ในปัจจุบัน เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน ที่ใกล้ออกสู่การใช้งานที่สุดคือเตาแบบ Tokamak สำหรับชื่อ Tokamak เป็นการสะกดอักษรย่อมาจากภาษารัสเซียว่า тороидальная камера с магнитными катушками ซึ่งเป็นการอธิบายรูปแบบโครงสร้างของเตา Toroidal'naya หรือ Torus คือรูปทรงโดนัท Kamera หรือ Chamber คือห้องหรือเตาบรรจุ Magnitnymi Katushkami คือ Magnetic Coil หรือขดลวดแม่เหล็ก รวมกันก็คือ เตาปฏิกรณ์ขดลวดแม่เหล็กรูปทรงโดนัท ซึ่งพลาสม่าจะถูกกักไว้ข้างในขดลวดแม่เหล็กที่ร้อนในระดับร้อยล้านองศาไม่ให้สัมผัสกับผนังของเตา ซึ่งเตาปฏิกรณ์แบบ OpenStar ที่เป็น Startup สัญชาตินิวซีแลนด์นี้ออกแบบกลับข้างกันไปเลย โดยใช้ขดแม่เหล็กอยู่ด้านในของเตาแล้วกักกระแสพลาสม่าไว้ด้านนอก สำหรับชื่อ OpenStar มีความหมายถึง Star = ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชั่นที่พบในดาวฤกษ์ Open = โครงสร้างเปิด ที่แหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กอยู่ด้านใน ส่วนวงพลาสมาอยู่ด้านนอก เหมือนดาวพฤหัสที่กักกระแสพลาสมาในวงแหวน Io Plasma Torus (IPT) จากสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสเอง
อนึ่ง บทความนี้ ได้รับการอนุเคราะห์ข้อมูลจากคุณ Brian Worboys อดีต Guardian สมัยผมเรียนชั้นมัธยม ที่บังเอิญจับพลัดจับผลูได้ไปดูงาน Start up OpenStar ที่ Wellington ก็เลยได้ข้อมูลและรูปบางส่วนเอามาเขี่ยเป็นบทความนี้
Tokamak Pain Point
รูปที่ 1: รูปแบบสนามแม่เหล็กของเตา Tokamak ให้สังเกตว่ามันใช้สนามแม่เหล็กกักพลาสมาไว้ภายใน
เตาแบบ Tokamak ที่ใช้แม่เหล็กไปล้อมพลาสมา มีปัญหาสำคัญคือความซับซ้อนและยากลำบากในการซ่อมบำรุง เมื่อห้องสุญญากาศ ผนังรับนิวตรอน ระบบหล่อเย็น และอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้พลาสมาต่างถูกขดลวดแม่เหล็กขนาดใหญ่ล้อมอยู่อีกชั้น การที่ชิ้นส่วนภายในเสียหายจะต้องเป็นการรื้อเข้าไปเปลี่ยนหรือซ่อมทั้งหมด ยิ่งด้วยวิธีจัดการกับ Plasma Instability ที่มีทั้งการปรับสนามแม่เหล็กอย่างละเอียดอ่อนระบบขดลวดควบคุมสนามแม่เหล็กภายนอก และเหมือนจะมีระบบการฉีดสารแก๊สเฉื่อยร่วมกับการใช้คลื่นวิทยุจัดระเบียบเพื่อขจัดความปั่นป่วนและการปรับปรุงรูปทรงของพลาสมาร่วมด้วย การซ่อมบำรุงเตาที่มีโครงสร้างทับซ้อนกันลักษณะนี้จึงเป็นนรกในทางวิศวกรรมเลยทีเดียว
