The Age of Nuclear Fusion Reactor :ยุคแห่งขุมพลังดวงอาทิตย์จากเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น !! (ตอนที่1)
✴️ ผมเชื่อว่าเราช่วงที่ผ่านมาเราคงได้ยินสื่อต่างๆพูดถึง "เตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น (Nuclear Fusion Reactor)" หรือบางสื่อก็ใช้คำว่าดวงอาทิตย์เทียมไปเลยก็มี คำถามคือเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นคืออะไรกันแน่ หากจะสรุปสั้นๆมันคืออุปกรณ์กำเนิดพลังงานที่เลียนแบบปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่เกิดในดวงอาทิตย์หรือเรียกว่า"ดวงอาทิตย์เทียม" ที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้นนั่นเอง โดยปฏิกิริยาฟิวชั่นจะให้พลังงานที่มากกว่าของถ่านหิน พลังงานปรมาณู และพลังงานฟอสซิลอื่นๆเมื่อเทียบต่อหน่วยเดียวกัน แถมยังสะอาด ปราศจากมลพิษและกัมมันภาพรังสีด้วยเพราะเป็นการปลดปล่อยพลังงานแฝงจากอะตอมออกมา นอกจากนี้เชื้อเพลิงสำหรับใช้ในการทำปฏิกิริยาฟิวชั่นอย่างdeuteriumและ tritium ก็มีปริมาณมากพอในน้ำทะเลของโลกส่วน tritium ก็สามารถสังเคราะห์ได้ง่ายๆในห้องทดลอง เรามีเชื้อเพลิงที่เรียกได้ว่า "อุดมสมบูรณ์" ทีเดียว แต่ปัญหาอย่างเดียวคือมันต้องใช้สภาวะที่รุนแรงในการเกิดปฏิกิริยา
พลังงานจากปฏิกิริยาฟิวชั่นของดวงอาทิตย์คือขุมพลังที่มนุษย์พยายามสร้าง
☀️☢️☢️ เราจะมาหาคำตอบกันครับว่ามันปฏิกิริยามันรุนแรงอย่างไร? โดยปกติปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่เกิดในใจกลางของดวงอาทิตย์มักเกิดจากการหลอมรวมกันของนิวเคลียส์ deuterium กับ tritium ที่เป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ซึ่งตามปกตินิวเคียส์ของพวกมันจะไม่หลอมรวมกันเนื่องจากแรงผลักจากประจุบวกของโปรตรอน จนกว่าจะเข้ามาชิดห่างกันประมาณ 10-13 เมตร (คือเกือบติดกัน) แรงผลักนิวเคลียส์ถึงจะดึงดูดให้เกิดการหลอมรวมนิวเคลียส์ (Fusion) แล้วปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมาพร้อมกับโปรตอนส่วนเกินซึ่งการจะบังคับให้เกิดแรงบีบอัดสูงขนาดนั้นสำหรับดวงอาทิตย์แล้วคำตอบคือมันใช้แรงดึงดูดและแรงกดอันมหาศาลจากมวลของมันนั่นเอง เพื่อสร้างแรงบีบอัดที่มากพอจะจุดระเบิดปฏิกิริยาฟิวชั่นที่ใจกลางดวงอาทิตย์ ( ในการคำนวณทางทฤษฎีแล้วแรงกดนี้มีค่าประมาณ 3.84 trillion psi หรือ 26.5 petapascals:PPa และ อุณหภูมิสูงประมาณ 15 ล้านองศาเซลเซียส) แล้วปลดปล่อยพลังงานมหาศาลหล่อเลี้ยงระบบสริยะของเรา เห็นมั้ยหล่ะครับว่ามันใช้ความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก ปัญหาคือมนุษย์เราจะเลียนแบบสภาวะที่รุนแรงแบบนี้ได้อย่างไร!!
