อีกก้าวหนึ่งสู่พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน พลังงานดั่งดวงอาทิตย์

ที่มาและภาพ: Nature, Ars Technica, Scientific American, The Guardian, The Motley Fool, Mais Futebol, UC Davis ChemWiki, Business Insider Australia, Wikipedia

คลิปวิดีโอ: YouTube (1), YouTube (2) และ YouTube (3)

สิ่งที่ทำให้ดวงอาทิตย์ส่องสว่างและให้ความร้อนได้นั้น เกิดจาก “ปฏิกิริยานิวเคลียร์” ครับ ซึ่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มนุษย์รู้จักในตอนนี้ มีอยู่หลักๆ 2 แบบด้วยกัน คือ นิวเคลียร์ฟิวชั่น (แบบในดวงอาทิตย์) และ นิวเคลียร์ฟิชชั่น (แบบในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป และ ระเบิดปรมาณู)

ปัจจุบันพลังงานนิวเคลียร์ที่มนุษย์พัฒนาจนใช้งานจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีเพียงแบบนิวเคลียร์ฟิชชั่นเท่านั้น วิธีนี้ใช้ธาตุกัมมันตรังสี อย่าง ยูเรเนียม หรือ พลูโตเนียม มาผ่านกระบวนการยิงประจุ ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งมีอันตรายสูงมาก ไม่ว่าจะเป็นการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ของสารนิวเคลียร์ไม่ให้ควบคุมไม่ได้จนเกิดอุบัติเหตุระเบิด อย่างเหตุร้ายแรงของโรงไฟฟ้าเชอร์โนบิลเมื่อปี 1986 ที่ทำให้บริเวณโดยรอบยังคงมีรังสีตกค้าง สิ่งมีชีวิตอยู่อาศัยไม่ได้จนถึงทุกวันนี้ หรือผลกระทบจากภัยธรรมชาติ อย่างเหตุการณ์โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีสารฯรั่วไหลที่เมือง Fukushima ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ 11 มีนาคม 2011 (ครบรอบ 3 ปีในวันที่โพสต์ข่าวนี้พอดี) อีกทั้งการควบคุมและกำจัดกากกัมมันตรังสีที่เหลือจากกระบวนการผลิตก็ยุ่งยากมากเพราะมีความเป็นพิษอย่างร้ายแรงต่อทั้งสิ่งมีชีวิตและธรรมชาติ

แน่นอนครับว่า นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกไม่เคยหยุดยั้งความคิด พยายามหาวิธีมากมายล้านแปดในการทำนิวเคลียร์แบบฟิวชั่น หรือ แบบเดียวกับพลังงานในดวงอาทิตย์อันทรงพลัง มาโดยตลอด เพราะนอกจากความต้องการพลังงานของมนุษย์เราจะเพิ่มขึ้นทุกวัน ๆ แล้ว นิวเคลียร์ฟิวชั่น ยังเป็นพลังงานที่สะอาดมาก เนื่องจากสิ่งที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ทั้งหลายในจักรวาลส่วนใหญ่ คือ ก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งถูกจุดระเบิดด้วยแรงดันและความร้อนมหาศาลภายในดาว แทนที่จะเป็นก้อนวัสดุอันตรายอย่างธาตุกัมมันตรังสี

แต่การจะ “สร้างสภาวะภายในดวงอาทิตย์” เช่นนี้ ขึ้นมาด้วยมือมนุษย์ตัวกระจ้อยร่อยอย่างเรา ๆ ยากมากครับ
ที่ผ่านมา ถึงแม้ว่าจะทำได้สำเร็จแล้ว ด้วยวิธีการ Magnetic Confinement Fusion (MCF) หรือ การให้พลังงานความร้อนสูงมาก ทำให้ไฮโดรเจนเกิดเป็นสถานะพลาสม่าร้อนจัดถึงหลักร้อยล้านองศาเซลเซียส แล้วเหนี่ยวนำด้วยกระแสแม่เหล็ก จนอะตอมภายในไฮโดรเจนแยกตัวกัน เกิดเป็นพลังงาน
แต่กระบวนการนั้นต้องใช้เชื้อเพลิงและไฟฟ้าสูงขนาดหนัก ไม่ว่าจะหาวิธีอย่างไร พลังงานที่ผลิตได้ก็ยังน้อยกว่าพลังงานที่ใช้ผลิตอยู่ตลอด … ขาดทุนแบบนี้ทุกครั้งไป

จึงมีผู้คิดหนทางอื่นมากมาย อย่างทฤษฎี Cold Fusion ที่เราเคยได้ยินและดูเข้าท่า เพราะเป็นทฤษฎีการใช้กระบวนการทางเคมี มาเหนี่ยวนำสสารของก๊าซไฮโดรเจน แทนที่จะใช้ความร้อนสูงหลายสิบล้านองศาเซลเซียส แต่สุดท้ายก็ล้มเหลวเป็นแค่ฝันไปตามระเบียบ

ล่าสุด !! มีนักวิทยาศาสตร์ทีมหนึ่งในสหรัฐอเมริกา พบหนทางด้วยวิธีการ Inertial Confinement Fusion (ICF) แล้วครับ

