(มีคลิป) “ฟิวชั่น” เทคโนโลยีที่ให้ความมั่นคงทางพลังงานและแก้ปัญหาโลกร้อน

เราคงรู้กันว่าตลอดเวลา 25 ปีที่ผ่านมานี้ ประชากรโลกได้เพิ่มจำนวนอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา สถิติปี 2,000 ระบุว่า โลกมีประชากร 6,000 ล้านคน ปี 2011 ตัวเลขได้เพิ่มเป็น 7,000 ล้านคน ปี 2022 ตัวเลขเป็น 8,000 ล้านคน และในปี 2025 ผู้คนทั้งโลกจะมีจำนวนมากถึง 8,100 ล้านคน สำหรับตัวเลขจำนวนประชากรของปี 2037 และ 2058 นั้น จะเป็น 9,100 ล้านคน กับ 10,000 ล้านคนตามลำดับ แม้อัตราการเพิ่มจะน้อยลงในระยะหลัง ๆ ก็ตาม แต่ถ้าจะกล่าวโดยทั่วไปแล้ว อัตราการเพิ่มจะอยู่ที่ 0.9% ทุกปี นั่นคือ เพิ่มตั้งแต่ 70-75 ล้านคน/ปี




สถิติ ณ วันนี้ ยังแสดงให้เห็นอีกว่า อินเดียเป็นประเทศที่มีประชากรมากที่สุดในโลกแทนที่จีน สถิติเหล่านี้ยังชี้นำและตอกย้ำว่า โลกก็มีความต้องการพลังงานมากขึ้นทุกปีด้วย เช่น ในปี 2025 โลกต้องการพลังงาน 278 พันล้าน kWh หรือคิดเป็นน้ำมันดิบก็จะมีค่าเท่ากับ 13,000 ล้านตัน และพลังงานส่วนใหญ่ได้มาจากการเผาผลาญเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน 29% ถ่านหิน 25% และแก๊สธรรมชาติ 23% พลังงานหมุนเวียน (น้ำ ลม และความร้อนใต้พิภพ) 15% พลังงานชีวมวล 3% และอีก 5% ที่เหลือจากพลังงานนิวเคลียร์


เมื่อพลังงานที่ได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิลถูกใช้ไปๆ ตลอดเวลา ปริมาณสะสมที่มีในโลกจึงร่อยหรอลงทุกปี ดังนั้นนอกจากโลกจะมีปัญหาเรื่องความขาดแคลนที่มีมากขึ้น ๆ ตลอดเวลาแล้ว การเผาผลาญเชื้อเพลิงชนิดนี้ ยังทำให้เกิดผลกระทบในทางลบต่อคุณภาพของสภาพแวดล้อมและสุขภาพด้วย ด้านพลังงานหมุนเวียนก็มีข้อเสียอยู่ที่ธรรมชาติไม่มีพลังงานชนิดนี้ใช้อย่างสม่ำเสมอ ความไม่คงเส้นคงวาของพลังงาน ทำให้เราไม่สามารถไว้วางใจพลังงานรูปแบบนี้ได้ในระยะยาว ส่วนพลังงานนิวเคลียร์ก็มีปัญหาในการสร้างขยะหรือกากกัมมันตรังสี ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพ ดังนั้นจึงต้องมีการเก็บรักษาเป็นอย่างดี และต้องใช้เวลานานนับพันปี ขยะจึงจะปลอดภัย

ข้อจำกัดเหล่านี้ ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องหาแหล่งพลังงานรูปแบบใหม่คือ ควรไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ควรมีประสิทธิภาพสูง ปลอดภัย และมีให้ใช้ในปริมาณมาก ในที่สุดก็ได้พบว่า พลังงานนิวเคลียร์ คือ คำตอบสุดท้าย

แต่ก่อนจะกล่าวถึงพลังงานนิวเคลียร์ จะขอย้อนอดีตไปสู่ความรู้เรื่องพลังงานนิวเคลียร์ในรูปแบบต่าง ๆ ก่อน เพื่อให้เข้าใจความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fission กับแบบ fusion


