Field Reversed Configuration อีกเทคนิคในการพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชั่นจากภาคเอกชน
ที่เห็นในรูปเปิดบทความนี้คือชุดขดลวดตัวนำซึ่งทำหน้าที่ทั้งในการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงและใช้ในการดึงพลังงานออกมาพลาสม่าที่กำลังขยายตัวในเตาปฏิกรณ์ Polaris ซึ่งเป็นตัวต้นแบบรุ่นที่ 7 ของ Helion
แล้ว Helion คือใคร?
Helion เป็นบริษัท Startup ที่ตั้งขึ้นในปี 2013 ภายใต้การสนับสนุนของ Sam Altman CEO ของ OpenAI ซึ่งเมื่อต้นปีก็ได้รับทุนสนับสนุนอีกกว่า 425 ล้านดอลล่าร์ ทำให้ปัจจุบัน Helion ได้รับเงินลงทุนมาตั้งแต่ก่อไปบริษัทไปแล้วกว่า 1 พันล้านดอลล่าร์ไปเป็นที่เรียบร้อย
สำหรับคนตามข่าวน่าจะเคยได้ยินข่าวเมื่อกลางปีที่แล้วที่ Helion ได้ทำสัญญาขายไฟให้กับ Microsoft ภายในปี 2028
อะไรที่ทำให้ Helion มั่นใจขนาดกล้าทำสัญญาและที่สำคัญทำไมนักลงทุนถึงทุ่มเงินทุ่นสนับสนุนไปแล้วกว่าพันล้านเหรียญ
วิธีการที่ Helion ใช้พัฒนานิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นมีพื้นฐานมาจากเทคโนโลยีที่เรียกว่า Field Reversed Configuration(FRC) ซึ่งเจ้าอุปกรณ์ FRC นี้จัดว่าเป็นเครื่องเร่งอนุภาคและถูกใช้ในการพัฒนาเครื่องยนต์ไอออนให้กับยานอวกาศ
หลักการของ Helion คือการใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงในการเพิ่มอุณหภูมิและพลังงานให้กับก๊าซที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในส่วน Formation Chamber จนอยู่ในสถานะพลาสม่าไอออนที่มีประจุ
พลาสม่าแก๊สจะถูกเตรียมที่ด้านปลายสองข้างของเตาปฏิกรณ์เป็นวงแหวนทรงโดนัท
เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กการหมุนวนของพลาสม่าทรงโดนัทในส่วนเตรียมพลาสม่านี้จะทำให้เกิดกระแสไหลวนและสร้างสนามแม่เหล็กที่ทำให้ตัวพลาสม่าแก็สยิ่งงวดตัว
การไหลวนของแก็สในวงแหวนก็จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น
และเมื่อพลาสม่ามีอุณหภูมิสูงพอก็จะใช้การปรับสนามแม่เหล็กในแต่ละวงแหวนลดวดตัวนำในการเร่งดีดวงแหวนพลาสม่าจากสองฝั่งให้วิ่งมาชนกันที่ส่วนแกนปฏิกรณ์ด้วยความเร็วสูงลิบซึ่งเกิดขึ้นในเสี้ยววินาที
บริเวณแกนปฏิกรณ์ที่ที่เกิดปฏิกิริยานนิวเคลียร์ฟิวชั่น
ซึ่งตรงนี้ชุดขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงถึง 10 เทสล่า(ซึ่งแน่นอนว่าย่อมใช้พลังงานมหาศาลเช่นกัน)เข้ามาทำหน้าที่ในการขังและบีบอัดพลาสม่าพลังงานสูงที่เพิ่งวิ่งเข้าชนกันนี้ แรงบีบอัดจากสนามแม่เหล็กนี้มากเพียงพอที่จะเพิ่มแรงดันและอุณภูมิของก้อนพลาสม่าให้พุ่งทะยานไปถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส
อันเป็นจุดที่อะตอมของก๊าซมีพลังงานจลน์มากพอที่จะเอาชนะแรงผลักระหว่างประจุจนนิวเคลียสมารวมตัวกันเป็นธาตุใหม่ หรือก็คือการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นนั่นเอง
ผลจากการเกิดฟิวชั่นนี้ก็จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาให้กับก้อนพลาสม่าจนเกิดการขยายตัวออกจนสามารถเอาชนะแรงบีบอัดของสนามแม่เหล็กและขยายตัวออกไปทั้งสองด้าน
ก้อนพลาสม่าไอออนที่ขยายตัวขึ้นเนื่องจากมีพลังงานสูงขึ้นจากการเกิดนิวเคลียร์ฟิวชั่นจะเอาชนะสนามแม่เหล็กที่กดเอาไว้และเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดตามกฏของฟาราเดย์
