ฟิวชันและพลาสมา

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion Reaction)

เกิดจากการรวมกันของนิวเคลียสของธาตุที่มีน้ำหนักเบา โดยปฏิกิริยารวมตัวกันของธาตุนี้จะปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลออกมา เรียกว่า พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion energy) โดยจะมีความแตกต่างกับ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission) ที่ใช้งานในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบัน ปฏิกิริยาฟิชชันนั้นจะเป็นการทำให้นิวเคลียสของธาตุหนักแตกตัว และมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาซึ่งนำมาใช้ประโยชน์ในการผลิตไฟฟ้าได้

ในการเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน นิวเคลียสของธาตุจะต้องอยู่ในสถานะไอออน ซึ่งจะต้องเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าระหว่างอะตอม และในการหลอมรวมนิวเคลียสจะต้องอยู่ในสภาวะที่มีพลังงาน แรงดัน และอุณหภูมิสูงมากพอ สำหรับที่สภาวะบนโลกต้องให้อุณหภูมิสูงกว่า 100 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งในสภาวะร้อนจัดเช่นนี้จะทำให้ไอโซโทปของธาตุเบาเช่น ดิวทีเรียม (D,²H ) และทริเทียม (T,³H ) อยู่ในสถานะ "พลาสมา" ทำให้สามารถบีบอัดหลอมรวมนิวเคลียสกันได้และปลดปล่อยพลังงานออกมา ทั้งนี้ ปฏิกิริยาฟิวชันเกิดจากการรวมตัวกันของนิวเคลียสธาตุได้หลายชนิด แต่ที่ได้รับความนิยม คือ ปฏิกิริยาฟิวชันดิวเทอเรียม-ทริเทียม (DT) ซึ่งผลิตพลังงานได้มาก และเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้ในสภาวะอุณหภูมิที่ต่ำกว่าปฏิกิริยาฟิวชันอื่น

Fusion Energy (Credit: IAEA)

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน

ฟิวชันถือเป็นแหล่งพลังงานทางธรรมชาติของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ ในใจกลางของดวงอาทิตย์มีความกดดันจากแรงโน้มถ่วงมหาศาล โดยแรงโน้มถ่วงจะบีบอัดก๊าซไฮโดรเจนทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่อุณหภูมิสูงในระดับ 10 ล้านองศาเซลเซียส ขณะที่บนโลกนั้นมีความดันต่ำกว่าดวงอาทิตย์มาก ดังนั้นการทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันบนโลกจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 100 ล้านองศาเซลเซียส ความท้าทายของเทคโนโลยีฟิวชัน คือการสร้างเงื่อนไขของการเกิดดวงอาทิตย์บนโลก และควบคุมพลังงานพลาสมาร้อนที่นำมาใช้ผลิตพลังงาน วิธีการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์นำมาใช้เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันบนโลกได้ คือ การกักเก็บก๊าซที่ร้อนจัด (super-heated gas) หรือ พลาสมา ให้รวมกลุ่มกันอย่างหนาแน่นด้วยสนามแม่เหล็กรูปวงแหวนซึ่งมีลักษณะเหมือนโดนัท โดยมีการวิจัยพัฒนาขึ้นในหลายรูปแบบ สำหรับอุปกรณ์กักเก็บพลาสมาในสนามแม่เหล็กรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุดในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันคือ “Tokamak” คำว่า Tokamak มาจากคำภาษารัสเซีย: “toroidalnaja kamera magnitnaja katushka” ซึ่งหมายถึง toroidal chamber magnetic coil ถูกคิดค้นในปี 1952 โดยนักฟิสิกส์ Igor Yevgenyevich Tamm และ Andrei Sakharov โดยเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak ทำให้เกิดปฎิกิริยาฟิวชันได้โดยการกักเก็บและบีบอัด ดิวทีเรียม และ ทริเทียม ด้วยความร้อนที่สูงมากในสนามแม่เหล็กรูปโดนัท จนก๊าซแตกตัวกลายเป็นพลาสมาและทำการควบคุมพลาสมาร้อนด้วยสนามแม่เหล็กแนว toroidal และ poloidal เพื่อทำให้เกิดพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันไปใช้ในระบบผลิตไฟฟ้าต่อไป

