นิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไรและจะช่วยโลกจากวิกฤตสภาพภูมิอากาศ

นิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร?

นิวเคลียร์ฟิวชั่น (ในกรณีนี้คือนิวเคลียร์ฟิวชั่น) เป็นปฏิกิริยา

ฟิวชั่นของนิวเคลียสอะตอมแสงนั้นหนักกว่าเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษและมาพร้อมกับการปล่อยพลังงาน จํานวนมหาศาล ปฏิกิริยาดังกล่าวตรงกันข้ามกับฟิชชันของอะตอม: ในช่วงหลังพลังงานจะถูกปล่อยออกมาเนื่องจากการพังทลายของนิวเคลียร์หนักนั้นเบากว่า

ตามหลักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่แนวคิดซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของดวงอาทิตย์และดาวดวงอื่นคือการหลอมรวมของเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในส่วนลึกของพวกมัน ภายใต้สภาพพื้นโลกจะดำเนินการด้วยการระเบิดของระเบิดไฮโดรเจน เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานมหาศาลต่อหนึ่งหน่วยมวลของสารที่ทำปฏิกิริยา (มากกว่าปฏิกิริยาเคมีประมาณ 10 ล้านเท่า) ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่งที่จะต้องฝึกฝนกระบวนการนี้ให้เชี่ยวชาญและสร้างแหล่งพลังงานราคาถูกและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมบนพื้นฐาน อย่างไรก็ตามแม้ว่าทีมงานด้านวิทยาศาสตร์และเทคนิคขนาดใหญ่ในประเทศที่พัฒนาแล้วหลายแห่งมีส่วนร่วมในการวิจัยเกี่ยวกับฟิวชั่นนิวเคลียร์แบบควบคุม (CTF) แต่ก็ยังมีปัญหาที่ซับซ้อนมากมายที่ต้องแก้ไขก่อนที่การผลิตพลังงานนิวเคลียร์ทางอุตสาหกรรมจะกลายเป็นความจริง

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สมัยใหม่ที่ใช้กระบวนการฟิชชันเพียงบางส่วนตอบสนองความต้องการไฟฟ้าของโลกพวกมันถูกเติมเชื้อเพลิงโดยธาตุกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติยูเรเนียมและทอเรียมความอุดมสมบูรณ์และปริมาณสํารองซึ่งในธรรมชาติมี จํากัด มาก ดังนั้นสําหรับหลายประเทศส่วนประกอบหลักของเชื้อเพลิงฟิวชั่นคือไอโซโทปของไฮโดรเจนดิวเทอเรียมซึ่งพบได้ในน้ําทะเลปริมาณสํารองของมันเปิดเผยต่อสาธารณชนและมีขนาดใหญ่มาก (มหาสมุทรโลกครอบคลุม ~ 71% ของพื้นที่ผิวโลกและดิวเทอเรียมคิดเป็นประมาณ 0.016% ของจํานวนอะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดที่ประกอบเป็นน้ํา)

นอกเหนือจากความพร้อมของเชื้อเพลิงแล้วแหล่งพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ยังมีข้อดีที่สำคัญเหนือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ดังต่อไปนี้:

• เครื่องปฏิกรณ์ CTS มีวัสดุกัมมันตรังสีน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิชชันดังนั้นผลที่ตามมาของการปล่อยผลิตภัณฑ์กัมมันตรังสีโดยไม่ได้ตั้งใจจึงมีอันตรายน้อยกว่า
• ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ทำให้เกิดกากกัมมันตรังสีที่มีอายุน้อยลง
• TCB ช่วยให้สามารถผลิตไฟฟ้าได้โดยตรง

การใช้ปฏิกิริยาฟิวชันที่ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอมที่ใช้และความเป็นไปได้ในการได้รับพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงหนาแน่นซึ่งจำเป็นในการเริ่มปฏิกิริยา

พลังงานถูกปล่อยออกมาอย่างไรในระหว่างการหลอมรวม?

การปลดปล่อยพลังงานระหว่างนิวเคลียร์ฟิวชั่นเกิดจากแรงดึงดูดที่รุนแรงมากที่กระทำภายในแกนกลาง แรงเหล่านี้จับโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียส พวกมันรุนแรงมากและสลายตัวเร็วมากตามระยะทาง นอกจากแรงเหล่านี้โปรตอนที่มีประจุบวกยังสร้างแรงผลักดันไฟฟ้าสถิต รัศมีของการกระทำของกองกำลังไฟฟ้าสถิตนั้นมากกว่าแรงนิวเคลียร์มากดังนั้นจึงเริ่มมีชัยเมื่อนิวเคลียสหลุดออกจากกัน

ภายใต้สภาวะปกติพลังงานจลน์ของนิวเคลียสอะตอมของแสงมีขนาดเล็กเกินไปที่จะเอาชนะแรงขับดันไฟฟ้าสถิตพวกมันสามารถเข้าใกล้และเข้าสู่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ อย่างไรก็ตามแรงผลักสามารถเอาชนะได้ด้วยแรง "เดรัจฉาน" ตัวอย่างเช่นการชนนิวเคลียสด้วยความเร็วสัมพัทธ์สูง

ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงทำนิวเคลียร์ฟิวชั่น?

