‘ดวงอาทิตย์เทียม’ ของ ‘จีน’ ใกล้เป็นจริง หลังพบวิธีทำให้พลาสมาเสถียรได้แม้เจอหนาแน่นสูงมาก

“โครงการดวงอาทิตย์เทียม” หรือการพัฒนากระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม เป็นเทคโนโลยีที่เลียนแบบปฏิกิริยาการกำเนิดพลังงานภายในใจกลางดวงอาทิตย์ ซึ่งถือเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่อุดมสมบูรณ์ มีความปลอดภัยสูง เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่มีกากกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาว นับเป็นหนึ่งในวิธีแก้ปัญหาความต้องการพลังงานของโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

จีนนับเป็นประเทศที่ให้ความสำคัญกับการพัฒนากระบวนการฟิวชันนิวเคลียร์แบบควบคุมอย่างมาก ถึงขั้นบรรจุไว้ในแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 15 เพื่อผลักดันให้พลังงานฟิวชันเป็นกลไกใหม่ในการขับเคลื่อนการเติบโตทางเศรษฐกิจ โดยมีสถาบันฟิสิกส์ตะวันตกเฉียงใต้ภายใต้บรรษัทนิวเคลียร์แห่งชาติจีน (CNNC) เป็นผู้นำในการวิจัย

หัวใจสำคัญของการทดลองนี้คืออุปกรณ์ที่เรียกว่า “โทคาแมค” (Tokamak) อุปกรณ์รูปทรงโดนัทที่ใช้สนามแม่เหล็กในการกักเก็บพลาสมาอุณหภูมิสูง เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน โดยอุปกรณ์นี้เปรียบเสมือนลู่วิ่งแม่เหล็ก ที่ควบคุมพลาสมาไม่ให้สัมผัสกับผนังเตาปฏิกรณ์โดยตรง เพื่อรักษาอุณหภูมิและความดันที่จำเป็นต่อการรวมตัวของอะตอม

อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของโทคาแมคขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ โดยเฉพาะความหนาแน่นของพลาสมา ซึ่งส่งผลโดยตรงต่ออัตราการผลิตพลังงานฟิวชัน

เมื่อดำเนินกระบวนการไปถึงจุดหนึ่ง จนไปถึงขีดจำกัดทางฟิสิกส์ของความหนาแน่นพลาสมา ที่เรียกว่า “ขีดจำกัดกรีนวาลด์” (Greenwald limit) หากความหนาแน่นของพลาสมาพุ่งสูงเกินขีดจำกัดนี้ พลาสมามักจะเกิดความไม่เสถียรและหลุดออกจากการกักกันของสนามแม่เหล็ก และจะปล่อยพลังงานมหาศาลเข้าทำลายผนังด้านในของอุปกรณ์ จนทำให้การทดลองต้องหยุดชะงักลง ปัญหานี้เป็นกำแพงที่ขัดขวางการบรรลุสภาวะการจุดระเบิดฟิวชัน (Ignition) มายาวนานหลายทศวรรษ

แต่ล่าสุด ทีมนักวิจัยสถาบันฟิสิกส์พลาสมาแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหัวจง และมหาวิทยาลัยเอ-มาร์กเซยในฝรั่งเศส ค้นพบวิธีการทลายขีดจำกัดความหนาแน่นของพลาสมาในการทดลองกับเครื่องโทคาแมกตัวนำยิ่งยวดขั้นสูงเชิงทดลอง (EAST) แสดงให้เห็นว่าพลาสมาสามารถคงความเสถียรได้ แม้จะมีความหนาแน่นสูงเกินกว่าที่เคยเชื่อกันว่าจะเป็นไปได้

นักวิจัยพัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีที่เรียกว่า “การจัดระเบียบตัวเองระหว่างพลาสมาและผนัง” (Plasma-wall self-organization หรือ PWSO) ทฤษฎีนี้อธิบายว่าการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับพลาสมาเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างพลาสมาและวัสดุที่ใช้ทำผนังเตาปฏิกรณ์ 

นักวิจัยพบว่า ความไม่เสถียรส่วนใหญ่เกิดจากรังสีของสิ่งเจือปนที่หลุดออกมาจากผนัง ซึ่งหากควบคุมจุดนี้ได้ก็จะสามารถก้าวข้ามขีดจำกัดเดิมได้ ตามทฤษฎี PWSO ระบุว่าผนังทังสเตนสามารถรองรับสภาวะที่เรียกว่า “เขตปลอดขีดจำกัดความหนาแน่น” ได้ดีกว่า โดยเฉพาะเมื่อรักษาอุณหภูมิบริเวณเป้าหมายกักเก็บพลาสมาให้ต่ำลงเพื่อลดความเสียหายต่อวัสดุ