Credit: EnergyEncyclopedia.com

จุดเด่นของพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน

Abundant Energy

ปฏิกิริยาฟิวชันปล่อยพลังงานมากกว่าปฏิกิริยาเคมีทั่วไปเกือบสี่ล้านเท่า และมากกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันถึง 4 เท่า (ที่มวลเท่ากัน) โดยเชื้อเพลิงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 ชนิด หรือ 2 ไอโซโทป คือ ดิวทีเรียม (deuterium) กับ ทริเทียม (tritium) ดิวทีเรียมสกัดออกมาจากน้ำทะเลที่มีอยู่ปริมาณมากและพบได้ทั่วไป และทริเทียมสามารถผลิตได้จากลิเทียม (lithium) ซึ่งเป็นธาตุที่มีอยู่ปริมาณมากบนเปลือกโลก

No CO2 / Greenhouse Gas (GHG)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันแตกต่างจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เนื่องจากไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่เป็นสาเหตุของปรากฏการณ์เรือนกระจกที่ทำให้โลกร้อน ผลพลอยได้ของพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน คือ ฮีเลียม (He) ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อยและไม่เป็นพิษ

Accident free – No decay heat, No melt down

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไม่สามารถทำให้เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ได้ เนื่องจากไม่ได้ใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่เช่นเดียวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดการสะสมความร้อน และต้องใช้เวลานานในการสลายความร้อนเมื่อดับเครื่องปฏิกรณ์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะเป็นระบบกักเก็บพลาสมา โดยมีระบบทำความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิและระบบควบคุมสนามแม่เหล็กทำให้พลาสมาร้อนอยู่ในสภาวะที่ทำให้เกิดพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน ดังนั้น การปรับเปลี่ยนค่าการทำงานในเครื่องปฏิกรณ์จะทำให้เงื่อนไขของภาวะพลาสมาเปลี่ยนแปลง และระบบจะสูญเสียการกักเก็บความร้อนทำให้พลาสมาเกิดการเย็นตัว กรณีเช่นนี้เครื่องปฏิกรณ์จะหยุดทำงานโดยอัตโนมัติภายในไม่กี่วินาที ด้วยเหตุนี้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันจึงถือว่าเป็นระบบที่ปลอดภัยโดยธรรมชาติ คือ การทำงานที่ผิดปกติจะส่งผลให้ระบบปิดตัวเองลงทันทีและมีการสลายความร้อนอย่างรวดเร็ว

No long-lived radioactive waste

กากกัมมันตรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน เป็นธาตุที่มีค่าครึ่งชีวิต (Half-life) ต่ำ สำหรับองค์ประกอบของพลาสมาถูกจำแนกเป็นเพียงกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและปานกลาง (Low & Medium level waste, L&MLW)

Limited risk of proliferation

ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันไม่มีวัสดุเสริมสมรรถนะที่สามารถใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์ได้

พลาสมา คืออะไร

พลาสมา (Plasma) คือสถานะที่ 4 ของสสาร ซึ่งสถานะของสสารโดยทั่วไปแบ่งได้เป็น 3 สถานะ ได้แก่ ของแข็ง (Solid) ของเหลว (Liquid) และก๊าซ (Gas) แต่ถ้าให้ความร้อนหรือพลังงานมากเพียงพอจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของก๊าซ เกิดการแตกตัวกลายเป็นสถานะพลาสมา (Plasma) ซึ่งเป็นกลุ่มไอออนประจุบวกและประจุลบที่ลอยเคลื่อนที่อย่างอิสระ ส่งผลให้พลาสมามีสภาพนำไฟฟ้าได้

การให้ความร้อนพลาสมา

การให้พลังงานความร้อนที่สูงมากกับพลาสมาเป็นเงื่อนไขหลักอย่างหนึ่งในการจุดระเบิดพลาสมาสู่ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน โดยทั่วไปมีวิธีการดังต่อไปนี้