Inside-out Design of OpenStar
รูปที่ 2: ปฏิกรณ์แบบ Levitated Dipole ตัวแกนแม่เหล็กคือวงเหล็กโดนัทข้างใน ในตัวอย่างใช้หลอดนีออนเป็นตัวแทนสนามแม่เหล็ก ซึ่งกักพลาสมาไว้นอกแกนแม่เหล็ก คล้าย Magnetosphere ของโลกหรือดาวพฤหัส
OpenStar ใช้การกลับแนวคิด จาก
เอาแม่เหล็กล้อมพลาสมา เป็น
เอาแม่เหล็กไปไว้ตรงกลางแล้วให้พลาสมาล้อมแม่เหล็ก โดยให้แม่เหล็กนั้นลอยอยู่ตรงกลางสนามพลาสมา ตรงนี้คือ แนวคิด 𝘓𝘦𝘷𝘪𝘵𝘢𝘵𝘦𝘥 𝘋𝘪𝘱𝘰𝘭𝘦 ที่ 𝘈𝘬𝘪𝘳𝘢 𝘏𝘢𝘴𝘦𝘨𝘢𝘸𝘢 เสนอไว้ในปี 1987 โดยเลียนแบบสิ่งที่มีในธรรมชาติเช่นสนามแม่เหล็กของโลกและดาวพฤหัสบดี ดาวเคราะห์มีแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กอยู่ด้านใน และแผ่สนามแม่เหล็กออกไปกักอนุภาคมีประจุเป็น Magnetosphere อยู่ภายนอก
โดยปกติกระแสพลาสมามีความเสี่ยงต่อการเกิดความปั่นป่วนสูง ความปั่นป่วนจะพาพลังงานและอนุภาคออกจากบริเวณที่เราต้องการกักไว้ไปสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนต่าง ๆ เป็นที่มาของระบบควบคุมอย่างละเอียดอ่อนใน Tokamak แต่ในกรณี Dipole Plasma แบบ OpenStar การเคลื่อนที่สลับกันของ Magnetic Flux Tube สามารถบีบการขนส่งอนุภาคและพลังงานเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูงได้ เป็นปรากฎการณ์ที่เรียกว่า 𝘛𝘶𝘳𝘣𝘶𝘭𝘦𝘯𝘵 𝘗𝘪𝘯𝘤𝘩 [1] ซึ่งใช้ความปั่นป่วนที่ปกติเป็นอันตรายมาเป็นส่วนหนึ่งของกลไกสร้างพลาสมาที่มีความหนาแน่นและความดันสูง
รูปที่ 3: Turbulent Pinch การเคลื่อนที่ของ Magnetic Flux Tube ทำให้อนุภาคและพลังงานถูกขนส่งเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูง เกิดพลาสมาความหนาแน่นสูงบน Flux Surface รอบแกนแม่เหล็ก ส่วนความร้อนจะแผ่ออกสู่ด้านนอก
แนวคิดนี้เคยมีการสร้างเครื่อง LDX ที่ MIT/Columbia และ RT-1 ที่ญี่ปุ่นเพื่อทดลอง Dipole Plasma จริงมาแล้ว แต่ด้วยข้อจำกัดของเทคโนโลยี 𝘏𝘪𝘨𝘩 𝘛𝘦𝘮𝘱𝘦𝘳𝘢𝘵𝘶𝘳𝘦 𝘚𝘶𝘱𝘦𝘳𝘤𝘰𝘯𝘥𝘶𝘤𝘵𝘰𝘳 (𝘏𝘛𝘚) ในสมัยนั้น แนวคิดแกนแม่เหล็กภายในยังไม่สามารถขยายไปถึงระดับเตาปฏิกรณ์ได้ ขณะที่การพัฒนา Fusion กระแสหลักยังคงมุ่งไปยัง Tokamak ซึ่งมีฐานเทคโนโลยีและการวิจัยในตอนนั้นที่พัฒนาไปไกลกว่า[2]
Levitated Dipole from HTS and Slushy
