ทำไมต้องใช้พลังงานความร้อนนิวเคลียร์?
เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิโลกสูงขึ้นเกิน 1.5
จะเป็นอย่างไรถ้ามีทางออกด้านพลังงานหนึ่งที่สามารถแก้ปัญหาเร่งด่วนทั้งหมดนี้ แม้ว่าจะฟังดูยอดเยี่ยม แต่ก็มีอยู่จริง
พลังงานที่ทรงพลังที่สุดรูปแบบหนึ่งของเราที่เราใช้ในปัจจุบันคือพลังงานนิวเคลียร์ แม้ว่าพลังงานนิวเคลียร์สมัยใหม่จะมีประสิทธิภาพสูงมากและทำให้เกิดการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ แต่ก็มีข้อเสียมากมายและร้ายแรง ได้แก่ นิวเคลียร์ที่อาจเกิดการละลายและกากกัมมันตรังสีที่ยังคงเป็นอันตรายต่อไปอีกหลายพันปี
แต่มีวิธีที่ดีกว่า
เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไรและจะนำมาใช้บนโลกได้อย่างไร?
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในปัจจุบันทั้งหมดทำงานด้วยโดยใช้นิวเคลียร์ฟิชชันกระบวนการแยกอะตอมเพื่อผลิตพลังงาน หลายปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าเราสามารถใช้กระบวนการย้อนกลับ - นิวเคลียร์ฟิวชันซึ่ง "ให้พลังงาน" กับดวงอาทิตย์โดยการเชื่อมโยงอะตอมเข้าด้วยกันเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นบนโลก เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันเป็นกระบวนการที่มีพลังสูงมีพลังมากกว่าฟิชชันหลายเท่าและไม่นำไปสู่การก่อตัวของกากนิวเคลียร์เนื่องจากเชื้อเพลิงของมันไม่ใช่ยูเรเนียมหรือพลูโตเนียม แต่เป็นไฮโดรเจน ในความเป็นจริงหากการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์สำเร็จนักวิทยาศาสตร์จะสร้าง "ดวงอาทิตย์ขนาดจิ๋ว" บนโลก
"ความสำเร็จของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ซึ่งใช้พลังงานมากกว่าที่จำเป็นในการสร้างมันและถูกมองในเชิงพาณิชย์ว่าอาจเป็นการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ” Nathaniel Gronevold ผู้สื่อข่าวด้านวิทยาศาสตร์ของ Scientific American อธิบาย “ พลังงานฟิวชั่นจะขจัดความต้องการเชื้อเพลิงฟอสซิลและแก้ปัญหาความไม่ต่อเนื่องและความน่าเชื่อถือที่มีอยู่ในพลังงานหมุนเวียน พลังงานจะถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีปริมาณรังสีที่เป็นอันตรายซึ่งก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ฟิชชัน”
เจ้าหน้าที่ของ Thermonuclear ระหว่างประเทศExperimental Reactor (ITER) ซึ่งเป็นโครงการข้ามชาติที่ตั้งอยู่ทางตอนใต้ของฝรั่งเศสประกาศว่าตอนนี้พวกเขาอยู่ห่างจาก First Plasma เพียง 6.5 ปีซึ่งเป็นความสำเร็จครั้งสำคัญในประวัติศาสตร์ โครงการ ITER ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากกลุ่มประเทศ 35 ประเทศตอนนี้เสร็จสมบูรณ์ 65% ตามข่าวประชาสัมพันธ์ในสัปดาห์นี้ ส่วนที่ติดตั้งใหม่ - ฐานของการแช่แข็งและกระบอกสูบด้านล่าง - ปูทางสำหรับการติดตั้งโทคามัคซึ่งเป็นโครงสร้างทางเทคโนโลยีที่เลือกให้เป็นที่ตั้งของสนามแม่เหล็กอันทรงพลังซึ่งจะล้อมรอบแกนฟิวชันของพลาสมาที่ร้อนจัด
ปัญหานิวเคลียร์ฟิวชัน
ฟิวชั่นนิวเคลียร์ทำได้ยากมากเนื่องจากสภาวะที่รุนแรง - ตัวอย่างเช่นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ - ซึ่งจำเป็นต้องสร้างซ้ำที่นี่บนโลก ตามที่ได้อธิบายไว้ในกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา "ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ได้รับการศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์ แต่ยากที่จะรักษาไว้เป็นเวลานานเนื่องจากความดันและอุณหภูมิมหาศาลที่ต้องใช้ในการหลอมรวมนิวเคลียส"
พลังงานฟิวชันจำเป็นต้องมีการกักกันพลาสมาที่ร้อนจัดภายใต้ความกดดันสูง การกักขังสนามแม่เหล็กที่ร้อนมาก—ร้อนกว่าใจกลางดวงอาทิตย์หลายเท่า—พลาสมาต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง พวกมันจะต้องมีค่าเป็น 10 เท่าของความดันบรรยากาศบนพื้นผิวโลก ความแรงของสนามแม่เหล็กเป็นตัวแปรสำคัญในการบรรลุสภาวะเหล่านี้ เนื่องจากมีฉนวนเพื่อรักษาความร้อนของพลาสมาและแรงดันภายนอกเพื่อรักษาเสถียรภาพ ทั้งหมดนี้ไม่มีการสัมผัสทางกายภาพระหว่างพลาสมาและพื้นผิวของวัสดุ
