Nuclear Fusion Update 2025
เราใกล้แค่ไหนแล้วกับการมีพลังงานสะอาดในอุดมคติให้ได้ใช้กัน?
เอาข่าวดีกันก่อนเลยกับการทำสถิติใหม่ในการเดินเครื่อง Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) เตาปฏิกรณ์โทคาแมครุ่นของจีนในการสร้างและคงสภาพพระอาทิตย์เทียมไว้ได้เป็นเวลาต่อเนื่องยาวนานทำสถิติที่ 1,006 วินาที(ด้วยอุณหภูมิแกนกลางของพลาสม่าที่ 180 ล้านองศา ทำลายสถิติเดิมในการ เดินเครื่องต่อเนื่องไว้ที่ 403 วินาที)
ถือว่าเป็นความก้าวหน้าสำคัญในการก้าวผ่านหมุดหมาย 1,000 วินาทีกับการสร้างและคงสภาพพลาสม่าร้อนแบบเดียวกับที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ได้อย่างมีเสถียรภาพเพื่อก้าวสู่การสร้างพระอาทิตย์เทียมไว้เป็นแหล่งพลังงานให้กับมนุษย์ชาติในอนาคต
ภาพบรรยากาศในห้องควบคุมเตา EAST ขณะผ่านการทดสอบสำคัญ
แต่คำถามคือเราใกล้กับการมีพลังงานฟิวชั่นแล้วหรือยัง?
ความคืบหน้าของโครงการ ITER กับการก่อสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นต้นแบบสำหรับการเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ ซึ่งเป็นหนึ่งในโครงการความร่วมมือด้านวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติที่ใช้เวลาพัฒนายาวนานและใช้เงินลงทุนมหาศาล โดยริเริ่มแผนมาตั้งแต่ปี 2005 ก่อนเริ่มการก่อสร้างในปี 2013 มาจนถึงปัจจุบันก็ยังอยู่ในระหว่างการก่อสร้าง
ITER มีแผนเริ่มทดสอบเดินเครื่องในปี 2035 แต่สถานะปัจจุบันโครงการมีความล่าช้ากว่าแผนทำให้แผนเริ่มเดินเครื่องถูกเลื่อนไปเป็นปี 2039
กว่า 9 ปีแล้วที่ ITER เริ่มก่อสร้างแต่ปัจจุบันก็ยังไม่แล้วเสร็จและคงต้องใช้เวลาอีกเป็น 10 ปีกว่าจะได้เดินเครื่อง
ดังนั้นแล้วกว่าที่เราจะมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ใช้เตาปฏิกรณ์โทคาแมคผลิตไฟฟ้าสะอาดให้เราได้ใช้กัน จากที่เคยคิดกันไว้ว่าภายในปี 2050 ก็อาจจะช้าออกไปอีก ยกเว้นว่าจะมีเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นรูปแบบอื่นพัฒนาได้สำเร็จก่อน
ทำไมการพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชั่นถึงได้ดูเชื่องช้าขนาดนี้ทั้งที่เรามีความรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์นิวเคลียร์มาร่วมศตวรรษแล้ว
ตอบสั้น ๆ ก็คือมันยาก ยากมาก ๆ ครับ กับการสร้างและควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบหลอมรวมนี้ ยังมีหลายเรื่องที่เราต้องศึกษาทำความเข้าใจเกี่ยวกับนิวเคลียร์ฟิวชั่น
และเจ้าเตาโทคาแม็คที่กระจายตัวตามศูนย์วิจัยต่าง ๆ ทั่วโลกอย่างเตา EAST ก็ถูกสร้างขึ้นมาก็เพื่อให้เรามีองค์ความรู้เพียงพอที่จะสร้างดวงอาทิตย์เทียมให้เราเก็บเกี่ยวพลังงานมาใช้ได้นี่เอง ซึ่งก็จะขอมา Update ความก้าวหน้าในช่วงปีที่ผ่านมา
สำหรับนิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นหลักการพื้นฐานคือการหลอมรวมธาตุที่มีมวลอะตอมน้อยให้กลายเป็นธาตุใหม่โดยหลังการรวมกันจะมีมวลส่วนหนึ่งหายไปซึ่งเจ้ามวลที่หายไปนั้นก็จะกลายไปเป็นพลังงานตามสมการ E=MC2 นั่นเอง
