การนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นผสมกับฟิชชั่นอาจช่วยให้เรามีพลังงานที่ปราศจากคาร์บอนในอนาคต

PhysOrg, 27 Jan 2009

นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยของเทกซัสได้คิดค้นระบบใหม่ ซึ่งเมื่อได้มีการพัฒนาอย่างเต็มที่ จะสามารถใช้นิวเคลียร์ฟิวชันมาทำลายกากรังสีจากโรงไฟฟ้าฟิชชันที่เต็มไปด้วยธาตุทรานส์ยูเรนิค (ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่าธาตุยุเรเนียม)

การประดิษฐ์ชิ้นนี้ช่วยให้เราได้พลังงานนิวเคลียร์ที่ปราศจากกากกัมมันตรังสี ซึ่งจะทำให้เป็นตัวเลือกที่น่ามอง เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานจากคาร์บอน อย่างเช่นถ่านหิน

นักวิจัยอาวุโส ไมค์ คอทสเชริวเธอร์ (Mike Kotschereuther) จาก Institute for Fusion Studies (IFS) และคณะฟิสิกส์ ได้กล่าวว่า "เราได้การสร้างวิธีที่ใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาทำลายกากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น เราเชื่อว่ากระบวนการนี้ จะช่วยให้พลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นแหล่งที่มีคาร์บอนต่ำ เป็นตัวเลือกที่สำคัญในการต่อสู้กับภาวะโลกร้อน”

ประเทศสหรัฐอเมริกาได้พิจารณาหาสถานที่เพื่อที่จะเก็บกากกัมมันตรังสีโดยรอบซึ่งจะต้องมีพื้นที่เป็นบริเวณกว้างที่ ภูเขายุคกา เพื่อใช้เป็นที่กำจัดกากกัมมันตรังสีที่เป็นอันตราย ซึ่งหลายคนได้แสดงความคิดเห็นว่าจะใช้งบประมาณสูง และมีความไม่ปลอดภัย ที่เก็บกากกัมมันตรังสีของ ภูเขายุคกา นั่นคาดว่าจะไม่เปิดให้ใช้ก่อนปี 2020 ตั้งค่าความจุไว้ที่ 77000 ตัน โดยมีการคำนวณว่าปริมาณกากรังสีจะเกินนี้ตั้งแต่ในปี 2010

สิ่งประดิษฐ์ใหม่ที่นักฟิสิกส์จะสามารถช่วยลดพื้นที่ในการกำจัดกากกัมมันตรังสีที่อาจจะมีมากขึ้น

นักวิจัยอาวุโส สวาเดช มาฮาจาน (Swaesh Mahajan) ได้กล่าวว่า "เหตุที่ประชาชนส่วนใหญ่ได้ต่อต้านนิวเคลียร์ฟิชชันนั้นเป็นการอ้างถึงกากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน"

นักวิจัยได้เสนอการกำจัดกากกัมมันรังสีโดยการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิวชั่นผสมกับฟิชชั่น (Compact Fusion Neutron Source, CFNS)

CFNS ใช้นิวตรอนจากฟิวชัน เข้าไปทำหาธาตุทรานซ์ยูเรนิคที่วางอยู่รอบๆ เพื่อที่จะสร้างปฏิกิริยาฟิชชั่น และแปรกากกัมมันตรังสี ได้อย่างมีประสิทธิภาพและเสถียรภาพ

คอทสเชริวเธอร์, มาฮาจาน, และ ปราชานท์ วาลานจู (Prashant Valanju) จาก IFS และ อีริคช์ ชไนเดอร์ (Erich Schneider) จากคณะวิศวกรรมเครื่องกลได้รายงานถึงระบบที่ใช้ทำลายกากรังสีนี้ในวารสาร Fusion Engineering and Design