นักวิจัยพัฒนาเทอร์โมนิวเคลียร์เครื่องปฏิกรณ์ที่สามารถสร้างพลังงานได้มากกว่าที่จะบริโภคได้แสดงให้เห็นในชุดงานล่าสุดที่การออกแบบของพวกเขาต้องใช้งานได้การฟื้นฟูการมองโลกในแง่ดีว่าแหล่งพลังงานที่สะอาดและไร้ขีด จำกัด นี้จะช่วยบรรเทาวิกฤตสภาพอากาศได้

กลุ่มนักวิจัยจากแมสซาชูเซตส์สถาบันเทคโนโลยี (MIT) และสถาบันอื่น ๆ ประกาศว่า SPARC เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันขนาดกะทัดรัดจะทำงานได้จริง อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎีตามที่พวกเขาอ้างในชุดการศึกษาที่เพิ่งเผยแพร่

ทีมงานชี้ให้เห็นว่าในระหว่างขั้นตอนการวางแผนหมายเลขไม่พบอุปสรรคหรือความประหลาดใจที่ไม่คาดคิด สิ่งนี้ระบุไว้ในบทความเจ็ดชิ้นที่เขียนโดยนักวิจัย 47 คนจากสถาบันวิทยาศาสตร์ 12 แห่ง

แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ใหม่จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แต่นักวิทยาศาสตร์หวังว่าภายในสิ้น ทศวรรษนี้จะ สามารถ Martin Greenwald หนึ่งใน นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของโครงการบอกกับ The Guardian ว่าแรงจูงใจสําคัญสําหรับไทม์ไลน์ที่ทะเยอทะยานคือการตอบสนองความต้องการ พลังงานในสภาพแวดล้อม ที่ ร้อนขึ้น"ฟิวชั่นดูเหมือนจะเป็นหนึ่งใน วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ในการออกจาก ภัยพิบัติสภาพภูมิอากาศที่กําลังเกิดขึ้น"  

ฟิวชั่นมีปัญหาอะไรและจะช่วยโลกได้อย่างไร?

ฟิวชันนิวเคลียร์เป็นกระบวนการทางกายภาพที่การให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์ของเราเกิดขึ้นเมื่ออะตอมชนกันที่อุณหภูมิและความกดดันสูงมากทำให้พวกมันปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลโดยการหลอมรวมกับอะตอมที่หนักกว่า

นับตั้งแต่  มีการค้นพบ ครั้งแรกในศตวรรษที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้พยายามควบคุมนิวเคลียร์ฟิวชั่นซึ่งเป็นพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งมี เชื้อเพลิง - ไอโซโทปไฮโดรเจน - มีมากมายและ เติมเต็มยิ่งไปกว่านั้นฟิวชั่นไม่ได้ผลิตก๊าซเรือนกระจกหรือคาร์บอน และแตกต่างจาก  เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันไม่ได้  ดําเนินการความเสี่ยงของการละลาย

อย่างไรก็ตามการใช้พลังงานนิวเคลียร์รูปแบบนี้พิสูจน์แล้วว่ายากมากเนื่องจากต้องให้ความร้อนแก่ "ซุปของอนุภาคย่อย" - พลาสมาถึงหลายร้อยล้าน องศา - ร้อน  เกินไปที่จะทนต่อภาชนะใด ๆนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนากล้องรูปโดนัทที่มี สนามแม่เหล็กแรงสูงผ่านมันเรียกว่า tokamak ซึ่งถือพลาสม่าในสถานที่ 

มีการพัฒนาอะไรบ้าง?