ในปี 1938 Otto Hahn (1879-1968) กับศิษย์ชื่อ Fritz Strassmann (1902–1980) ได้ทดลองยิงนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 (U-235) ด้วยอนุภาคนิวตรอนที่มีความเร็วต่ำ และพบว่าได้มีนิวเคลียสของ barium-141 (Ba-141) เกิดขึ้น ซึ่งนิวเคลียสนี้มีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของ U-235 ประมาณครึ่งหนึ่ง

การพบเหตุการณ์ที่นิวเคลียส “หดตัวเล็กลง” นี้ เป็นเรื่องที่เหลือเชื่อ เพราะไม่มีใครหรือตำราเล่มไหนกล่าวถึงเหตุการณ์นี้เลย ดังนั้น Hahn จึงนำผลการทดลองนี้ไปปรึกษา Lise Meitner (1878-1968) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์สตรีเชื้อชาติยิว ที่กำลังลี้ภัยนาซีอยู่ที่สวีเดน Meitner กับ Otto Frisch (1904-1979) ซึ่งเป็นหลานชายของเธอ ได้ครุ่นคิดหาคำตอบสำหรับปริศนานี้ แล้วได้เสนอคำอธิบายว่า นิวเคลียสของ U-235 ซึ่งมีโครงสร้างเหมือนหยดน้ำ เวลารับอนุภาคนิวตรอนเข้าไป ได้แบ่งตัวออกเป็นสองส่วน ในทำนองเดียวกับการแบ่งตัวของตัว amoeba (อะมีบา) ดังนั้นถ้านิวเคลียสแบ่งตัวแบบ amoeba จริง ก็จะต้องมีนิวเคลียสของ krypton (Kr-92) เกิดขึ้นด้วย ตามสมการ


จะเห็นได้ว่าจากสมการข้างบน ยูเรเนียม-235 ได้แยกตัวเป็นแบเรียม-141 กับคริปทอน-92 เราเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fission

เพราะมวลของอนุภาคทั้งหมดก่อนเกิดปฏิกิริยา fission มีค่ามากกว่ามวลของอนุภาคทั้งหมดหลังปฏิกิริยา นั่นแสดงว่า มวลส่วนหนึ่งได้หายไป (m) ดังนั้นจะมีพลังงาน (E) เกิดขึ้นตามสมการ E=mc^2 เมื่อ c คือ ความเร็วแสง

Meitner ได้คำนวณพบว่า ในปฏิกิริยาที่มีนิวเคลียสยูเรเนียม-235 หนึ่งนิวเคลียส จะให้พลังงาน 3.2x10^(-11) จูล ดังนั้นถ้าใช้ยูเรเนียม-235 หนึ่งกรัม ซึ่งมี 2.56x10^21 นิวเคลียส พลังงาน E ที่เกิดขึ้นก็จะมีค่าเท่ากับดินระเบิด TNT (trinitrotoluene) ที่หนัก 18 ตัน

เมื่อ Hahn กับ Strassmann วิเคราะห์ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น ทั้งสองก็ได้พบนิวเคลียสของ krypton จริง

ในเวลาต่อมาคำพยากรณ์ของ Meitner และผลคำนวณทั้งหลาย ก็ได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้อง

ความสำเร็จนี้ทำให้ Hahn ได้รับรางวัลโนเบลเคมีปี 1944 แต่เพียงผู้เดียว ซึ่งเป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจมาก เพราะ Meitner ก็มีบทบาทมากในการพบปฏิกิริยา fission กลับไม่ได้รับรางวัล เพราะเธอเป็นผู้หญิงเชื้อชาติยิว แต่ในที่สุดเธอก็ได้รับการยกย่องว่าเป็น “มารดาของระเบิดปรมาณู” และชื่อของเธอได้ถูกนำไปตั้งเป็นชื่อของธาตุ meitnerium-109 (Mt-109) สำหรับชื่อ hahnium-105 ที่เคยตั้งตามชื่อของ Hahn นั้น ปัจจุบันได้ถูกเปลี่ยนชื่อเป็น dubnium-105 (Db-105) แล้วเรียบร้อย

นอกจากยูเรเนียม-235 ที่สามารถแสดงปรากฏการณ์ fission ได้แล้ว ธรรมชาติยังก็มีธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิดที่แสดงปรากฏการณ์ fission ได้ด้วย เช่น thorium-232, uranium-233, plutonium-239 และ plutonium-241 ด้วย แต่ U-235 เป็นเชื้อเพลิงที่สะดวกใช้มากที่สุด