ระหว่างที่พลาสม่าที่มีประจุเหล่านี้ขยายตัววิ่งผ่านชุดขดลวดที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในชุดขดลวดกลายเป็นพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจากที่เราใส่เข้าไป ซึ่งเราเก็บเกี่ยวเอามาใช้ประโยชน์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงได้
แนวคิดการเก็บเกี่ยวพลังงานโดยตรงจากการขยายตัวของพลาสม่าโดยตรงด้วยชุดขดลวดที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กนี้จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานเมื่อเปรียบเทียบกับการแปลงพลังงานความร้อนมาใช้ผลิตไอน้ำก่อนนำไปผลิตไฟฟ้าอีกที
หัวใจสำคัญที่จะทำให้แนวคิดนี้สำเร็จคือการเลือกใช้เชื้อเพลิงเพราะผลหลังจากการเกิดปฏิกิริยาต้องการอนุภาคที่มีประจุ ซึ่งเชื้อเพลิงที่ Helion เลือกใช้คือ ดิวทีเรียมกับฮีเลียม-3(D-He3) ซึ่งผลจากปฏิกิริยาจะให้โปรตรอนกับฮีเลียม ซึ่งโปรตรอนเป็นอนุภาคมีประจุรวมถึงพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาที่สูง
ปฏิกิริยาฟิวชั่นรูปแบบต่าง ๆ ซึ่งที่ Helion เลือกใช้คือสมการที่ 4 ซึ่งให้พลังงานต่อปฏิกิริยาสูงสุด ดูตารางนี้ไว้นะครับเดี๋ยวจะมีประเด็นคุยกันต่อ
จากตารางเชื้อเพลิงฟิวชั่นหลัก ๆ จะมีอยู่ 3 ชนิดคือ ดิวทีเรียมหรือไฮโดรเจน-2, ทริเทียมหรือไฮโดรเจน-3 และฮีเลียม-3 ซึ่งนอกจากดิวทีเรียมที่มีอยู่มากมายแล้วทริเทียมกับฮีเลียม-3 นั้นจัดว่าหายากมาก
Helion นั้นประกาศตัวว่าเป็นเอกชนรายแรกของโลกที่สามารถสร้างพลาสม่าอุณหภูมิสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียสได้เมื่อปี 2023 โดยเครื่อง Trenta ซึ่งเป็นเครื่องต้นแบบรุ่นที่ 6 ของ Helion
Trenta เครื่องต้นแบบรุ่นที่ 6
ทั้งนี้การผลิตไฟฟ้าด้วยเทคนิค FRC นี้ไม่เหมือนกับการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมที่เป็นการเดินเครื่องเตาปฏิกรณ์แบบต่อเนื่องสร้างความร้อนเพื่อแปลงรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกที แต่ FRC จะเป็นลักษณะ Pulsed Fusion นั่นคือจุดฟิวชั่นเป็นรอบ ๆ แล้วเก็บเกี่ยวพลังงานใส่ตัวเก็บประจุก่อนที่จะแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อส่งเข้าสู่ระบบไฟฟ้า
ดังนั้นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือความแม่นยำในการพัฒนาระบบควบคุมการจ่ายประจุไปยังขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่ต้องมีความแม่นยำในหลักเสี้ยววินาทีเลยทีเดียว รวมถึงการพัฒนาตัวเก็บประจุที่จะต้องกับเก็บและจ่ายประจุไฟฟ้าจำนวนมหาศาลได้ในเสี้ยววินาที(Super Capacitor)
ใส้ในของตัวเก็บประจุที่ Helion พัฒนาและผลิตขึ้นใช้เอง
สำหรับ Helion ที่ก่อตั้งมาตั้งแต่ปี 2013 ผ่านการสร้างเครื่องต้นแบบกว่า 6 รุ่นนั้นเคยให้คำมั่นในการผลิตไฟฟ้าได้ภายในปี 2018 ก่อนที่ในปี 2022 จะเลื่อนมาเป็นปี 2024 และเมื่อปีที่แล้วก็ยังทำสัญญาขายไฟกับ Microsoft แต่คำถามคือ Helion จะสร้างโรงไฟฟ้าขนาด 50 เมกกะวัตต์จากพลังงานฟิวชั่นได้ภายในปี 2028 ตามที่สัญญาหรือไม่
จากคลิปวีดีโอของ Real Engineering และ Plasma Channel เชื่อได้ว่า Helion สามารถสร้างปฏิกิริยาฟิวชั่นได้จริงแล้ว แต่คำถามคือ Helion ก้าวหน้าขนาดที่มี Net Energy Gain หรือพลังงานที่ได้จากฟิวชั่นมากกว่าที่ใช้สร้างฟิวชั่นแล้วหรือยัง?
