สถาบันวิจัยฟิวชันแห่งสหรัฐอเมริกา ร่วมมือกับบริษัทญี่ปุ่นพัฒนาระบบระบายอากาศเฉพาะทางเพื่อตอบสนองต่อความท้าทายด้านอุณหภูมิสูง

นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการวิจัยฟิวชันได้เริ่มโครงการใหม่เพื่อแก้ไขปัญหาทางวิศวกรรมที่ยากที่สุดอย่างหนึ่งระหว่างเตาปฏิกรณ์ทดลองและพลังงานเชิงพาณิชย์ สถานที่ตั้งในแคลิฟอร์เนีย DIII-D National Fusion Facility ได้ร่วมมือกับบริษัทวิศวกรรมญี่ปุ่น Kyoto Fusion Technology Co. เพื่อร่วมกันสร้างและทดสอบระบบระบายอากาศเฉพาะทางที่มุ่งหวังเพื่อตอบสนองต่อความร้อนที่เกิดขึ้นภายในเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน ระบบนี้จะถูกติดตั้งโดยตรงในอุปกรณ์ Tokamak ของ DIII-D ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มการทดสอบที่ได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ฟิวชันเกิดขึ้นจากการรวมตัวของอะตอมเบาเพื่อสร้างพลังงานที่สะอาด ซึ่งเป็นกระบวนการเดียวกับที่ขับเคลื่อนดวงอาทิตย์

การวิจัยส่วนใหญ่จะดำเนินการในห้องแม่เหล็กทรงโดนัทที่เรียกว่า Tokamak อย่างไรก็ตาม การทำให้วัสดุร้อนเกินกว่า 100 ล้านเซลเซียสจะก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างรุนแรงต่อผนังของเครื่องจักร

ศักยภาพของการออกแบบรูปทรงสามเหลี่ยมลบ

สำหรับวิธีการทำงานใหม่ของ Tokamak เตาปฏิกรณ์มาตรฐานจะประสบกับการระเบิดของความร้อนอย่างรุนแรง ซึ่งจะกัดเซาะพื้นผิวภายในตามเวลา เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้หันมาใช้การออกแบบที่เรียกว่า "รูปทรงสามเหลี่ยมลบ" บริษัท Kyoto Fusion Technology อธิบายว่า "รูปทรงสามเหลี่ยมลบหรือพลาสมาที่มีรูปร่าง 'D' กลับด้าน อาจเป็นวิธีการทำงานที่เปลี่ยนแปลงได้สำหรับอุปกรณ์ฟิวชันที่มีสนามแม่เหล็กเช่น Tokamak" รูปทรงเรขาคณิตทางเลือกนี้ให้ข้อได้เปรียบทางฟิสิกส์ที่สง่างามในการควบคุมการระเบิดของความร้อนที่ไม่เสถียร และสามารถกระจายความร้อนส่วนเกินได้อย่างราบรื่นก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อผนังของเตาปฏิกรณ์

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการออกแบบนี้จะมีแนวโน้มที่ดี แต่ยังไม่มีใครทดสอบการกำหนดค่าของระบบระบายอากาศในระดับอุตสาหกรรมเพื่อรับมือกับกระแสอนุภาคที่เป็นเอกลักษณ์นี้

การพัฒนาตัวแยกใหม่

โครงการใหม่นี้มุ่งเป้าไปที่ช่องโหว่นี้ บริษัท Kyoto Fusion Technology จะผลิตอิฐทนความร้อนเพื่อสร้าง "ตัวแยก" ที่ออกแบบเฉพาะ ซึ่งทำหน้าที่เป็นปล่องไฟของเตาปฏิกรณ์ เมื่อการติดตั้งเสร็จสิ้น นักวิจัยจาก DIII-D, Kyoto Fusion Technology และมหาวิทยาลัยโคลัมเบียจะเริ่มทำการทดสอบอย่างกว้างขวางกับ Tokamak Suk-Ho Hong ผู้ประสานงานด้านการส่งเสริมเทคโนโลยีฟิวชันของ DIII-D กล่าวเสริมว่า "เราจำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของรูปทรงสามเหลี่ยมลบในอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องเชิงพาณิชย์ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทำให้เกิดความร่วมมือนี้" เขาชี้ให้เห็นว่าโครงการนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินวิธีการนี้ในแพลตฟอร์มการทดสอบที่มีชีวิตชีวาและคุ้มค่าได้

วิศวกรต้องเผชิญกับความท้าทายในการรักษาสมดุลที่ละเอียดอ่อนในห้องเครื่อง เครื่องจักรต้องรักษาอุณหภูมิแกนกลางให้สูงพอที่จะทำให้เกิดฟิวชัน ขณะเดียวกันขอบด้านนอกต้องรักษาความเย็นให้เพียงพอเพื่อไม่ให้ละลายอุปกรณ์รอบข้าง การทดลองจะทดสอบประสิทธิภาพของพลาสมาที่มีรูปทรง D กลับด้านในระยะเวลาการทำงานที่ยาวนาน และวัดภาระความร้อนและแรงกลในส่วนประกอบภายใน Bibake Uppal ประธานบริษัท Kyoto Fusion Technology สรุปว่า "ภาระนิวตรอนสูงและการไหลของความร้อนเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดต่อความเป็นไปได้ของโรงไฟฟ้าฟิวชัน" เขาเน้นย้ำว่าการทดสอบแนวคิดตัวแยกใหม่มีความสำคัญต่อการพิสูจน์ความเป็นไปได้เชิงพาณิชย์

ผลการวิจัยเหล่านี้จะถูกนำไปใช้ในแผนงานที่กว้างขึ้นซึ่งกำหนดโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ ผลการทดสอบจะช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถยืนยันโมเดลคอมพิวเตอร์ของโรงไฟฟ้าทั้งหมด ประเมินความเสถียรของพลาสมา และปรับปรุงวัสดุที่จำเป็นสำหรับโรงไฟฟ้ารุ่นนำร่องในอนาคต ข้อมูลการทดลองจะถูกแชร์อย่างเสรีในเครือข่ายผู้ใช้ DIII-D ระดับนานาชาติ ผ่านการวิจัยแบบเปิด ความร่วมมือนี้มุ่งหวังที่จะช่วยให้บริษัทฟิวชันเชิงพาณิชย์ทั่วโลกออกแบบเตาปฏิกรณ์ที่สามารถจัดหาพลังงานให้กับกริดได้อย่างเสถียร

ความสำคัญของระบบระบายอากาศต่อการพัฒนาฟิวชัน

การพัฒนาเทคโนโลยีฟิวชันเผชิญกับความท้าทายทางวิศวกรรมหลายประการ โดยเฉพาะการจัดการความร้อนในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความร่วมมือครั้งนี้มุ่งเน้นการพัฒนาระบบระบายอากาศที่สามารถตอบสนองต่อการระเบิดของความร้อนภายในเตาปฏิกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีความสำคัญต่อการเพิ่มความเป็นไปได้เชิงพาณิชย์ของฟิวชัน การนำการออกแบบรูปทรงสามเหลี่ยมลบมาใช้ไม่เพียงแต่จะช่วยปรับปรุงความเสถียรของพลาสมา แต่ยังสามารถให้ข้อมูลสำคัญสำหรับโรงไฟฟ้าฟิวชันในอนาคต ซึ่งจะช่วยผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยีฟิวชันทั่วโลกต่อไป