ความเข้าใจในความสำคัญของปฏิกิริยา fission ได้ผลักดันให้นานาประเทศ จำนวน 33 ชาติในปัจจุบัน สร้างโรงงานไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ ดังเช่น สหรัฐอเมริกามีเตาปฏิกรณ์ 93 เตา แคนาดา 19 เตา ฝรั่งเศส 56 เตา รัสเซีย 37 เตา อังกฤษ 9 เตา จีน 55 เตา ญี่ปุ่น 10 เตา เกาหลีใต้ 25 เตา อินเดีย 22 เตา และปากีสถาน 6 เตา เป็นต้น


สำหรับประเด็นความปลอดภัยเรื่องขยะกัมมันตรังสี ที่ถูกปล่อยออกมาจากเตาปฏิกรณ์ในสภาพรังสี ซึ่งอาจทำให้ร่างกายเป็นมะเร็ง หรือเซลล์ของร่างกายเกิดการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมนั้น ก็ได้รับการป้องกันให้ปลอดภัยขึ้นตลอดเวลา หลังจากที่ได้เกิดอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Chernobyl ใน Ukraine เมื่อปี 1986 และที่โรงไฟฟ้า Fukushima ในญี่ปุ่น เมื่อปี 2011 โดยอุบัติเหตุแรกเกิดจากความบกพร่องในการทำงานของเจ้าหน้าที่ ประจำเตาปฏิกรณ์ไฟฟ้า และอุบัติเหตุหลังที่เตาปฏิกรณ์แตก เพราะได้เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวอย่างรุนแรง

ในการป้องกันอุบัติภัยเหล่านี้ วิศวกรจึงได้ติดตั้งระบบหล่อเย็นชุดสำรองให้แก่เตา เพื่อใช้ในกรณีที่ระบบทำความเย็นชุดแรกมีปัญหา เพื่อให้เตาปฏิกรณ์มีอุณหภูมิไม่สูง จนถึงขั้นหลอมเหลว พร้อมกันนั้นก็ได้สร้างกำแพงกำบังรังสีป้องกันการรั่วไหลของสารและรังสี อีกทั้งยังติดตั้งอุปกรณ์ติดตามการทำงานของเตาปฏิกรณ์ตลอดเวลา และยังได้ติดตั้งสวิตช์อัตโนมัติปิดการทำงานของเตาปฏิกรณ์ทันทีที่รู้ว่า ภัยพิบัติแผ่นดินไหวหรือคลื่นสึนามิกำลังจะเดินทางมาถึง เป็นต้น

โดยสรุป ความปลอดภัยจากการมีเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ fission ณ วันนี้จึงได้รับการพัฒนาดีขึ้นมาก แต่เตานี้ก็ยังประสบปัญหาเรื่องการมีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่ปริมาณกำลังร่อยหรอไปทุกวัน

นักฟิสิกส์จึงต้องคิดหาแหล่งพลังงานชนิดใหม่ และได้พบว่ายังมีอีกแหล่งหนึ่ง คือ พลังงานแบบ fusion ที่มีเตาปฏิกรณ์ต้นแบบ คือ ดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ห่างออกไป 150 ล้านกิโลเมตรในอวกาศ


Bethe ได้พบว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fusion ของธาตุไฮโดรเจนที่พบมากที่สุดบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ สามารถให้พลังงานได้สองรูปแบบ คือ

1. แบบวัฏจักร proton-proton (p-p cycle)
2. แบบวัฏจักร CNO (carbon-nitrogen-oxygen)

เพราะนักฟิสิกส์ได้พบว่า ถ้านับจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ (H, He, O, C, …) ที่มีบนดวงอาทิตย์แล้ว จะพบว่าไฮโดรเจนมีจำนวนอะตอมมากที่สุดถึง 90% และที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์นั้นมีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านองศาเซลเซียส อีกทั้งมีความดันที่มากถึงสองแสนห้าหมื่นล้านความดันบรรยากาศโลก