วิธีนี้ใช้การยิงลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงแบบที่แม่นยำอย่างยิ่งยวดเข้าไปใส่อะตอมไฮโดรเจน ทำให้เกิดความร้อนเป็นร้อยล้านองศาเซลเซียส และเกิดการยุบตัวลงจากภายในอย่างเฉียบพลัน เกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่คล้ายแบบภายในดวงอาทิตย์ ซึ่งวิธีนี้มีผู้คิดได้มานานแล้ว แต่นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้เขาเพิ่งจะพบวิธีการทำที่มีประสิทธิภาพและทำได้สำเร็จครับ

ทีมนักวิจัย นำโดยคุณ Omar Hurricane ร่วมมือกับ National Ignition Facility หรือ ศูนย์จุดระเบิดแห่งชาติ (ชื่อดูน่ากลัวและเข้ากับสถานการณ์บ้านเราตอนนี้ไง ๆ ก็ไม่รู้นะครับ!) เขาใช้ไฮโดรเจนแบบหนึ่ง ซึ่งประกอบไปด้วยอะตอมที่เรียกว่า ดิวเทอเรียม (Deuterium) และ ทริเทียม (Tritium) มาทำเป็นเชื้อเพลิง (คล้ายแบบเดียวกับที่อยู่ภายในดวงอาทิตย์) แต่มีขนาดจิ๋วเพื่อให้เหมาะสมกับการทดลอง เคลือบด้วยสารโพลิเมอร์พลาสติกแบบพิเศษ เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเพียง 2 มิลลิเมตร เป็นทรงกลมเรียบแบบสมบูรณ์ นำไปทำให้เย็นจัดถึง -255 องศาเซลเซียส ให้ก๊าซไฮโดรเจนมีสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง บรรจุอยู่ในกระบอกปลายเปิดที่สร้างจากทองคำบริสุทธิ์ ยาว 1 เซ็นติเมตร แต่ราคาไม่จิ๋วไปด้วยครับ ประมาณ 1 ล้านเหรียญฯ หรือกว่า 32 ล้านบาท ต่อลูกเลยทีเดียว

แล้วจัดการยิงเลเซอร์ที่เร่งพลังงานจนมีความเข้มสูงมากเข้าไปพร้อมๆกันจำนวน 192 ลำแสง ตัวกระบอกจะเปลี่ยนพลังงานจากเลเซอร์เป็นรังสีเอ็กซ์ เกิดเป็นพลังงานกว่า 500 ล้านล้านวัตต์ในช่วงเสี้ยวของเสี้ยวของเสี้ยววินาที (20 นาโนวินาที) กระทบกับก้อนเชื้อเพลิงจิ๋วนั้น เกิดเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น สร้างความร้อนสูงถึงกว่า 50 ล้านองศาเซลเซียส และแรงดันกว่า 150,000 ล้านเท่าของพื้นผิวโลก (สูงกว่าแกนกลางดวงอาทิตย์ถึง 3-4 เท่า)

อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ยังไม่เสถียรพอ และผลิตพลังงานออกมาได้ไม่ถึงครึ่งของพลังงานที่นำมาใช้ยิงเลเซอร์ทั้งหมด แต่ข่าวดีคือ คุณ Hurricane กล่าวว่า ตามโมเดลที่คำนวณใน super-computer การจะทำให้พลังงานได้ออกมามากกว่าที่ใส่เข้าไปนั้น จะต้องเพิ่มแรงดันให้ได้อีกเพียงหนึ่งเท่าตัวเท่านั้นครับ

นอกจากนั้น การจะผลิตพลังงานได้อย่างยั่งยืนด้วยวิธีนี้ ต้องใช้เชื้อเพลิงใส่เข้าไปมากมาย แต่เพราะว่านี่เป็นแค่การทดลอง ไม่มีอะไรการันตีว่าจะทำได้สำเร็จจริง จึงจำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงปริมาณเล็กน้อย (แต่ก็มีต้นทุนถึง 1 ล้านเหรียญฯ แล้ว!) เพื่อบันทึกกระบวนการทั้งหมดให้เข้าใจเสียก่อน ซึ่งการทดลองครั้งต่อไปของทีมคุณ Hurricane จะเกิดขึ้นในอีกไม่นานนี้แล้ว เราก็ต้องรอดูกันต่อไปนะครับ

สิ่งที่ต้องรอดูกันต่อไปอีกอย่าง เป็นอีกก้าวหนึ่งของนิวเคลียร์ฟิวชั่นเช่นกัน ก็ขอย้อนไปที่การทดลองแบบแรกครับ คือ การสร้างความร้อนสูงแบบภายในดวงอาทิตย์ ด้วยการเหนี่ยวนำของกระแสแม่เหล็ก ที่คาดว่าจะทำได้สำเร็จ ให้พลังงานได้มากกว่าที่ป้อนเข้าไป ด้วยเครื่องปฏิกรณ์ขนาดยักษ์ ชื่อ Tokamak Nuclear Fusion Reactor ในตอนใต้ของประเทศฝรั่งเศส ซึ่งเป็นความร่วมมือขององค์กรนานาชาติด้านการศึกษาระบบปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นแบบใช้ความร้อน (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor) จะสร้างเสร็จในปี 2020 ครับ