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในธรรมชาติเกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของกลุ่มก้อนก๊าซไฮโดรเจนที่เมื่อรวมกลุ่มกันจนมีค่ามวลเกินค่าวิกฤติก็จะสร้างสภาวะที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นมาเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ และก็จะสร้างสมดุลย์ระหว่างแรงดันที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์กับแรงยุบตัวจากโน้มถ่วงจนกว่าเชื้อเพลิงจะหมดลง
ในดาวฤกษ์แต่ละดวงจะมีการต่อสู้กันระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงดันที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นภายในดาว
สำหรับมนุษย์เรานั้นการจะสร้างสภาวะที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นขึ้นได้นั้นจำต้องใส่พลังงานตั้งต้นให้กับเชื้อเพลิงซึ่งก็คือไฮโดรเจน ในการเปลี่ยนให้เชื้อเพลิงอยู่ในสถาวะพลาสม่าลุกจ้า ซึ่งไม่ใช้การเผาไหม้แต่เป็นการทำให้อะตอมของเชื้อเพลิงอยู่ภายใต้แรงดันและอุณหภูมิสูงยิ่งยวดและอะตอมเหล่านั้นมีพลังงานมากพอที่จะวิ่งชนและหลอมรวมกันเป็นธาตุใหม่ได้
ปัจจุบันก็มีหลากหลายเทคนิควิธีที่เราคิดค้นพัฒนาขึ้นมา โดยหนึ่งในแนวทางหลักที่มุ่งพัฒนากันอยู่ก็คือการใช้เตาปฏิกรณ์โทคาแม็ค Tokamak เตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นซึ่งจะสร้างพลาสม่าลุกไหม้ขังไว้ในห้องสูญญากาศรูปทรงโดนัท
ส่วนประกอบและภาพภายในเตาขณะเดินเครื่อง
ปัจจุบันมีเตาปฏิกรณ์โทคาแมคเดินเครื่องวิจัยกระจายอยู่ในหลายประเทศทั่วโลก ประเทศไทยเราเองก็มีเตาโทคาแม็ค ซึ่งอยู่ภายใต้การดูแลของสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (สทน.) และไทยเราก็ได้เป็นส่วนหนึ่งในการรับถ่ายทอดองค์ความรู้ด้านนิวเคลียร์ฟิวชั่นมีการส่งคนเข้าร่วมในโครงการ ITER ด้วย
เตาปฏิกรณ์ของโครงการ ITER ก็ถูกสร้างขึ้นมาบนหลักการพื้นฐานนี้ ซึ่งการสร้างพลาสม่าลุกจ้าเพื่อให้มันปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าที่ใส่เข้าไปโดยยังคงสภาพไว้ได้อย่างต่อเนื่องเพื่อให้เราเก็บเกี่ยวพลังงานมาใช้นั้นคือความท้าทายที่เรายังคงต้องหาทางกันต่อไป
ซึ่งจากข้อมูลการเดินเครื่องเตาโทคาแมคที่ผ่านมาเราได้เจอกับปัญหาและความท้าทายมากมาย หนึ่งในนั้นก็คือการเสื่อมสภาพของผนังเตาที่แม้จะใช้วัสุดทนความร้อนอย่างดีแล้วแต่ก็ยังเกิดความเสียหายมากกว่าที่เราคิดไว้
ผนังเตาคอยกักเก็บพลาสม่าลุกจ้าไว้ให้เราเก็บเกี่ยวพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชั่น
ทีมนักวิจัยจากทั่วโลกต่างก็นำข้อมูลเหล่านี้มาวิเคราะห์และทำความเข้าใจ จนในที่สุดก็พบว่าความเสียหายต่อผนังเตานั้นเกิดจากอนุภาคพลังงานสูงจากปฏิกิริยาฟิวชั่นที่เรียกว่า supra-thermal ions ซึ่งเป็นอนุภาคไอออนพลังงานสูงที่ช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในพลาสม่าที่ลุกไหม้
แนวการวิ่งของลำไอออนพลังงานสูงที่วิ่งวนอยู่ในเตาโทคาแมค
แต่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยามากเกินไปก็ไม่ดีเพราะพลังงานที่ปลดปล่อยออกมามากเกินควบคุมก็จะทำความเสียหายให้กับตัวเตาปฏิกรณ์
ซึ่งการวิ่งวนของลำไอออนพลังงานสูงที่อยู่ในเตาปฏิกรณ์นี้ส่งผลให้เกิดบริเวณที่เรียกว่า edge-localized modes (ELMs) ซึ่งพลาสม่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่ทำให้แรงดันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเกิดเป็นการปะทุของลำพลาสม่าเข้าไปเลียผนังเตาจนเกิดความเสียหาย
