ในช่วง 200 ปีที่ผ่านมา พลังงานส่วนใหญ่ของเรามาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล อย่างไรก็ตาม ปริมาณสำรองที่มีอยู่อย่างจำกัดกำลังจะหมดลง และวิธีเดียวที่จะตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นของโลกคือการพัฒนาแหล่งพลังงานทางเลือก เช่น พลังงานหมุนเวียน นิวเคลียร์ฟิชชัน และนิวเคลียร์ฟิวชั่น ฟิวชั่นเป็นส่วนที่พัฒนาน้อยที่สุด แต่มีศักยภาพในการให้แหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมดสิ้น
นอกจากนี้
ยังปลอดภัยกว่าฟิชชัน และจะไม่ก่อให้เกิด “ก๊าซเรือนกระจก” เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่เผาไหม้เชื้อเพลิงเพียง 1 กิโลกรัมต่อวันสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องที่ 1 GWแนวคิดเบื้องหลังการหลอมรวมแบบควบคุมคือการใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมาที่อุณหภูมิสูง
ของดิวทีเรียมและทริเทียม วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการใช้ ซึ่งเป็นภาชนะรูปโดนัทที่มีสนามแม่เหล็กแรงสูงเป็นเกลียวนำทางอนุภาคที่มีประจุที่อยู่รอบๆ มัน (อ่านเพิ่มเติม) นิวเคลียสในพลาสมาเกิดปฏิกิริยาฟิวชันซึ่งเปลี่ยนมวลที่เหลือบางส่วนให้เป็นพลังงาน ในลักษณะเดียวกับที่ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงาน
เพื่อที่จะเอาชนะแรงผลักคูลอมบ์ร่วมกันที่นิวเคลียสทั้งสองได้รับประสบการณ์ อุณหภูมิของพลาสมาT นั้นจะต้องสูงมาก โดยทั่วไปคือประมาณ 10 keV ซึ่งเท่ากับเกือบ 10 8 K อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของพลาสมาnอาจเป็นได้ ค่อนข้างต่ำที่ประมาณ 10 20ม. -3. ความดันที่เกิดขึ้นในพลาสมา
จึงมีประมาณหนึ่งบรรยากาศเท่านั้น แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจะใช้ปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม เพื่อความสะดวกในการปฏิบัติงาน การทดลองในปัจจุบันส่วนใหญ่จะใช้พลาสมาที่มีดิวทีเรียมเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เรามีประสบการณ์ในการทำงานกับเชื้อเพลิงผสมดิวทีเรียม-ทริเทียมจากการทดลอง
ในสหรัฐอเมริกา ในสหราชอาณาจักร ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1990 TFTR ผลิตพลังงานฟิวชันได้สูงสุด 10.7 เมกะวัตต์ ในขณะที่ JET ซึ่งเป็นโทคามัคที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีกำลังผลิตถึง 16 เมกะวัตต์
ก้าวต่อไปในการวิจัยฟิวชันคือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อการทดลองทางความร้อนระหว่างประเทศ
ซึ่งได้รับ
การออกแบบให้ผลิตพลังงานฟิวชันได้มากถึง 500 เมกะวัตต์ ความร่วมมือของ ITER ซึ่งประกอบด้วยนักวิจัยจากแคนาดา จีน ยุโรป ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย และสหรัฐอเมริกา กำลังอยู่ระหว่างการเจรจาว่าจะสร้าง จะไม่ถูกใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า แต่จะช่วยให้เราสามารถสำรวจสภาวะของพลาสมา
ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้ เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเชิงพาณิชย์จะมีขนาดใหญ่กว่า ITER เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และจะผลิตพลังงานได้ประมาณ 4 GW เมื่อดิวทีเรียมและนิวเคลียสของทริเทียมเกิดการหลอมรวมกัน จะผลิตอนุภาคแอลฟา นิวตรอน และพลังงาน 17 MeV เป้าหมายคือการใช้พลังงานของอนุภาค