ในสหรัฐอเมริกานั้น มีเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันซึ่งเป็นแบบ น้ำมวลเบา (light water reactors, LWRs) อยู่เกินกว่า 100 เครื่อง ที่ใช้ผลิตไฟฟ้า กากรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ถูกกักเก็บไว้และไม่แปรสภาพ ซึ่งต่างจากในบางประเทศเช่นฝรั่งเศส และญี่ปุ่นซึ่งมีการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้ว

การทำลายกากกัมมันตรังสีนี้ จะผ่านสองกระบวนการหลัก ลำดับแรก กากกัมมันตรังสี 75 % ของเครื่องปฏิกรณ์ จะถูกทำลายในกระบวนการแบบเดิมภายในเครื่องปฏิกรณ์ LWRs และสร้างพลังงานขึ้น แต่กากกัมมันตรังสีครึ่งชีวิตยาว (ซึ่งเรียกว่า sludge) จะไม่ถูกทำลาย ลำดับที่สอง เครื่อง CFNS สามารถทำลายกากกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาว ได้ภายในตัวเอง

คอทสเชริวเธอร์ กล่าวว่า การที่จะทำลายกากกัมมันตรังสีกลุ่มครึ่งชีวิตยาวนั้น เป็นเรื่องยาก เปรียบเทียบเหมือนว่าเราจะต้องตีมันด้วยค้อนขนาดใหญ่มาก

โดยต้องการใช้เครื่องปฏิกรณ์ฺแบบผสมระหว่างนิวเคลียร์ฟิวชั่นกับนิวเคลียร์ฟิชชั่น CFNS หนึ่งหน่วย จะทำลายกากกัมมันตรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์แบบ LWRs ได้จำนวน 10 ถึง 15 เครื่อง

ขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยลดปริมาณกากทรานซ์ยูเรนิคจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันได้สูงสุดถึง 99% ซึ่งยังสามารถผลิตพลังงานออกมาได้ด้วย

ระบบ CFNS ได้ถูกออกแบบให้มีขนาดเล็ก ไม่เกินห้องเล็กๆ ห้องหนึ่ง และจำนวนชิ้นส่วนอุปกรณ์ก็มีน้อยเทียบกับระบบอื่นๆ ที่มีกระบวนการคล้ายกัน ที่กำลังถูกศึกษาอยู่ นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้ได้กล่าวว่า ระบบทำลายกากแบบ CFNS นี้จะมีราคาถูก และทำงานได้รวดเร็วกว่าระบบอื่นๆ และยังลดความต้องการพื้นที่ในการกักเก็บอีกด้วย

ระบบ CFNS มีพื้นมาจากเครื่องโทคาแมค ซึ่งเป็นเครื่องกักเก็บพลาสมาโดยใช้สนามแม่เหล็ก ซึ่งมีความสำเร็จสูงในการควบคุมพลาสมาพลังงานสูง ที่อุณหภูมิเกินร้อนล้านองศาเซลเซียส สำหรับการกำเนิดกระบวนการฟิวชัน ในช่วงเวลาที่นานเพียงพอ

การประดิษฐ์ที่สำคัญซึ่งสามารถกรุยทางให้ CFNS นั้นเรียกว่า Super X Divertor ซึ่งได้ถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมความร้อนและปริมาณอนุภาคซึ่งมีมหาศาล ในเครื่องกักเก็บขนาดเล็ก มันจะทำให้ระบบ CFNS นั้นสามารถผลิตนิวตรอนปริมาณสูงได้ โดยไม่ทำให้ระบบโดยรวมเสียหาย

นักวิจัยวาลานจู กล่าวว่า “ความร้อนปริมาณสูงจากฟิวชันนี้ สามารถทำให้ผนังของเครื่องเสียหาย ซึ่งทำให้การพัฒนาเครื่องฟิวชันแบบเล็กเป็นไม่ก้าวหน้าเร็วเท่าที่ควร”

