Fusion Energy Is Coming
พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion Energy ได้รับการคาดหมายว่า มันจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับความมั่นคงทางพลังงานในอนาคต ..
นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลาย เชื่อ ฟิวชั่น Fusion ไม่เพียงยังคงเป็นส่วนหนึ่งของคำตอบด้านพลังงานเท่านั้น แต่มัน คือ แหล่งพลังงาน “ความฝัน” ซึ่งจะช่วยให้มนุษยชาติมีแหล่งพลังงานเหลือเฟือไร้ขีดจำกัด มันหมายถึงอนาคต รวมทั้งมันสามารถยกระดับมาตรฐานการดำรงชีวิตของมนุษยชาติ ในขณะที่มันผลิตของเสียน้อยมากในรูปของฮีเลียม Helium : 2He ..
ฟิวชั่นพาวเวอร์ Fusion Power .. เป็นรูปแบบการผลิตกำลังไฟฟ้า ซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้ความร้อนจาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion Reactions .. ในกระบวนการหลอมรวมนิวเคลียสของอะตอมที่เบากว่าสองตัวรวมกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า ในขณะที่การปลดปล่อยพลังงานเกิดขึ้น อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมพลังงานนี้ เรียกว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion Reactor ..
กระบวนการหลอมรวม Fusion ต้องใช้เชื้อเพลิง และสภาพแวดล้อมเฉพาะ ซึ่งมีอุณหภูมิ ความดัน และเวลากักขังเพียงพอ เพื่อสร้างพลาสมาให้สามารถเกิด Fusion Reactions ขึ้นได้ .. การหลอมรวมนี้ ส่งผลให้เกิดพลังงานมหาศาลตามเกณฑ์ของลอว์สัน Lawson’s Criteria .. ในดาวฤกษ์ เชื้อเพลิงที่พบมากที่สุดในเอกภพ Universe คือ ไฮโดรเจน โดยแรงโน้มถ่วงจากมวลของดวงดาว จะก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นด้วยกระบวนการลูกโซ่โปรตอน Proton – Proton Chain หรือ P – P Chain และมันคือสภาวะจำเป็นสำหรับการผลิตพลังงานฟิวชั่น ..
อย่างไรก็ตาม เชื้อเพลิงที่เหมาะสมกับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นโดยทั่วไป นิยมใช้ไอโซโทปของไฮโดรเจน เช่น ดิวเทอเรียม Deuterium : 2H และทริเทียม Tritium : 3H ซึ่งทำปฏิกิริยาได้ง่ายกว่าไฮโดรเจน H2 เพื่อให้บรรลุสู่เกณฑ์ของลอว์สัน Lawson’s Criteria ในสภาวะที่ไม่รุนแรงเกินไปนัก .. การออกแบบส่วนใหญ่ มุ่งหวังที่จะให้อุณหภูมิ และความร้อน พุ่งสูงถึงหลายสิบล้าน oC ซึ่งเป็นความท้าทายหลักในการผลิต และออกแบบปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น เพื่อผลิตกำลังไฟฟ้าให้ประสบความสำเร็จได้ ..
ในฐานะแหล่งพลังงานสะอาด และปลอดภัยนั้น นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลาย มั่นใจ นิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion จะมีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือกว่านิวเคลียร์ฟิชชั่น Nuclear Fission ซึ่งรวมถึงการลดกัมมันตภาพรังสีในปฏิกิริยานิวเคลียร์ และกากนิวเคลียร์ระดับสูงที่มีเพียงเล็กน้อย ปริมาณสำรองเชื้อเพลิงที่มากมายเพียงพอ และความปลอดภัยที่เพิ่มมากขึ้น คือ จุดเด่น ..
อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิ ความดันรวมกันที่จำเป็น และระยะเวลากักขังพลาสม่า ได้รับการพิสูจน์จากงานทดลองแล้วว่า ไม่ง่ายเลยสำหรับกระบวนการผลิตให้ไปสู่ลักษณะการใช้งานได้จริงเชิงพาณิชย์ด้วยความประหยัด .. การวิจัยเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น Fusion Reactor เริ่มขึ้นในปี 1940 แต่จนถึงปัจจุบัน ไม่มีการออกแบบใดที่ได้ Output กำลังไฟฟ้าจากฟิวชั่นมากไปกว่า Input กำลังไฟฟ้าที่ใส่เข้าไป ซึ่งถือว่ายังขัดต่อจุดประสงค์วิจัย .. ปัญหาที่สองที่ส่งผลต่อปฏิกิริยาทั่วไป คือ การจัดการนิวตรอนที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไป มันจะย่อยสลายวัสดุทั่วไปจำนวนมากที่ใช้งานอยู่ภายในห้องเตาปฏิกรณ์นั้นเอง ..
