เทคโนโลยีฟิวชั่น (Fusion technology) นี้มักถูกมองข้าม เพราะมองเห็นว่าเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่พร้อม แต่ถ้าหากจะมีความพร้อม Lawrence Livermore National Laboratory ให้ความเห็นว่าสหรัฐอเมริกาน่าจะอยู่ในสถานะที่พร้อมที่สุดที่จะเปลี่ยนความคิดนี้ ปัจจุบันสถาบันนี้มีโครงการที่จะใช้เงิน USD3,500 ล้าน หรือประมาณ 119,000 ล้านบาท เพื่อการวิจัยและพัฒนานี้
Fusion แตกต่างจาก Fission ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูในยุคปัจจุบันสร้างพลังงานใช้ Fission
ฟิชชัน (Fission) คือการแตกอะตอม (Splitting atoms apart) แต่ฟิวชัน (Fusion) คือกระบวนการที่ทำให้อะตอมรวมตัวกัน เป้าหมายคือการให้ความร้อนก๊าซไฮโดรเจนให้ร้อนกว่า 100 ล้านดีกรีเซลเซียส ซึ่งจะทำให้อะตอมผนึกเข้าหากัน แทนที่จะแตกแยกออกไป
ความร้อนที่จะใช้นี้มหาศาล แปลไม่ผิดครับ “100 million degrees Celsius”
หากนักวิทยาศาสตร์ทำสำเร็จ ผลคือจะสามารถผลิตพลังงาน 10 ล้านเท่าของปฏิกิริยาทางเคมีทั่วไป ดังเช่นการเผาถ่านหิน (Fossil fuels) และในกระบวนการนี้จะไม่มีการปล่อยคาร์บอนหรือสารกัมมันตภาพหลงเหลือออกมา
แต่ก่อนที่จะถึงจุดนั้นสมาคมระหว่างประเทศ (International consortium) ได้ใช้เงินไปแล้ว USD 20,000 ล้านหรือ 680,000 ล้านบาท ในการวิจัยและพัฒนา โครงการ International Nuclear Fusion Project หรือ ITER มุ่งเป้าหมายไปที่สร้างเครื่องปฏิกรณ์สาธิต (Demonstration reactor) ในประเทศฝรั่งเศสภายในปี ค.ศ. 2019 รัฐสมาชิกประกอบด้วยสมาชิกของสหภาพยุโรป และรวมถึงรัสเซีย ญี่ปุ่น จีน อินเดีย และเกาหลีใต้ได้เข้ามีส่วนร่วมด้วย ทั้งด้วยการจ่ายสนับสนุนให้นำทรัพยากรและทักษะทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่จะใช้ในโครงการนี้
หากทำสำเร็จ ผลที่ได้อย่างเป็นรูปธรรมในการลงทุนกับ Nuclear fusion คืออะไร? คำตอบคือ เทคโนโลยีสนามแม่เหล็ก (Magnet technology) ซึ่งใช้ในวงการแพทย์ ดังเช่น การสร้างภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (Magnetic resonance imagery) ที่จะทำให้แพทย์สามารถมองเห็นภายในสมองของมนุษย์อย่างครบถ้วน
Michael Claessens หัวหน้าฝ่ายการสื่อสารของ ITER ได้อธิบายแก่ผู้สื่อข่าวว่า เทคโนโลยี Superconducting และวัสดุศาสตร์ก้าวหน้า (Advanced materials) จะเป็นอีกสองด้านที่จะได้ประโยชน์จากเทคโนโลยีฟิวชั่นนี้
งานก่อสร้างโครงการต้นแบบของ ITER ที่จะมีขึ้นในประเทศฝรั่งเศสนี้จะใช้เงินประมาณ 13,000 ล้านยูโร หรือ 515,056 ล้านบาท ซึ่งชาติสมาชิกของ ITER ร่วมกันจ่าย คิดเป็นมูลค่าประมาณร้อยละ 1 จากงบประมาณการวิจัยและพัฒนาภาครัฐที่มีอยู่ Claessens กล่าวว่า ชาติสมาชิกทั้งหลายเห็นว่าเป็นการลงทุนที่ดี
สิ่งที่เป็นปัญหาในโลกมนุษย์นี้คือพลังงาน Fusion Technology นี้จะปลอดภัยและมีล้นเหลืออย่างเกือบไร้ขีดจำกัด และเป็นสิ่งที่ดีที่ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเหมือนการเผาไหม้ถ่าน หรือแม้แต่นิวเคลียร์ปกติที่ยังมีสารกัมมันตภาพหลงเหลืออยู่
แต่ปัญหาที่อยู่ในใจของคนที่ไม่เห็นด้วยกับเทคโนโลยีฟิวชั่นนี้ คือผลของโครงการนี้จะให้พลังงานได้มากพอกับพลังงานที่ต้องใช้เพื่อกระบวนการฟิวชั่นนี้หรือไม่
ทีมนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการทดลองด้านพลังงานครั้งประวัติศาสตร์ หลังจากที่สามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่ให้ผลลัพธ์เป็นพลังงานสุทธิ ซึ่งเป็นความก้าวหน้าสำคัญ ที่รัฐบาลสหรัฐฯ ยกย่องว่าเป็น ‘หลักชัยสำหรับอนาคตของแหล่งพลังงานสะอาดที่ไร้ขีดจำกัด’
และนี่คือสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์รูปแบบใหม่ ซึ่งในท้ายที่สุดแล้วอาจจะช่วยให้พลังงานแก่โลกของเรา และช่วยยุติการพึ่งพาพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน และถ่านหินได้
อะไรคือนิวเคลียร์ฟิวชัน และทำไมมันจึงสำคัญ?
- นิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) เป็นกระบวนการที่มนุษย์สร้างขึ้น ซึ่งจำลองพลังงานแบบเดียวกับที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป ผสมรวมกันเป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า ซึ่งเป็นกระบวนการที่สร้างพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาในรูปของความร้อน
- ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกศึกษานิวเคลียร์ฟิวชันมานานหลายทศวรรษ ท่ามกลางความหวังว่าจะสร้างมันให้เป็นแหล่งพลังงานใหม่ที่ไร้ขีดจำกัด ปราศจากคาร์บอน ปราศจากกากนิวเคลียร์ที่เกิดจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในปัจจุบัน
- นิวเคลียร์ฟิวชันนั้นไม่ต้องการเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน หรือก๊าซ และไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ซึ่งมีผลต่อภาวะโลกรวน
- โดยการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งได้รับการขนานนามว่าเป็น ‘จอกศักดิ์สิทธิ์’ ของการผลิตพลังงานนั้น ส่วนใหญ่ใช้ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นธาตุที่สามารถสกัดได้ในราคาถูกจากน้ำทะเลและลิเธียม
- นั่นหมายความว่าวัตถุดิบสำหรับการผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันจะมีเพียงพอให้ใช้ไปอีกหลายล้านปี
- โครงการนิวเคลียร์ฟิวชันส่วนใหญ่ใช้ธาตุดิวเทอเรียม (Deuterium) และทริเทียม (Tritium) ซึ่งเป็นไอโซโทป (Isotope) หรือธาตุชนิดเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันของธาตุไฮโดรเจน
- โดยดิวเทอเรียมจากน้ำเพียง 1 แก้ว ประกอบกับทริเทียมเพียงเล็กน้อย สามารถให้พลังงานไฟฟ้าแก่บ้าน 1 หลังได้ตลอดทั้งปี ขณะที่ทริเทียมนั้นหายากและค่อนข้างมีความท้าทายกว่าที่จะได้มา แม้ว่าจะสามารถสังเคราะห์ขึ้นมาได้ก็ตาม
- “มันไม่เหมือนถ่านหิน คุณต้องการไฮโดรเจนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และมันเป็นสิ่งที่มีอยู่มากที่สุดในจักรวาล ไฮโดรเจนพบได้ในน้ำ ดังนั้นสิ่งที่สร้างพลังงานนี้จึงมีไม่จำกัด และสะอาด” จูลิโอ ฟรีดมันน์ (Julio Friedmann) หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ Carbon Direct และอดีตหัวหน้านักเทคโนโลยีพลังงานของ Lawrence Livermore (ลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์) กล่าวในการให้สัมภาษณ์สำนักข่าว CNN
การประกาศความสำเร็จครั้งนี้สำคัญอย่างไร?
- กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ประกาศความสำเร็จในการสร้างประวัติศาสตร์ด้านการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชัน โดยเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ สามารถผลิตพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ได้มากกว่าพลังงานเลเซอร์ที่ใช้ในการทดลอง
- โดยสิ่งที่เรียกว่า ‘การได้รับพลังงานสุทธิ’ (Net Energy Gain) นั้นเป็นหลักชัยสำคัญในความพยายามที่มีมายาวนานหลายทศวรรษ เพื่อสรรหาพลังงานที่สะอาดและไร้ขีดจำกัดจากนิวเคลียร์ฟิวชัน
- การทดลองของทีมนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ เกิดขึ้นที่ศูนย์จุดระเบิดแห่งชาติ (National Ignition Facility) ที่ห้องทดลองแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ ในรัฐแคลิฟอร์เนีย เมื่อวันที่ 5 ธันวาคมที่ผ่านมา โดยเป็นพื้นที่ทดลองขนาดเท่าสนามฟุตบอล 3 สนาม ที่มีการติดตั้งแผงเลเซอร์จำนวน 192 ตัว
- ขั้นตอนการทดลองนั้น ทีมนักวิทยาศาสตร์จะยิงเม็ดที่บรรจุเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเข้าใส่แผงเลเซอร์ดังกล่าว และเกิดการระเบิดซ้ำอย่างรวดเร็วในอัตรา 50 ครั้งต่อวินาที ซึ่งพลังงานที่รวบรวมได้จากอนุภาคนิวตรอน (Neutron) และอัลฟา (Alpha) จะถูกดึงออกมาเป็นความร้อน
- ขณะที่ทีมนักวิทยาศาสตร์ใส่พลังงาน 2.05 เมกะจูลไปยังเป้าหมาย และได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นพลังงานฟิวชัน 3.15 เมกะจูล ซึ่งสร้างพลังงานได้มากกว่าที่ใส่เข้าไปมากกว่า 50% โดยถือเป็นครั้งแรกที่การทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันได้รับพลังงานออกมาในปริมาณที่มีความหมาย
- และแม้ว่าจะยังมีขั้นตอนอีกมาก กว่าที่จะสามารถนำพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ แต่สิ่งสำคัญสำหรับการทดลองครั้งนี้้คือผลลัพธ์ที่แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างพลังงานออกมาได้มากกว่าที่เริ่มต้นการทดลอง
- “สิ่งนี้สำคัญมาก เพราะจากมุมมองของพลังงานแล้ว มันไม่สามารถเป็นแหล่งพลังงานได้หากคุณไม่ได้รับพลังงานมากกว่าที่คุณใส่เข้าไป การพัฒนาครั้งก่อนๆ นั้นมีความสำคัญ แต่มันไม่เหมือนกับการผลิตพลังงานที่สักวันหนึ่งสามารถนำมาใช้ในระดับที่ใหญ่ขึ้นได้” ฟรีดมันน์กล่าว
นิวเคลียร์ฟิวชันต่างกับนิวเคลียร์ฟิชชันอย่างไร?
- เมื่อผู้คนนึกถึงพลังงานนิวเคลียร์ เราอาจนึกถึงหอหล่อเย็นและควันจากการระเบิดรูปเห็ด แต่นิวเคลียร์ฟิวชันนั้นแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดจากการผสมรวมของอะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไปเข้าด้วยกันกลายเป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า
- แต่นิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) นั้นตรงกันข้าม โดยเป็นกระบวนการแยกอะตอมที่ใหญ่กว่าออกเป็น 2 อะตอมที่เล็กกว่า
- นิวเคลียร์ฟิชชันเป็นพลังงานชนิดหนึ่งที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วโลกในปัจจุบัน แต่สิ่งที่คล้ายกับนิวเคลียร์ฟิวชันคือ ความร้อนที่เกิดจากการแตกตัวของอะตอมนั้นถูกใช้ในการสร้างพลังงานเช่นเดียวกัน
- ขณะที่นิวเคลียร์นั้นเป็นแหล่งพลังงานที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ แต่ก่อให้เกิดกากกัมมันตรังสีที่ระเหยง่ายและต้องจัดเก็บอย่างปลอดภัย อีกทั้งมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ซึ่งการหลอมละลายของนิวเคลียร์แม้ว่าจะเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก แต่ทุกครั้งที่เกิดขึ้นจะส่งผลลัพธ์ที่หลากหลายและร้ายแรง เช่น ที่เตาปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะและเชอร์โนบิล
- แต่นิวเคลียร์ฟิวชันไม่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยดังกล่าว และวัตถุดิบที่ใช้สร้างพลังงานก็มีครึ่งชีวิตที่สั้นกว่านิวเคลียร์ฟิชชันมาก
- ส่วนกากกัมมันตรังสีที่ผลิตโดยกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันยังมีระดับที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับนิวเคลียร์ฟิชชัน และสามารถจัดการและจัดเก็บได้ง่ายกว่ามาก
- ทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency: IAEA) เรียกการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันว่า ‘ความปลอดภัยที่แท้จริง’
- โดยการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันนั้นเป็นกระบวนการที่จำกัดตัวเอง ซึ่งหากไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ ตัวเครื่องที่ทำการทดลองจะปิดเอง
นิวเคลียร์ฟิวชันผลิตพลังงานได้อย่างไร?