ซึ่งถ้าถามเหล่ากูรูก็มีหลายช่องในยูทูปทำคลิปออกมาชี้ประเด็น บ้างก็ว่าทำไม่ได้ หรือบ้างก็ให้ความเห็นว่าถึงทำได้ก็ไม่ใช่ในปี 2028 แล้วมันยากยังไงเรามาดูกัน
หนึ่งในประเด็นที่ทุกสำนักชี้ประเด็นก็คือ การเลือกใช้เชื้อเพลิงและข้อมูลที่ Helion เปิดเผยว่าตั้งเป้าในการสร้างโรงไฟฟ้าฟิวชั่นที่เดินเครื่องภายใต้อุณหภูมิ 100 ล้านองศา ทำไม?
อัตราการเกิดปฏิกิริยาของฟิวชั่นแบบต่าง ๆ
จากชาร์ทข้างบนแสดงถึงอัตราการเกิดปฏิกิริยาของฟิวชั่นแบบต่าง ๆ โดยที่ระดับพลังงานที่อุณหภูมิพลาสม่าประมาณ 100 ล้านองศาเซลเซียสนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาของ D-He3 ต่ำกว่าเป็นพันเท่าเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาแบบ D-T(ดิวทีเรียมรวมกับทริเทียม)
รวมถึงถ้าสมมติว่าเชื้อเพลิงผสมที่เตรียมฟิวชั่นมีดิวทีเรียมและฮีเลียม-3 เท่า ๆ กัน ที่อุณหภูมิ 100 ล้างองศานี้ก็มีโอกาสที่ดิวทีเรียมจะทำปฏิกิริยากันเองแบบ D-D แทนที่จะเป็น D-He3 ซึ่งผลลัพธ์จะได้เป็นทริเทียมกับนิวตรอนหรือฮีเลียม-3 กับนิวตรอนโอกาสแบบ 50-50 (ย้อนไปดูตารางปฏิกิริยาฟิวชั่นก่อนหน้านี้ได้)
ไม่ใช่แค่ D-He3 แต่ D-D ก็เกิดขึ้นได้
ถ้า Helion ไม่เพิ่มอุณหภูมิพลาสม่าไปถึง 300 ล้านองศาคงยากที่จะผลิตพลังงานได้อย่างที่หวัง รวมถึงยังได้นิวตรอนออกมามากเกินไปซึ่งจะทำให้ตัวเตาเสื่อมสภาพและอุปกรณ์โดยรอบเสียหาย รวมถึงยังเป็นอันตรายต่อมนุษย์เราด้วย
และยังมีประเด็นการสูญเสียพลังงานในรูปการแผ่รังสีของอนุภาคมีประจุที่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วที่เรียกว่า Bremsen-Strahlung ซึ่งจะมีการแผ่รังสีหลายช่วงทั้งคลื่นวิทยุ รังสี X และแสง
Bremsen-Strahlung
ความเห็นจากหลายช่องที่ออกมาชี้ประเด็นทางเทคนิคว่าทำไม Helion อาจจะไม่มีทางไปถึงฝันที่กล่าวอ้าง
ช่องนี้พูดค่อนข้างเป็นกลางไม่ถึงขึ้นบอกว่าเป็นไปไม่ได้แต่ว่าให้ปี 2033 ก็ยังเหนื่อย เพราะยังมีความท้าทายอีกหลายเรื่องต้องแก้
ช่องนี้พูดเนิบ ๆ แต่เหน็บเจ็บเอาเรื่อง ^^
ทั้งนี้ไม่ใช่แค่ Helion ยังมีอีกอย่างน้อย 2 บริษัทที่ไล่ตามความฝันในการทำนิวเคลียร์ฟิวชั่นด้วย FRC อันได้แก่ General atomics และ TAE Technology แต่ Helion มีเป้าหมายที่ Aggressive กว่าใคร
ถามว่าเป็นไปได้ไหมกับ FRC แบบ D-He3 ที่ Helion เลือกใช้นี้ที่จะมาเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นที่เดินเครื่องขายไฟเชิงพาณิชย์เป็นเจ้าแรกของโลก?
