รพพน พิชา1, สุภาวดี มุกดาพันธ์2, ขนิษฐา จันทโสม2, และ สุรีย์ จารุจิตร2
1 สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
2 มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี
การนำนิวเคลียสมารวมกันเพื่อสร้างปฏิกิริยาฟิวชัน อันก่อให้เกิดพลังงานมหาศาลนั้น ไม่ใช่สิ่งที่ยากเย็นเกินความสามารถของนักวิทยาศาสตร์ แต่ที่ผ่านมาการก่อให้เกิดฟิวชันได้นั้น ต้องใช้พลังงานที่สูงมาก ทำให้เกิดคำถามด้านความคุ้มค่าของการทดลอง ในปัจจุบันแม้ว่าปฏิกิริยาฟิชชัน (การทำให้นิวเคลียสขนาดใหญ่แบ่งแยกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็ก) ได้สามารถเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า และสร้างแสงสว่างและทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าทำงานได้แก่บ้านเรือนจำนวนมาก มาเป็นเวลานานกว่า 50-60 ปีแล้ว แต่ฟิวชันยังคงอยู่ในระดับการศึกษาวิจัยเช่นเมื่อหลายสิบปีก่อน
แต่อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันได้มีโครงการฟิวชันหลายโครงการทั่วโลก ที่มุ่งจะนำพลังงานออกมาใช้งาน ผ่านการทดลองหลากหลายรูปแบบ อันที่เราจะกล่าวถึงในที่นี้
1.National Ignition Facility (สหรัฐอเมริกา) : ใช้ลำเลเซอร์จำนวน 192 ลำ ยิงเม็ดเชื้อเพลิงขนาดเล็ก เพื่อกระตุ้นให้เกิดฟิวชันขึ้นที่แกนเม็ด
2.ITER/DEMO (ฝรั่งเศส) : เป็นความร่วมมือนานาชาติที่มี 7 กลุ่มประเทศหลักเป็นผู้นำโครงการ มีความตั้งใจที่จะสร้างฟิวชันในเครื่องโทคาแมคขนาดใหญ่ที่สุดที่โลกเคยมีมา และหาก ITER ประสบผลสำเร็จ ก็จะนำไปสู่การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ DEMO ต่อไป
ไอโซโทปของไฮโดรเจน 2 ชนิด คือ ดิวเทอเรียม และทริเทียม จะเป็นเชื้อเพลิงที่สำคัญต่อการผลิตพลังงานจากฟิวชัน เราจะต้องสร้างสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงถึง 150 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิของฟิวชันในดวงอาทิตย์ราวสิบเท่า
ที่อุณหภูมิสูงนี้ อิเล็กตรอนจะแยกออกจากนิวเคลียส ทำให้สสารกลายสถานะเป็นพลาสมา แก๊สซร้อนและมีประจุไฟฟ้า ธรรมชาติของการให้พลาสมาซึ่งประกอบด้วยแสงที่สามารถหลอมละลายและผลผลิตทางพลังงาน ดังเช่น ในดาว ใน ITER จะสร้างฟิวชันในอุปกรณ์โทคาแมค (tokamak) ที่ให้สนามแม่เหล็กควบคุมพลาสมา ปฏิกิริยาฟิวชันระหว่าง ดิวเทอเรียมและทริเทียมจะผลิต ฮีเลียม นิวตรอน (อย่างละ 1 อนุภาค) และให้พลังงานออกมา
นิวเคลียสของฮีเลียมที่มีประจุไฟฟ้าจะถูกกักเก็บไว้ในพลาสมา อย่างไรก็ตาม ประมาณ 80 % ของพลังงานที่ได้มานั้นมาจากพลาสมาโดยเป็นนิวตรอนซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าและไม่ถูกกระทบโดยสนามแม่เหล็ก นิวตรอนจะถูกดูดกลืนในผนังรอบ ๆ โทคาแมค และถ่ายเทพลังงานทำให้เกิดความร้อน มีตัวทำให้เย็นระบายความร้อนออกไปเพื่อผลิตไอน้ำโดยกังหัน และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ITER เป็นโครงการขนาดใหญ่ มีเจ็ดประเทศสมาชิกหลัก คือ สหรัฐอเมริกา จีน ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย อินเดีย และ สหภาพยุโรป (นับรวมเป็นหนึ่งสมาชิก)
