รูปที่ 1. ไดอะแกรมแสดงถึงพลาสมาในสนามแม่เหล็กของเครื่องโทคาแมค
(figure: Fusion for Energy, Europa)
ในปี 1922 เออร์วิง แลงมัวร์ ได้เรียกสถานะของสสารซึ่งมีอิเลคตรอน ไอออน และอะตอม อยู่ด้วยกันว่า พลาสมา (plasma) [1] ซึ่งมีความหมายว่า อยู่รวมกัน (molded) ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นคำที่ตั้งโดยนักกายภาพวิทยา แจน อิวังเจลิสตา เพอร์กินจ์ เพื่ออธิบายถึงของเหลวใสที่ครอบคลุมอนุภาคของโลหิตต่างๆอยู่ แต่เราจะมองถึงพลาสมาในความหมายของแลงมัวร์ในบทความนี้ เหตุใด พลาสมาจึงเป็นสิ่งสำคัญในทางนิวเคลียร์ คำตอบคือพลาสมาเป็นสถานะของสสารเมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิที่สูง ซึ่งการสร้างให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นบนโลกนั้น วิธีหนึ่งคือการใช้พลาสมาพลังงานสูงนี้ แต่เราจะใช้อะไรมาควบคุมพลาสมาที่อุณหภูมิสูงเป็นร้อยล้านองศานี้ อย่างเช่นพลาสมาที่จะมีในเครื่อง ITER [2]
สถานะของสสารโดยปกติ มีของแข็ง ของเหลว และ ก๊าซ โดยมีความแตกต่างกันตรงความแข็งแรงของพันธะระหว่างโมเลกุล กล่าวคือ ของแข็งมีการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลที่แน่นหนา และ ก๊าซแทบจะไม่มีแรงนั้นเลย โดยทั่วๆไป ของแข็งเกิดเมื่ออุณหภูมิต่ำ กลายเป็นของเหลวเมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น และหากเพิ่มต่อไปเรื่อยๆ ก็จะกลายเป็นก๊าซ ตัวอย่างที่เราพบได้ในชีวิตประจำวันก็คือ น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ จากนั้นเมื่อโมเลกุลได้รับพลังงานสูงมาก สสารก็อาจเข้าสู่สถานะของพลาสมา
พลาสมาเป็นสถานะของสสารซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกและลบรวมกันอยู่ เกิดจากการแตกตัวของอะตอม เช่น ก๊าซไฮโดรเจน (H2) กลายเป็น โปรตอน (H+ หรือ p) 2 ตัว กับ อิเลคตรอน (e) 2 ตัว บางพลาสมาก็ไม่มีอะตอมเหลืออยู่เลย มีแต่ไอออน และอิเลคตรอน แต่ถ้าเราพูดถึงพลาสมาที่มีอยู่รายล้อมตัวเรา อย่างในโคมไฟพลาสมา ป้ายนีออน ฟ้าผ่า พวกนั้นจะเป็นพลาสมาที่ประกอบไปด้วยไอออนและอิเลคตรอนพลังงานต่ำ ไม่ค่อยหนาแน่น อีกทั้งยังมีอะตอมที่ไม่ได้แตกตัวอีกในสัดส่วนที่สูง แต่หากเราต้องการ "เลี้ยง" พลาสมาให้สร้างฟิวชั่น เราต้องสร้างพลาสมาให้มีความหนาแน่นของประจุไฟฟ้าสูง และมีพลังงานสูง ตัวแปรหลักๆที่บอกถึงลักษณะของพลาสมาในโทคาแมคมีอยู่ 3 อย่างคือ อุณหภูมิ (วัดเป็น eV หรือ K) ความหนาแน่น (จำนวนอนุภาคต่อ cubic cm) และ สนามแม่เหล็ก (ในหน่วย Tesla)
โดยธรรมชาติ พลาสมาเมื่อมาใกล้กัน ก็ต้องการที่จะกระจายออกจากกัน คล้ายๆ แก๊ซที่ฟุ้งออกหลังจากถูกอัดแน่น พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่ควบคุมได้ยากที่สุด มีความเสถียรต่ำที่สุด พลาสมาพลังงานสูงสามารถถูกควบคุมได้ โดยใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง และทำให้พลังงานความร้อนที่มีค่ามากนั้น รวมกันอยู่ตรงศูนย์กลางของพลาสมา เพื่อที่จะทำให้ปฏิกิริยาฟิวชั่นเกิดขึ้นได้