1. Current Heating หรือ Ohmic Heating

การทำความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า เกิดขึ้นเมื่อส่งกระแสไฟฟ้าผ่านพลาสมา (ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอยู่แล้ว) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กความเข้มสูงผ่านการเหนี่ยวนำ เมื่อกระแสไฟฟ้านี้เดินทางผ่านพลาสมา อิเล็กตรอนและไอออนจะได้รับพลังงาน เกิดจากการชนและรวมตัวกัน การชนกันของอนุภาคทำให้เกิดความต้านทานซึ่งส่งผลให้เกิดความร้อน แต่เมื่ออุณหภูมิของพลาสมาสูงขึ้น ความต้านทานและผลของความร้อนจะลดลง ความร้อนที่ถ่ายเทผ่านกระแสไฟฟ้าจะถูกจำกัดไว้เพียงระดับหนึ่งเท่านั้น การให้ความร้อนจากความต้านทานไฟฟ้า (Electrical resistance heating) หรือแบบโอมมิก (Ohmic heating) จึงเหมาะสำหรับการทำความร้อนช่วงเริ่มต้นการเดินเครื่องเท่านั้น เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงถึงเกณฑ์การเกิดปฏิกริยาฟิวชัน จึงต้องใช้วิธีการให้ความร้อนจากภายนอก (external heating) ร่วมด้วย สำหรับวิธีการให้ความร้อนภายนอก (external heating) ทั่วไปมี 2 วิธีได้แก่ neutral particle heating และ High-frequency electromagnetic waves heating โดยจะช่วยเสริมการทำความร้อนแบบ ohmic เพื่อทำให้พลาสมามีอุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงเกณฑ์การเกิดปฏิกริยาฟิวชันในเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak

Current Heating

2. Neutral Particle Heating หรือ Neutral Beam Injection (NBI)

เป็นการยิงอนุภาคพลังงานสูงเข้าไปในพลาสมา โดยภายนอกเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak อนุภาคดิวทีเรียมที่ถูกเร่งความเร็วให้อยู่ในระดับพลังงานที่เหมาะสม จะเคลื่อนผ่าน ion beam neutralizer ซึ่งเป็นการกำจัดประจุไฟฟ้าออก ทำให้อนุภาคเป็นกลางทางไอออน จากนั้นยิงอนุภาคความเร็วสูงนี้เข้าไปในพลาสมา ซึ่งการชนกันอย่างรวดเร็วทำให้เกิดการถ่ายเทพลังงานเข้าไปยังอนุภาคในพลาสมา ทำให้พลังงานความร้อนหลายล้านวัตต์สามารถส่งเข้าไปยังพลาสมาโดยเทคนิคนี้ และได้อุณหภูมิที่สูงขึ้นใกล้เคียงกับระดับที่สามารถเกิดปฏิกริยาฟิวชันได้

Neutral Particle Heating

3. High-frequency Electromagnetic Waves Heating

เป็นการให้ความร้อนโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงเข้าไปให้พลังงานกับพลาสมา หลักการเดียวกันกับเตาไมโครเวฟ ที่ถ่ายเทความร้อนไปยังอาหาร โดยการนำพลังงานจากคลื่นความถี่สูงเข้าสู่พลาสมา และถ่ายโอนไปยังอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิและความเร็วในการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างไม่เป็นระเบียบ

Plasma heating ทั้งสามหลักการนี้ จะทำงานร่วมกันในเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak ของโครงการ ITER เพื่อเหนี่ยวนำพลาสมาไปสู่อุณหภูมิฟิวชัน (150 ล้านองศาเซลเซียส) โดยนักวิจัยหวังว่าท้ายที่สุดจะได้สิ่งที่เรียกว่า burning plasma ซึ่งคือการที่พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันนั้น มากเพียงพอที่จะรักษาอุณหภูมิของพลาสมาให้คงที่ เกิดปฏิกิริยาได้ต่อเนื่อง (self-sustaining) จนสามารถลด หรือ ปิดระบบการให้ความร้อนพลาสมาจากภายนอกได้

High-Frequency Heating

การควบคุมพลาสมาในปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน
(Plasma confinement)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะเกิดขึ้นเมื่อมีการให้ความร้อนกับส่วนผสมของธาตุเบา เช่น ดิวทีเรียมและทริเทียม (D-T) ซึ่งเป็นไอโซโทปของธาตุไฮโดรเจนให้อยู่ในสภาวะที่เรียกว่า Ignition condition ที่เอาชนะแรงผลักไฟฟ้าระหว่างอะตอม และสามารถรวมตัวกันอยู่ในสถานะพลาสมา ซึ่งความท้าทายในการทำให้เกิดสภาวะดังกล่าวคือ การพัฒนาอุปกรณ์ที่สามารถให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิง D-T ให้มีอุณหภูมิสูงเพียงพอและเก็บกักพลาสมาไว้ได้นานพอที่จะปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาฟิวชันออกมา

