป้าหมาย (Fuel Target) ซึ่งมีลักษณะเป็นเม็ด (pellet) ประกอบไปด้วยสารผสมระหว่าง Deuterium และ Tritium เป็นไฮโดรเจนชนิดหนึ่งที่ผลิตและหาได้ไม่ยาก โดยจะใช้ Pellet ประมาณ 10 มิลลิกรัมเท่านั้นเอง
ห้องปฏิกรณ์ไม่สามารถลดขนาดได้ หรืออัดแก๊สแปลกปลอมเพื่อเพิ่มความดันได้ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงใช้เลเซอร์กำลังสูง (High-energy beams) เช่น ลำอิเล็กตรอน หรือไอออนอื่นๆ โดยที่ลำอนุภาคพลังงานสูงขณะพุ่งเข้าชน Fuel Target จะสร้างคลื่นกระแทก (Shock waves) ที่แรงพอที่จะสร้างความร้อนและความดันจนทำให้แกนกลางเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้
ปัจจุบันการวิจัยเตาปฏิกรณ์ ICF กลายเป็นการวิจัยด้านพลังงานนิวเคลียร์แขนงที่ 2 ต่อจาก MCF
Hohlraum คือ ชิ้นอุปกรณ์รูปทรงกระบอกเคลือบทองคำ เป็นที่เก็บ Fuel Target เลเซอร์กำลังสูงจะถูกยิงเข้าบริเวณปากทรงกระบอกทั้งสอง ก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน
นี่คือ Fuel Target บางครั้งเรียกว่า Microballoon ภายในบรรจุแก๊ส Deuterium, Tritium และอื่น ๆ Microballom จะบรรจุใน Hohlraum อีกที เมื่อเลเซอร์พุ่งมายัง Hohlraum ที่มี Microballoon บรรจุอยู่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน
เมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้น ณ ภายใน ICF จะเกิดแสงสว่างขนาดเล็กที่มีความเข้มและอุณหภูมิสูงมากคล้ายกับแกนกลางของดวงอาทิตย์ เราเรียกมันว่า “Micro Sun”
3. Magneto-inertial Fusion (MIF)
เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันชนิดนี้จะรวมเอาข้อดีของ MCF และ ICF เข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้เตาปฏิกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงเหมือน ICF และใช้สนามแม่เหล็กควบคุมพลาสมาความเข้มต่ำ เหมือนกับที่ใช้ใน MCF ผลที่ได้คือ เราจะได้เตาปฏิกรณ์ที่มีราคาถูกและใช้พื้นที่เก็บน้อยลง
MIF จะใช้สนามแม่เหล็กจำกัดขอบเขตพลาสมาที่มีความหนาแน่นต่ำ ใช้ Plasma เป็น Target (จะไม่ใช้เม็ด pellet เหมือน ICF) โดยพลาสมาที่เป็นเป้าจะมีความเป็นแม่เหล็ก ทำให้ถูกตรึงอยู่บริเวณแกนกลางของเตาปฏิกรณ์ รอบ ๆ เตาปฏิกรณ์จะมีปืนพลาสมาหลายหัวโดยรอบ ระดมยิงกระแสพลาสมาเจ็ท (Plasma Jet) เข้าไปชน Plasma Target พร้อม ๆ กัน ทำให้ในช่วงระยะเวลาสั้น ๆ Plasma Target จะถูกห้อมล้อมด้วย Plasma jet เกิดความร้อนและแรงดันมหาศาลจนเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันขึ้น
บทสรุป
ปัจจุบันเทคโนโลยีด้านวัสดุอุปกรณ์ของมนุษย์ค่อนข้างไปได้ไกลมาก แต่เทคโนโลยีด้านพลังงานกลับตามไล่ไม่ทัน ในรอบ 50 ปีที่ผ่านมาเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์ได้เปลี่ยนโฉมโลกให้เข้าสู่ยุคอินเทอร์เน็ต คอมพิวเตอร์ Big Data Machine Learning AI แต่เทคโนโลยีพลังงานยังคงไม่หนีไปไกลมาก เรายังคงใช้พลังงานจากฟอสซิลเป็นหลัก หากมนุษย์ต้องการก้าวข้ามขีดจำกัดเทคโนโลยีไปอีกขึ้น ส่วนตัวผมคิดว่าเทคโนโลยีพลังงานคือ คำตอบ สังเกตง่าย ๆ จากหนังอย่าง Iron Man ผมคิดว่ามนุษย์เราสร้างชุดเจ๋ง ๆ แบบนี้ได้ไม่ยาก แต่คำถามคือ อะไรจะมาเป็นพลังงานขับเคลื่อนมัน และต้องมีขนาดเล็กด้วยนะ? Tokamak อาจเป็นคำตอบในอนาคตก็เป็นได้
Bottom Line :
จากคอมมิค Iron Man พ่อของ Whiplash มีชื่อว่า Igor Vanko เป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียซึ่งเคยเป็นเพื่อนร่วมงาน Howard Stark พ่อของ Tony ทั้งคู่เคยมีผลงานร่วมในการออกแบบเตาปฏิกรณ์ Arc จะสังเกตได้ว่าชื่อ Igor Vanko มีชื่อจริงคล้ายกับ Igor Tamm ซึ่งเป็นผู้วางรากฐานเตาปฏิกรณ์ Tokamak แถมเป็นชาวรัสเซียอีกด้วย
เรียบเรียงวรรณกรรมโดย Einstein@min
- 14
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