ปัญหาในเครื่องปฏิกรณ์ Levitating Dipole ที่สหรัฐและญี่ปุ่นสมัยนั้นคือการจะทำให้แกนแม่เหล็กลอยอยู่ตรงกลาง ซึ่ง ในสมัยนั้นมันยังไม่มีตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ตัวนำยิ่งยวดสมัยนั้นต้องใช้สารหล่อเย็นแบบฮีเลียมที่ทำอุณหภูมิลงมาได้ถึง 4 K (-269°C) ซึ่งถ้าไม่เติมเข้าไปต่อเนื่องระบบมันเดินเครื่องได้แป๊บเดียวก็หมดก๊อก ตรงนี้เอง การเข้ามาของ 𝘙𝘌𝘉𝘊𝘖 (𝘙𝘢𝘳𝘦-𝘌𝘢𝘳𝘵𝘩 𝘉𝘢𝘳𝘪𝘶𝘮 𝘊𝘰𝘱𝘱𝘦𝘳 𝘖𝘹𝘪𝘥𝘦) สารตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง จึงเป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญ [3]
รูปที่ 4: แกนแม่เหล็กที่เป็นหัวใจของ Levitating Dipole Fusion reactor ในรูปคือแกนของปฏิกรณ์ทดสอบ Junior
REBCO นั้นมีสภาวะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 30 - 77 Kelvin (-243°C ถึง -196°C) ซึ่งที่อุณหภูมินี้ มันจะมีสารที่มีการเปลี่ยนเฟสจากของแข็งมาเป็นของเหลวได้แก่ไนโตรเจน (-210 °C dHf 25.5 J/g) นีออน (-248.6 °C dHf 16.4 J/g) และ ไฮโดรเจน (-259.2 °C dHf 29.1 J/g) ด้วยการที่มีการเปลี่ยนสถานะอย่างการละลาย มันทำให้สารหล่อเย็นกลุ่ม ไฮโดรเจน-นีออน-ไนโตรเจน มีความสามารถคงความเย็นที่สูงกว่าฮีเลียมได้ตั้งแต่ 5 – 10 เท่า (หรืออาจมากกว่านั้น ขึ้นกับว่าจะยอมรับ dT ของการคุมอุณหภูมิได้ขนาดไหน) เตาปฏิกรณ์ของ OpenStar จะเก็บสารทำความเย็นที่เรียกว่า Slushy ซึ่งชื่อมันก็มีที่มาจากสลัชชี่ที่สั่งใน 7-11 เป็นของเหลวผสมเกล็ดน้ำแข็ง นั่นคือสารหล่อเย็นของเตา Levitating Dipole สำหรับ Slushy ที่ OpenStar ใช้เป็นตัวก๊าซนีออนล้วนเพื่อใช้ประโยชน์ของการเป็นสารอุณหภูมิการละลายเดี่ยวที่จุด Triple point ซึ่งทำให้การควบคุมอุณหภูมิมีความแม่นยำอย่างยิ่ง
ระบบเตา Levitating Dipole นี้จะมี Cycle การทำงานสลับกับหยุดเพื่อเติม Slushy ใหม่ สำหรับเตาทดสอบ Junior ของ OpenStar สามารถทดสอบเดินพลาสม่าได้ 2 ชั่วโมงต่อการหยุดแม่เหล็กกลับลงแทนเพื่อเติม Slushy 1 ครั้ง[4] ส่วนเตารุ่นต่อไป Tahi จะออกแบบให้เดินได้ต่อเนื่องนานกว่านั้น
Flux Pump
รูปที่ 5: ด้านซ้ายคือวงจร Flux Pump และด้านขวาคือตัว REBCO - Rare Earth Barium Copper Oxide ซึ่งเป็นริบบอนสารตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง
การที่แม่เหล็กลอยอยู่กลางห้องสุญญากาศของเตาปฏิกรณ์ นอกจากปัญหาท่อน้ำยาเย็นที่แก้ด้วยการใช้ HTS และ Slushy แล้ว เราก็ยังต้องการแหล่งจ่ายไฟ ซึ่ง ทาง OpenStar ใช้ Flux Pump เอาขึ้นไปอยู่บนชุดแกนแม่เหล็กมันด้วยเลย ตรงนี้ก็ขอขยายความนิดว่า แม้ HTS จะเป็น Superconductor แต่รอยต่อระหว่างตัวนำยังมีความต้านทานอยู่ กระแสไฟฟ้าในแม่เหล็กอย่างไรก็ค่อย ๆ ลดลงตามเวลา ตัว Flux Pump เป็น เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไร้สายระดับซูเปอร์คอนดักเตอร์ ด้านนอกของปฏิกรณ์จะมีขดลวดเหนี่ยวนำ ที่ทำการสลับสนามแม่เหล็กเข้าไปเหนี่ยวนำชุดเทป REBCO ทุติยภูมิในแกนแม่เหล็กให้เกิดกระแสสลับแล้วผ่านสวิทช์วงจรเปลี่ยนกระแสสลับให้เป็นไฟกระแสตรงเติมชดเชยกระแสที่สูญเสียไปในแกนแม่เหล็กของเตาปฏิกรณ์ [5]
Temperature Regulation
สำหรับปัญหา ที่อาจดูแปลก ๆ ของการออกแบบนี้คือ เรากำลังเอาแม่เหล็กที่ต้องรักษาอุณหภูมิไว้ประมาณ 25 K ไปแขวนอยู่กลางเตาปฏิกรณ์ที่พลาสมาร้อนระดับร้อยล้านองศา แค่น้ำแข็งปั่น Slushy มันจะเอาอยู่ไปได้อย่างไร?
ตรงนี้ต้องย้อนกลับไปที่คุณสมบัติ Turbulent Pinch[1] ที่กล่าวไปในตอน Inside-Out Design เพราะการเคลื่อนที่ของ Magnetic Flux Tube ในระบบ Dipole จะบีบอนุภาคและพลังงานเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูง ทำให้บริเวณที่เกิดปฏิกิริยาหนักอยู่ห่างออกมาจากแกนแม่เหล็ก ขณะเดียวกันสนามแม่เหล็กก็กั้นไม่ให้พลาสมาร้อนสัมผัสกับ Core โดยตรง ดังนั้นระบบรับความร้อนหลักของเตาจึงสามารถวางอยู่ตามผนังด้านนอก ระบบรับความร้อนนี้ก็คือตัวที่เราจะเอาไปต้มน้ำผลิตไฟฟ้าแบบโรงไฟฟ้านิวเคลียร์พิมพ์นิยมทั่วไป
สิ่งที่ตัวแกน magnetic core ต้องป้องกันคือพลังงานจาก นิวตรอน 14.1 MeV จากปฏิกิริยา Deuterium-Tritium เพราะนิวตรอนไม่มีประจุและวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กเข้าใส่ทั้งผนังด้านนอกและ Core ที่อยู่ตรงกลางได้ ซึ่ง OpenStar ก็ออกแบบหุ้ม Core ด้วย Neutron Shield จาก Tungsten และ Boron Carbide ส่วนความร้อนของพื้นผิว Shield สุดท้ายมันก็จะแผ่กลับออกไปยัง First Wall ด้านนอก
Maintenance by Design
