ลิ้งค์เชื่อมต่อ

ถอดรหัส “ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น” คำตอบของพลังงานสะอาดไร้ขีดจำกัด


Energy Fusion Milestone Experiment

เมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งเพิ่งประกาศความก้าวหน้าครั้งสำคัญของการวิจัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (nuclear fusion) ที่กรุงวอชิงตัน ประเทศสหรัฐฯ โดยเป็นครั้งแรกที่มีการใช้กระบวนการทำปฏิกิริยาซึ่งสร้างพลังงานออกมาได้มากกว่าพลังงานตั้งต้น

นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลอง Lawrence Livermore National Laboratory ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ทำการยิงลำแสงเลเซอร์ที่มีพลังงานมหาศาลไปยังแคปซูลที่มีขนาดราวครึ่งหนึ่งของลูกกระสุนปืน BB ซึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยาที่สร้างพลังงานได้มากกว่าแหล่งพลังงานเดิมที่ยิงออกมาถึง 1.5 เท่า

อย่างไรก็ดี การค้นพบที่น่าสนใจครั้งนี้ยังต้องใช้เวลาอีกนานหลายทศวรรษ ก่อนที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับใช้งานทั่วไป

ถ้าหากได้รับการควบคุมและใช้ประโยชน์อย่างเหมาะสม วิธีนี้จะสามารถผลิตพลังงานในปริมาณที่เกือบไร้ขีดจำกัดและปราศจากก๊าซคาร์บอนที่จะตอบสนองการใช้งานไฟฟ้าของมนุษยชาติ โดยที่ไม่ส่งผลให้อุณหภูมิโลกสูงขึ้นหรือทำให้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศเลวร้ายลงไปกว่าที่เป็นอยู่ได้

Dr. Marvin Adams, Deputy Administrator for Defense Programs of the Department of Energy’s National Nuclear Security Administration
Dr. Marvin Adams, Deputy Administrator for Defense Programs of the Department of Energy’s National Nuclear Security Administration

มาร์วิน “มาร์ฟ” อดัมส์ รองผู้อำนวยการของสำนักงานความมั่นคงทางนิวเคลียร์แห่งชาติสหรัฐฯ กล่าวในงานแถลงข่าวว่า แม้จะมีการทดลองเช่นนี้มาแล้วหลายร้อยครั้ง แต่การทดลองครั้งล่าสุดนี้เป็นครั้งแรกที่มีการออกแบบกระบวนการที่ช่วยให้เชื้อเพลิงฟิวชั่นในแคปซูลถูกบีบอัด รักษาสถานะความร้อนและความหนาแน่นเป็นระยะเวลาที่ยาวนานเพียงพอที่จะนำไปสู่การจุดติดลุกไหม้ต่อได้ โดยปฏิกริยานี้ผลิตพลังงานได้มากกว่าพลังงานที่แสงเลเซอร์ยิงส่งเข้าไปเสียอีก

อ้างอิงตามคำอธิบายของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของอะตอมของธาตุที่มีน้ำหนักเบาคู่หนึ่ง หลอมรวมกันจนเกิดเป็นนิวเคลียสที่มีน้ำหนักของธาตุมากขึ้นกว่าเดิม และมีพลังงานส่วนเกินถูกผลิตออกมาจากกระบวนการดังกล่าว

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นแหล่งพลังงานของดาวต่าง ๆ รวมถึงดวงอาทิตย์ที่ซึ่งอุณหภูมิความร้อนที่สูงนับล้านองศาเซลเซียส ผนวกกับแรงดันที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงในดวงอาทิตย์ ก่อให้เกิดปฏิกริยาทำให้อะตอมหลอมรวมกันเกิดเป็นพลังงานนั่นเอง

นักวิทยาศาสตร์มีความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมานานแล้ว และได้จำลองกระบวนการข้างต้นทดลองบนโลกมาตั้งแต่ในช่วงปี 1930

รายงานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ระบุว่า ในปัจจุบันมีความพยายามที่จะหลอมรวมไอโซโทปไฮโดรเจนคู่หนึ่ง ได้แก่ ดูเทอเรียม (deuterium) และทริเทียม (tritium) โดยกระบวนการนี้จะปลดปล่อย “พลังงานมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชั่นส่วนใหญ่” และใช้อุณหภูมิความร้อนที่ต่ำกว่า

ศาสตราจารย์แดเนียล เเคมเมน ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานและมิติด้านสังคม ที่มหาวิทยาลัยแห่งเเคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตเบิร์คลีย์ ชี้ว่า พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอาจนำไปต่อยอดได้อย่างไร้ขีดจำกัด เมื่อมีเทคโนโลยีมารองรับในการใช้งานเชิงพานิชย์ โดยอะตอมของธาตุที่ต้องใช้ก็มีอยู่ในน้ำทะเลอยู่แล้ว อีกทั้งกระบวนการดังกล่าวยังไม่ก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสี แบบที่พบได้จากกระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชั่น (nuclear fission) ซึ่งเป็นการแบ่งแยกนิวเคลียส