ณ ที่อุณหภูมิสูงและความดันที่สูงมากเช่นนี้ อะตอมไฮโดรเจนจะแตกตัวเป็นโปรตอนที่มีประจุ + กับอิเล็กตรอนที่มีประจุ – และอนุภาคทั้งสองชนิดนี้จะอยู่แยกกัน คือ มิได้อยู่ในสภาพของอะตอมไฮโดรเจนอีกต่อไป แต่เป็นสสารชนิดใหม่ ที่เราเรียกว่า plasma ซึ่งมีทั้งไอออนบวกกับอิเล็กตรอนลบ ครั้นเมื่อมีความดันที่มากมหาศาลมากระทำที่โปรตอน จะทำให้ proton 4 อนุภาค หลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสของ helium กับอนุภาคอื่น ๆ ก็จะให้พลังงานดังปฏิกิริยา


แต่ในกรณีของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ คือ ตั้งแต่ 1.3 เท่าขึ้นไป การหลอมรวมนิวเคลียสของ hydrogen ก็สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน โดยอาศัย carbon (C-12) nitrogen (N-14) และ oxygen (O-16) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)

ความคิดของ Bethe ในประเด็นเหล่านี้ ทำให้เราเข้าใจธรรมชาติและบทบาทของดาวฤกษ์ในการแผ่พลังงาน และในเวลาเดียวกัน องค์ความรู้บริสุทธิ์นี้ก็ชี้บอกหนทางให้เรานำความรู้นี้มาใช้ให้เป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติได้ ถ้าเราสามารถสร้างความดันและอุณหภูมิที่มากมหาศาลในห้องทดลองบนโลกได้ แล้วเราก็จะมีพลังงานใช้กันอย่างไม่มีที่สิ้นสุด

ผลงานนี้ ทำให้ Bethe ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1967

ปัจจุบันนี้ เทคโนโลยีการสร้างพลังงานแบบ fusion สามารถกระทำได้ (และกำลังดำเนินการอยู่) สองรูปแบบ คือ








เมื่อใดก็ตามที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fusion สร้างพลังงานได้มากกว่าพลังงานที่เราใส่เข้าไป นักวิชาการเรียกขั้นตอนของปฏิกิริยาว่า ได้เกิดการจุดติด (ignition) แล้ว

สถิติของพลังงานแบบ fusion ที่เกิดจากเตาแบบ ICF ได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 5 ธันวาคม ปี 2022 เมื่อพลังงานที่ใส่เข้าไปมีค่า 2.05 megajoules และได้พลังงานออกมา 3.15 megajoules ภายในเวลา 10^(-9) วินาที ดังนั้นถ้าค่า gain ของปฏิกิริยาจึงเท่ากับ 3.15/2.05=1.54

การทดลองในช่วงหลัง ๆ นี้ ก็ยังไม่มีการเพิ่มค่า gain อย่างมีนัยยะสำคัญเลย และเวลาที่เกิด fusion 5.2 วินาทีนั้น ก็ยังไม่นานเพียงพอ ที่จะนำไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้

ห้องปฏิบัติการที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่ที่ NIF (National Ignition Facility) ที่อเมริกากับที่ Laser Mégajoule (LMJ) ที่ฝรั่งเศส และที่ Shenguang Laser Facility ในจีน


(2) แบบที่สอง คือ แบบ Magnetic Confinement Fusion (MCF) ที่มีสนามแม่เหล็ก ซึ่งมีความเข้มสูงมาก มาสร้างขวดแม่เหล็ก (magnetic bottle) เพื่อกักเก็บ plasma ที่ร้อนระดับ 150 ล้านองศาเซลเซียส ให้ลอยอยู่ใน “ขวด” โดยไม่ให้ plasma ร้อน แตะสัมผัสผิวขวด เพราะจะทำให้ผิวละลาย และปฏิกิริยา fusion จะหยุด นอกจากนี้ผนังจะต้องแข็งแรงมาก เพราะต้องสามารถต่อต้านความดันที่สูงระดับร้อยล้านความดันบรรยากาศโลกได้