วาลานจูกล่าวอีกว่า เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน-ฟิชชันแบบผสมนี้ เป็นความคิดในวงการฟิสิกส์มานานแล้ว "ได้เป็นที่รู้กันทั่วไปว่าฟิวชันนั้นดีในการสร้างนิวตรอน และฟิชชันดีในการผลิตพลังงาน ตอนนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่าเราทำให้ฟิวชันผลิตนิวตรอนได้มากในปริมาตรที่เล็ก"

การสร้างพลังงานมหาศาลที่มีความสะอาด จากแหล่งนิวเคลียร์ฟิวชันนี้ ยังคงเป็นเป้าหมายของนักวิจัยฟิวชัน แต่ทีมนักฟิสิกส์บอกว่า การใช้นิวตรอน ซึ่งเป็นอีกผลิตผลหนึ่งของฟิวชัน ก็เป็นสิ่งที่สามารถทำได้ในไม่นานนี้

การนำความคิดของระบบรวมนี้ ไปสู่การปฏิบัติ นักวิทยาศาสตร์หวังที่จำทำให้พลังงานนิวเคลียร์เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจยิ่งขึ่น เมื่อเทียบกับถ่านหิน และน้ำมัน ในขณะที่รอให้พลังงานหมุนเวียนเช่น พลังงานแสงอาทิตย์ และ ฟิวชันเต็มรูปแบบ พัฒนาได้อย่างเพียบพร้อม

มาฮาจาน กล่าวว่า "เครื่องระบบผสมนี้ ควรถูกมองเป็นเทคโนโลยีสะพานเราสามารถนำนิวตรอนจากฟิวชันมากสร้างประโยชน์ให้แก่ภาคการผลิตพลังงานได้ในวันนี้ เราหวังที่จะสามารถมีส่วนร่วมที่สำคัญในการผลิตพลังงานที่ปราศจากคาร์บอน ได้ภายในปี 2050 ตามที่นักวิทยาศาสตร์ภาวะโลกร้อนได้ตั้งเส้นไว้”

นักวิทยาศาสตร์ได้กล่าวว่า Super X Divertor ได้ถูกยอมรับในสังคมฟิวชันแล้ว และบางกลุ่มก็กำลังคิดที่จะนำ Super X Divertor นี้ใส่ในเครื่องของตนเอง ซึ่งในกลุ่มนี้ ก็รวมถึง MAST ในสหราชอาณาจักร DIII-D (General Atomics) และ NSTX (Princeton Unversity) ในสหรัฐอเมริกา ในขั้นต่อไป ก็จะเป็นการทำการจำลองความคิดนี้ไปสู่งโครงการวิศวกรรม และเพื่อสร้างแบบทดสอบรุ่นแรก (prototype) ต่อไป

Physicists at The University of Texas at Austin have designed a new system that, when fully developed, would use fusion to eliminate most of the transuranic waste produced by nuclear power plants.

The invention could help combat global warming by making nuclear power cleaner and thus a more viable replacement of carbon-heavy energy sources, such as coal. "We have created a way to use fusion to relatively inexpensively destroy the waste from nuclear fission," says Mike Kotschenreuther, senior research scientist with the Institute for Fusion Studies (IFS) and Department of Physics. "Our waste destruction system, we believe, will allow nuclear power-a low carbon source of energy-to take its place in helping us combat global warming." Toxic nuclear waste is stored at sites around the U.S. Debate surrounds the construction of a large-scale geological storage site at Yucca Mountain in Nevada, which many maintain is costly and dangerous. The storage capacity of Yucca Mountain, which is not expected to open until 2020, is set at 77,000 tons. The amount of nuclear waste generated by the U.S. will exceed this amount by 2010.

The physicists' new invention could drastically decrease the need for any additional or expanded geological repositories.

"Most people cite nuclear waste as the main reason they oppose nuclear fission as a source of power," says Swadesh Mahajan, senior research scientist.