สำหรับสิ่งที่เป็นข้อได้เปรียบที่สุดของเตาปฏิกรณ์ชนิด Levitating Dipole ต่อ Tokamak คือการที่แกนสนามแม่เหล็กเป็น Modular แยกจากห้องปฏิกรณ์ นั่นคือการซ่อมบำรุงที่สามารถใช้การสับเปลี่ยนชิ้นส่วนได้อย่างรวดเร็ว เพราะปัญหาการทำงานภายใต้พลาสมาและนิวตรอนพลังงานสูง ต่อให้เตาปฏิกรณ์มี Neutron Shield แกนแม่เหล็กก็ยังจะต้องมีความเสียหายสะสม เกิด Radiation Damage ใน REBCO อยู่ดี ในกรณีเตา Tokamak มันคือการรื้อแยกส่วน ซึ่งปัจจุบันจะใช้เวลาในหลักปี ตรงนี้ในปัจจุบันมีงานศึกษาที่จะนำหุ่นยนต์ Automation เข้ามาช่วยซ่อมบำรุงเพื่อร่นเวลาหยุดซ่อมให้สั้นลงมาที่หลักเดือนหรือหลายอาทิตย์ [6] แต่ในกรณีเตา Levitating Dipole มันคือการยก Core เดิมออกไป Refurbish แล้วเอา Core สำรองใส่กลับเข้าไป ซึ่งในเทคโนโลยีปัจจุบัน ขั้นตอนที่ยาวนานที่สุดคือการ Recharge แม่เหล็กหลังใส่กลับเข้าไป ซึ่งก็ยังน่าจะสามารถกลับมาเดินเครื่องหลังหยุดได้ภายในไม่เกินสองสัปดาห์ [7] ตรงนี้จึงเป็นความคาดหวังของผู้เขียนที่เชื่อว่าถ้าพัฒนาจนถึงระดับการผลิต ขั้นตอนการซ่อมบำรุงมันอาจจบได้เร็วกว่านั้นมาก
OpenStar Nuclear Fusion เตาปฏิกรณ์ฟิวชันแบบสนามแม่เหล็กเปิด
Tokamak Pain Point
เตาแบบ Tokamak ที่ใช้แม่เหล็กไปล้อมพลาสมา มีปัญหาสำคัญคือความซับซ้อนและยากลำบากในการซ่อมบำรุง เมื่อห้องสุญญากาศ ผนังรับนิวตรอน ระบบหล่อเย็น และอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้พลาสมาต่างถูกขดลวดแม่เหล็กขนาดใหญ่ล้อมอยู่อีกชั้น การที่ชิ้นส่วนภายในเสียหายจะต้องเป็นการรื้อเข้าไปเปลี่ยนหรือซ่อมทั้งหมด ยิ่งด้วยวิธีจัดการกับ Plasma Instability ที่มีทั้งการปรับสนามแม่เหล็กอย่างละเอียดอ่อนระบบขดลวดควบคุมสนามแม่เหล็กภายนอก และเหมือนจะมีระบบการฉีดสารแก๊สเฉื่อยร่วมกับการใช้คลื่นวิทยุจัดระเบียบเพื่อขจัดความปั่นป่วนและการปรับปรุงรูปทรงของพลาสมาร่วมด้วย การซ่อมบำรุงเตาที่มีโครงสร้างทับซ้อนกันลักษณะนี้จึงเป็นนรกในทางวิศวกรรมเลยทีเดียว
OpenStar ใช้การกลับแนวคิด จาก เอาแม่เหล็กล้อมพลาสมา เป็น เอาแม่เหล็กไปไว้ตรงกลางแล้วให้พลาสมาล้อมแม่เหล็ก โดยให้แม่เหล็กนั้นลอยอยู่ตรงกลางสนามพลาสมา ตรงนี้คือ แนวคิด 𝘓𝘦𝘷𝘪𝘵𝘢𝘵𝘦𝘥 𝘋𝘪𝘱𝘰𝘭𝘦 ที่ 𝘈𝘬𝘪𝘳𝘢 𝘏𝘢𝘴𝘦𝘨𝘢𝘸𝘢 เสนอไว้ในปี 1987 โดยเลียนแบบสิ่งที่มีในธรรมชาติเช่นสนามแม่เหล็กของโลกและดาวพฤหัสบดี ดาวเคราะห์มีแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กอยู่ด้านใน และแผ่สนามแม่เหล็กออกไปกักอนุภาคมีประจุเป็น Magnetosphere อยู่ภายนอก
