นักวิทย์ฯ ก้าวสำคัญสู่ พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน
ทีมนักวิจัยจาก MIT เชื่อว่าพวกเขาอาจลดอุปสรรคสำคัญในการบรรลุผลสำเร็จด้านพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันขนาดใหญ่ ซึ่งนำเราเข้าใกล้การสร้างแหล่งพลังงานที่อุดมสมบูรณ์ให้เป็นจริงยิ่งขึ้นไปอีกก้าวหนึ่ง
ด้วยการควบคุมกระบวนการเดียวกับที่ขับเคลื่อนดวงดาว เราจะสามารถเข้าถึงแหล่งพลังงานที่สะอาด ปลอดภัย และแทบจะไร้ขีดจำกัด นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องปฏิกรณ์เพื่อพยายามควบคุมฟิวชัน โดยหนึ่งในการสำรวจที่มากที่สุดคือโทคาแมค ซึ่งเป็นท่อรูปโดนัทที่ใช้แม่เหล็กแรงสูงเพื่อกักพลาสมาที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนปฏิกิริยาฟิวชัน โทคาแมคได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยม แต่เพื่อให้ตระหนักถึงศักยภาพนั้นอย่างเต็มที่ นักวิทยาศาสตร์จะต้องจัดการกับอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากพลังงานดังกล่าว รวมถึงวิธีการชะลอความเร็วของปฏิกิริยาฟิวชันเมื่อปฏิกิริยานั้นกำลังดำเนินอยู่
นั่นคือจุดที่งานวิจัยใหม่เข้ามามีบทบาท: ด้วยการผสมผสานฟิสิกส์และการเรียนรู้ของเครื่อง นักวิจัยคาดการณ์ว่าพลาสมาภายในเครื่องปฏิกรณ์โทคาแมคจะมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อกำหนดชุดเงื่อนไขเริ่มต้น ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิจัยสงสัยมานาน (ท้ายที่สุดแล้ว การมองเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันระหว่างการทำงานนั้นเป็นเรื่องยาก) บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันจันทร์ใน Nature Communications
Allen Wang ผู้เขียนนำของการศึกษาและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ MIT กล่าวกับ MIT News ว่า “เพื่อให้ฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานที่มีประโยชน์ ฟิวชันจะต้องมีความน่าเชื่อถือ เพื่อให้มีความน่าเชื่อถือ เราต้องจัดการพลาสมาของเราให้ดี”
เมื่อเครื่องปฏิกรณ์โทคาแมคทำงานเต็มที่ กระแสพลาสมาภายในสามารถไหลเวียนด้วยความเร็วสูงถึงประมาณ 62 ไมล์ (100 กิโลเมตร) ต่อวินาที และที่อุณหภูมิ 180 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ (100 ล้านองศาเซลเซียส) ซึ่งร้อนกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์
หากเครื่องปฏิกรณ์ต้องปิดตัวลงไม่ว่าด้วยเหตุผลใดก็ตาม ผู้ปฏิบัติงานจะเริ่มกระบวนการ “ลดระดับ” กระแสพลาสมา โดยค่อยๆ ลดพลังงาน แต่กระบวนการนี้มีความยุ่งยาก และพลาสมาอาจทำให้เกิด “รอยขีดข่วนและการแตกร้าวภายในโทคาแมค ซึ่งเป็นความเสียหายเล็กน้อยที่ยังคงต้องใช้เวลาและทรัพยากรจำนวนมากในการซ่อมแซม” นักวิจัยอธิบาย
Wang อธิบายว่า “การสิ้นสุดของพลาสมาที่ไม่สามารถควบคุมได้ แม้ในระหว่างการลดระดับ ก็สามารถสร้างฟลักซ์ความร้อนที่รุนแรงซึ่งทำลายผนังด้านใน บ่อยครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับพลาสมาประสิทธิภาพสูง การลดระดับสามารถผลักดันพลาสมาเข้าใกล้ขีดจำกัดความไม่เสถียร ดังนั้นจึงเป็นความสมดุลที่ละเอียดอ่อน”