- มี 2 วิธีหลักในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน แต่ทั้ง 2 วิธีมีผลลัพธ์เหมือนกันคือ การผสมรวม 2 อะตอม ที่ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมหาศาล ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตพลังงาน
- ความร้อนที่ได้นั้นสามารถใช้ทำน้ำอุ่น สร้างไอน้ำ และหมุนกังหันเพื่อผลิตพลังงานได้ เช่นเดียวกับที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันใช้สร้างพลังงาน
- แต่ความท้าทายที่ใหญ่กว่าในการควบคุมพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันคือ การรักษาพลังงานให้คงอยู่ได้นานพอที่จะให้พลังงานแก่โครงข่ายไฟฟ้าและระบบทำความร้อนทั่วโลก
- ความก้าวหน้าที่ได้ในการทดลองของนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ นั้นเป็นเรื่องใหญ่ แต่ยังผลิตพลังงานได้ในขนาดที่เล็กมาก เมื่อเทียบกับความจำเป็นสำหรับการสร้างพลังงานให้เพียงพอในการเดินเครื่องโรงไฟฟ้า 1 แห่ง
- “มันประมาณต้มน้ำ 10 กา และเพื่อที่จะเปลี่ยนเป็นสถานีพลังงาน เราจำเป็นต้องได้รับพลังงานมากขึ้น เราต้องการมากขึ้นอย่างมาก” เจเรมี ชิตเทนเดน (Jeremy Chittenden) ผู้อำนวยการร่วมศูนย์การศึกษาฟิวชันเฉื่อย (Centre for Inertial Fusion Studies) แห่งราชวิทยาลัยลอนดอน กล่าว
ก้าวต่อไปหลังจากนี้ของนิวเคลียร์ฟิวชัน
- เป้าหมายสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญในตอนนี้คือ จำเป็นต้องค้นหาวิธีผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันในปริมาณที่ใหญ่กว่าการทดลองครั้งนี้มาก
- ในขณะเดียวกันพวกเขายังต้องหาวิธีที่จะลดต้นทุนของการทำนิวเคลียร์ฟิวชันเพื่อให้สามารถใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ในที่สุด โดยชิตเทนเดนชี้ว่า ในการทดลองทุกครั้งที่ทำมาต้องใช้ทั้งเวลาและเงินจำนวนมหาศาล
- ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังจำเป็นต้องเก็บเกี่ยวพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และส่งต่อไปยังโครงข่ายพลังงานในรูปแบบกระแสไฟฟ้า
- แต่อาจต้องใช้เวลาหลายปีและอาจถึงหลายทศวรรษ ก่อนที่นิวเคลียร์ฟิวชันจะสามารถผลิตพลังงานสะอาดในปริมาณไม่จำกัด ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกก็กำลังแข่งกับเวลา เพื่อต่อสู้กับภาวะการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ
นิวเคลียร์ฟิวชันช่วยรับมือภาวะโลกร้อนได้ไหม?
- การผลิตพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างเช่นน้ำมัน หรือก๊าซ และไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกที่ก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน
- มันไม่เหมือนกับพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม โดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศที่เป็นประโยชน์ และใช้วัตถุดิบหลักคือไฮโดรเจนและลิเธียม
- หากมีการใช้นิวเคลียร์ฟิวชันผลิตพลังงานในวงกว้าง จะสามารถช่วยให้ประเทศต่างๆ ทั่วโลกบรรลุเป้าหมาย ‘Net Zero’ หรือการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ ได้ภายในปี 2050
- อย่างไรก็ตาม การขยายขนาดในการผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันที่ต้องใช้เวลาอีกหลายปี ทำให้ฟรีดมันน์เชื่อว่าผลการทดลองล่าสุดนี้จะไม่ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศได้อย่างมีความหมายในอีก 20-30 ปีข้างหน้า พร้อมทั้งชี้ว่า “นี่คือความแตกต่างระหว่างการจุดไม้ขีดไฟกับการสร้างกังหันก๊าซ”
ภาพ: Facebook / Lawrence Livermore National Laboratory
อ้างอิง:
- //edition.cnn.com/2022/12/13/us/energy-officials-announce-nuclear-fusion-climate-scn/index.html