โดยปกติกระแสพลาสมามีความเสี่ยงต่อการเกิดความปั่นป่วนสูง ความปั่นป่วนจะพาพลังงานและอนุภาคออกจากบริเวณที่เราต้องการกักไว้ไปสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนต่าง ๆ เป็นที่มาของระบบควบคุมอย่างละเอียดอ่อนใน Tokamak แต่ในกรณี Dipole Plasma แบบ OpenStar การเคลื่อนที่สลับกันของ Magnetic Flux Tube สามารถบีบการขนส่งอนุภาคและพลังงานเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูงได้ เป็นปรากฎการณ์ที่เรียกว่า 𝘛𝘶𝘳𝘣𝘶𝘭𝘦𝘯𝘵 𝘗𝘪𝘯𝘤𝘩 [1] ซึ่งใช้ความปั่นป่วนที่ปกติเป็นอันตรายมาเป็นส่วนหนึ่งของกลไกสร้างพลาสมาที่มีความหนาแน่นและความดันสูง
รูปที่ 3: Turbulent Pinch การเคลื่อนที่ของ Magnetic Flux Tube ทำให้อนุภาคและพลังงานถูกขนส่งเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูง เกิดพลาสมาความหนาแน่นสูงบน Flux Surface รอบแกนแม่เหล็ก ส่วนความร้อนจะแผ่ออกสู่ด้านนอก
แนวคิดนี้เคยมีการสร้างเครื่อง LDX ที่ MIT/Columbia และ RT-1 ที่ญี่ปุ่นเพื่อทดลอง Dipole Plasma จริงมาแล้ว แต่ด้วยข้อจำกัดของเทคโนโลยี 𝘏𝘪𝘨𝘩 𝘛𝘦𝘮𝘱𝘦𝘳𝘢𝘵𝘶𝘳𝘦 𝘚𝘶𝘱𝘦𝘳𝘤𝘰𝘯𝘥𝘶𝘤𝘵𝘰𝘳 (𝘏𝘛𝘚) ในสมัยนั้น แนวคิดแกนแม่เหล็กภายในยังไม่สามารถขยายไปถึงระดับเตาปฏิกรณ์ได้ ขณะที่การพัฒนา Fusion กระแสหลักยังคงมุ่งไปยัง Tokamak ซึ่งมีฐานเทคโนโลยีและการวิจัยในตอนนั้นที่พัฒนาไปไกลกว่า[2]
Levitated Dipole from HTS and Slushy
ปัญหาในเครื่องปฏิกรณ์ Levitating Dipole ที่สหรัฐและญี่ปุ่นสมัยนั้นคือการจะทำให้แกนแม่เหล็กลอยอยู่ตรงกลาง ซึ่ง ในสมัยนั้นมันยังไม่มีตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ตัวนำยิ่งยวดสมัยนั้นต้องใช้สารหล่อเย็นแบบฮีเลียมที่ทำอุณหภูมิลงมาได้ถึง 4 K (-269°C) ซึ่งถ้าไม่เติมเข้าไปต่อเนื่องระบบมันเดินเครื่องได้แป๊บเดียวก็หมดก๊อก ตรงนี้เอง การเข้ามาของ 𝘙𝘌𝘉𝘊𝘖 (𝘙𝘢𝘳𝘦-𝘌𝘢𝘳𝘵𝘩 𝘉𝘢𝘳𝘪𝘶𝘮 𝘊𝘰𝘱𝘱𝘦𝘳 𝘖𝘹𝘪𝘥𝘦) สารตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง จึงเป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญ [3]
