การวิจัยของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่าปริมาณทังสเตนเล็กน้อยสามารถเพิ่มความดันที่จำเป็นสำหรับการจุดระเบิดนิวเคลียร์ฟิวชันได้อย่างมีนัยสำคัญ

ตามโมเดลทฤษฎีใหม่ของห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาของ普รินซ์ตัน (PPPL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ทังสเตนปริมาณเล็กน้อยในพลาสมานิวเคลียร์ฟิวชันอาจทำให้ความดันที่จำเป็นสำหรับการจุดระเบิดเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่า นักวิจัยพบว่า ความเข้มข้นของทังสเตนเพียงหนึ่งในสิบพันอนุภาคก็สามารถเพิ่มเงื่อนไขของพลาสมาในการรักษาการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันโดยไม่ต้องการการทำความร้อนภายนอกต่อเนื่องได้อย่างมีนัยสำคัญ การศึกษาครั้งนี้ได้ปรับปรุงเกณฑ์ลอว์สัน (Lawson criterion) ซึ่งเป็นมาตรฐานมาประมาณ 70 ปี ที่ใช้ในการตัดสินใจว่าพลาสมานิวเคลียร์ฟิวชันมีความร้อนเพียงพอ ความหนาแน่นเพียงพอ และระยะเวลานานพอ เพื่อบรรลุเป้าหมายการจุดระเบิดหรือไม่

นักวิจัยได้นำปัจจัยหลายประการในโลกแห่งความเป็นจริงเข้าสู่โมเดล ซึ่งเกณฑ์ต้นแบบที่เป็นแบบอุดมการณ์ไม่ได้ครอบคลุม ผลการคำนวณยังบ่งชี้ถึงเส้นทางการจุดระเบิดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นที่เป็นไปได้ โมเดลแนะนำให้ทำความร้อนพลาสมาก่อน จากนั้นจึงเพิ่มความหนาแน่น ซึ่งอาจให้เส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

โมเดลใหม่เสนอเส้นทางการจุดระเบิดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

นักฟิสิกส์ของ PPPL ลุยส์ เดลกาโด-อาปาริชโอ (Luis Delgado-Aparicio) กล่าวว่า: "บริษัทหลายแห่งต้องการเผชิญหน้าที่ท้าทายโดยตรง ใช้พลังงานมหาศาลเพื่อบรรลุเป้าหมาย แต่จริงๆ แล้วสามารถหลีกเลี่ยงยอดเขาได้ โดยไปถึงตำแหน่งเดียวกันด้วยวิธีที่ฉลาดกว่า พร้อมทั้งใช้พลังงานน้อยลงมาก" นักวิจัยใช้พื้นที่ที่เรียกว่า Cordey saddle ในการอธิบายเส้นทางนี้ พื้นที่นี้แทนจุดต่ำสุดของขอบเขตที่แยกพลาสมาที่ยังต้องการการทำความร้อนภายนอกออกจากพลาสมาที่สามารถเผาไหม้ด้วยตัวเองได้

ในพลาสมาที่เป็นแบบอุดมการณ์และมีเฉพาะเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ฟิวชัน โมเดลตั้งจุดนี้ไว้ที่ระดับประมาณ 5 ของปัจจัยเพิ่มนิวเคลียร์ฟิวชัน (Q) หมายความว่าพลาสมานั้นผลิตพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันได้ประมาณห้าเท่าของพลังงานทำความร้อนภายนอก อย่างไรก็ตาม ความไม่บริสุทธิ์ ความสูญเสียจากการรังสี และปัจจัยอื่นๆ ในโลกแห่งความเป็นจริงอาจเปลี่ยนแปลงจุดนี้และเพิ่มปัจจัยเพิ่มที่จำเป็น