นักวิจัยฟิวชั่น ได้ตรวจสอบแนวคิดการกักขังพลาสม่า Plasma Confinement ไว้ให้นานพอ .. ความสำคัญในช่วงต้นอยู่ที่สามระบบหลัก ได้แก่ Z – Pinch, Stellarator และ Magnetic Mirror .. การออกแบบชั้นนำในปัจจุบัน คือ Tokamak และ Inertial Confinement Fusion : ICF ด้วยเลเซอร์ .. ทั้งสองรูปแบบอยู่ภายใต้ การวิจัยขนาดใหญ่มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ITER Tokamak ในฝรั่งเศส และเลเซอร์ National Ignition Facility ในสหรัฐฯ .. นักวิจัยกำลังศึกษาออกแบบเพื่อมองหารูปแบบอื่น ๆ ที่อาจเป็นแนวทางที่มีต้นทุนถูกกว่า .. ในบรรดาทางเลือกเหล่านี้ ความสนใจพุ่งเป้าไปที่การใช้แม่เหล็กเพิ่มขึ้น หมายถึงการดักจับพลาสม่าอุณหภูมิสูงโดยใช้พลังงานจากสนามแม่เหล็ก .. ฟิวชั่น และการกักขัง Plasma ไว้ให้นานเพียงพอด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และลดการแปรผันของสเตลลาเรเตอร์ Stellarator คือ เป้าหมายหลักเพื่อการสร้างพลาสม่าที่เสถียรกว่า ซึ่งมันเคยเป็นประเด็นปัญหาสำคัญของการควบคุม Fusion Reactions มาโดยตลอด ..
ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น Fusion Reactor ยังคงเป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ ..
นักเคลื่อนไหวด้านสิ่งแวดล้อมหลายคน คัดค้านพลังงานนิวเคลียร์โดยอ้างถึงอันตรายของมัน และรวมถึงความยากลำบากในการกำจัดกากกัมมันตรังสี แต่นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ยังระบุว่า นิวเคลียร์ปลอดภัยกว่าแหล่งพลังงานส่วนใหญ่อื่น ๆ .. มันยังคงจำเป็น หากโลกหวังว่าจะลดการปล่อยคาร์บอนลงอย่างสิ้นเชิงให้จงได้ ..
ตัวอย่างปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่เป็นทางเลือกของมนุษยชาติในอนาคตที่น่าสนใจอย่างยิ่งในที่นี้ หมายถึง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion Reactor .. เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นในการผลิตกำลังไฟฟ้านั้น เรียกอีกอย่างว่า โรงไฟฟ้าฟิวชั่น Fusion Power Plant หรือ ปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ Thermonuclear Reactor เป็นระบบอุปกรณ์ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานที่เกิดขึ้นด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น .. การใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในการผลิตกระแสไฟฟ้า ยังคงเป็นไปตามทฤษฎี .. อย่างไรก็ตาม มันมีความเป็นไปได้สูงในทางปฏิบัติ มันไม่มีของเสียที่เป็นกากนิวเคลียร์ มันไม่มีเชื้อเพลิงใช้แล้วเหลือทิ้ง และมันสามารถปิดเปิดได้ในทันที ไม่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ Nuclear Chain Reaction ต่อเนื่องที่หยุดมันไม่ได้ กลายเป็นอันตรายร้ายแรงหากเกิดอุบัติเหตุขึ้น เช่นเดียวกับ ภัยพิบัติจากอุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เชอร์โนบิล Chernobyl Disaster กับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ฟุกุชิมา Fukushima Daiichi Nuclear Disaster ..
พลังงานฟิวชั่น มีศักยภาพในการจัดหาแหล่งเชื้อเพลิงพลังงานที่ปลอดภัย สะอาด เกือบไร้ขีดจำกัด แม้ว่าปฏิกิริยาฟิวชั่น จะเกิดขึ้นได้สำหรับธาตุนิวเคลียสเบาที่มีน้ำหนักน้อยกว่าเหล็ก แต่องค์ประกอบส่วนใหญ่จะไม่หลอมรวมกันเว้นแต่จะอยู่ภายในดาวฤกษ์ .. ดังนั้น ในการสร้างพลาสม่า Plasma ที่ลุกโชนร้อนจัดในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิวชั่นทดลอง เช่น โทคามัค Tokamak และ สเตลลาแรตเตอร์ Stellarator .. นักวิทยาศาสตร์ แสวงหาเชื้อเพลิงที่ค่อนข้างง่ายในการผลิต จัดเก็บ และนำไปหลอมรวม .. เชื้อเพลิงที่ดีที่สุดในปัจจุบันสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น คือ ดิวเทอเรียม Deuterium : 2H และ ทริเทียม Tritium : 3H .. เชื้อเพลิงเหล่านี้ เข้าสู่สภาวะฟิวชั่นที่อุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อเทียบกับองค์ประกอบอื่น ๆ และปล่อยพลังงานออกมามากกว่าปฏิกิริยาฟิวชั่นอื่น ๆ อีกด้วย ..
