นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการ Princeton Plasma Physics รัฐนิวเจอร์ซี ในสังกัดของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้ใช้ลิเธียมเหลวเพื่อทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันเย็นตัวลง นอกจากความสามารถในการรักษาอุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันแล้ว ลิเธียมเหลวยังสามารถช่วยปกป้องส่วนประกอบของเครื่องปฏิกรณ์จากการได้รับความเสียหายที่เกิดจากนิวตรอนได้อีกด้วย
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion Reactor) คือเครื่องที่สามารถสร้างสภาวะเสมือนกับพื้นผิวดวงอาทิตย์ เพื่อหลอมอะตอมไฮโดรเจน แล้วปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา วิธีนี้เป็นวิธีที่นิยมใช้มากกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชัน (Nuclear Fission) เนื่องจากเป็นวีธีที่ไม่สร้างกากกัมมันตภาพรังสี อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จของนักวิจัยยังถูกจำกัดด้วยพลังงานสุทธิที่ออกมาไม่มากพอจากปฏิกิริยานี้
อุปสรรคประการหนึ่งของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ การควบคุมอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ การจะทำให้ปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นนั้น อุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์จะต้องสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่มากเกินไปก็สามารถทำลายส่วนประกอบภายในของเครื่องปฏิกรณ์ได้เช่นกัน
"ในปัจจุบัน ยังไม่มีวัสดุสถานะของแข็งใดที่สามารถรองรับภาวะเหล่านี้ได้ แต่โลหะที่มีสถานะเป็นของเหลวอาจมีศักยภาพในการแก้ปัญหาด้านวัสดุเหล่านี้ได้" Egemen Kolemen รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล และวิศวกรรมการบินและอวกาศ Princeton's Andlinger Center for Energy and Environment กล่าว
ลิเธียมเหลวสองบทบาท
นักวิจัยได้ใช้แผ่นระแนง (Slats) เพื่อช่วยให้ลิเธียมเหลวไหลไปที่ขอบด้านในของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน การใช้โลหะเหลวนี้ไม่ใช่แนวคิดใหม่ แต่เคยมีการพยายามใช้มาก่อนหน้านี้ในระบบที่เรียกว่า ไดเวอร์เตอร์ (Diverters) อย่างไรก็ตาม การใช้ลิเธียมเหลวทำให้เกิดปัญหาความร้อนที่สูงเกินไปภายในเครื่องปฏิกรณ์ และการระเหยของตัวลิเธียมเอง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ นักวิจัยฯ ได้ใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อควบคุมการไหลของของลิเธียมเหลว และเพื่อให้แน่ใจว่าลิเธียมเหลวได้สัมผัสกับพลาสมา จากนั้นลิเธียมเหลวจะไหลไปตามช่องด้านล่างของอุปกรณ์ที่เรียกว่า Divertorlet ที่จะทำให้ลิเธียมเหลวเย็นลง แล้วถูกส่งกลับไปยังด้านบนของแผ่นระแนงอีกครั้ง วิธีนี้จะหลีกเลี่ยงไม่ให้ลิเธียมร้อนเกินไปด้วยการนำไปสัมผัสกับพลาสมา จากนั้นโลหะลิเธียมจึงเย็นตัวลงอีกครั้ง
ภาพของ Divertorlet ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน โดยไม่ใช้ลิเธียมเหลว
เครดิตภาพ: ห้องปฏิบัติการ Princeton Plasma Physics
บทบาทของลิเธียมไม่ได้จำกัดอยู่ที่การระบายความร้อนของระบบเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังทำให้พลาสมามีความร้อนเพียงพอด้วยการรีไซเคิลอนุภาคไฮโดรเจน ไอโซโทปไฮโดรเจนที่ออกจากพลาสมามักจะคืนตัวที่อุณหภูมิที่ต่ำลง ซึ่งจะทำให้พลาสมาเย็นตัวลง
“หากระบบที่สัมผัสพลาสมาทำจากลิเธียม ก็จะสามารถดูดซับและกักเก็บอนุภาคที่ชนกับผนัง ดังนั้นพลาสมาจึงไม่เย็นลงในอัตราที่รวดเร็วเกินไป” Francisco Saenz นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากภาควิชาเครื่องกล และวิศวกรรมการบินและอวกาศ ฯ ที่มีส่วนร่วมในงานนี้กล่าวเสริม
การพัฒนาที่มากกว่าลิเธียม
ทีมวิจัยได้ทำแบบจำลองนี้ในการทดลองหลายครั้ง โดยใช้ Galinstan ซึ่งเป็นส่วนผสมของโลหะแกลเลียม อินเดียม และดีบุก เนื่องจากโลหะผสมนี้มีค่าการนำไฟฟ้าเท่ากับของลิเธียมเหลว
“การใช้ Galinstan ทำให้การทดลองง่ายขึ้น เพราะมันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง การใช้ลิเธียมจะต้องใช้ระบบทำความร้อนในการหลอมลิเธียม ซึ่งมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ประมาณ 180 องศาเซลเซียส แต่สมบัติของโลหะ Galinstan คล้ายกับโลหะลิเธียมในเครื่องปฏิกรณ์ เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าคล้ายกันมาก” Saenz กล่าว
ทีมวิจัยยังทดลองเพิ่มการไหลของกระแสไฟฟ้า ในการทำให้การไหลของโลหะเหลวมีความสม่ำเสมอ โดยไม่กระเด็นภายในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการใช้กระแสไฟฟ้าขนาด 900 แอมแปร์ เพื่อให้ได้อัตราการไหลของโลหะเหลวสม่ำเสมอที่หนึ่งเมตรต่อวินาที
นักวิจัย ยังได้ริเริ่ม Lithium Experiment Application Platform เพื่อใช้ลิเธียมเหลว และโลหะอื่น ๆ เช่น ทองแดง และทังสเตน ในปริมาณที่มากขึ้น
“ทังสเตนเป็นที่ต้องการสำหรับ Divertorlet ในระบบจริง แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะสร้างส่วนประกอบโดยใช้ทังสเตน อย่างไรก็ตามทังสเตนมีสมบัติที่ดีกว่าทองแดง เพราะทังสเตนเหลวมีความเร็วสูงกว่าโดยใช้พลังงานน้อยกว่า” Saenz กล่าวเสริม
ในปัจจุบัน การออกแบบ Divertorlet เป็นแบบปิด และไม่สามารถนำลิเธียมเหลวออกจากเครื่องปฏิกรณ์ได้ แต่ในอนาคต นักวิจัยต้องการที่จะพัฒนาระบบนิวเคลียร์ฟิวชัน ที่สามารถกำจัดลิเธียมที่ใช้แล้วออกได้และเติมลิเธียมเหลวใหม่เพื่อทำให้ระบบเย็นลง
แหล่งอ้างอิง
US Scientists Cool Nuclear Fusion Reactor With Liquid Lithium Breakthrough, https://interestingengineering.com/energy/liquid-lithium-cool-fusion-reactors
Creating loops of liquid lithium for fusion temperature control,
コメント