ผลกระทบและความท้าทายที่เป็นไปได้ของทังสเตน

ทีมนักวิจัยได้นำปัจจัยสี่ประการเข้าสู่โมเดล ได้แก่: เหล็ก灰 (helium ash) ที่เหลือจากการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน, ความไม่บริสุทธิ์เบาและหนาที่เข้ามาจากผนังเครื่องปฏิกรณ์, ความสูญเสียจากการรังสีซิงโครตรอน (synchrotron radiation loss) และความร้อนที่หลุดพ้นจากพลาสมา นักฟิสิกส์ของ PPPL มาซายูกิ โอนอ (Masayuki Ono) 指出ว่า: "เมื่อคุณละเลยผลกระทบเหล่านี้ คุณจะคิดว่าการออกแบบทำงานได้ดี แต่เมื่อพิจารณาปัจจัยเหล่านี้เข้ามา สถานการณ์ทั้งหมดจะเปลี่ยนไป และปัจจัยเหล่านี้กลายเป็นสิ่งสำคัญมาก" การค้นพบเกี่ยวกับทังสเตนอาจมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันในอนาคต อุปกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันรุ่นต่อไปมากกว่าสิบตัวได้เลือกทังสเตนเป็นผนังภายใน เนื่องจากโลหะนี้ทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากได้

แต่หากมีอะตอมทังสเตนหนึ่งอะตอมต่อ 10,000 อนุภาคเข้าสู่พลาสมา การคำนวณสองมิติของทีมแสดงให้เห็นว่า ความดันที่จำเป็นสำหรับการจุดระเบิดอาจเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่า

เมื่อขยายผลกระทบเหล่านี้ไปสู่สามมิติ ความดันที่จำเป็นอาจเกินจุดวิกฤตที่พลาสมาสามารถคงสภาพเสถียรได้ นักวิจัยระบุว่า ตัวอย่างเช่น การเคลือบผนังเครื่องปฏิกรณ์ด้วยลิเทียมเหลวสามารถช่วยป้องกันไม่ให้ทังสเตนเข้าสู่พลาสมา พร้อมทั้งปรับปรุงการเก็บรักษาความร้อน เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ฟิวชันที่มีการขั้วสปิน (spin-polarized) ซึ่งหมายถึงการจัดเรียงแกนของเชื้อเพลิงก่อนนิวเคลียร์ฟิวชัน อาจเพิ่มอัตราการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้เช่นกัน น่าสนใจคือ ความสูญเสียพลังงานที่ทำให้การจุดระเบิดยากขึ้น อาจช่วยทำให้พลาสมาที่กำลังเผาไหม้อยู่ในสภาพเสถียร โมเดลแสดงให้เห็นว่า ความสูญเสียเหล่านี้สามารถชดเชยการล้มเหลวจากความร้อน (thermal runaway) ซึ่งเป็นสภาวะที่ความร้อนจากนิวเคลียร์ฟิวชันเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่เร็วขึ้นเรื่อยๆ

ในขณะนี้ ผลการค้นพบเหล่านี้ยังอยู่ในขอบเขตของทฤษฎี ยังไม่มีการทดลองใดที่สามารถบรรลุเงื่อนไขใกล้เคียง Cordey saddle เพื่อทดสอบเส้นทางการเพิ่มความร้อนก่อนที่เสนอมาได้ในทางทดลอง

นักวิจัยวางแผนที่จะดำเนินการทดลองดิจิทัลเพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีนี้ นักฟิสิกส์ของ PPPL จอนาธาน เมนาร์ด (Jonathan Menard) กล่าวว่า: "แม้จะยังต้องการการศึกษาเพิ่มเติม แต่เราตื่นเต้นกับผลลัพธ์เหล่านี้ ซึ่งให้เส้นทางก้าวหน้าที่ชัดเจนสำหรับการวิจัยในสาขานี้ในอนาคต" การศึกษานี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters

ความสำคัญของทังสเตนในการวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชัน

การค้นพบเกี่ยวกับทังสเตนมีความสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลจีนิวเคลียร์ฟิวชันอย่างยิ่ง เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงมาก ทังสเตนจึงถูกเลือกเป็นวัสดุผนังภายในของอุปกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันรุ่นต่อไป การศึกษาแสดงให้เห็นว่า การเพิ่มทังสเตนปริมาณเล็กน้อย ไม่เพียงแต่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของพลาสมาได้อย่างมีนัยสำคัญ ยังอาจเปลี่ยนกลยุทธ์การจุดระเบิดนิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งมีความหมายสำคัญต่อการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานและลดการบริโภคพลังงาน แม้การวิจัยในปัจจุบันยังอยู่ในขั้นทฤษฎี แต่การทดลองในอนาคตจะช่วยยืนยันทฤษฎีเหล่านี้และผลักดันเทคโนโลจีนิวเคลียร์ฟิวชันสู่การใช้งานจริง