แต่การควบคุมพลาสมาให้มีความคงตัว (stable) นี้ไม่ใช้สิ่งง่าย เนื่องจากตัวไอออน และอิเลคตรอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของพลาสมานั้น เป็นอนุภาคที่มีส่วนร่วมในการสร้างสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กเองด้วย หากความเสถียรของกลุ่มไอออนถูกขัดขวาง (disruption) ด้วยเหตุใดก็ตาม ก็สามารถทำให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดความแปรปรวนตามไปด้วยได้ ทำให้อนุภาคซึ่งมีประจุไฟฟ้าทั้งหลายวิ่งกระจายออกมายังด้านขอบของเครื่อง (เรียกว่า transport) เครื่องโทคาแมคต้องมีการออกแบบให้สามารถทนต่อสภาวะพลาสมาดังกล่าวได้ เพื่อพร้อมรับมือกับการล่มของการควบคุมนี้
การศึกษาความเสถียรของพลาสมาในสนามแม่เหล็ก มีชื่อเรียกว่า magnetohydrodynamics (MHD) ซึ่งแปลว่า การเคลื่อนที่ของของไหลในสนามแม่เหล็ก เนื่องจากแรงทางไฟฟ้าระหว่างประจุไฟฟ้ามีค่าสูง สนามแม่เหล็กต้องมีค่าสูงเพื่อสร้างแรงบีบที่เพียงพอ แต่ต้องไม่มากเกินที่จะทำให้เกิดการกระจายออกของพลังงาน
ค่าเบตา (b) ของพลาสมา เป็นสัดส่วนระหว่างความดันซึ่งเกิดจากจากความหนาแน่นและอุณหภูมิของพลาสมา และความดันจากสนามแม่เหล็ก โดยการที่จะกักพลาสมาไว้ได้ ค่า b ต้องมีค่าต่ำกว่า 1 สิ่งนี้เป็นสิ่งที่กำหนดค่าความหนาแน่นของพลาสมาไม่ให้สูงจนเกินไป ความไม่เสถียรของพลาสมาเกิดได้จากหลากหลายสาเหตุเช่นเมื่อมีพลาสมาที่ความหนาแน่นต่างกันอยู่ชิดกัน หรือเมื่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดบิดเบี้ยว ทำให้เกิดการงอ (kink) ขึ้น คล้ายกับเชือกที่ถูกบิดมากเกินไป หรือลูกไป่งใส่น้ำ ถ้าใช้แรงบีบที่ไม่พอดี ก็จะเกิดการบิดเบี้ยว ไม่สมดุล
การถ่ายเทพลังงาน (energy transport) ได้ถูกค้นพบว่ามีปัจจัยหลักมาจากความแปรปรวน (turbulence) ที่เป็นครั้งคราว ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าการถ่ายเทแบบไม่ปกติ (anomalous) [3] ซึ่งอาจเกิดได้จากการแตกประจุ และการแผ่รังสีของอนุภาคเจือปน (impurity) ปัญหาในปัจจุบันของการสร้างแบบจำลองพลาสมาโดยเฉพาะในบริเวณขอบ (plasma edge) [4] คือ การสร้างแบบจำลอง ที่สามารถทำนายความแปรปรวนได้ถูกต้องเป็นสิ่งที่ยาก และมีความไม่แน่นอนในเชิงคำนวณที่สุดสิ่งหนึ่งในงานวิจัยเชิงทฤษฎีของฟิวชั่น และการจำลองการทำปฏิกิริยาระหว่างพลาสมาและวัสดุผนังของโทคาแมค
การที่มีค่าพลังงานต่อมวลที่มหาศาล (คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ) และไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก (greenhouse gases) อันจะเปลี่ยนภูมิอากาศของโลก ทำให้พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นพลังงานที่ผู้คนสนใจ และที่น่าจะมีความสำคัญยิ่งในอนาคต แต่การเข้าใจสถานะของพลาสมาที่เหมาะสม ที่จะสร้างให้มีความเสถียรเพียงพอต่อการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่น ก็ยังคงเป็นความท้าทายหลักในปัจจุบันของมนุษย์
อ้างอิง (References):
Dr. Roppon Picha
Advanced Technology Division
Research and Development Group
Thailand Institute of Nuclear Technology