ดิวเทอเรียม Deuterium : 2H และไอโซโทปของไฮโดรเจนตัวอื่น ๆ เป็นองค์ประกอบที่มีอยู่มากที่สุดในเอกภพ Universe .. ดิวเทอเรียม มีนิวตรอนหนึ่งตัว และทริเทียมมีนิวตรอนสองตัว .. ดังนั้น มวลไอออนของพวกมันจึงหนักกว่าโปรเทียม Protium : 1H ซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอน .. เมื่อ ดิวเทอเรียม ทริเทียม หรือ ไอโซโทปของไฮโดรเจนตัวอื่น ๆ หลอมรวมกัน พวกมันจะสร้างนิวเคลียสของฮีเลียม ซึ่งมีโปรตอนสองตัว และนิวตรอนสองตัว ปฏิกิริยาดังกล่าว จะปลดปล่อยนิวตรอนที่มีพลังออกมาพร้อมกับพลังงานมหาศาล .. โรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ฟิวชั่น จะเปลี่ยนพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชั่นเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนเศรษฐกิจ สังคม และทุก ๆ กิจกรรมของมนุษยชาติได้อย่างไม่มีขีดจำกัด โดยแหล่งที่มาของมันนั้น มาจากน้ำ หรือน้ำทะเลนั่นเอง ..
ดิวทีเรียม Deuterium : 2H ซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนในธรรมชาตินั้น สามารถพบได้มากมายในน้ำทะเล .. ประมาณ 1 ใน 5,000 อะตอมของน้ำทะเลอยู่ในรูปของดิวทีเรียม นั่นหมายความว่า มหาสมุทรของเรามีดิวทีเรียมจำนวนมาก .. หากพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่น กลายเป็นความจริง .. ‘น้ำทะเลเพียงหนึ่งแกลลอน จะสามารถผลิตพลังงานได้มากเท่ากับน้ำมันเบนซิน 300 แกลลอน’ ..
พลังงานฟิวชั่น Fusion Energy กำลังใกล้จะมาถึง และอาจจะเร็วกว่าที่คาดคิด ..
เรื่องตลกเกี่ยวกับพลังงานฟิวชั่น คือ มันเคยถูกคาดหมายว่า เทคโนโลยีนี้ยังอีกนานกว่า 30 ปี หรือมันอาจเป็นเพียงอยู่ในความฝันไปตลอดกาล .. แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีฟิวชั่นปัจจุบัน มีนัยสำคัญซึ่งอาจทำให้ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น Fusion Power เครื่องแรก หรือการผลิตกำลังไฟฟ้าจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น จะสามารถเข้าสู่ระบบกริด หรือโครงข่ายระบบสายส่ง ได้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างน้อยภายในก่อนปี 2040 หรือ พ.ศ.2573 .. ทั้งนี้ ตามรายงานสื่อจีน New Atlas ทีมงาน Experimental Advanced Superconducting Tokamak : EAST ของจีน ได้สร้างสถิติโลกใหม่ในการสร้างดวงอาทิตย์เทียมที่อุณหภูมิ 120 Million oC เป็นเวลา 101 วินาที เมื่อต้นมิถุนายน 2564 นี้เอง ..
ก่อนหน้านี้ เมื่อนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ อาร์เธอร์ สแตนลีย์ เอ็ดดิงตัน Arthur Stanley Eddington เสนอครั้งแรกในปี 1920 ว่า พลังงานของดวงอาทิตย์ และดวงดาวทั้งหลาย ถูกขับเคลื่อนโดยการหลอมรวมไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียม ความคิดของเขาจุดประกายให้เกิดการวิจัย และการเก็งกำไรอย่างรวดเร็วถึงความเป็นไปได้ที่จะนำแหล่งพลังงานนี้มาสู่โลก ไม่นานนัก นักข่าว และนักเขียนนวนิยาย คาดการณ์เวลาซึ่งอยู่ไม่ไกลนัก เมื่อเศรษฐกิจและสังคมของโลกกำลังจะได้รับพลังงานจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น Fusion Reactors ในไม่ช้า ซึ่งมันมิได้ต้องการอะไรมากไปกว่าไฮโดรเจน Hydrogen : H2 ที่อุดมสมบูรณ์จากน้ำ : H2O ..
การคาดคะเนด้วยเทคโนโลยีในช่วงเวลานั้น อาจยังมีความเป็นไปได้ไม่มากนัก .. อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ของพลังงานฟิวชั่นปัจจุบัน มีมากกว่าในสมัยของ Eddington ก็จริง แต่การผลิตกำลังไฟฟ้าเชิงพาณิชย์จากฟิวชั่น จะยังคงเป็นเป้าหมายมากกว่าความเป็นจริง .. หลายทศวรรษของการคาดการณ์ที่กระตือรือร้นมากเกิน ทำให้เกิดเรื่องตลกที่ว่า Fusion เป็นแหล่งพลังงานแห่งอนาคต แต่มันอาจจะเป็นเช่นนั้นตลอดไป เนื่องเพราะมันไม่ได้ง่ายเลย .. แต่อย่างไรก็ตาม การทดสอบทดลองปัจจุบันรุดหน้าไปอย่างมากจน Fusion อาจจะมิใช่ความฝันอีกต่อไป เพราะมันกำลังจะเกิดขึ้นแล้วในอีกไม่นานเกินรอแน่นอน ..