นักวิทยาศาสตร์สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และ บริษัท ในเครือ Commonwealth Fusion Systems ได้เริ่มออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่ที่มีขนาดกะทัดรัดกว่ารุ่นก่อนในช่วงต้นปี 2561 โดยจะเริ่มการก่อสร้างในช่วงครึ่งแรกของปีหน้า หากตารางเวลาของพวกเขาเป็นไปตามแผนเครื่องปฏิกรณ์ที่เรียกว่า Sparc สามารถผลิตไฟฟ้าสำหรับกริดได้ภายในปี 2573 ตามที่นักวิจัยและเจ้าหน้าที่ของ บริษัท กล่าว สิ่งนี้จะเร็วกว่าการริเริ่มพลังงานฟิวชันหลัก ๆ ที่มีอยู่มาก

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่มีขนาดใหญ่และมีราคาแพงเกินไปที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับผู้บริโภคได้จริงการใช้แม่เหล็กที่ล้ําสมัยและแข็งแกร่งเป็นพิเศษทีม MIT และ Commonwealth Fusion หวังว่าจะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ขนาดกะทัดรัดมีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้โทคามัค. สิ่งที่เราทํา จริงๆคือการผสมผสานวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่เข้ากับ วัสดุใหม่เพื่อเปิดโอกาสใหม่ ๆ มากมาย" Greenwald กล่าว

หลังจากสาธิตอุปกรณ์ Sparcในทางทฤษฎีสามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าที่จำเป็นสำหรับการดำเนินงานในเอกสารการวิจัยที่ตีพิมพ์ในเดือนกันยายนขั้นตอนต่อไปคือการสร้างเครื่องปฏิกรณ์จากนั้นโรงงานนำร่องที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าบนตะแกรง

ข้อดีและข้อเสีย ของนิวเคลียร์ฟิวชั่น

นักวิทยาศาสตร์และผู้ประกอบการได้ให้คำมั่นสัญญาไว้นานแล้วเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันอยู่ใกล้ ๆ แต่ต้องเผชิญกับปัญหาที่ผ่านไม่ได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดความลังเลที่จะลงทุนในแหล่งนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานลมแสงอาทิตย์และแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ แม้ว่าจะมีพลังน้อยกว่าฟิวชั่น แต่ก็มีประสิทธิภาพและคุ้มค่ากว่า

แต่สถานการณ์จะเปลี่ยนไปในแผน 2 ล้านล้านดอลลาร์ของ Biden เขาเรียกว่าเทคโนโลยีนิวเคลียร์ขั้นสูงเป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์การลดคาร์บอน พรรคเดโมแครตสนับสนุนพลังงานนิวเคลียร์เป็นครั้งแรกนับตั้งแต่ปีพ. ศ. 2515 การลงทุนที่สำคัญยังมาจากแหล่งเอกชนรวมถึง บริษัท น้ำมันและก๊าซขนาดใหญ่บางแห่งที่มองว่าฟิวชั่นเป็นการตั้งหลักในระยะยาวที่ดีกว่าลมและแสงแดด

ตามที่ Bob Mamgaard หัวหน้าผู้บริหารของ Commonwealth Fusion เป้าหมายไม่ใช่  การใช้ฟิวชั่นเพื่อแทนที่พลังงานแสงอาทิตย์และ พลังงานลม แต่  เพื่อเสริมพวกเขา "มีหลายสิ่งที่จะทําได้ยากเพียงแค่ กับพลังงานหมุนเวียน ในระดับอุตสาหกรรมเช่นการ ขับเคลื่อนเมืองใหญ่หรือการผลิต"  "นั่นคือจุดที่การสังเคราะห์มีประโยชน์"

ชุมชนพลาสมาโดยรวมมีความกระตือรือร้นเกี่ยวกับความคืบหน้าของ Sparc แม้ว่าบางคนจะตั้งคำถามเกี่ยวกับไทม์ไลน์ที่ทะเยอทะยานเนื่องจากอุปสรรคทางเทคนิคและกฎระเบียบ

Daniel Jessby, 25 ปีแห่งการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ผู้ร่วมงานที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสม่าพรินซ์ตันสงสัยว่าเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเช่น SPARC จะกลายเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกที่เป็นไปได้ Tritium ซึ่งเป็นหนึ่งในไอโซโทปของไฮโดรเจนที่ Sparc จะใช้เป็นเชื้อเพลิงไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติและต้องผลิตขึ้นเขากล่าว

ทีมเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์สถาบันสันนิษฐานว่าสารนี้จะถูกสร้างใหม่อย่างต่อเนื่องโดยปฏิกิริยาการสังเคราะห์เอง แต่ Jessby เชื่อว่าสิ่งนี้จะต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมากทำให้เครื่องปฏิกรณ์มีราคาแพงมาก “ เมื่อคุณคิดว่าเราได้รับพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมฟรีการพึ่งพาปฏิกิริยาฟิวชันจะเป็นเรื่องโง่” เขาสรุป

อ่านเพิ่มเติม

การวิจัย: มนุษย์จะไม่สามารถควบคุมเครื่องจักร AI อัจฉริยะได้

การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด

ชมภาพที่สวยที่สุดของกล้องฮับเบิล กล้องโทรทรรศน์เห็นอะไรในรอบ 30 ปี?