8 พ.ค. เวลา 13:56 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

เทคโนโลยีฟิวชั่น

เทคโนโลยีฟิวชั่น คือ กระบวนการที่นิวเคลียสของอะตอมเบา เช่น ไฮโดรเจน รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า เช่น ฮีเลียม ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา กระบวนการนี้เป็นแหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ
หลักการทำงาน:
เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชั่น จะต้องมีสภาวะที่นิวเคลียสของอะตอมเข้าใกล้กันมากพอที่จะเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนได้ สภาวะดังกล่าวเกิดขึ้นได้ภายใต้:
* อุณหภูมิสูงมาก: หลายสิบล้านองศาเซลเซียส เพื่อให้พลังงานจลน์ของอนุภาคสูงพอที่จะชนกันด้วยความเร็วที่เหมาะสม
* ความดันสูง: เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของอนุภาคและโอกาสในการชนกัน
* การกักเก็บ: อนุภาคที่ร้อนจัดจะต้องถูกกักเก็บไว้ในพื้นที่จำกัดเป็นเวลานานพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง
วิธีการกักเก็บพลาสมา:
เนื่องจากอุณหภูมิสูงมาก วัสดุทั่วไปไม่สามารถกักเก็บเชื้อเพลิงฟิวชั่นได้ ดังนั้นจึงมีการใช้เทคนิคพิเศษ เช่น:
การกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็ก (Magnetic Confinement): ใช้สนามแม่เหล็กพลังสูงเพื่อควบคุมพลาสมา (สถานะที่อะตอมแตกตัวเป็นไอออนและอิเล็กตรอน) ไม่ให้สัมผัสกับผนังของเครื่องปฏิกรณ์ อุปกรณ์ที่ใช้หลักการนี้เรียกว่า โทคาแมค (Tokamak) และ สเตลลาเรเตอร์ (Stellarator) โครงการ ITER ในประเทศฝรั่งเศสเป็นโครงการโทคาแมคขนาดใหญ่ระดับนานาชาติ
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein): สมการที่มีชื่อเสียงของเขา E=mc^2 (พลังงานเท่ากับมวลคูณด้วยความเร็วแสงยกกำลังสอง) ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1905 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน และเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีที่สำคัญที่อธิบายว่าทำไมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นจึงสามารถปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลได้
การกักเก็บด้วยเฉื่อย (Inertial Confinement): ใช้ลำแสงเลเซอร์หรืออนุภาคพลังงานสูงยิงไปยังเป้าเชื้อเพลิงขนาดเล็ก ทำให้เกิดการระเบิดขนาดเล็กและสร้างสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเกิดฟิวชั่น
ข้อดีของเทคโนโลยีฟิวชั่น
ระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ (ต้นทศวรรษ 1950): การสาธิตการกักเก็บด้วยเฉื่อยแบบฟิวชั่นที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกคือการระเบิดของระเบิดไฮโดรเจน "ไอวี ไมค์" (Ivy Mike) ในปี 1952 หลักการทำงานเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานจากขั้นตอน "ปฐมภูมิ" ของฟิชชันเพื่อบีบอัดและให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงฟิวชั่น "ทุติยภูมิ" ผ่านรังสีเอกซ์ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าแรงเฉื่อยสามารถกักเก็บเชื้อเพลิงได้นานพอที่จะเกิดฟิวชั่น แม้ว่าจะไม่ใช่การใช้งานด้านพลังงานแบบควบคุม แต่ก็เป็นการวางรากฐานที่สำคัญ
ข้อดีของเทคโนโลยีฟิวชั่น
  • ​พลังงานสะอาด: ปฏิกิริยาฟิวชั่นไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกหรือ สารมลพิษอื่นๆ สู่ชั้นบรรยากาศ ผลิตภัณฑ์พลอยได้หลักคือฮีเลียม ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อยที่ไม่เป็นอันตราย
  • ​ความปลอดภัยสูง: ไม่มีความเสี่ยงของปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องเหมือนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชัน หากเกิดความผิดพลาด ปฏิกิริยาฟิวชั่นจะหยุดลงเองโดยธรรมชาติ
  • ​พลังงานหนาแน่น: เชื้อเพลิงฟิวชั่นมีพลังงานต่อน้ำหนักสูงมาก
ความท้าทายของเทคโนโลยีฟิวชั่น
  • ​อุณหภูมิสูง: การสร้างและควบคุมพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงหลายสิบล้านองศาเซลเซียสเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง
  • ​การกักเก็บพลาสมา: การกักเก็บพลาสมาที่ร้อนจัดและมีความหนาแน่นสูงให้อยู่ในสภาวะที่เสถียรเป็นเวลานานพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นอย่างมีประสิทธิภาพยังคงเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์
  • ​ประสิทธิภาพพลังงาน: การทำให้พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชั่นมากกว่าพลังงานที่ใช้ในการเริ่มต้นและควบคุมปฏิกิริยายังคงเป็นเป้าหมายหลักของการวิจัย ("จุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์" หรือ "ignition")
วัสดุ: การพัฒนาวัสดุที่สามารถทนทานต่อสภาวะที่รุนแรงภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น เช่น อุณหภูมิสูง การแผ่รังสีนิวตรอน และแรงทางกล เป็นสิ่งจำเป็น
สถานะปัจจุบันและอนาคต
ปัจจุบัน เทคโนโลยีฟิวชั่นยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา มีโครงการขนาดใหญ่หลายโครงการทั่วโลกที่พยายามเอาชนะความท้าทายต่างๆ และมุ่งสู่การสร้างโรงไฟฟ้าฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ในอนาคต โครงการ ITER เป็นหนึ่งในความพยายามระดับนานาชาติที่สำคัญที่สุดในการสาธิตความเป็นไปได้ของพลังงานฟิวชั่น
ถึงแม้จะมีความท้าทายอยู่มาก แต่ศักยภาพของพลังงานฟิวชั่นในการเป็นแหล่งพลังงานที่สะอาด ปลอดภัย และยั่งยืน ทำให้การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีนี้ยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
โฆษณา