ในปัจจุบันมีการศึกษาทดลองการควบคุมพลาสมาสองแนวทางหลัก ได้แก่
1. Inertial confinement fusion (ICF)
2. Magnetic confinement fusion (MCF)

Inertial confinement fusion (ICF)

หลักการ ของ ICF

Inertial confinement fusion (ICF)

เป็นการใช้ลำแสงเลเซอร์ (Laser beams) หรือลำแสงไอออน (Ion Beam) ในการบีบอัดและให้ความร้อนลงบนพื้นผิวของเม็ดเชื้อเพลิงไฮโดรเจนพลาสมา (D-T) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่กี่มิลลิเมตรอย่างแม่นยำ

การยิงลำแสงเลเซอร์หรือไอออนจะทำให้เม็ดเชื้อเพลิงชั้นนอกร้อนขึ้นและเกิดการระเบิดจากการบีบอัดเม็ดเชื้อเพลิง โดยพลังงานที่ปล่อยออกมาจะให้ความร้อนแก่เม็ดเชื้อเพลิงโดยรอบ สร้างแรงปฏิกิริยากับเชื้อเพลิงส่วนที่เหลือ กระบวนการนี้ยังออกแบบมาเพื่อสร้างคลื่นกระแทก (shock wave) กลับสู่เม็ดเชื้อเพลิง บีบอัดและให้ความร้อนที่จุดศูนย์กลางเชื้อเพลิง จนเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน ในเวลาน้อยกว่ามิลลิวินาที

Magnetic confinement fusion (MCF)

เป็นการใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการให้ความร้อนและความดันบีบอัดไฮโดรเจนพลาสมา (D-T) ที่อยู่ในสถานะก๊าซให้ถึงสภาวะที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน การใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวิธีที่เหมาะสมในการควบคุมพลาสมา เนื่องจากทำให้ไอออนที่มีประจุบวกกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบแยกจากกันไปตามเส้นสนามแม่เหล็ก ป้องกันไม่ให้อนุภาคสัมผัสกับผนังเครื่องปฏิกรณ์ เพราะจะเกิดการกระจายความร้อนซึ่งจะส่งผลให้อนุภาควิ่งช้าลง

สำหรับโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือ รูปร่างแบบโดนัทหรือทรงห่วงยาง (Torus) โดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีลักษณะโค้งเป็นวงปิด เพื่อสร้างการเก็บกักพลาสมาที่เหมาะสม จากภาพสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแนว Toroidal (Toroidal magnetic field) ที่เกิดจากแกนเหล็ก Toroidal field coils จะซ้อนทับกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตั้งฉากในแนว Poloidal (Poloidal magnetic field) ที่เกิดจากแกนเหล็ก Outer poloidal field coils ผลลัพธ์คือ ได้สนามแม่เหล็กตามเส้นทางเกลียว (Helical magnetic field) ที่ใช้กักเก็บและควบคุมพลาสมา

ระบบกักเก็บและควบคุมพลาสมาแบบ Torus มีหลายประเภท แต่ประเภทที่สำคัญและกำลังเป็นที่น่าสนใจคือ Tokamak และ Stellarator

Schematic of the tokamak magnetic confinement principle^[3]

การควบคุมสนามแม่เหล็กแบบ Tokamak

เครื่องปฏิกรณ์ tokamak สร้างขึ้นโดยมีแกนเหล็กแนวตั้ง toroidal (toroidal magnetic field coils) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแนว toroidal (เส้นสีเหลือง) ที่มีระยะห่างเท่า ๆ กันรอบเครื่องปฏิกรณ์รูปทรง torus (รูปทรงโดนัท) เพื่อควบคุมการเก็บกักพลาสมาร้อน อย่างไรก็ดีสนามแม่เหล็กเพียงแนวเดียวไม่สามารถเก็บกักพลาสมาได้อย่างสมบูรณ์ จึงมีแกนเหล็ก poloidal ในแนวนอน (poloidal magnetic field coils) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแนว poloidal (เส้นสีฟ้า) นอกโครงสร้างแม่เหล็ก toroidal เพื่อสร้างความเสถียรในการเก็บกักพลาสมา จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำพลาสมาโดยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าแกนกลาง (central solenoid) และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก poloidal (poloidal magnetic field) ตามกฎมือขวาของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้พลาสมาร้อนในปฏิกรณ์วิ่งวนตามแนวเกลียวได้โดยไม่สัมผัสผนัง (helical magnetic field)

