งานวิจัยดวงอาทิตย์ประดิษฐ์ของจีน พบวิธีก้าวข้ามข้อจำกัดความหนาแน่นพลาสมา

นักวิจัยค้นพบวิธีก้าวข้ามขีดจำกัดความหนาแน่นของพลาสมาในการทดลองกับเตาปฏิกรณ์โทคาแมกแบบตัวนำยิ่งยวดขั้นสูงเพื่อการทดลอง (EAST) หรือ “ดวงอาทิตย์ประดิษฐ์” ของจีน ซึ่งวางรากฐานทางฟิสิกส์สำคัญสำหรับการเดินเครื่องในโหมดความหนาแน่นสูงของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันแบบกักเก็บพลาสมาด้วยสนามแม่เหล็ก

สำนักข่าวซินหัวรายงานว่า งานวิจัยนี้เป็นความร่วมมือระหว่างสถาบันฟิสิกส์พลาสมาของสถาบันวิทยาศาสตร์กายภาพเหอเฝย สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหัวจง และมหาวิทยาลัยแอกซ์-มาร์แซย์ของฝรั่งเศส รวมถึงหน่วยงานอื่นๆ โดยผลการศึกษาเผยแพร่ในวารสารไซแอนซ์ แอดวานซ์ (Science Advances) เมื่อวันศุกร์ (2 ม.ค.)

เตาปฏิกรณ์โทคาแมก (tokamak) เป็นอุปกรณ์ทรงวงแหวนที่ใช้สนามแม่เหล็กกักเก็บพลาสมาเพื่อควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน มีลักษณะคล้าย “ลู่วิ่งแม่เหล็ก” แบบเกลียวซึ่งกักพลาสมาอุณหภูมิสูงมากไว้ภายในเพื่อเอื้อต่อการเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน โดยความหนาแน่นของพลาสมาเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน

ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ทราบกันดีว่าความหนาแน่นของพลาสมามีขีดจำกัดสูงสุด หากเกินขีดจำกัดนี้ พลาสมาจะไม่เสถียร หลุดออกจากการกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็ก และปลดปล่อยพลังงานมหาศาลไปยังผนังด้านในของเตาปฏิกรณ์ ซึ่งอาจกระทบต่อความปลอดภัยในการทำงาน

แม้งานวิจัยด้านฟิวชันในระดับนานาชาติจะบ่งชี้มานานแล้วว่า กระบวนการทางฟิสิกส์ที่ทำให้เกิดขีดจำกัดความหนาแน่นนั้นเกิดขึ้นบริเวณรอยต่อระหว่างพลาสมากับผนังอุปกรณ์ แต่กลไกที่แท้จริงยังไม่เคยมีคำอธิบายที่ชัดเจน

ในการศึกษาครั้งนี้ ทีมนักวิจัยจีนได้พัฒนาแบบจำลองเชิงทฤษฎีว่าด้วยปฏิสัมพันธ์แบบการจัดระเบียบตัวเองระหว่างพลาสมากับผนังเตาปฏิกรณ์ และพบว่าความไม่เสถียรของการแผ่รังสีซึ่งเกิดจากสิ่งเจือปนบริเวณขอบพลาสมา มีบทบาทสำคัญในการกระตุ้นให้เกิดขีดจำกัดความหนาแน่นของพลาสมา อันเป็นการไขกลไกพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังปรากฏการณ์นี้อย่างชัดเจน

นักวิจัยสานต่อความเข้าใจทางทฤษฎีนี้และสามารถควบคุมพลาสมาในการทดลองให้มีความหนาแน่นสูงเกินขีดจำกัดเดิม และนำพลาสมาเข้าสู่สภาวะใหม่ที่เรียกว่า “โซนปลอดข้อจำกัดความหนาแน่น” (density-free zone) ได้สำเร็จ

ผลลัพธ์นี้ถือเป็นการยืนยันเชิงทดลองครั้งแรกของการมีอยู่ของโซนดังกล่าวในโทคาแมค งานวิจัยเชิงนวัตกรรมนี้ไม่เพียงช่วยเปิดมุมมองใหม่ในการทำความเข้าใจขีดจำกัดความหนาแน่นของพลาสมาเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานทางฟิสิกส์ที่สำคัญสำหรับการเดินเครื่องโทคาแมคในโหมดความหนาแน่นสูงในอนาคตอีกด้วย

โดย สำนักข่าวอินโฟเควสท์ (04 ม.ค. 69)