ในทางปฏิบัติแล้ว การขับเคลื่อนเศรษฐกิจ และสังคมจากแหล่งพลังงาน Fusion Energy นั้น ยังไม่ได้เกิดขึ้น และแผนงานที่วางกันไว้ก่อนแล้วนั้น ชี้ว่าจะยังไม่มีการส่งกำลังไฟฟ้าจาก Fusion Reactions เข้าถึงโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้า ก่อนปี 2030 หรือ พ.ศ.2573 .. แต่ทว่าด้วยความจริงนั้น มันใกล้กว่าที่หลายคนตระหนักมาก เป็นผลมาจากความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์หลายทศวรรษของสหรัฐฯ และประเทศอื่น ๆ .. คำถามทางฟิสิกส์ที่สำคัญส่วนใหญ่ที่อยู่เบื้องหลัง Fusion ได้รับคำตอบที่ชัดเจนทั้งหมดแล้ว ขณะเดียวกัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นเครื่องแรกรุ่นทดลองเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้าเข้าสู่ระบบสายส่ง กำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้างในฝรั่งเศส โดยจะเริ่มดำเนินการได้ภายในไม่กี่ปีข้างหน้า .. การทดสอบทดลองในจีนเอง สำหรับดวงอาทิตย์เทียม ก็ก้าวรุดหน้าไปอย่างมากด้วยเช่นกัน ..
แม้ว่าผู้วางแผนทรัพยากรในระบบสาธารณูปโภค อาจคิดว่ายังไม่ถึงเวลาที่จะเริ่มเตรียมผลิตกำลังไฟฟ้าจาก Fusion แต่เวลาของมัน ได้ขยับใกล้เข้ามามากขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อมันกลายเป็นตัวเลือกสำคัญควบคู่ไปกับโครงการสร้างโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่จากแหล่งพลังงานรูปแบบอื่น ๆ มันจึงน่าตื่นเต้นอย่างยิ่งสำหรับอนาคตของมนุษยชาติ .. ดังนั้น ผู้เชี่ยวชาญด้านการผลิตกำลังไฟฟ้า จึงต้องเร่งทำความเข้าใจเกี่ยวกับความก้าวหน้าของ Fusion Power ในปัจจุบัน และสถานการณ์ต่าง ๆ ให้ชัดเจน เพราะการผลิตกำลังไฟฟ้าจากปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นนี้นั้น มีแนวโน้มจะเกิดขึ้นจริงในเพียงช่วงทศวรรษหน้าเท่านั้น ..
กิจกรรม และความท้าทายเกี่ยวกับ Nuclear Fusion ในปัจจุบัน ..
ก้าวใหม่แห่งพลังแม่เหล็กฟิวชั่น Magnetic Fusion Power .. วันนี้มันอยู่ในห้องทดลอง แต่อนาคตมันจะกลายเป็นแหล่งพลังงาน .. โครงการวิจัย Technology Collaboration Programs : TCPs นำแนวคิด Stellarator ไปสู่สถานะพลาสม่าที่เสถียรกว่าด้วยสนามแม่เหล็ก ..
จุดมุ่งหมายของโครงการนี้ ได้แก่ Wendelstein 7 – X หนึ่งในอุปกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ใหญ่ที่สุด และเป็นอุปกรณ์ประเภทสเตลลาแรตเตอร์ Stellarator Type ที่ล้ำหน้าที่สุด มีวัตถุประสงค์เพื่อนำแนวคิดสเตลลาแรตเตอร์มาสู่ความสมบูรณ์ในโรงไฟฟ้าที่ผลิตกำลังไฟฟ้าโดยใช้ความร้อนจากการหลอมรวมนิวเคลียสของไฮโดรเจน ..
นิวเคลียร์ฟิวชั่นสร้างพลังงานโดยใช้ความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสของไฮโดรเจน เปลี่ยนเป็นสถานะพลาสม่าของสสาร และหลอมรวมเชื้อเพลิงให้กลายเป็นฮีเลียม สเตลลาเรเตอร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในสองประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นแม่เหล็กภายใต้การพัฒนาในปัจจุบัน มีพื้นฐานมาจากสนามแม่เหล็กที่ปรับให้เหมาะสมซึ่งปกป้องพลาสม่าร้อนจัดจากผนังเย็น .. สนามแม่เหล็กเกิดจากขดลวดสนามแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวดซับซ้อน .. ขดลวดเหล่านี้สร้าง “กรง” แม่เหล็กรูปวงแหวนบิดเบี้ยว ซึ่งก๊าซไฮโดรเจนสองสามมิลลิกรัม จะถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงประมาณ 100 ล้าน oC และเปลี่ยนสถานะสสารเป็นพลาสม่า ที่อาจใช้เวลานานถึง 30 นาที Wendelstein 7 – X มีเป้าหมายเพื่อแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติของสเตลเรเตอร์ที่จำเป็นในการทำงานอย่างต่อเนื่องพร้อมประสิทธิภาพสูงที่มีเสถียรภาพกว่า และควบคุมได้ ..