หน่วยงานที่ใช้เทคโนโลยีนี้ คือ ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ซึ่งตั้งอยู่ที่เมือง Cadarache ในฝรั่งเศส ที่ได้เริ่มก่อสร้างมาตั้งแต่ปี 2010 โดยมี “ขวด” บรรจุ plasma เป็นรูปโดนัท (donut) ที่มีชื่อเรียกในทางวิชาการว่า tokamak คำนี้ ในภาษารัสเซียแปลว่า ท่อรูปโดนัทที่มีขดลวดพันโดยรอบ โครงการ ITER มี 37 ประเทศเข้าร่วมวิจัย เช่น สหรัฐฯ รัสเซีย สหภาพยุโรป จีน ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ อินเดีย ฯลฯ

ตามข้อตกลง สมาชิกในโครงการ ITER ทุกชาติจะต้องแชร์ความรู้ทางเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ร่วมกัน และต้องออกเงินสร้างอุปกรณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ในประเทศของตนถนัดมาก นั่นคือ เงินสร้างชิ้นส่วนต่าง ๆ จะกลับคืนสู่ประเทศผู้สร้าง สหภาพยุโรปได้ลงทุนไปในโครงการนี้ประมาณ 45% ของงบประมาณทั้งหมด ส่วนจีน อินเดีย ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย และอเมริกา ได้ลงทุนไปประมาณประเทศละ 9% ตามเงื่อนไขนี้ นักวิจัยในสหรัฐอเมริกา จะมีหน้าที่สร้างขดลวด solenoid ตัวหลัก โดยใช้ลวดตัวนำยวดยิ่งที่ทำด้วย Nb3Sn (niobium tin) ในการพันท่อโดนัท นักวิทยาศาสตร์รัสเซียจะสร้างแม่เหล็กที่หนัก 120 ตัน ซึ่งมีลวดตัวนำยวดยิ่ง ที่ทำด้วย NbTi (niobium titanium) และอินเดียก็มีหน้าที่ผลิต helium เหลว ปีละ 25 ตัน ที่ใช้ในการหล่อเย็นท่อโดนัท เป็นต้น


ในภาพรวม ITER จะมีแท่งแม่เหล็กหนัก 10,000 ตัน ซึ่งใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งยาว 100 ล้านเมตร ในการพันท่อ เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาค (ทั้งไอออนและอิเล็กตรอน) ให้อยู่ภายในท่อ tokamak และให้หลอมรวมกัน โดยการใช้คลื่น microwave ให้ความร้อนแก่พลาสมา จนมีอุณหภูมิสูงถึง 10 เท่าของอุณหภูมิที่ใจกลางดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแท่งแม่เหล็กที่สูง 18 เมตร และหนัก 1,000 ตัน จะสร้างสนามที่มีความเข้ม 13 Tesla (คือ มากประมาณ 280,000 เท่าของความเข้มสนามแม่เหล็กโลก) อุปกรณ์ภายนอกท่อจะทำงานที่อุณหภูมิ 4.5 องศาเคลวิน (ลองคิดดูคร่าว ๆ ในขณะที่อุณหภูมิภายในท่อโดนัท สูงถึง 150 ล้านองศาเคลวิน และอุณหภูมิที่ผิวท่อจะต่ำถึง 5 องศาเคลวิน) ความแตกต่างที่มากเช่นนี้ โครงการ ITER จึงจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีระดับสูงลิบลิ่ว

ดังนั้นจึงไม่เป็นที่ไม่น่าจะแปลกใจที่จะรู้ว่า จากนักวิจัยจำนวนหมื่นที่ทำงานอยู่ใน 3 ทวีป (อเมริกา ยุโรป และเอเชีย) เป้าหมายของโครงการ ITER ก็ยังไม่บรรลุผล แม้จะได้ลงทุนไปแล้วถึง 2 ล้านล้านบาท และจะต้องลงทุนอีก 1 ล้านล้านบาท จึงจะได้ผล เพื่อสร้างโรงไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยา fusion ในขวดแม่เหล็ก

คาดว่าในปี 2035-2040 fusion จะเป็นเทคโนโลยีที่สร้างความมั่นคงทางพลังงานให้แก่โลก และแก้ปัญหาโลกร้อนได้ในเวลาเดียวกันด้วย


อ่านเพิ่มเติมจาก Szondy, David (5 December 2023). "World's largest tokamak fusion reactor powers up". New Atlas. Retrieved 1 January 2024.


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์