ปฏิกิริยาฟิวชั่นของ deuterium กับ tritium ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องเพื่อสร้างพลังงานมหาศาล Cr. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_core
🌍🌍 เพื่อเลียนแบบปฏิกิริยาฟิวชั่นที่เกิดขึ้นนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามพัฒนาความเป็นไปได้อยู่สองแนวทางคือ [1] วิธี magnetic confinement fusion (MCF) ที่ใช้หลักการกักเก็บกักพลาสม่าที่ร้อนจัดของ deuterium กับ tritium ไว้ภายสนามแม่เหล็กแรงสูงรูปทรงโดนัทหรือทอรอยด์ (toroid) เพื่อไม่ให้มีปลายเปิดและสามารถกักพลาสมาให้วิ่งในนั้นได้นานเท่าที่ต้องการ อย่างไรก็ตามเตาปฏิกรณแบบนี้มีปัญหาที่สำคัญคือ ไม่สามารถรักษากระแสของพลาสม่าร้อนได้มากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาได้ต่อเนื่องเพราะประจุในพลาสม่าถูกบีบให้บิดเบี้ยวจากแรงลอเรนซ์ (Lorenz force)ที่ทำให้เกิดการหมุนควง (Spin) จนพลาม่าสูญเสียความร้อนและพลังงานให้กับวัสดุกักเก็บพลาสม่า นอกจากนี้โปรตรอนที่เป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยายังเป็นตัวพาความร้อนออกจากพลาสม่าอีกทางหนึ่งด้วย และในระยะยาวโปรตรอยเองก็สามารถทำลายผนังเตาปฏิกรณ์และทำลายขดลวดแม่เหล็กสำหรับทำความเย็นแก่ระบบด้วย ตัวอย่างเตาปฏิกรณ์กลุ่มนี้ที่น่าสนใจคือเตาปฏิกรณ์ฟิวชันประเภท stellarator (แปลว่าการควบคุมพลังงานของดาวฤกษ์) และ Tokamak (คำทับศัพท์ภาษารัสเชียหมายถึงรูปโดนัท)
หลักการทำงานของเตาปฏิกรณ์แบบ magnetic confinement fusion(MCF) เป็นการกักเก็บพลาสม่าที่มีอุณหภูมิถึง 100 ล้านองศาเซลเซียสภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อสร้างพลังงาน Cr. https://th.wikipedia.org/wiki/Tokamak
⚛️⚛️ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มจึงพัฒนาระบบฟิวชั่นแบบที่ [2] วิธี inertial confinement fusion (ICF) ที่ใช้หลักการในการให้ความร้อนและแรงดันมหาศาลแก่ก้อนเชื้อเพลิงขนาดเล็กภายในภาชนะปิดแล้วยิงด้วยเลเซอร์พลังงานสูงจนบังคับให้เกิดคลื่นกระแทก (Shock wave) บีบอัดก้อนเชื้อเพลิงให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นได้เช่นกัน แต่ความท้าทายของเตาปฏิกรณ์แบบนี้คือในช่วงแรกๆที่ทดลองในทศวรรษที่ 1978-80 มันให้พลังงานต่ำกว่าที่คาดไว้มากอีกด้วยปัญหาในการพัฒนาเลเซอร์พลังงานสูงจึงทำให้การพัฒนาเตาปฏิกรณ์แบบนี้พัฒนาค่อนข้างช้ากว่าแบบ MCF มาก
เตาปฏิกรณ์แบบ inertial confinement fusion (ICF) ก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการพัฒนาอย่างช้าๆจากเทคโนโลยีด้านแสงเลเซอร์ที่ก้าวหน้าในปัจจุบัน Cr. https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_confinement_fusion
🔬🔬ในปัจจุบันจึงมีการพัฒนาต้นแบบเตาปฏิกรณ์แบบ MCF มากกว่าแบบ ICF ในบทความตอนนี้เราจะกล่าวถึงตัวอย่างเตาปฏิกรณ์กลุ่มนี้ก่อนนะครับ
(1) โครงการเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor) เป็นโครงการความร่วมมือของนักวิทย์นานาชาติจาก 35 ประเทศเพื่อพัฒนาเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น Tokamak (ถูกออกแบบโดยนักวิทย์รัสเซียในช่วงทศววรษ 1960) แบบใหม่ที่ใหญ่ที่สุดในโลกในหมู่บ้าน Saint-Paul-lès-Durance ที่อยู่ใกล้กับเมือง Cadarache ทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ของฝรั่งเศส โดยปัจจุบันโครงการดำเนินการแล้วเสร็จประมาณ 40% โดยคาดว่าจะดำเนินการทดสอบได้เร็วสุดในปี ค.ศ. 2040 และเริ่มผลิตเครื่อง DEMO ในเชิงพานิชย์ภายในปี ค.ศ.2050 โดยโครงการคาดว่าพวกเค้าจะสร้างเตาปฏิกรณ์ที่ให้พลังงานถึง 10 เท่าจากพลังงานที่ใส่เข้าไปโดยใช้พลังงานประมาณ 50 MW เพื่อผลิตพลังงาน 500 MW ให่คงอยู่ประมาณ 1000 วินาที อย่างไรก็ตามในอุปกรณ์ต้นแบบมีสถิติการสร้างพลังงาน(gain) ของอุปกรณ์ฟิวชันปัจจุบันอยู่ที่ 0.67 เพราะให้พลังงานประมาณ 16 MW จากพลังงานที่รับมา 24 MW เรียกได้ว่ายังต้องปรับแก้กันอีกเยอะครับ โครงการ ITER นี้เริ่มก่อสร้างในปี ค.