Stellarator configurations with coils
Credit: Princeton University^[4]

การควบคุมสนามแม่เหล็กแบบ Stellarator

เครื่องปฏิกรณ์ stellarator แตกต่างจาก tokamak ตรงที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากชุดของแกนเหล็กรูปเกลียวที่ไม่สมมาตร (แกนสีฟ้า) ซึ่งจะสร้างเส้นสนามแม่เหล็กแนวเกลียว (helical / twisted magnetic fieldlines) ได้โดยตรง เครื่องปฏิกรณ์ stellarator จึงไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้า toroidal ในพลาสมาเพื่อเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ใช้เพียงแกนเหล็กภายนอกเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กให้บิดตามแนวเกลียวของเครื่องปฎิกรณ์รูปโดนัทเพื่อควบคุมพลาสมาแทนการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า ด้วยเหตุผลนี้ทำให้ stellarator มีข้อดีคือ สามารถทำงานในสภาวะที่เสถียรกว่า และควบคุมความเสถียรของพลาสมาได้โดยตรงโดยไม่ใช้กระแสพลาสมา ส่วนข้อจำกัดคือ รูปร่างที่ซับซ้อนทำให้การออกแบบและก่อสร้าง stellarator ทำได้ยากกว่า tokamak และเรื่องต้นทุนการวิจัยที่สูง ส่งผลให้ยังไม่มีผลการทดลองที่เด่นชัดจาก stellarator ปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์ stellarator ที่น่าสนใจ เช่น Wendelstein 7-X (W7-X) ในเมือง Greifswald ประเทศเยอรมันของสถาบัน Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อวิจัยถึงความเหมาะสมของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้สำหรับการผลิตไฟฟ้า

Construction of the ITER, February 2024
(Credit: ITER ORGANIZATION)

โครงการ International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

ปัจจุบันหลายประเทศทั่วโลกมีเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak ในการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชัน และหนื่งในโครงการที่สำคัญคือ โครงการ International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) ทางตอนใต้ของประเทศฝรั่งเศสซึ่งอยู่ในระหว่างการก่อสร้าง โดยเป็นเครื่องปฏิกรณ์ Tokamak ที่ใหญ่ที่สุดในโลกจากการร่วมทุนของประเทศรัสเซีย อินเดีย จีน ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ สหรัฐอเมริกา และสหภาพยุโรป โดยมีแผนเริ่มดำเนินการประมาณปี ค.ศ.2025 วัตถุประสงค์ในการสร้างเพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ในทางวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และการวิจัยเกี่ยวกับพลังงานฟิวชัน ก่อนพัฒนาสู่การนำพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันไปใช้ผลิตไฟฟ้าในอนาคต

ส่วนประกอบหลักของเครื่อง Tokamak ในโครงการ ITER

Central solenoid /Transformers

ทำหน้าที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวดสนามแม่เหล็ก

Magnetic field coils (poloidal)

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแนว poloidal สำหรับใช้บีบอัดและควบคุมการกักเก็บพลาสมา

Blanket modules

ผลิตจากลิเทียมเพื่อดูดซับความร้อน และนิวตรอนพลังงานสูง จากปฏิกิริยาฟิวชัน

Magnetic field coils (toroidal)

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแนว toroidal สำหรับใช้บีบอัดและควบคุมการกักเก็บพลาสมา

Cryostat (Cooling equipment)

ระบบระบายความร้อนสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

Vacuum vessel

ช่องสุญญากาศรูปโดนัทสำหรับเก็บกักพลาสมา และเป็นพื้นที่เกิดปฎิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความปลอดภัยขั้นแรก โดยอนุภาคของพลาสมาจะหมุนวนไปรอบ ๆ อย่างต่อเนื่องโดยไม่สัมผัสกับผนัง