The scientists propose destroying the waste using a fusion-fission hybrid reactor, the centerpiece of which is a high power Compact Fusion Neutron Source (CFNS) made possible by a crucial invention. The CFNS would provide abundant neutrons through fusion to a surrounding fission blanket that uses transuranic waste as nuclear fuel. The fusion-produced neutrons augment the fission reaction, imparting efficiency and stability to the waste incineration process.

Kotschenreuther, Mahajan and Prashant Valanju, of the IFS, and Erich Schneider of the Department of Mechanical Engineering report their new system for nuclear waste destruction in the journal Fusion Engineering and Design.

There are more than 100 fission reactors, called "light water reactors" (LWRs), producing power in the United States. The nuclear waste from these reactors is stored and not reprocessed. (Some other countries, such as France and Japan, do reprocess the waste.)

The scientists' waste destruction system would work in two major steps.

First, 75 percent of the original reactor waste is destroyed in standard, relatively inexpensive LWRs. This step produces energy, but it does not destroy highly radiotoxic, transuranic, long-lived waste, what the scientists call "sludge."

In the second step, the sludge would be destroyed in a CFNS-based fusion-fission hybrid. The hybrid's potential lies in its ability to burn this hazardous sludge, which cannot be stably burnt in conventional systems.

"To burn this really hard to burn sludge, you really need to hit it with a sledgehammer, and that's what we have invented here," says Kotschenreuther.

One hybrid would be needed to destroy the waste produced by 10 to 15 LWRs. The process would ultimately reduce the transuranic waste from the original fission reactors by up to 99 percent. Burning that waste also produces energy.

The CFNS is designed to be no larger than a small room, and much fewer of the devices would be needed compared to other schemes that are being investigated for similar processes. In combination with the substantial decrease in the need for geological storage, the CFNS-enabled waste-destruction system would be much cheaper and faster than other routes, say the scientists. The CFNS is based on a tokamak, which is a machine with a "magnetic bottle" that is highly successful in confining high temperature (more than 100 million degrees Celsius) fusion plasmas for sufficiently long times.

The crucial invention that would pave the way for a CFNS is called the Super X Divertor. The Super X Divertor is designed to handle the enormous heat and particle fluxes peculiar to compact devices; it would enable the CFNS to safely produce large amounts of neutrons without destroying the system.

"The intense heat generated in a nuclear fusion device can literally destroy the walls of the machine," says research scientist Valanju, "and that is the thing that has been holding back a highly compact source of nuclear fusion."

Valanju says a fusion-fission hybrid reactor has been an idea in the physics community for a long time.

"It's always been known that fusion is good at producing neutrons and fission is good at making energy," he says. "Now, we have shown that we can get fusion to produce a lot of neutrons in a small space."

Producing an abundant and clean source of "pure fusion energy" continues to be a goal for fusion researchers. But the physicists say that harnessing the other product of fusion-neutrons-can be achieved in the near term.

In moving their hybrid from concept into production, the scientists hope to make nuclear energy a more viable alternative to coal and oil while waiting for renewables like solar and pure fusion to ramp up.

"The hybrid we designed should be viewed as a bridge technology," says Mahajan. "Through the hybrid, we can bring fusion via neutrons to the service of the energy sector today. We can hopefully make a major contribution to the carbon-free mix dictated by the 2050 time scale set by global warming scientists."

The scientists say their Super X Divertor invention has already gained acceptance in the fusion community. Several groups are considering implemented the Super X Divertor on their machines, including the MAST tokamak in the United Kingdom, and the DIIID (General Atomics) and NSTX (Princeton University) in the U.S. Next steps will include performing extended simulations, transforming the concept into an engineering project, and seeking funding for building a prototype.

Source: University of Texas at Austin

origin: http://www.physorg.com/news152284917.html
แปลโดย สมชาติ ปรางค์นอก (Somchat Prangnok), มหาวิทยาลัยราชภัฏนครราชสีมา
นศ. ฝึกงาน ฝ่ายวิทยาการก้าวหน้า สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ
Jan-Mar 2009
เรียบเรียง: รพพน พิชา (Roppon Picha)
back to front page