พลังงานฟิวชัน

การทดลองฟิชชั่นแบบแม่เหล็ก Joint European Torus (JET) ในปี 1991

พลังงานฟิวชัน (อังกฤษ: Fusion power) คือพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ปฏิกิริยาชนิดนี้เกิดจากการที่นิวเคลียสของอะตอมธาตุเบาหลอมตัวเข้าด้วยกัน และได้นิวเคลียสที่หนักกว่าเดิมและมีเสถียรภาพมากขึ้น มวลของธาตุเบาที่รวมกันจะหายไปเล็กน้อยซึ่งส่วนที่หายไปนั้นเองได้เปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานตามสมการ ${\displaystyle E=mc^{2}}$ กระบวนการนี้ได้ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา

พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่แผ่ออกไปในระบบสุริยะเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ชนิดนี้ ซึ่งต้องอาศัยความร้อนที่อุณหภูมิสูงนับล้านองศาเซลเซียส และมาจากการรวมนิวเคลียสของไฮโดรเจน 2 อะตอม ได้เป็นฮีเลียม 1 อะตอม โดยเกิดขึ้นบริเวณแกนกลางของดวงอาทิตย์

มนุษย์พยายามที่จะสร้างพลังงานนี้โดยการรวมไฮโดรเจน 2 อะตอม (ดิวเทอเรียมกับทริเทียม)เป็นฮีเลียม 1 อะตอม โดยพลังงานต่อมวลของปฏิกิริยานี้มากกว่ากระบวนการฟิชชันมาก อีกทั้งผลิตผลจากปฏิกิริยานี้จะไม่เป็นสารกัมมันตรังสี

การทดลองที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันคือการทดลองที่ Joint European Torus (JET) ปี ค.ศ. 1997 JET ได้สร้างพลังงานฟิวชั่นขึ้นได้ขนาด 16.1 เมกกะวัตต์ (65% ของพลังงานที่ใส่เข้าไป) โดยที่สามารถรักษาระดับพลังงานฟิวชั่นสูงกว่า 10 เมกกะวัตต์ได้นานกว่า 0.5 วินาที

หลักการทำงาน

พลังงานยึดเหนี่ยวสำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่แตกต่างกัน Iron-56 มีพลังงานสูงสุดทำให้มีความเสถียรสูงสุด, นิวเคลียสที่อยู่ทางซ้ายของ Iron-56 มักจะปลดปล่อยพลังงานเมื่อรวมตัว (ฟิวชั่น); ส่วนที่อยู่ทางขวามักจะไม่เสถียรและปลดปล่อพลังงานเมื่อเกิดการแยกกัน  (ฟิชชั่น)

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของอะตอมสองตัวหรือมากกว่า เข้ามาใกล้กันมากพอจนทำให้ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (Strong interaction) ดึงมันเข้าด้วยกัน มากกว่าที่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic interaction) จะผลักมันออกจากกัน ทำให้นิวเคลียสรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่กว่า และการรวมตัวนี้จะปลดปล่อยพลังงานออกมาหากนิวเคลียสเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า Iron-56 (หากเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า Iron-56 จะต้องแยกนิวเคลียสออกจากกันเพื่อปลดปล่อยพลังงาน เรียกกว่าปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิชชั่น)

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม นั้นมีผลในระยะทางที่สั้นมากๆ (ระดับ femtometer) ในขณะที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีผลในระยะที่ไกลกว่า ในการที่จะเกิดฟิวชั่นได้อะตอมที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงต้องได้รับพลังงานจลน์มากพอที่จะก้าวข้ามกำแพงคูลอมบ์ วิธีที่จะได้พลังงานจลน์มากพอเช่น เครื่องเร่งอนุภาคหรือการให้ความร้อนจนอุณหภูมิสูง

ต่อให้มีการให้ความร้อนจนอุณหภูมิสูงแล้ว โอกาสที่เชื้อเพลิงจะเกิดฟิวชั่นก็ยังน้อยมากเนื่องจากโอกาสที่นิวเคลียสจะกระจัดกระจายกันนั้นมากกว่า ฉะนั้นเชื้อเพลิงจึงต้องถูกตรึงให้อยู่ใกล้กันให้นานมากเกินพอ เพื่อให้นิวเคลียสมีโอกาสชนเข้ากับนิวเคลียสอื่น นอกจากนี้การเพิ่มความหนาแน่นให้กับเชื้อเพลิงก็เพิ่มโอกาสเกิดฟิวชั่นได้เนื่องจากนิวเคลียสจะชนกันมากขึ้นในเวลาที่น้อยลง โดยสรุปการจะเกิดฟิวชั่นได้ต้องมีการรวมกันของสามปัจจัยคือ พลังงาน (อุณหภูมิ) ความหนาแน่นของเชื้อเพลิง และ เวลาในการตรึงเชื้อเพลิง