โครงการวิจัย TCPs นี้ ได้รับการอนุมัติให้ดำเนินการตั้งแต่ปี 2539 และพลาสม่า Plasma ครั้งแรกแรกถูกสร้างขึ้นสำเร็จได้ เมื่อ เดือนธันวาคม 2558 หลังจากสามขั้นตอนการทำงานที่ประสบความสำเร็จ การปรับปรุง Upgrade เครื่องจักรอย่างครอบคลุม ได้เริ่มขึ้นในปลายปี 2561 .. และมั่นใจว่า ภายในปี พ.ศ. 2565 ปฏิบัติการพลาสม่า Plasma Operations จะทำให้เกิดพลาสม่าที่มีเสถียรภาพมากกว่า และเพียงพอเป็นเวลา 30 นาที ได้สำเร็จ ..
ประโยชน์ที่เป็นไปได้หลายประการของการใช้ Fusion Power เป็นแหล่งพลังงานนั้น ถูกมองว่าเป็นวิธีการผลิตพลังงานในอุดมคติมาช้านาน เชื้อเพลิงไอโซโทปของไฮโดรเจน หาได้ง่าย และผลพลอยได้เพียงอย่างเดียว คือฮีเลียม แตกต่างสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับ โรงไฟฟ้าน้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิล ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน หรือโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชั่น .. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่น สามารถทำงานได้ตลอดเวลา แต่ไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย หรือไอโซโทปรังสีที่มีอายุยาวนาน ความเสี่ยงที่จะเกิดอุบัติเหตุกับ Fusion Reaction มีจำกัดมาก หากเกิดปัญหาขึ้น ปฏิกิริยาฟิวชั่นก็จะสามารถทำให้หยุดลงทันทีได้ และแม้ว่า Fusion จะใช่ว่าปราศจากความเสี่ยงเลย แต่มันก็ไม่สามารถระเบิด หรือปล่อยพลังงานออกไปในวงกว้างได้ ..
การเข้าสู่ยุคของปฏิบัติจริง เป็นความท้าทายหลัก หลังจากกว่า 60 ปีของการวิจัยที่ยาวนานเกี่ยวกับการหลอมรวมด้วยสนามแม่เหล็ก Magnetic Fusion Power .. อุปสรรคส่วนใหญ่ที่เหลืออยู่สำหรับพลังงานฟิวชั่น Fusion Energy คือ ปัญหาทางวิศวกรรมมากกว่าประเด็นอื่น ๆ แม้ว่าคำถามสำคัญทางฟิสิกส์ที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้นั้น ยังมีอยู่มากมายก็ตาม แต่คำตอบทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องเพื่อนำ Fusion Power มาใช้ผลิตกำลังไฟฟ้านั้น มีคำตอบครบถ้วนหมดสิ้นแล้ว ..
ตัวอย่างโครงการวิจัยสำคัญที่ก้าวหน้าไปมาก ได้แก่ ข้อตกลงโครงการ ITER ซึ่งลงนามครั้งแรกในปี 2530 โดยสหรัฐฯ สหภาพยุโรป EU ญี่ปุ่น และรัสเซีย .. จีน และสาธารณรัฐเกาหลี เข้าร่วม ITER ในปี 2546 ตามด้วยอินเดียในปี 2548 ซึ่งทำให้ ITER คือ โครงการวิจัยทดลองฟิวชั่น Fusion Experiment ที่ใหญ่ที่สุดในโลก จากนานาชาติ 35 ประเทศ และถือเป็นโครงการวิทยาศาสตร์ข้ามชาติที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์อีกด้วย ..
ข้อตกลง ITER ปัจจุบันได้มีการลงนามล่าสุดในปี 2550 และสถานที่ใกล้กับเมือง Aix – en – Provence ทางตอนใต้ของฝรั่งเศส ได้รับเลือกให้เป็นสถานที่ก่อสร้างปฏิกรณ์ฟิวชั่นทดลองหลักในการผลิตกำลังไฟฟ้าได้จริงแห่งแรก .. อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายอย่างมากในการดำเนินโครงการขนาดใหญ่เช่นนี้ การก่อสร้างใช้เวลาหลายปี มันเป็นไปอย่างล่าช้า .. การใช้จ่ายงบประมาณที่เพิ่มขึ้น สร้างความกังวลจากหลายฝ่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งคณะกรรมาธิการงบประมาณในสภาคองเกรสของสหรัฐฯ และประเทศสมาชิกอื่น ๆ ด้วย ..