ปรากฎการณ์ ELMs นี้เปรียบเหมือนกับการเกิดเปลวสุริยะบนดวงอาทิตย์และเกิดเป็นการการลุกจ้าและพ่นมวลออกมาจากดวงอาทิตย์
แนวการวิ่งของลำไอออนพลังงานสูงซึ่งเมื่อเสียการควบคุมก็จะเกิดจากลุกจ้าบริเวณด้านล่างของเตาซึ่งทำให้เกิดความร้อนสูงจนวัสดุหุ้มเตาเสียหาย
การจะทำความเข้าใจปรากฏการณ์นี้ได้เราต้องรู้ถึงสาเหตุและกลไกการเกิดไอออนพลังงานสูงเหล่านี้ก่อน
โดยทีมนักวิจัยจากจีนได้ใช้ข้อมูลที่ได้จากการเดินเครื่องปฏิกรณ์ทดสอบฟิวชั่นชนิด laser-based inertial confinement fusion (ICF) ซึ่งดำเนินงานโดย National Ignition Facility(NIF) ของอเมริกา ใช้ deuterium และ tritium ซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง โดย ICF นี้จะเป็นคนละเทคนิคที่ใช้กับเตาโทคาแมค
เริ่มเดือนเครื่องในปี 2021 และประสบความสำเร็จในการสร้างพลังงานออกมามากกว่าที่ใช้ในการกระตุ้นให้เกิดฟิวชั่นได้ถึง 31 ล้านจูลล์ในการทดสอบเมื่อเดือนธันวาคมปี 2022
ตัวแคปซูลบรรจุเชื้อเพลิงนั้นมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของชุดอุปกรณ์สร้างลำเลเซอร์สำหรับจุดให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
ที่นักวิทยาศาสตร์สนใจนั้นคือข้อมูลการตรวจพบ supra-thermal ions ซึ่งเป็นอนุภาคพลังงานสูงที่ช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในพลาสม่าที่ลุกจ้าในอัตราการตรวจพบที่ไม่เป็นไปตามหลักการกระจายของแมกซ์เวลล์ หรือก็คือมันเกิดเยอะกว่าที่ควรจะเป็นและถ้ามันมากเกินไปก็ไม่ดีแน่เหมือนอย่างที่เกิดในเตาโทคาแมค
ซึ่งทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซียงไฮ้เจียงตงและ Chinese Academy of Sciences (CAS) ได้ร่วมกันพัฒนาแบบจำลองเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในห้องเผาไหม้ฟิวชั่นของ NIF โดยได้ใส่กลไกการชนของอนุภาคแบบ large-angle collision dynamics ซึ่งเป็นการชนปะทะเต็ม ๆ ครั้งเดียวในการถ่ายทอดพลังงานเข้าไปผสมรวมกับการชนแบบแฉลบหลายครั้งของอนุภาคแอลฟา(ฮีเลียมไอออน)
เปรียบเทียบการชนแบบ large-angle กับการชนแบบแฉลบซึ่งอนุภาควิ่งเข้าเกือบชนกับนิวเคลียสของอะตอมเลยเกิดการเปลี่ยนแนวเคลื่อนที่เหมือนการชนสะท้อน
ผลการคำนวนด้วยแบบจำลองใหม่ได้ผลว่ามี supra-thermal ions เกิดขึ้นและความหนาแน่นของอนุภาคแอลฟาในบริเวณแกนกลางของการเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นนั้นมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น 24%
ซึ่งก็จะเป็นความเข้าใจพื้นฐานที่จะถูกทำมาใช้เพื่อหาวิธีควบคุมอัตราการเกิด supra-thermal ions นี้และเราก็จะสามารถควบคุมไม่ได้เกิด ELMs ในเตาโทคาแมคต่อไปได้
โดยหนึ่งในวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ทำเสนอนั้นก็คือการใช้คลื่นอันเฟน(Alfvén waves) ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กในพลาสม่ามาใช้ในการเป่าลำไอออนพลังงานสูงให้กระเจิงจนไม่สามารถไปกระตุ้นให้เกิดการปะทุบริเวณขอบเตาได้
คลื่นอัลเฟนที่ตรวจพบได้จากอวกาศที่มีที่มาจากดวงอาทิตย์ของเราเอง