3.LDX (สหรัฐอเมริกา) : Levitating Dipole Experiment เป็นโครงการของ MIT ที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันรูปแบบใหม่ ที่มีรูปทรงคล้ายโทคาแมค แต่จะมีสนามแม่เหล็กอยู่ภายในตัวเครื่อง โดยตัวเครื่องเองจะสามารถลอยได้
4.HiPER (ยุโรป) : High Power Laser Energy Research มุ่งที่จะเป็นการพัฒนาอีกขั้นหนึ่งจาก NIF โดยใช้การจุดระเบิดแบบเร็ว (fast ignition) ที่จะทำให้เครื่องมีขนาดเล็กลงและลดปริมาณเลเซอร์เพื่อลดต้นทุน
5.Z-IFE (สหรัฐอเมริกา): IFE ย่อมาจาก inertial fusion energy ที่ศูนย์ปฏิบัติการแซนเดีย (Sandia National Laboratory) มีชื่อว่า Z Machine ซึ่งสร้างภาวะอุณหภูมิที่สูงมากได้ (หลายพันล้านเคลวิน) และสร้างฟิวชันขึ้นด้วยรังสีเอกซ์ มีการปรับปรุงมาหลายขั้น เพื่อที่จะสร้างพลังงานฟิวชันที่ต่อเนื่องได้เป็นเวลานาน
6.General Fusion (แคนาดา) : เป็นฟิวชันที่คล้ายกับของ NIF แต่จะใช้คลื่นกระแทก (shock waves) ในการทำให้เกิดฟิวชันขึ้นในศูนย์กลางของเม็ดเชื้อเพลิง แม้ว่า General Fusion จะมีการสนับสนุนเงินทุนจากบริษัทเอกชนซึ่งไม่มากเท่าที่โครงการของรัฐบาลได้รับเช่น NIF และ ITER แต่ General Fusion สามารถกล่าวได้ว่ามีการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์ และมีระบบควบคุมเชิงคอมพิวเตอร์ที่ล้ำหน้า
7.LPP, Lawrenceville Plasma Physics (สหรัฐอเมริกา) : มุ่งจะใช้เครื่องบีบอัดพลาสมา (plasma focus) ในการที่จะสร้างสนามแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้า และนำสนามแม่เหล็กนั้นมาบีบรวมสสารให้เป็นก้อนพลาสมา โครงการนี้มีข้อดีในขนาดที่เล็ก และไม่ต้องใช้แม่เหล็กเสริมภายนอกเครื่อง
8.FRX-L (สหรัฐอเมริกา) : เป็นโครงการที่ใช้ฟิวชันแบบมีเป้า กำลังถูกศึกษาอยู่ที่ศูนย์ปฏิบัติการลอสอะลาโมส (LANL) และ ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยของกองทัพอากาศ มีลักษณะคล้ายกับโครงการของ General Fusion แต่ว่ามีการสนับสนุนที่เสถียรกว่า
9.Wendelstein 7-X (เยอรมัน) : ใช้รูปแบบเครื่องคล้าย ITER มุ่งที่จะควบคุมฟิวชันให้ได้ต่อเนื่องเป็นเวลา 30 นาที เพื่อพิสูจน์ให้เห็นว่าฟิวชันสามารถถูกนำมาใช้ได้ในโรงไฟฟ้า
10.Sonofusion (สหรัฐอเมริกา) : เรียกได้อีกชื่อว่าฟิวชันฟองสบู่ เป็นการทดลองที่ใช้คลื่นเสียงบีบอัดสสารเพื่อให้เกิดฟิวชันคงต้องดำเนินการศึกษาวิจัยกันต่อไป ตราบใดที่เราร่วมมือกัน ความสำเร็จคงเกิดขึ้นได้ โดยหากสักหนึ่งโครงการที่กล่าวถึงในที่นี้จะประสบความสำเร็จ ก็จะนับเป็นก้าวที่สำคัญยิ่งของมนุษย์ ในการที่จะมีแหล่งพลังงานใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง สะอาด และปลอดภัย
- บทความ Ten serious nuclear fusion projects making progress around the world, Feb 2010
- ITER organization website (ITER.org)projects’ websites: NIF, ITER, LDX, HiPER, Z-IFE, General Fusion, LPP, FRX-L, Wendelstein 7-X, Sonofusion (Impuse Devices, Inc.)
