โทคาแมค (Tokamak)

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 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 www.iter.org

Dr. Roppon Picha
Advanced Technology Division
Research and Development Group
Thailand Institute of Nuclear Technology