เมื่ออะตอมได้รับความร้อนจนทำให้มีพลังงานมากกว่าพลังงาน  Ionization อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมเหลือแค่นิวเคลียสของมันทิ้งไว้ กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการ Ionization และนิวเคลียสเปล่าที่เหลืออยู่เรียกกว่าไอออน ผลของกระบวนการนี้ทำให้เกิดกลุ่มก้อนของไอออน และอิเล็กตรอนอิสระที่เรียกว่า พลาสม่า ซึ่งพลาสม่านั้นควบคุมได้ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นหลายแบบจึงใช้ความสามารถในการควบคุมพลาสม่าด้วยแม่เหล็กนี้ในการตรึงอนุภาคไว้ในขณะที่ให้ความร้อน

ในปัจจุบัน เทคนิคการสร้างฟิวชชั่นมีสองแบบใหญ่ๆ คือ แบบ Magnetic confinement ซึ่งเป็นการสร้างพลาสม่าและตรึงไว้ในแบบที่กล่าวไปข้างต้น และ แบบ Inertial confinement ซึ่งเป็นการใช้เลเซอร์ในการบีบอัดและให้ความร้อนกับเชื้อเพลิง ซึ่งเทคนิคที่มีการระดมทุนและดูเป็นไปได้มากที่สุดในตอนนี้คือ Magnetic confinement ในรูปแบบที่เรียกว่า Tokamak ซึ่งเป็นการตรึงพลาสม่าไว้ในรูปทรงที่เรียกว่า Torus แต่ในตอนนี้ยังไม่มีเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นไม่ว่าจะใช้เทคนิคหรือประเภทไหนที่สามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไป

อันตราย

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นเมื่อพังจะไม่เกิดอันตรายคล้ายกับฟิชชั่น^[1] เนื่องจากเตาฟิวชั่นจะสร้างฟิวชั่นได้นั้นต้องใช้อุณภูมิ ความดันและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แม่นยำสูงมาก อุปกรณใดๆก็ตามที่สูญเสียการควบคุมจะทำให้ปฏิกิริยาฟิวชั่นหยุดการทำงานทันที^[2]

พลาสม่าในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นมีเชื้อเพลิงอยู่แค่ไม่กี่กรัม^[3] เมื่อเทียบกับเตาฟิชชั่นซึ่งมีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับก่อฟิชชั่นได้เป็นเดือนหรือปีโดยที่ไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงเพิ่ม และเชื้อเพลิงที่มากนี้ทำให้เมื่อโรงงานฟิชชั่นเกิดอุบติเหตุจะเกิดการหลอมเหลวของเตาขึ้นและเป็นอันตรายมาก^[4]

เตาฟิวชั่นแบบ Magnetic containment มีสนามแม่เหล็กอย่างเข้มในขดลวดที่ตรึงไว้กับโครงสร้างของเตาปฏิกรณ์ หากโครงสร้างนี้พังลงอาจเกิดการปลดปล่อยความเครียดสูง (Tension) จนเกิดการระเบิดของแม่เหล็กออกมาข้างนอก คล้ายกับอุบัติเหตุการระเบิดของเครื่อง MRI แต่ก็สามารถป้องกันได้หากเตาฟิวชั่นอยู่ในอาคารกักกันคล้ายกับของฟิชชั่น

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

เตาฟิวชั่นสร้างกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่าฟิชชั่นมากๆ เตาฟิชชั่นนั้นสร้างกัมมันตภาพรังสีซึ่งปลดปล่อยรังสีเป็นพันๆปีในขณะที่กัมมันตภาพรังสีจากฟิวชั่นนั้นคือตัวแกนของเตาเท่านั้นและส่วนใหญ่จะปล่อยกัมมันตรังสีเพียงแค่ 50 ปี

ชนิดของเชื้อเพลิง

ฟิวชั่นของดิวเทอเรียมและทริเทียมเกิดเป็นฮีเลียม-4,ปลดปล่อยนิวตรอนและพลังงาน 17.59 MeVออกมาเป็นพลังงานจลน์ซึ่งได้มาจากมวลที่หายไปตามสมการ E = ∆mc²