Neutral beam injector (heating system)

ใช้ยิงลำแสงจากเครื่องเร่งอนุภาคเข้าไปในพลาสมาเพื่อเพิ่มความร้อนให้พลาสมาถึงอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature)

Divertors

ช่วยขจัดของเสียจากปฏิกิริยาฟิวชัน เช่น helium products เป็นตัวควบคุมการสะสมของ fusion products ในเชื้อเพลิงและขจัดสิ่งสกปรกในพลาสมาที่เข้าไปใน Vacuum vessel

หลักการทำงาน ของ ITER Tokamak

เริ่มต้นกระบวนการโดยดูดอากาศและสิ่งสกปรกออกจากห้องสุญญากาศ (vacuum chamber) จากนั้นระบบแม่เหล็กไฟฟ้า (Magnetic field coils) ที่ใช้ในการบีบอัดและควบคุมพลาสมาเริ่มทำงานและนำเชื้อเพลิง (ก๊าซไฮโดรเจนพลาสมา D-T) เข้าสู่ช่องสุญญากาศ (vacuum vessel) เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าวิ่งผ่าน vacuum vessel ก๊าซจะแตกตัวด้วยไฟฟ้ากลายเป็นไอออนไนซ์ (อิเล็กตรอนหลุดออกจากนิวเคลียส) และกลายเป็นพลาสมา จากนั้นให้ความร้อนเสริมเพื่อให้อุณหภูมิของอนุภาคพลาสมาเพิ่มสูงขี้นถึงอุณหภูมิฟิวชัน (ระหว่าง 150 ถึง 300 ล้านองศาเซลเซียส °C) เมื่ออนุภาคพลาสมาเริ่มร้อนขึ้น ชนกัน และเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าตามธรรมชาติได้ จึงหลอมรวมปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ที่เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

การทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันขั้นต้น

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันให้ความร้อน เข้าบีบอัดเชื้อเพลิงดิวทีเรียมและทริเทียม เพื่อสร้างพลาสมาอุณหภูมิสูง บีบอัดพลาสมาเพื่อให้เกิดปฏิกริยาฟิวชัน กำลังไฟฟ้าในการเริ่มปฏิกิริยาฟิวชันอยู่ที่ประมาณ 70 เมกะวัตต์ (MW) สำหรับโครงการ ITER
ส่วน Blankets ที่อยู่นอกห้องสุญญากาศจะได้รับความร้อนจากปฏิกิริยาและดูดกลืนนิวตรอนพลังงานสูงจากปฏิกิริยาฟิวชัน เพื่อผลิตเชื้อเพลิงทริเทียมเพิ่มเติม
ความร้อนเกิดขึ้นที่ผนังภายในรอบแกนเครื่องปฏิกรณ์ จะถูกถ่ายเทโดยวงจรระบายความร้อน (water-cooling loop) ไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) เพื่อผลิตไอน้ำ
ไอน้ำจะไปขับกังหัน (turbine) เพื่อผลิตไฟฟ้า
ไอน้ำจะควบแน่นกลับเป็นน้ำ เพื่อดูดซับความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ ผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้มากขึ้น

ในขั้นต้น โครงการ ITER จะเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ทดสอบความเป็นไปได้ของพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน ก่อนจะพัฒนาเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันต่อไปในอนาคต

อ้างอิง:
1. Max Planck Institute for Plasma Physics [Online] https://www.ipp.mpg.de/15108/plasmaheizung

2. European Joint Undertaking for ITER and the Development of Fusion Energy [Online] https://fusionforenergy.europa.eu/the-device/
3. J. H. E. Proll, Trapped-particle instabilities in quasi-isodynamic stellarators [Online] Scientific Figure on ResearchGate
4. Princeton University, Hidden Symmetries and Fusion Energy [Online] https://hiddensymmetries.princeton.edu/
5. Gregory Dubus, From Plain Visualisation to Vibration Sensing: Using a Camera to Control the Flexibilities in the ITER Remote Handling Equipment (Doctoral Dissertation [Online] Scientific Figure on ResearchGate
6. ITER ORGANIZATION [Online] https://www.iter.org/newsline/-/2567

Search