REBCO นั้นมีสภาวะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 30 - 77 Kelvin (-243°C ถึง -196°C) ซึ่งที่อุณหภูมินี้ มันจะมีสารที่มีการเปลี่ยนเฟสจากของแข็งมาเป็นของเหลวได้แก่ไนโตรเจน (-210 °C dHf 25.5 J/g) นีออน (-248.6 °C dHf 16.4 J/g) และ ไฮโดรเจน (-259.2 °C dHf 29.1 J/g) ด้วยการที่มีการเปลี่ยนสถานะอย่างการละลาย มันทำให้สารหล่อเย็นกลุ่ม ไฮโดรเจน-นีออน-ไนโตรเจน มีความสามารถคงความเย็นที่สูงกว่าฮีเลียมได้ตั้งแต่ 5 – 10 เท่า (หรืออาจมากกว่านั้น ขึ้นกับว่าจะยอมรับ dT ของการคุมอุณหภูมิได้ขนาดไหน) เตาปฏิกรณ์ของ OpenStar จะเก็บสารทำความเย็นที่เรียกว่า Slushy ซึ่งชื่อมันก็มีที่มาจากสลัชชี่ที่สั่งใน 7-11 เป็นของเหลวผสมเกล็ดน้ำแข็ง นั่นคือสารหล่อเย็นของเตา Levitating Dipole สำหรับ Slushy ที่ OpenStar ใช้เป็นตัวก๊าซนีออนล้วนเพื่อใช้ประโยชน์ของการเป็นสารอุณหภูมิการละลายเดี่ยวที่จุด Triple point ซึ่งทำให้การควบคุมอุณหภูมิมีความแม่นยำอย่างยิ่ง
ระบบเตา Levitating Dipole นี้จะมี Cycle การทำงานสลับกับหยุดเพื่อเติม Slushy ใหม่ สำหรับเตาทดสอบ Junior ของ OpenStar สามารถทดสอบเดินพลาสม่าได้ 2 ชั่วโมงต่อการหยุดแม่เหล็กกลับลงแทนเพื่อเติม Slushy 1 ครั้ง[4] ส่วนเตารุ่นต่อไป Tahi จะออกแบบให้เดินได้ต่อเนื่องนานกว่านั้น
Flux Pump
รูปที่ 5: ด้านซ้ายคือวงจร Flux Pump และด้านขวาคือตัว REBCO - Rare Earth Barium Copper Oxide ซึ่งเป็นริบบอนสารตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง
การที่แม่เหล็กลอยอยู่กลางห้องสุญญากาศของเตาปฏิกรณ์ นอกจากปัญหาท่อน้ำยาเย็นที่แก้ด้วยการใช้ HTS และ Slushy แล้ว เราก็ยังต้องการแหล่งจ่ายไฟ ซึ่ง ทาง OpenStar ใช้ Flux Pump เอาขึ้นไปอยู่บนชุดแกนแม่เหล็กมันด้วยเลย ตรงนี้ก็ขอขยายความนิดว่า แม้ HTS จะเป็น Superconductor แต่รอยต่อระหว่างตัวนำยังมีความต้านทานอยู่ กระแสไฟฟ้าในแม่เหล็กอย่างไรก็ค่อย ๆ ลดลงตามเวลา ตัว Flux Pump เป็น เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไร้สายระดับซูเปอร์คอนดักเตอร์ ด้านนอกของปฏิกรณ์จะมีขดลวดเหนี่ยวนำ ที่ทำการสลับสนามแม่เหล็กเข้าไปเหนี่ยวนำชุดเทป REBCO ทุติยภูมิในแกนแม่เหล็กให้เกิดกระแสสลับแล้วผ่านสวิทช์วงจรเปลี่ยนกระแสสลับให้เป็นไฟกระแสตรงเติมชดเชยกระแสที่สูญเสียไปในแกนแม่เหล็กของเตาปฏิกรณ์ [5]
Temperature Regulation
สำหรับปัญหา ที่อาจดูแปลก ๆ ของการออกแบบนี้คือ เรากำลังเอาแม่เหล็กที่ต้องรักษาอุณหภูมิไว้ประมาณ 25 K ไปแขวนอยู่กลางเตาปฏิกรณ์ที่พลาสมาร้อนระดับร้อยล้านองศา แค่น้ำแข็งปั่น Slushy มันจะเอาอยู่ไปได้อย่างไร?