แม้ว่านิวเคลียร์ฟิวชันจะก่อให้เกิดโอกาสอันเหลือเชื่อในการแก้ปัญหาที่ยากที่สุดของโลกยุคใหม่ เวลากำลังดำเนินไปอย่างรวดเร็ว และผู้เชี่ยวชาญหลายคนกล่าวว่า แม้ว่าฟิวชั่นจะอยู่แค่เอื้อม แต่เวลาก็ไม่เข้าข้างเรา แม้ว่าจะหวังว่า ITER จะเปิดตัวภายในปี 2568 และเปิดดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบภายในปี 2578 แต่นี่อาจจะสายเกินไป ย้อนกลับไปในปี 2019 ผู้เชี่ยวชาญด้านสภาพอากาศแย้งว่าเส้นตาย 12 ปีที่คณะกรรมการระหว่างรัฐบาลกำหนดให้โลกสามารถแก้ไขสถานการณ์ที่เปลี่ยนแปลงไปของโลกอาจต้องลดลงเหลือ 18 เดือน Hans Joachim Schellnhuber จาก Potsdam Climate Institute อธิบายไว้เช่นนี้เมื่อปีที่แล้ว: “คณิตศาสตร์ด้านสภาพอากาศนั้นชัดเจน แม้ว่าโลกอาจจะไม่ได้รับการเยียวยาในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า แต่อาจได้รับบาดเจ็บสาหัสจากความประมาทเลินเล่อก่อนปี 2020”
อย่างไรก็ตามในสัปดาห์นี้ความหวังเรื่องพลังงานสะอาดได้กลับมาอีกครั้ง
โครงการ SPARC
นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนารุ่นกะทัดรัดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันได้รับการจัดแสดงในรายงานวิจัยชุดหนึ่งที่ใช้งานได้ ช่วยฟื้นคืนความหวังที่ว่าเป้าหมายที่ยากจะเข้าใจมายาวนานในการเลียนแบบการผลิตพลังงานจากดวงอาทิตย์สามารถบรรลุได้ และท้ายที่สุดก็มีส่วนช่วยในการต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
ศูนย์วิจัยพลาสม่าและเทอร์โมนิวเคลียร์MIT ร่วมกับ บริษัท สตาร์ทอัพ Commonwealth Fusion Systems (CFS) กำลังพัฒนาการออกแบบแนวคิด SPARC นี่คือการทดลองไฟฟ้าแรงสูงขนาดกะทัดรัดด้วยพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์บริสุทธิ์ คาดว่า SPARC จะมีขนาดเท่าอุปกรณ์ฟิวชั่นระดับกลางที่มีอยู่ แต่มีสนามแม่เหล็กที่แรงกว่ามาก ตามกฎของฟิสิกส์นักวิทยาศาสตร์หวังว่าอุปกรณ์จะผลิตพลังงานนิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์ได้ 50-100 เมกะวัตต์ การทดลองดังกล่าวจะเป็นการสาธิตครั้งแรกของการสร้างพลังงานสะอาดและความเป็นไปได้ในการสร้างอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีตัวนำยวดยิ่งใหม่ SPARC เป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์โดยรวมในการเร่งการพัฒนาฟิวชั่นผ่านการใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) อุณหภูมิสูงชนิดใหม่
โรงไฟฟ้าฟิวชัน Sparc จะมีขนาดค่อนข้างเล็กดังแสดงในภาพของห้องปฏิกิริยานี้
ที. เฮนเดอร์สัน / CFS / MIT-PSFC
เวลาก่อสร้าง
คาดว่าการก่อสร้างเตาปฏิกรณ์ภายใต้ชื่อ SPARC ซึ่งได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยจาก Massachusetts Institute of Technology และ บริษัท ย่อยของ Commonwealth Fusion Systems จะเริ่มในฤดูใบไม้ผลิหน้าและจะใช้เวลาสามหรือสี่ปีนักวิจัยและเจ้าหน้าที่ของ บริษัท กล่าว
แม้ว่าจะยังคงมีปัญหาร้ายแรงมากมายบริษัท กล่าวว่าการก่อสร้างจะตามมาด้วยการทดลองและหากประสบความสำเร็จโรงไฟฟ้าที่สามารถใช้พลังงานฟิวชั่นเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจะเริ่มในทศวรรษหน้า
ตารางอันทะเยอทะยานนี้เร็วกว่ามากโครงการพลังงานฟิวชันที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งเป็นโครงการข้ามชาติทางตอนใต้ของฝรั่งเศสที่เรียกว่า ITER เครื่องปฏิกรณ์นี้อยู่ระหว่างการก่อสร้างตั้งแต่ปี 2556 และถึงแม้จะไม่ได้ออกแบบมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า แต่ก็คาดว่าจะผลิตปฏิกิริยาฟิวชันได้ภายในปี 2578
Bob Mumgaard ซีอีโอของเครือจักรภพFusion และหนึ่งในผู้ก่อตั้ง บริษัท กล่าวว่าเป้าหมายของโครงการ SPARC คือการพัฒนาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นให้ทันเวลาเพื่อมีบทบาทในการบรรเทาผลกระทบจากภาวะโลกร้อน “ เรามุ่งเน้นไปที่การรับพลังงานนิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์โดยเร็วที่สุด” เขากล่าว
เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งมีอะตอมของแสงการรวมตัวกันที่อุณหภูมิหลายสิบล้านองศาเพื่อปลดปล่อยพลังงานกลายเป็นหนทางหนึ่งของโลกในการรับมือกับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจากการผลิตไฟฟ้า
เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันทั่วไป ซึ่งแยกอะตอม โรงไฟฟ้าฟิวชันจะไม่เผาเชื้อเพลิงฟอสซิลและจะไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก
วิจารณ์โครงการ
แม้จะมีความทะเยอทะยานของโครงการ แต่อุปสรรคระหว่างทางการสร้างเครื่องจักรที่สามารถสร้างพลาสมาเทอร์โมนิวเคลียร์และจัดการกับเมฆอะตอมที่ร้อนจัดที่หมุนวนซึ่งสร้างความเสียหายหรือทำลายทุกสิ่งที่สัมผัสนั้นมีจำนวนมหาศาล
นักวิทยาศาสตร์บางคนที่ทำงานเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ความร้อนมานานหลายทศวรรษกล่าวว่าในขณะที่พวกเขากระตือรือร้นเกี่ยวกับโอกาสของ Sparc เส้นเวลาอาจไม่สมจริง
“ การอ่านเอกสารเหล่านี้ (เอกสารวิจัย- ประมาณ. ) ทำให้ฉันรู้สึกว่านักพัฒนาจะมีพลาสมาเทอร์โมนิวเคลียร์เทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ซึ่งเราทุกคนใฝ่ฝัน "แครี่ฟอเรสต์นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซินซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการกล่าว อย่างไรก็ตามเขาไม่แน่ใจว่าไทม์ไลน์ของโครงการเป็นจริงหรือไม่
Mumgaard กล่าวว่า SPARC จะมีมากมีขนาดเล็กกว่า ITER ซึ่งมีขนาดเท่ากับสนามเทนนิสเมื่อเทียบกับสนามฟุตบอลและราคาถูกกว่าโครงการระดับนานาชาติมากซึ่งตามการประมาณการอย่างเป็นทางการจะมีราคาประมาณ 22 พันล้านดอลลาร์ แต่ตัวเลขนี้ไม่ได้ จำกัด Commonwealth Fusion ก่อตั้งขึ้นในปี 2018 และมีพนักงานประมาณ 100 คนได้ระดมทุน 200 ล้านดอลลาร์สำหรับโครงการในปัจจุบัน
ความแตกต่างระหว่างสปาร์กและ ITER
นับตั้งแต่ที่พวกเขาเริ่มต้นเมื่อเกือบหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมาการทดลองฟิวชั่น โอกาสในการสร้างอุปกรณ์ฟิวชันที่ใช้งานได้จริงซึ่งสามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าที่ใช้นั้นยังคงเป็นเรื่องที่ยากจะเข้าใจ
แต่จากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ใน The Journal of Plasma Physics โครงการ SPARC จะประสบความสำเร็จและจะผลิตพลังงานได้มากกว่าที่ใช้ถึง 10 เท่า
งานวิจัย” ยืนยันว่าโครงการนี้สิ่งที่เราทำงานนั้นน่าจะได้ผล” Martin Greenwald รองผู้อำนวยการ MIT Center for Plasma Research and Fusion และหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโครงการกล่าว ดร. กรีนวาลด์เป็นผู้ก่อตั้ง Commonwealth Fusion แต่ปัจจุบันไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับ บริษัท
SPARC ใช้อุปกรณ์ประเภทเดียวกับITER: ห้องโทคามัคหรือรูปโดนัทซึ่งเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน เนื่องจากเมฆพลาสม่าร้อนมาก - ร้อนกว่าดวงอาทิตย์จึงต้องถูกพลังแม่เหล็กยึดไว้
ITER ทำสิ่งนี้โดยใช้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่มีสายตัวนำยิ่งยวดที่ต้องระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว
แบบจำลองของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ITER (หน้าตัด)
CC BY-SA 2.0 fr
ตามที่ Greenwald SPARC ใช้ประโยชน์ของเทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบใหม่ที่ใช้สิ่งที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงซึ่งสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงกว่ามาก เป็นผลให้พลาสมามีขนาดเล็กลงมาก
เอกสารระบุว่า“ เส้นทางนี้สูงสนามยังคงดูน่าอยู่” ดร. กรีนวาลด์กล่าว "หากเราสามารถเอาชนะความท้าทายทางวิศวกรรมได้เครื่องจักรนี้จะทำงานตามที่เราคาดการณ์ไว้"
Commonwealth Fusion กล่าวว่าจะประกาศที่อยู่ของ SPARC ในอีกไม่กี่เดือน
มีใครอีกบ้างที่ทำงานเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์และมีความหวังหรือไม่?
