เครื่องโทคาแมค คือ ความหวังใหม่ของพลังงานสะอาด

Tokamak หรือ โทคาแมค คือ อุปกรณ์ที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมาให้อยู่ในรูปของทอรัส เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นชนิดหนึ่งซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปฏิกิริยาฟิวชันเพื่อผลิตพลังงาน ในโทคามัก พลาสมาจะถูกทำให้ร้อนจนมีอุณหภูมิสูงมาก โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงหลายร้อยล้านองศาเซลเซียส โดยการฉีดพลังงานเข้าไปในพลาสมาในรูปของกระแสไฟฟ้าหรือไมโครเวฟ พลาสมาถูกกักไว้ภายในโทคามักโดยสนามแม่เหล็ก ซึ่งช่วยให้พลาสมาคงที่และป้องกันไม่ให้สัมผัสกับผนังของเครื่องปฏิกรณ์ โทคาแมคเป็นหนึ่งในการออกแบบที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน เนื่องจากแสดงให้เห็นว่าสามารถผลิตพลังงานจำนวนมากได้

การควมคุมอุณหภูมิ

เป็นการยากที่จะควบคุมอุณหภูมิหนึ่งล้านองศาเซลเซียส เนื่องจากเป็นอุณหภูมิที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อ พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส ซึ่งร้อนกว่าอุณหภูมิใดๆ ในโลกอยู่แล้ว

วิธีหนึ่งในการควบคุมอุณหภูมิหนึ่งล้านองศาเซลเซียสคือการใช้วัสดุพิเศษและระบบทำความเย็น ตัวอย่างเช่น นักวิจัยที่ทำงานกับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันอย่าง โทคาแมค ใช้วัสดุเช่นแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและระบบทำความเย็นขั้นสูงเพื่อรักษาอุณหภูมิภายในเครื่องปฏิกรณ์ภายใต้การควบคุม

อีกวิธีหนึ่งในการควบคุมอุณหภูมิสูงเช่นนี้คือการใช้การป้องกันรังสีขั้นสูง ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากวัสดุที่ได้รับความร้อนจะเป็นอันตรายอย่างมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ชั้นป้องกันที่หนาเพื่อป้องกันผู้คนและอุปกรณ์จากรังสี

โดยรวมแล้ว การควบคุมอุณหภูมิหนึ่งล้านองศาเซลเซียสจะต้องใช้วัสดุเฉพาะ ระบบทำความเย็น และการป้องกันรังสีร่วมกัน มันจะเป็นงานที่ท้าทายมาก แต่ก็เป็นไปได้ด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสม

วัสดุที่ใช้ความคุมอุณหภูมิ 1 ล้านองศา

โทคาแมค เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมาของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า พลาสมาประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทปไฮโดรเจน เช่น ดิวทีเรียมและทริเทียม ผนังของโทคามักทำจากวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิและความดันสูงได้ เช่น เหล็กหรือวัสดุผสมที่เรียกว่าพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน วัสดุเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกจากความแข็งแรง ความทนทาน และความสามารถในการนำไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างสนามแม่เหล็กที่จำกัดพลาสมา

เป้าหมายของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน

เป้าหมายของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน เช่น โทคาแมค คือการผลิตพลังงานผ่านการหลอมรวมของนิวเคลียสของอะตอม ในปฏิกิริยาฟิวชัน นิวเคลียสของอะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปมารวมกันเป็นนิวเคลียสเดี่ยวที่มีมวลมากกว่า ซึ่งปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาในกระบวนการนี้ นี่เป็นกระบวนการเดียวกับที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์และดวงดาวอื่นๆ

ปฏิกิริยาฟิวชั่นมีศักยภาพในการผลิตพลังงานจำนวนมากโดยใช้เชื้อเพลิงค่อนข้างน้อย และไม่ก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีที่เป็นอันตราย อย่างไรก็ตาม การเกิดปฏิกิริยาฟิวชันบนโลกนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง เนื่องจากต้องให้ความร้อนแก่พลาสมาให้มีอุณหภูมิสูงอย่างเหลือเชื่อ ตามลำดับหลายร้อยล้านองศาเซลเซียส

ใน โทคาแมค สิ่งนี้ทำได้โดยใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมาให้อยู่ในรูปของทอรัสหรือวงแหวนรูปโดนัท พลาสมาจะถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการโดยการฉีดพลังงานเข้าไปในพลาสมาในรูปของกระแสไฟฟ้าหรือไมโครเวฟ สนามแม่เหล็กช่วยให้พลาสมาคงที่และป้องกันไม่ให้สัมผัสกับผนังของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งจะทำให้พลาสมาเย็นลงและปฏิกิริยาหยุดลง