ถ้าว่ากันตามทฤษฎีส่วนตัวผมว่ามีความเป็นไปได้ถ้า Polaris เตาต้นแบบรุ่นที่ 7 ของ Helion สามารถทำอุณหภูมิแกนกลางไปได้ถึง 300 ล้านองศา
สเปคของ Polaris
จากข้อมูลของ Polaris นี้ถูกออกแบบให้เป็นเตาแบบ Hybrid คือสามารถใช้เชื้อเพลิงได้ทั้ง D-D, D-T และ D-He3 นั่นก็คือสามารถเดินเครื่องแบบยืดหยุ่นในช่วงเวลาที่ความต้องการใช้ไฟน้อยก็จะใช้ D-D ในการผลิตเชื้อเพลิงเพราะผลลัพธ์ที่ได้มีทั้งทริเทียมกับฮีเลียม-3
ซึ่งทริเทียมเองก็ใช้เวลาสลายตัวกลายเป็นฮีเลียม-3 ได้ใน 12.3 ปีผ่านกระบวนการ Beta Decay หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงในการเดินเครื่องแบบ D-T ก็ได้
ทางเลือกในการผลิตเชื้อเพลิงจาก D-D ที่มีเยอะและราคาถูก
Helion ยังสามารถเลือกใช้เตาที่ออกแบบเฉพาะสำหรับเดินเครื่องแบบ D-D เพื่อผลิตเชื้อเพลิงส่งไปยังโรงไฟฟ้าที่เดินเครื่องด้วย D-He3 ซึ่งก็เป็นอีกรูปแบบหนึ่งที่น่าสนใจในการยืดอายุโรงไฟฟ้าเพราะการเดินเครื่องด้วย D-He3 นั้นผลิตนิวตรอนออกมาน้อยกว่าทำให้ช่วยยืดอายุการใช้งานของเตาปฏิกรณ์
แต่ทั้งนี้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นโรงแรกของ Helion จะสามารถผลิตไฟได้ตามสัญญาแล้วขายให้กับ Microsoft หรือไม่นั้นก็คงต้องรอดูกันต่อไป ซึ่งความคืบหน้าล่าสุดได้มีการเลือกพื้นที่ก่อสร้างโรงไฟฟ้าแล้วที่เมือง Malaga รัฐวอชิงตัน
ภาพ Layout คร่าว ๆ ของโรงไฟฟ้าที่จะก่อสร้าง
Helion อาจจะเป็นเคสหลอกลวงลงทุนครั้งใหญ่อีกครั้งในประวัติศาสตร์ ด้วยเงินทุนที่ระดมมาได้กว่าพันล้านเหรียญแม้ว่าจนถึงปี 2029 จะไม่สามารถผลิตไฟขายให้กับ Microsoft ได้ ก็อาจจะอ้างเหตุผลทางเทคนิคเลื่อนเวลาออกไป Helion ก็ยังมีเงินจ่ายค่าปรับได้สบาย
สำหรับนักลงทุนแล้ว Helion อาจจะดูเหมือนมีความใกล้เคียงความเป็นจริงมากที่สุด และถ้าเป็นจริงมันก็คุ้มที่จะเสี่ยง . . .
อ้างอิง:
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