แอลฟาเพื่อรักษาพลาสมาที่อุณหภูมิคงที่ ซึ่งช่วยให้ปฏิกิริยาสามารถคงอยู่ได้เองและทิ้งนิวตรอนซึ่งมีพลังงานฟิวชันถึง 80% เพื่อต้มน้ำและขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไข “การจุดระเบิด” นี้ ผลคูณสามของความหนาแน่นของพลาสมา อุณหภูมิของพลาสมา และเวลาจำกัด
ผลิตภัณฑ์สามชิ้นนี้ซึ่งใช้เพื่ออธิบายประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ได้เพิ่มขึ้นเกือบสี่ลำดับความสำคัญตั้งแต่โทคามัครุ่นแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1960 เป็นข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครทราบกันดีว่าความก้าวหน้านี้เร็วกว่าความก้าวหน้าในด้านเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ เล็กน้อย
ตัวอย่างเช่น
พลังงานของเครื่องเร่งอนุภาคเพิ่มขึ้นสองเท่าทุกๆ 3 ปี และจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เราสามารถใส่ลงในชิ้นส่วนของซิลิคอนได้เพิ่มขึ้นสองเท่าทุกๆ 2 ปี (กฎของมัวร์) ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพของฟิวชันพลาสมาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 1.8 ปี ตัวนำยิ่งยวดการทดลองฟิวชันส่วนใหญ่
ทำงานในโหมด “พัลซิ่ง” ซึ่งกินเวลาไม่กี่สิบวินาที แต่เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจำเป็นต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ความยาวของพัลส์ในการทดลองเหล่านี้ถูกจำกัดโดยขดลวดสนามแม่เหล็ก ซึ่งมักจะทำจากทองแดง ดังนั้นจึงใช้พลังงานไฟฟ้าจำนวนมากเพียงเพื่อรักษาสนามแม่เหล็กให้คงที่
เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจะใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวด ดังนั้นจึงสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยใช้พลังงานต่ำมาก เทคโนโลยีขดลวดตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในการทดลองพลาสมาดิวเทอเรียม-ดิวทีเรียมหลายครั้ง รวมถึงการทดลอง T7 และ T15 ในรัสเซีย (T7 ได้รับการสร้างขึ้นใหม่เป็น HT7 ในประเทศจีน)
ผลลัพธ์ล่าสุดได้ปรับปรุงความเข้าใจของเราอย่างมากเกี่ยวกับบทบาทของกระแสพลาสมาในการทำให้พลาสมาคงที่และการจำกัดพลังงาน ในก่อนหน้านี้ กระแสส่วนใหญ่ขับเคลื่อนด้วยอุปนัย และการกระจายกระแสถูกกำหนดโดยสภาพต้านทานและอุณหภูมิของพลาสมา
โดยการปรับเปลี่ยนการกระจายปัจจุบันแบบไม่เหนี่ยวนำ เราสามารถเข้าถึงระบอบการปกครองที่ลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มเวลาจำกัด ระบบทำความร้อนและกระแสขับสำหรับ ITER ต้องการระยะเวลาพัลส์อย่างน้อย 1,000 วินาที และโปรแกรม R&D ที่เข้มข้นกำลังดำเนินการเพื่อพัฒนาระบบที่เหมาะสม
แหล่งกำเนิดไอออนลบที่ทรงพลังสำหรับการฉีดลำแสงที่เป็นกลางได้ช่วยให้นักวิจัยไปถึงเป้าหมายของพัลส์ยาวแล้ว ลำแสงของดิวทีเรียมไอออนที่มีกระแส 80 A m -2ซึ่งถูกทำให้เป็นกลางในเซลล์แก๊สเพื่อให้สามารถทะลุผ่านเข้าไปในพลาสมาที่มีความหนาแน่นได้นั้นถูกผลิตขึ้นเป็นเวลา 1,000 วินาที
ที่ นอกจากนี้ เครื่องกำเนิดพลังงาน RF ที่พัฒนาโ ยังผลิตพลังงานได้ประมาณ 0.3 เมกะวัตต์เป็นเวลาเกือบ 22 นาทีในขณะที่ทำงานการรักษาส่วนประกอบให้เย็น ปัจจัยจำกัดเพิ่มเติมสำหรับระยะเวลาของพลาสมาคือความต้องการ “ส่วนประกอบที่หันเข้าหาพลาสมา” (PFCs) เพื่อให้ทนต่อการไหล