แคโรลีน คูรานซ์ ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยแห่งมิชิแกนและเป็นนักฟิสิกส์ด้านการทดลองพลาสมา กล่าวเสริมว่า การสร้างพลังงานได้มากกว่าพลังงานสุทธิถือเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญอย่างยิ่ง

France Thermonuclear Reactor
France Thermonuclear Reactor

หนึ่งในวิธีที่นักวิทยาศาสตร์เคยพยายามสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่น โดยใช้เตาปฏิกรณ์โทคาแมค (tokamak) ซึ่งเป็นห้องสุญญากาศรูปทรงคล้ายโดนัทและใช้พลังงานมหาศาลจากแม่เหล็กในการเปลี่ยนเชื้อเพลิงให้เป็นพลาสมาที่มีอุณหภูมิความร้อนสูงถึงระหว่าง 150 ล้าน ถึง 300 ล้านองศาเซลเซียส จนอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น

แต่ในการทดลองครั้งล่าสุด ห้องปฏิบัติการ Livermore ใช้เทคนิคที่ต่างออกไป โดยนักวิจัยทำการยิงแสงเลเซอร์ 192 ลำแสงใส่แคปซูลขนาดเล็กที่บรรจุเชื้อเพลิงดูทีเรียมและทริเทียม

Energy Fusion Explainer
Energy Fusion Explainer

รายงานผลการทดสอบในเดือนสิงหาคม ปี 2021 ระบุว่า การทดลองครั้งนั้นสามารถผลิตพลังงานฟิวชั่นได้ 1.35 เมกะจูล ซึ่งถือว่ามากกว่าประมาณ 70% ของพลังงานที่ยิงเข้าไป อย่างไรก็ดี การทดลองที่ตามมาอีกหลายครั้งได้ผลลัพธ์ที่ลดลง แต่นักวิจัยเชื่อว่า พวกเขาสามารถระบุปัจจัยในการแก้ไขให้ดีขึ้นได้ อย่างเช่น คุณภาพของเชื้อเพลิงในแคปซูล หรือการตั้งค่าความสมมาตรของลำแสงเลเซอร์

ทั้งนี้ สเตฟานี ดีม ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์วิศวกรรม จากมหาวิทยาลัยแห่งวิสคอนซิน-เมดิสัน อธิบายว่า องค์ประกอบที่สำคัญของการสร้างปฏิกิริยานี้ไม่ใช่เรื่องของความร้อนและแรงกดดันมหาศาลเท่านั้น แต่พลังงานจากลำแสงเลเซอร์ยังต้องถูกยิงออกไปอย่างแม่นยำเพื่อที่จะก่อเกิดเชื้อเพลิงฟิวชั่น

อย่างไรก็ตาม แม้ความสำเร็จในห้องปฏิบัติการนี้จะยืนยันว่า การผลิตพลังงานฟิวชั่นนั้นเป็นไปได้จริง การพัฒนาต่อยอดไปสู่การผลิตไฟฟ้าในขั้นของโรงไฟฟ้ายังถือว่าเป็นเรื่องยากกว่ามาก

แคโรลีน คูรานซ์ ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยแห่งมิชิแกน ยกตัวอย่างให้ฟังว่า การยิงแสงเลเซอร์ในห้องปฏิบัติการนั้นสามารถทำได้เพียงไม่กี่ครั้งต่อวัน แต่ในการผลิตพลังงานเพื่อใช้งานจริง จำเป็นที่จะต้องยิงลำแสงอย่างรวดเร็วและต้องมีการบรรจุแคปซูลหลายครั้งภายในช่วงเวลา 1 นาทีหรืออาจต้องเร็วกว่านั้นด้วยซ้ำ

เจเรมี ชิทเทนเดน ศาสตราจารย์ที่เชี่ยวชาญด้านพลาสมาฟิสิกส์ จาก Imperial College กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ ชี้ให้เห็นถึงความท้าทายอีกข้อ ซึ่งก็คือ การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ โดยกล่าวว่า เลเซอร์ในห้องปฏิบัติการของ Livermore ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก ซึ่งหมายความว่า เหล่านักวิจัยจำเป็นต้องหาวิธีที่ที่จะนำไปสู่ผลลัพธ์แบบเดียวกันได้อีกเรื่อย ๆ ในแบบที่ให้ผลตอบแทนที่สูงแต่มีต้นทุนที่ต่ำกว่าให้ได้

  • ที่มา: เอพี

XS
SM
MD
LG