อย่างไรก็ตาม ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของ ITER ที่กำลังก่อสร้างในฝรั่งเศสนี้ จะมีความสามารถมากมายที่เหนือกว่า Tokamak ในปัจจุบัน มันจะเป็นอุปกรณ์ระบบแรกที่สามารถสร้างพลาสม่าในห้องเผาไหม้ที่อุณหภูมิเป้าหมาย 150 Million oC เพื่อเป็นต้นแบบการผลิตกำลังไฟฟ้าให้สำเร็จได้ .. พบว่า เมื่อใช้ฟิวชั่น DT ITER จะผลิตพลังงานฟิวชั่น 500 MW Output ที่ค่า Q เท่ากับ 10 ซึ่งทำลายสถิติโลกปัจจุบันที่ 16 MW ที่ค่า Q เท่ากับ 0.67 ซึ่งทำสำเร็จใน JET เมื่อปี 2540 ..
นอกจากนี้ ITER จะทำหน้าที่เป็นฐานการทดสอบสำหรับเทคโนโลยีฟิวชั่นที่สำคัญอีกหลายรายการ รวมถึงการจัดการกับไอโซโทปของไฮโดรเจน การควบคุมพลาสม่า การวิจัยขั้นสูง และการบรรเทาปัญหาการหยุดชะงัก แม้ว่ามันจะยังมิได้ทำงานเป็นโรงไฟฟ้า แต่ ITER จะเป็นเครื่องมือหลักในการทดสอบทดลองเพื่อให้ได้ข้อค้นพบที่เป็นคุณลักษณะจำเป็นด้านความปลอดภัยสำหรับโรงไฟฟ้าฟิวชั่นในอนาคตได้ต่อไป ..
ในฐานะที่เป็นโครงการวิจัย และสาธิตทดลอง Fusion Power ครั้งแรก ทำให้ ITER มีต้นทุนสูงลิ่วโดยธรรมชาติ และเนื่องจากเงินบริจาคที่นำมาใช้บริหารจัดการส่วนใหญ่ ระดมงบประมาณมาจากประเทศสมาชิกภายใต้แนวทางการจัดหาเงินทุนสาธารณะที่แตกต่างกัน ต้นทุนทั้งหมดที่แน่นอนของ ITER จึงไม่สามารถกำหนดได้ชัดเจน .. อย่างไรก็ตาม ประมาณการแบบคร่าว ๆ โดย ITER เอง เมื่อปี 2559 อยู่ที่ประมาณ 2 หมื่นล้านเหรียญสหรัฐฯ ผ่านรวมไปจนถึงช่วงการเริ่มดำเนินงานของ DT ITER ในปี 2578 .. ตัวเลขค่าใช้จ่ายดังกล่าวจะแบ่งกระจายจากสมาชิก 35 ประเทศ ตามแผนงานที่วางไว้ จนถึงปี 2035 หรือ พ.ศ.2573 ซึ่ง Deuterium – Tritium Operations ที่สมบูรณ์จะเริ่มขึ้นได้จริง และมันคือเทคโนโลยีสำคัญที่สุดที่ ITER พัฒนาขึ้นสู่ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในการผลิตกำลังไฟฟ้าเข้าสู่โครงข่ายระบบสายส่งในการขับเคลื่อนเศรษฐกิจ และสังคมของมนุษยชาติในอนาคตอย่างไร้ขีดจำกัดได้ต่อไป ..
ทั้งนี้ ITER ยังไม่ใช่แผนงานเดียวที่สร้างความตื่นเต้นในชุมชนฟิวชั่น บริษัทสตาร์ทอัพเอกชนอย่างน้อย 12 แห่ง ได้เริ่มสำรวจแนวทางเลือกในการใช้ Fusion Power ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา .. บางส่วนกำลังทำงานเกี่ยวกับวิธีการกักขังพลาสม่าด้วยสนามแม่เหล็ก Magnetic Confinement Methods ที่แตกต่างกันเล็กน้อย ในขณะที่เอกชนบางบริษัท กำลังมุ่งดำเนินงานด้วยแนวทาง และนวัตกรรมใหม่อย่างแท้จริง .. พวกเขาทั้งหมดกำลังมองหาเส้นทางสู่การหลอมรวม Fusion ที่ง่ายกว่า ขนาดเล็กกว่า และถูกกว่า ITER ..
เครื่องปฏิกรณ์ทดสอบวิศวกรรมฟิวชั่นในจีน เป็นอีกตัวอย่างที่ไม่เขียนถึงด้วยไม่ได้ .. คาดหมายว่า มันจะสามารถเริ่มดำเนินการผลิตกำลังไฟฟ้าเข้าสู่โครงข่ายระบบสายส่งที่ชาญฉลาด Smart Grid ได้ในช่วงปลายทศวรรษ 2573 อุปกรณ์นี้เป็นที่รู้จักในชื่อเครื่องปฏิกรณ์ทดสอบวิศวกรรมฟิวชั่นจีน China Fusion Engineering Test Reactor : CFETR .. มันอยู่ในขั้นตอนการสร้างต้นแบบ การออกแบบ และเทคโนโลยี CFETR จะใหญ่กว่า ITER เล็กน้อย โดยมีรัศมีประมาณ 7 เมตร ระยะเริ่มต้นจะแสดงการทำงานของฟิวชั่นที่พลังงานฟิวชั่นประมาณ 200 MW แต่ในที่สุด มันจะได้รับการอัพเกรดเป็นพลังงานฟิวชั่นอย่างน้อย 2 GW .. อย่างไรก็ตาม ปฏิกรณ์รุ่นระดับพลังงานสุทธิ 700 MW ได้เริ่มการก่อสร้างอย่างเป็นทางการแล้ว ที่เหอเฟย Hefei .. ทั้งนี้ การทดลองของปฏิกรณ์ฟิวชั่นต้นแบบจีนเอง เพิ่งจะได้สร้างสถิติโลกใหม่ในการสร้างพลาสม่า หรือดวงอาทิตย์เทียมที่อุณหภูมิ 120 Million oC เป็นเวลา 101 วินาที เมื่อต้นเดือนมิถุนายน 2564 นี้เอง ..