ตรงนี้ต้องย้อนกลับไปที่คุณสมบัติ Turbulent Pinch[1] ที่กล่าวไปในตอน Inside-Out Design เพราะการเคลื่อนที่ของ Magnetic Flux Tube ในระบบ Dipole จะบีบอนุภาคและพลังงานเข้าหาบริเวณ Plasma Pressure สูง ทำให้บริเวณที่เกิดปฏิกิริยาหนักอยู่ห่างออกมาจากแกนแม่เหล็ก ขณะเดียวกันสนามแม่เหล็กก็กั้นไม่ให้พลาสมาร้อนสัมผัสกับ Core โดยตรง ดังนั้นระบบรับความร้อนหลักของเตาจึงสามารถวางอยู่ตามผนังด้านนอก ระบบรับความร้อนนี้ก็คือตัวที่เราจะเอาไปต้มน้ำผลิตไฟฟ้าแบบโรงไฟฟ้านิวเคลียร์พิมพ์นิยมทั่วไป
สิ่งที่ตัวแกน magnetic core ต้องป้องกันคือพลังงานจาก นิวตรอน 14.1 MeV จากปฏิกิริยา Deuterium-Tritium เพราะนิวตรอนไม่มีประจุและวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กเข้าใส่ทั้งผนังด้านนอกและ Core ที่อยู่ตรงกลางได้ ซึ่ง OpenStar ก็ออกแบบหุ้ม Core ด้วย Neutron Shield จาก Tungsten และ Boron Carbide ส่วนความร้อนของพื้นผิว Shield สุดท้ายมันก็จะแผ่กลับออกไปยัง First Wall ด้านนอก
Maintenance by Design
สำหรับสิ่งที่เป็นข้อได้เปรียบที่สุดของเตาปฏิกรณ์ชนิด Levitating Dipole ต่อ Tokamak คือการที่แกนสนามแม่เหล็กเป็น Modular แยกจากห้องปฏิกรณ์ นั่นคือการซ่อมบำรุงที่สามารถใช้การสับเปลี่ยนชิ้นส่วนได้อย่างรวดเร็ว เพราะปัญหาการทำงานภายใต้พลาสมาและนิวตรอนพลังงานสูง ต่อให้เตาปฏิกรณ์มี Neutron Shield แกนแม่เหล็กก็ยังจะต้องมีความเสียหายสะสม เกิด Radiation Damage ใน REBCO อยู่ดี ในกรณีเตา Tokamak มันคือการรื้อแยกส่วน ซึ่งปัจจุบันจะใช้เวลาในหลักปี ตรงนี้ในปัจจุบันมีงานศึกษาที่จะนำหุ่นยนต์ Automation เข้ามาช่วยซ่อมบำรุงเพื่อร่นเวลาหยุดซ่อมให้สั้นลงมาที่หลักเดือนหรือหลายอาทิตย์ [6] แต่ในกรณีเตา Levitating Dipole มันคือการยก Core เดิมออกไป Refurbish แล้วเอา Core สำรองใส่กลับเข้าไป ซึ่งในเทคโนโลยีปัจจุบัน ขั้นตอนที่ยาวนานที่สุดคือการ Recharge แม่เหล็กหลังใส่กลับเข้าไป ซึ่งก็ยังน่าจะสามารถกลับมาเดินเครื่องหลังหยุดได้ภายในไม่เกินสองสัปดาห์ [7] ตรงนี้จึงเป็นความคาดหวังของผู้เขียนที่เชื่อว่าถ้าพัฒนาจนถึงระดับการผลิต ขั้นตอนการซ่อมบำรุงมันอาจจบได้เร็วกว่านั้นมาก