ศ. 2015 โดยตั้งงบประมาณเบื้องต้นไว้ที่ 175,000 ล้านบาทแต่ตอนนี้งบได้พุ่งไปที่ 800,000 ล้านบาทแล้วและมีแนวโน้มจะสูงขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งก็เป็นที่วิจารณ์ของนักการเมืองและประชาชนบางกลุ่มที่กล่าวว่ามันเป็นแค่ของเล่นของนักวิทย์และสิ้นเปลืองงบประมาณโดยเปล่าประโยชน์ ควรจะวิจัยพลังงานทางเลือกรูปแบบอื่นที่ดีและคุ้มค่ากว่า อย่างไรก็ตามทางเจ้าหน้าที่โครงการ ITER ก็ออกมาแย้งว่านี้คือหนทางเดียวที่จะรักษาโลกและสร้างพลังงานอันไร้ขีดจำกัดเพียงแต่ต้องใช้เวลา
โครงการ ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor)เป็นหนึ่งในการออกแบบเตาปฏิกรณ์แบบ tokamak ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างกันมาและคาดว่าจะเปิดทดสอบภายในปี ค.ศ. 2040 Cr.https://en.wikipedia.org/wiki/ITER
(2) โครงการเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น HL-2M tokamak ของจีนโดยทีมนักวิทยาศาสตร์จาก China National Nuclear Corporation และ the Southwestern Institute of Physics ได้ออกมาประกาศอย่างเป็นทางการในช่วงกลางเดือนนี้ว่าเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นแบบ tokamak ของพวกเขาจะเริ่มดำเนินการทดสอบภายในปี ค.ศ. 2020 อย่างแน่นอน โดยการออกแบบโครงสร้างและระบบให้ความร้อนแบบใหม่ที่เร่งอุณหภูมิให้สูงกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์ถึง 10-15 เท่า (200 ล้านองศาเซลเซียสเทียบกับ 15 ล้านองศาเซลเซียสบริเวณใจกลางดวงอาทิตย์) ซึ่งโครงการนี้เป็นหนึ่งในโครงการย่อยของ ITER ด้วยเพื่อทดสอบระบบคู่ขนานกัน
(3) โครงการเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น Wendelstein 7-X ถือเป็นเตาปฏิกรณ์ฟิวชันประเภท stellarator ที่สร้างโดยสถาบัน Max Planck Institute of Plasma Physics (IPP) ในเยอรมันนี เตาปฏิกรณ์ชนิดนี้ถูกคิดค้นครั้งแรกช่วงปี 1950-1960 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ Lyman Spitzer เพื่อชดเชยข้อเสียเปรียบของเตาแบบ MCF ในเรื่องของประสิทธิภาพในการกักเก็บพลาสม่าที่ลดลงจากการหมุนควงของประจุ ดังนั้นแล้วจึงมีแนวคืดที่จะออกแบบเตาปฏิกรณ์แบบ stellarator ให้ขดลวดและสนามแม่เหล็กมีการโค้งมนไปตามแนวการหมุนของประจุพลาสม่าแทนเพื่อควบคุมให้พลาสมาวิ่งเป็นรูปโดนัทที่บิดเป็นเกลียว ซึ่งมันจะช่วยกักเก็บและเพิ่มความเสถียรของกระแสพลาสม่าได้ดีกว่าเตา Tokamak แบบดังเดิมมาก แต่ปัญหาคือความซับซ้อนในการออกแบบขดลวดแม่เหล็กทรงโค้งของมันและการทำงานได้ผลที่ดีเยี่ยมของเตาแบบ tokamak ในช่วงปี 1970 ทำให้เตาแบบ stellarator ไม่ได้รับความสนใจ จนกระทั่งเทคโนโลยีก้าวหน้าพอที่จะคำนวณแบบและวัสดุก่อสร้างในปัจจุบันจึงทำให้มันได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน ปัจจุบัน เตาปฏิกรณ์ประเภท stellarator ไม่ได้มีแค่ที่ปีะเทศเยอรมันเท่านั้น แต่ทั่วโลกเองก็ยังมีเตาปฏิกรณ์ประเภทนี้อย่างที่ Helically Symmetric Experiment ของสหรัฐอเมริกา ที่รัฐวิสคอนซิน และเตาปฏิกรณ์ Large Helical Device ของประเทศญี่ปุ่นที่เมืองกิฟุ
💥💥 ตอนหน้าเราจะมาติดตามกันครับว่าเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่พัฒนาด้วยเทคโนโลยีแบบ inertial confinement fusion (ICF) ซึ่งดูเหมือนจะเป็นมวยรองมีพัฒนาการและความก้าวหน้าถึงไหนกันแล้ว อย่าลืมกดติดตาม blog เรานะครับเพื่อจะได้อ่านเรื่องสนุกๆในตอนต่อไปนะครับ ^^
Thank for following, Stay Curious
- 18
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