ทังสเตนช่วยให้การปล่อยอนุภาคสิ่งเจือปนเป็นไปในรูปแบบที่ทำนายผลได้ง่ายกว่า ผ่านกระบวนการกระทบทางกายภาพ (Physical sputtering) ดังนั้นเมื่อเปลี่ยนจากผนังคาร์บอนแบบเดิมมาเป็นผนังโลหะทังสเตนทั้งหมดจึงสร้างความแตกต่างอย่างมาก

ในด้านเทคนิค ทีมวิจัยได้ปรับเปลี่ยนกระบวนการสร้างพลาสมาตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้น โดยการใช้ความดันก๊าซเริ่มต้นที่สูงและการเสริมพลังงานด้วย คลื่นอิเล็กตรอนไซโคลตรอน (ECRH) ในช่วงการเริ่มทำงานแบบโอห์มมิก (Ohmic start-up)

วิธีการนี้ช่วยลดระดับสิ่งเจือปนและรังสีที่เป็นอันตราย ทำให้พลาสมาสะอาดและมีความร้อนที่สมดุลมากขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้คือความสามารถในการควบคุมพลาสมาให้มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นอย่างราบรื่น โดยไม่เกิดการล่มสลายของระบบเหมือนในอดีต

จากการวัดผลการทดลอง พบว่าความหนาแน่นของพลาสมาสามารถพุ่งสูงถึง 1.3-1.65 เท่าของขีดจำกัดกรีนวาลด์เดิม ความสำเร็จนี้ถือเป็นการยืนยันในเชิงทดลองครั้งแรกของโลกเกี่ยวกับสภาวะเขตปลอดขีดจำกัดความหนาแน่นในเครื่องโทคาแมค 

การทลายกำแพงนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้เข้าใจฟิสิกส์ของพลาสมาได้ลึกซึ้งขึ้น แต่ยังเป็นพื้นฐานสำคัญในการออกแบบเตาปฏิกรณ์ฟิวชันรุ่นต่อไปให้ผลิตพลังงานได้มหาศาลและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นกว่าเดิมอย่างมาก

นอกจากความสำเร็จของเครื่อง EAST แล้ว จีนยังมีเครื่อง Huanliu-3 (HL-3) ซึ่งเป็นดวงอาทิตย์เทียมรุ่นใหม่ที่สร้างสถิติที่น่าทึ่งไม่แพ้กัน ในช่วงปีที่ผ่านมา HL-3 สามารถสร้างพลาสมาที่มีอุณหภูมิไอออนสูงถึง 117 ล้านองศาเซลเซียส และอุณหภูมิอิเล็กตรอนสูงถึง 160 ล้านองศาเซลเซียส 

ด้วยระดับความร้อนมหาศาลนี้ ทำให้จีนเข้าใกล้เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการจุดระเบิดปฏิกิริยาฟิวชันอย่างต่อเนื่องเข้าไปทุกขณะ ซึ่งเป็นเป้าหมายสูงสุดของการผลิตพลังงานเชิงพาณิชย์

ในตอนนี้ จีนวางแผนงานที่ชัดเจนเพื่อเปลี่ยนงานวิจัยในห้องปฏิบัติการให้เป็นโรงไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง โดยตั้งเป้าที่จะบรรลุการทดลองพลาสมาฟิวชันครั้งแรกในปี 2027 จากนั้นจะพัฒนาขีดความสามารถในการออกแบบเตาปฏิกรณ์ทดสอบทางวิศวกรรมในปี 2030 และก่อสร้างให้แล้วเสร็จในปี 2035 

หากแผนงานดำเนินไปตามเป้าหมาย พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากดวงอาทิตย์เทียมจะสามารถถูกจ่ายเข้าสู่ระบบพลังงานแห่งชาติของจีนได้ ในช่วงกลางศตวรรษนี้

การเดินทางไปสู่การสร้างพลังงานสะอาดที่ไร้ขีดจำกัดยังคงมีความท้าทายอีกมาก แต่ความสำเร็จในการทลายขีดจำกัดความหนาแน่นนี้เปรียบเสมือนการเปิดประตูบานใหญ่สู่ยุคใหม่ของมนุษยชาติ ด้วยการผสมผสานระหว่างนวัตกรรมทางทฤษฎี การออกแบบวัสดุขั้นสูง และความร่วมมือระดับนานาชาติ ความฝันที่จะนำพลังงานจากดวงอาทิตย์มาไว้บนพื้นโลกเพื่อขับเคลื่อนสังคมอย่างยั่งยืนจึงเข้าใกล้ความจริงมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา

ที่มา: CGTN, China Daily, Earth, Science Daily