เมื่อพลาสมาได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมแล้ว ปฏิกิริยาฟิวชันสามารถเริ่มต้นขึ้นได้ โดยปล่อยพลังงานออกมาในรูปของความร้อน ความร้อนนี้สามารถนำไปผลิตไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าทั่วไป

แม้ว่า โทคาแมค เป็นหนึ่งในการออกแบบที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน แต่ก็ยังเป็นเทคโนโลยีที่อยู่ระหว่างการทดลอง และจำเป็นต้องมีการทำงานอีกมากเพื่อทำให้ฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริงและเชื่อถือได้ อย่างไรก็ตาม รางวัลที่เป็นไปได้นั้นมหาศาล เนื่องจากฟิวชันมีศักยภาพในการจัดหาพลังงานที่สะอาด ปลอดภัย และยั่งยืนอย่างไร้ขีดจำกัด

ใกล้ได้ใช้หรือยัง

ในชีวิตจริง โทคามัคถูกใช้ในศูนย์วิจัยทั่วโลกเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของการหลอมรวมเป็นแหล่งพลังงานที่มีศักยภาพ แม้ว่าการหลอมรวมจะยังไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริงในวงกว้าง แต่การวิจัยที่ทำร่วมกับ โทคาแมค นั้นเป็นก้าวสำคัญในการทำให้ศักยภาพของเทคโนโลยีนี้เป็นจริง

นอกจากนี้ บางบริษัทกำลังพัฒนา โทคาแมค ขนาดเล็กสำหรับใช้ในโรงไฟฟ้าหรือโรงงานอุตสาหกรรมอื่นๆ ระบบเหล่านี้จะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับชุมชนท้องถิ่น ซึ่งอาจจัดหาแหล่งพลังงานที่สะอาดและเชื่อถือได้

โดยรวมแล้ว การใช้ โทคาแมค ในชีวิตจริงนั้นมุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนา แต่มีความเป็นไปได้ที่เทคโนโลยีนี้จะถูกนำไปใช้ในแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายในอนาคต

เป็นการยากที่จะบอกว่าแหล่งพลังงานใดสะอาดและถูกที่สุด เนื่องจากอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น สถานที่และความพร้อมของทรัพยากร แหล่งพลังงานบางอย่าง เช่น แสงอาทิตย์และลม ถือว่าสะอาดเพราะไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกหรือมลพิษอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การติดตั้งอาจมีราคาแพงกว่าในบางกรณี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถานที่และเทคโนโลยีที่ใช้ ไฟฟ้าพลังน้ำซึ่งใช้พลังงานจากน้ำที่ตกลงมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าถือเป็นแหล่งพลังงานสะอาดและอาจมีราคาไม่แพงกว่าทางเลือกอื่นๆ พลังงานนิวเคลียร์เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่มักถูกมองว่าสะอาดและราคาไม่แพง แม้ว่าจะมีความท้าทายและข้อกังวลที่ไม่เหมือนใคร ท้ายที่สุดแล้ว แหล่งพลังงานที่ดีที่สุดจะขึ้นอยู่กับสถานการณ์และความต้องการของผู้ใช้โดยเฉพาะ

ความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยา ฟิวชั่น และ ฟิชชั่น

ฟิวชันและฟิชชันเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์สองประเภทที่ปล่อยพลังงานออกมา ปฏิกิริยาทั้งสองเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสของอะตอม แต่พวกมันทำงานในรูปแบบที่แตกต่างกันและมีลักษณะที่แตกต่างกัน

ฟิวชันเป็นกระบวนการที่นิวเคลียสของอะตอมรวมตัวกันเพื่อสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่า ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาในกระบวนการนี้ นี่เป็นกระบวนการเดียวกับที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์และดวงดาวอื่นๆ
ฟิชชันเป็นกระบวนการที่นิวเคลียสถูกแบ่งออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กกว่าสองนิวเคลียสหรือมากกว่านั้น ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในกระบวนการนี้ นี่คือประเภทของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

ปฏิกิริยาฟิวชั่นสร้างพลังงานได้มากกว่าปฏิกิริยาฟิชชัน อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาฟิวชันยังควบคุมและคงสภาพได้ยากกว่ามาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพลังฟิวชันจึงยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา
ปฏิกิริยาฟิวชั่นถือเป็นแหล่งพลังงานสะอาดเพราะไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกหรือมลพิษอื่นๆ

ปฏิกิริยาฟิชชันยังสามารถทำให้สะอาดได้ แต่จะทำให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีที่ต้องจัดการอย่างระมัดระวัง

ปฏิกิริยาฟิวชั่นมีศักยภาพที่จะเป็นแหล่งพลังงานที่ไร้ขีดจำกัด เนื่องจากมีไฮโดรเจนอยู่เกือบไม่จำกัด ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ในปฏิกิริยาฟิวชัน ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาฟิชชันขึ้นอยู่กับปริมาณยูเรเนียมและวัสดุกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ ที่มีจำกัด