โดยทีมนักวิจัยจาก Princeton Plasma Physics Laboratory(PPPL) ได้ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Summit ของ Oak Ridge National Laboratory(ORNL) ในการรันแบบจำลองเพื่อทดสอบสมมติฐานนี้
ซึ่งผลจากแบบจำลองแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลเฟนนั้นสามารถปัดเป่าอนุภาคพลังงานสูงให้กระจัดกระจายและลดผลกกระทบที่จะเกิดกับผนังเตาได้
การคำนวนแบบจำลองครั้งนี้เป็นการแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Summit ที่ใช้พลังการประมวลของ GPU มาใช้ในการช่วยประมวลผลซึ่งทำให้ทำการคำนวนได้เร็วขึ้นกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใช้ CPU ประมวลผลอย่างเดียวถึง 30 เท่า
Tesla V100s กว่า 27,648 ตัวช่วยทำให้ Summit เป็นหนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก
โดยทีมวิจัยมีแผนจะทำการคำนวนซ้ำกับแบบจำลองที่พัฒนาและปรับแก้ข้อมูลกับ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Frontier ที่เพิ่งนำเข้าใช้งานของ ORNL ที่มีพลังประมวลผลเหนือกว่า Summit อย่างน้อย 5-8 เท่า ซึ่งจะช่วยให้การคำนวนเป็นไปได้อย่างรวดเร็วมากขึ้นและอาจช่วยให้เราพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชั่นได้เร็วขึ้นด้วย
ที่กล่าวมาก็จะเป็นการพัฒนาในด้านการทำความเข้าใจในสิ่งที่เกิดขึ้นอยู่ข้างในเตาปฏิกรณ์ แต่อีกด้านหนึ่งเราก็ต้องพัฒนาวัสดุที่จะนำมาทำตัวเตาปฏิกรณ์ควบคู่กันไปด้วยและเราก็มีความก้าหน้าที่จะทำให้การสร้างเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นใกล้เคียงความจริงมากขึ้น
เมื่อสมาคมวิจัยร่วมจากหลากหลายมหาวิทยาลัยในอังกฤษภายใต้การนำของ United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) ในโครงการ Neutron Irradiation of Advanced Steels(NEURONE) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโลหะผสมสำหรับใช้สร้างผนังเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นด้วยต้นทุนที่ถูกลงเดิมกว่า 10 เท่า
โครงการความร่วมมือ NEURONE นี้มีวัตถุประสงค์ในการพัฒนาเหล็กกล้าชนิด reduced-activation ferritic-martensitic หรือ RAFM เพื่อใช้ในการสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น
สำหรับเหล็กกล้าที่จะใช้ทำผนังเตาได้นี้ต้องมีคุณสมบัติสำคัญคือ ทนความร้อนสูง อย่างน้อย 650 องศาเซลเซียส และทนต่อ high neutron loads หรือสภาพแวดล้อมที่จะถูกกลาดยิงด้วยนิวตรอนปริมาณมหาศาลตลอดเวลา
ซึ่งโครงการนี้ยังเป็นความร่วมมือระหว่างประเทศกับ Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO) ของออสเตรเลีย ซึ่งภายในปีแรกของการดำเนินโครงการก็สามารถพัฒนาเหล็กกล้าชนิดใหม่ได้กว่า 50 ชนิดซึ่งกำลังอยู่ในระหว่างการวิเคราะห์ตรวจสอบคุณสมบัติ
และด้วยเตาหลอมไฟฟ้าของสถาบัน Materials Processing Institute(MPI) ที่มิดเดิลส์เบรอ NEURONE ได้ผลิตเหล็กกล้า RAFM ไปได้แล้วกว่า 5.5 ตัน ซึ่งถือเป็นพัฒนาการก้าวสำคัญที่จะช่วยในการผลิตชิ้นส่วนเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในอนาคต ทั้งด้านการลดต้นทุนและเพิ่มกำลังการผลิต
น่าจะยังคงต้องค้นคว้าพัฒนากันอีกเยอะกับนิวเคลียร์ฟิวชั่น ไว้ถ้ามีความคืบหน้ายังไงเดี๋ยวมาเล่าให้ฟังกันอีกครับ
อ้างอิง:
- 53
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