แน่นอนว่าความผิดพลาดใดๆ ในการดำเนินงานเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันอาจมีค่าใช้จ่ายสูง ในโลกอุดมคติ นักวิจัยจะสามารถทำการทดสอบในโทคาแมคที่ใช้งานได้ แต่เนื่องจากฟิวชันยังไม่มีประสิทธิภาพ การใช้งานเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จึงมีค่าใช้จ่ายสูงอย่างไม่น่าเชื่อ และโรงงานส่วนใหญ่จะใช้งานเพียงไม่กี่ครั้งต่อปี
สำหรับแบบจำลองของพวกเขา ทีมงานได้พบวิธีการที่ชาญฉลาดอย่างน่าทึ่งในการเอาชนะข้อจำกัดในการเก็บรวบรวมข้อมูล พวกเขาเพียงแค่กลับไปที่กฎพื้นฐานของฟิสิกส์ พวกเขาจับคู่โครงข่ายประสาทเทียมของแบบจำลองกับแบบจำลองอื่นที่อธิบายถึงพลศาสตร์ของพลาสมา จากนั้นฝึกอบรมแบบจำลองเกี่ยวกับข้อมูลจาก TCV ซึ่งเป็นอุปกรณ์ฟิวชันทดลองขนาดเล็กในสวิตเซอร์แลนด์ ชุดข้อมูลประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเริ่มต้นของพลาสมาและระดับพลังงาน เช่นเดียวกับระหว่างและเมื่อสิ้นสุดการทำงานทดลองแต่ละครั้ง
จากนั้น ทีมงานใช้อัลกอริทึมเพื่อสร้าง “วิถี” ที่แสดงให้ผู้ปฏิบัติงานเครื่องปฏิกรณ์เห็นว่าพลาสมามีแนวโน้มที่จะมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อปฏิกิริยาคืบหน้า เมื่อพวกเขาใช้อัลกอริทึมกับการทำงานจริงของ TCV พวกเขาพบว่าการปฏิบัติตามคำแนะนำ “วิถี” ของแบบจำลองนั้นสามารถนำทางผู้ปฏิบัติงานให้ลดระดับอุปกรณ์ได้อย่างปลอดภัย
Wang กล่าวว่า “เราทำหลายครั้ง และเราทำสิ่งต่างๆ ได้ดีขึ้นในทุกๆ ด้าน ดังนั้นเราจึงมีความมั่นใจทางสถิติว่าเราทำสิ่งต่างๆ ได้ดีขึ้น”
เขากล่าวเสริมว่า “เรากำลังพยายามจัดการกับคำถามทางวิทยาศาสตร์เพื่อให้ฟิวชันมีประโยชน์ตามปกติ สิ่งที่เราทำที่นี่คือจุดเริ่มต้นของการเดินทางที่ยาวนาน แต่ฉันคิดว่าเรามีความคืบหน้าที่ดี”
ความก้าวหน้าครั้งใหญ่สู่ พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน
ความหวังในการสร้างแหล่งพลังงานที่สะอาดและไร้ขีดจำกัดกำลังใกล้เข้ามาด้วยความก้าวหน้าใหม่นี้ การทำความเข้าใจและควบคุมพลาสมาเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันกลายเป็นความจริงที่ยั่งยืน
ทำไม พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน ถึงสำคัญ
การพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญสำหรับโลก เนื่องจากจะเป็นแหล่งพลังงานที่สะอาด ปลอดภัย และแทบไม่จำกัด ความก้าวหน้าล่าสุดนี้ช่วยให้เราเข้าใจและควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันได้ดีขึ้น ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำให้เทคโนโลยีนี้สามารถใช้งานได้จริง
การควบคุมพลาสมาในเครื่องปฏิกรณ์โทคาแมคเป็นความท้าทายที่ซับซ้อน แต่ด้วยการใช้ฟิสิกส์และการเรียนรู้ของเครื่อง นักวิจัยกำลังก้าวข้ามอุปสรรคเหล่านี้ การพัฒนาแบบจำลองที่สามารถทำนายพฤติกรรมของพลาสมาได้อย่างแม่นยำเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญ
ความก้าวหน้าเหล่านี้ไม่เพียงแต่มีความสำคัญต่อวิทยาศาสตร์ แต่ยังมีความสำคัญต่ออนาคตของพลังงานอีกด้วย การลงทุนในการวิจัยและพัฒนาในด้านพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันมีความจำเป็นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านพลังงานที่ยั่งยืน