Commonwealth Fusion เป็นเพียงหนึ่งในหลาย ๆบริษัท ที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาและการค้าพลังงานฟิวชั่นร่วมกับสถาบันวิจัยโดยได้รับการสนับสนุนจากการลงทุนหลายร้อยล้านดอลลาร์
ตัวอย่างเช่น TAE Technologies ซึ่งมีฐานอยู่ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้กำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบที่ใช้อุปกรณ์เชิงเส้นที่ยิงพลาสมาสองก้อนเข้าหากันเพื่อผลิตนิวเคลียร์ฟิวชัน
First Light Fusion ซึ่งเป็น บริษัท ในเครือของมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดในอังกฤษใช้พลังงานในการบีบอัดและอัดเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์
ดร.ฟอเรสท์ กล่าวว่า:ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กที่แรงกว่า SPARC อาจกล่าวได้ว่าเป็น "อนุรักษ์นิยม" มากกว่า “สิ่งนี้ทำให้มันแตกต่างจากสตาร์ทอัพทั้งหมดโดยสิ้นเชิง ซึ่งตามคำจำกัดความแล้วมีความมากกว่า เสี่ยง” เขาเน้นย้ำ
วิลเลียมดอร์แลนด์นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์และบรรณาธิการของ The Journal of Plasma Physics กล่าวว่าวารสารได้ขอให้ตัวแทนของโครงการฟิวชั่นเหล่านี้ "พูดคุยเกี่ยวกับฟิสิกส์ของพวกเขา" กลุ่ม MIT และ Commonwealth Fusion ตกลงอย่างรวดเร็วเขากล่าว
“ จากมุมมองของฉันนี่เป็นกลุ่มแรกในกลุ่มนี้ซึ่งมีเงินส่วนตัวซึ่งจริงๆแล้วชัดเจนมากเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขาทำ” ดร. ดอร์แลนด์กล่าว - คนที่มีเหตุผลไม่เห็นด้วยว่ามันได้ผลหรือไม่ แต่ฉันแค่มีความสุขที่พวกเขาก้าวขึ้นมาและบอกเราโดยใช้วิทยาศาสตร์ปกติว่าเกิดอะไรขึ้น” เขาสรุป
ในท้ายที่สุดสิ่งที่จะเกิดขึ้นการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน? หากกระบวนการทางเทคโนโลยีได้รับการแก้ไขและควบคุมก็จะช่วยมนุษยชาติได้ พลังงานสะอาดจากการหลอมรวมอะตอมแทนที่จะฟิชชันอย่างน้อยก็จะช่วยปกป้องโลกจากกากนิวเคลียร์
บรรทัดล่างคืออะไร?
แม้จะมีอันตรายและความซับซ้อนของโครงการก็ตามการพัฒนาฟิวชั่นแสนสาหัส ดูเหมือนว่ามนุษยชาติจะไม่มีทางเลือกอื่น ความสามารถของดาวเคราะห์นั้นมีจำกัด ไม่เหมือนความต้องการของมนุษย์ ไม่ว่า SPARC, ITER หรือสตาร์ทอัพใดๆ ก็ตามจะปฏิบัติตามคำสัญญา เวลาจะเป็นเครื่องพิสูจน์
อ่านยัง
นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสีที่สามารถแทนที่แผงโซลาร์เซลล์ราคาแพงได้
ภารกิจ CHEOPS ได้พบดาวเคราะห์ที่มีสภาพเลวร้ายที่สุดในจักรวาล สิ่งหลัก
นักดาราศาสตร์ค้นพบเครื่องเร่งดวงจันทร์ตั้งแต่ทศวรรษที่ 60 เขามุ่งหน้าสู่โลก