สำหรับในสหรัฐฯ แผนงานสู่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นของสหรัฐฯ มีจุดเน้นที่ชัดเจน .. การสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นต้นแบบในสหรัฐฯ ถือเป็นความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากรายงานฉบับใหม่ระบุแผนงานคร่าว ๆ สำหรับการสร้างโรงไฟฟ้ามูลค่าหลายพันล้านเหรียญสหรัฐฯ และกลยุทธ์ในการพัฒนาการออกแบบ มุ่งมั่นที่จะเริ่มก่อสร้างโครงการนำร่อง ภายในปี 2578 และให้ปฏิบัติการส่งกำลังไฟฟ้าเข้าสู่ระบบสายส่งได้ ภายในปี 2583 ตามรายงานของ National Academies of Sciences, Engineering and Medicine : NASEM ที่เผยแพร่เมื่อต้นปีนี้ และเพื่อให้เป็นไปตามกำหนดการที่รัดกุม เข้มงวด .. รายงานฉบับดังกล่าว เรียกร้องให้กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ US DOE พิจารณาจัดสรรงบประมาณช่วยเหลือกองทุนสำหรับ 2 – 4 ทีมงาน โดยร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมเอกชน ในการพัฒนาออกแบบปฏิกรณ์ฟิวชั่นสำหรับการผลิตกำลังไฟฟ้าให้แล้วเสร็จภายในปี 2028 หรือ พ.ศ.2571 ด้วยการออกแบบ และใช้แนวความคิดที่ต่างกันออกไป ..
สรุปส่งท้าย ..
ไม่มีใครปฏิเสธว่า มนุษยชาติต้องการแหล่งพลังงานที่สะอาด และไร้ขีดจำกัด ..
เราทุกคนตระหนักดีว่า น้ำมันเชื้อเพลิง ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน เป็นทรัพยากรที่มีจำกัด รวมทั้งปลดปล่อยมลพิษ ก๊าซเรือนกระจกจำนวนมหาศาลออกสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้อุณหภูมิโลกเพิ่มสูงขึ้นต่อเนื่อง แต่แม้กระทั่งพลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นพลังงานหมุนเวียน ก็มีข้อจำกัดโดยพื้นฐาน ขึ้นอยู่กับวันที่อากาศแจ่มใส หรือท้องฟ้าที่ไม่มีเมฆ ซึ่งเราไม่สามารถวางใจได้เสมอไป .. นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ระบุว่า นิวเคลียร์ฟิวชั่นปลอดภัยกว่าแหล่งพลังงานส่วนใหญ่อื่น ๆ .. มันยังคงจำเป็น หากโลกหวังว่าจะลดการปล่อยคาร์บอนลงอย่างสิ้นเชิงให้จงได้ ..
นิวเคลียร์ฟิวชั่น Nuclear Fusion นั้นสะอาด ปลอดภัย และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เชื้อเพลิงของมัน คือ ทรัพยากรที่มีปริมาณสำรองในธรรมชาติอย่างมากมายแทบจะไร้ขีดจำกัด เนื่องจากเป็นเพียงแค่ไฮโดรเจน และไอโซโทปของมันที่สร้างขึ้นจากน้ำได้อย่างง่ายดาย ..
ในการสร้างสถานะสสารที่เรียกว่า พลาสม่า Plasma ให้ลุกโชนร้อนจัดในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิวชั่นทดลอง เช่น โทคามัค Tokamak และ สเตลลาแรตเตอร์ Stellarator นั้น .. นักวิทยาศาสตร์ แสวงหาเชื้อเพลิงที่ค่อนข้างง่ายในการผลิต จัดเก็บ และนำไปหลอมรวม .. เชื้อเพลิงที่ดีที่สุดในปัจจุบันสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น คือ ดิวเทอเรียม Deuterium และ ทริเทียม Tritium .. เชื้อเพลิงทั้ง 2 ตัวนี้ เข้าสู่สภาวะฟิวชั่นที่อุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อเทียบกับองค์ประกอบอื่น ๆ และปล่อยพลังงานออกมามากกว่าปฏิกิริยาฟิวชั่นอื่น ๆ อีกด้วย .. ทั้งนี้ เชื้อเพลิงที่กล่าวถึงทั้งหมด มีอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์ในน้ำ แหล่งน้ำ และน้ำทะเลในมหาสมุทร ..
ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง คือ การยอมรับของสาธารณชน และระดับการรับรู้เกี่ยวกับนิวเคลียร์ฟิวชั่น Fusion Reactor จะต้องต่อสู้กับความเข้าใจผิดว่ามันก็เหมือนกับนิวเคลียร์ฟิชชั่น Fission Reactor .. ความเข้าใจของประชาชนทั่วไปเกี่ยวกับพลังงานฟิวชั่นค่อนข้างต่ำ รวมทั้งมีความสับสนกันอยู่มากระหว่างฟิชชั่น Fission และฟิวชั่น Fusion ซึ่งเป็นเรื่องปกติ .. ดังนั้น ผู้เกี่ยวข้องทั้งหมด ที่จะนำแหล่งพลังงานฟิวชั่นมาผลิตกำลังไฟฟ้า จะต้องดำเนินการประชาสัมพันธ์ และสื่อสารเชิงรุกที่มีประสิทธิภาพเกี่ยวกับเทคโนโลยี Fusion ที่สะอาด และปลอดภัยกว่าปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นเก่าในอดีต ให้แก่ผู้คน และผู้มีส่วนได้ส่วนเสียอย่างชัดเจน ถูกต้อง ก่อนที่การก่อสร้างจริงจะเริ่มขึ้น ..
นักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายรู้สึกตื่นเต้นมากขึ้นเรื่อย ๆ เกี่ยวกับโอกาสในอนาคตอันใกล้ .. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นสามารถจำลองแหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์บนโลกผ่านนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี ในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน .. ในระหว่างการประชุมสามัญประจำปีของ IAEA ได้มีการจัดเสวนาด้านเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่น เพื่อหารือเกี่ยวกับความก้าวหน้าล่าสุดในการวิจัย และพัฒนาเทคโนโลยีฟิวชั่น ไปสู่การผลิตกำลังไฟฟ้าด้วยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่นที่สะอาด และปลอดภัย ..
นักวิทยาศาสตร์ และผู้กำหนดนโยบาย เชื่อมั่นว่า มนุษยชาติอยู่บนขอบของ ยุคนิวเคลียร์ฟิวชั่น ‘Age of Fusion’ .. โครงการวิจัย ITER และโรงงานสาธิตทดลองในโครงการ จะสามารถสร้างเทคโนโลยีพลังงานเพื่อตอบสนองความต้องการด้านพลังงานของมนุษยชาติในอนาคตอันใกล้ มันปลอดภัย และไม่ได้ไกลเกินเอื้อมอีกต่อไป .. เชื้อเพลิงของมันมีมากมายไม่มีวันหมดสิ้น ด้วยทรัพยากรที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และหาพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ ..
เป็นที่น่าสังเกตว่ากรอบเวลาที่มีแนวโน้มในการมาถึงของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่น จะใกล้เคียงกับช่วงเวลาที่โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชั่นในสหรัฐฯ หลายแห่งกำลังใกล้จะสิ้นสภาพ และ/หรือ สัญญาใบอนุญาตหมดอายุลง สอดคล้องกับเป้าหมาย Net Zero Emissions ภายในปี 2050 หรือ พ.ศ.2593 สำหรับการลดการปล่อยคาร์บอนสุทธิเป็นศูนย์ Net Zero ซึ่งกำลังได้รับความสนใจอย่างมากทั่วโลก .. ทั้งนี้ ภายใต้สภาพแวดล้อมเช่นนี้ พลังงานฟิวชั่น Fusion Energy จะเป็นประโยชน์สุดยอดต่อการขับเคลื่อนเศรษฐกิจ และสังคมของมนุษยชาติที่ไร้ขีดจำกัดในอนาคตได้อย่างแน่นอน .. มันจะมิใช่เพียงแค่ความฝันอีกต่อไป ..
Energy Key
Byโลกสีฟ้า ..
สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)
ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-
Nuclear Fusion : WNA – World Nuclear Association :-
US DOE Explains | Deuterium – Tritium Fusion Reactor Fuel :-
What is Fusion, and Why Is It So Difficult to Achieve? | IAEA :-
Fusion Power – Technology Collaboration | IEA :-
Fusion Energy Is Coming, and Maybe Sooner Than You Think :-
New Milestones in Magnetic Fusion Power | IEA :-
Charting the International Roadmap to a Demonstration Fusion Power Plant | IAEA :-
Magnetic Fusion Confinement with Tokamaks and Stellarators :-
Scientists just got closer to making Nuclear Fusion Work | World Economic Forum :-
Recreating the Sun: What is nuclear fusion, is it dangerous and is it likely? | CGTN :-
ITER Global Fusion Energy Project: After a Decade of Design and Fabrication, World’s Most Powerful Magnet Ready | ITER / Scitechdaily :-
https://www.euro-fusion.org/devices/jet/
Research at JET- EUROfusion :-
Korean Artificial Sun sets the New World Record of 20 Sec Long Operation at 100 Million Degrees :-
What is KSTAR Fusion Reactor? | Know all about South Korea’s Artificial Sun here :-