เชื้อเพลิงที่ใช้ในเตานิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นส่วนใหญ่จะเป็นธาตุเบา เช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจนอย่างโปรเทียม หรือ ดิวเทอเรียมและทริเทียม ปฏิกิริยาของดิวเทอเรียมและฮีเลียม-3 ต้องการฮีเลียม-3 ซึ่งเป็นไอโซโทปของฮีเลียมที่หายากในโลกมาก จนจำเป็นที่จะต้องไปขุดที่นอกโลกเช่นผิวของดวงจันทร์ หรือไม่ก็สร้างขึ้นมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นๆ นักวิจัยจึงพยายามที่จะทำปฏิกิริยาระหว่างโปรเทียมและโบรอน-11 เนื่องจากเป็นปฏิกิริยาที่ไม่ผลิตนิวตรอนโดยตรง ปัจจุบันปฏิกิริยาที่สร้างง่ายที่สุดคือของดิวเทอเรียมและทริเทียมเพียงแต่มีข้อเสียคือทริเทียมอาจหลุดและส่งผลต่อสภาพแวดล้อมได้

กำลังการผลิต

หนึ่งกิโลกรัมของเชื้อเพลิงฟิวชั่นสามารถให้พลังงานได้เทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล 10 ล้านกิโลกรัม

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

ให้พลังงานสูง - พลังงานที่ได้จากนิวเคลียร์ฟิวชั่น นั้นมากกว่าพลังงานที่ได้จากการเผาฟอสซิลถึง 10 ล้านเท่า ทำให้เชื้อเพลิงที่ต้องการในโรงงานนิวเคลียร์นั้นน้อยกว่า เชื้อเพลิงในโรงงานไฟฟ้าปกติมาก

แหล่งเชื้อเพลิงที่ยั้งยืน - เชื้อเพลิงหลักของนิวเคลียร์ฟิวชั่นคือ deuterium ซึ่งหาได้มากจากมหาสมุทร หรือแม้แต่ส่วนประกอบอื่นๆก็สามารถสร้างหรือหาได้ง่าย

ค่าใช้จ่ายน้อย - หากทำสำเร็จ มีการประมาณการไว้ว่าพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นจะมีค่าประมาณ 0.03 USD ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ทำให้นิวเคลียร์ฟิวชั่นจะเป็นแหล่งพลังงานที่ถูกที่สุดที่มนุษย์เคยค้นพบ

มีความเสี่ยงต่ำ - โรงงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นหากเกิดการผิดพลาดเกิดขึ้น พลาสม่าในเตาปฏิกรณ์จะดับลงไป และปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นจะหยุดลงเองโดยไม่ก่อความเสียหายใดๆ นอกจากนี้โรงงานฟิวชั่นยังไม่ปล่อยกัมมันตรังสีรุนแรงเหมือนของฟิชชั่นอีกด้วย

ข้อเสีย

โรงงานมีค่าใช้จ่ายสูง - พลังงานที่ได้จากฟิวชั่นอาจราคาแค่ 0.03 USD ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง แต่นั้นยังไม่ได้รวมถึงค่าก่อสร้างที่จำเป็นในการสร้าง infrastructure ต่างๆที่จำเป็นในการสร้างโรงงานฟิวชั่น การลุงทุนสร้างโรงงานอาจใช้งบประมาณมากถึงล้านล้านดอลล่าหากต้องการใช้ในระดับ Global

ใช้พลังงานสูง - พลังงานที่ใช้ในการรวมกันของอะตอมนั้นสูงมาก พลังงานที่ได้จากฟิวชั่นนั้นมากกว่าพลังงานที่ใช้ในการเกิดฟิวชั่นไปนิดเดียว และด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันการทำให้ได้พลังงานมากกว่าที่ใส่เข้าไปก็ยังเป็นไปไม่ได้

ดูเพิ่ม

• ปฏิกิริยานิวเคลียร์
• ระเบิดนิวเคลียร์แฟตแมน
• เจ็ท (พลังงานฟิวชั่น)
• Tokamak

อ้างอิง

1. McCracken, G. M. (2013). Fusion : the energy of the universe. P. E. Stott (2nd ed.). Waltham, MA: Academic Press. ISBN 978-0-12-384656-3. OCLC 784573591.
2. Berry, Jan (2012-02-01). "ITER TCWS Conceptual Design Chit Resolution Report".
3. McCracken, G. M. (2013). Fusion : the energy of the universe. P. E. Stott (2nd ed.). Waltham, MA: Academic Press. ISBN 978-0-12-384656-3. OCLC 784573591.
4. Angelo, Joseph A. (2004). Nuclear technology. Westport, Conn.: Greenwood Press. ISBN 0-313-05907-1. OCLC 61253172.