เมื่อวันที่ 12 เมษายนที่ผ่านมา เตาปฏิกรณ์ฟิวชัน EAST ของจีน หรือที่รู้จักกันในสมญานาม ‘ดวงอาทิตย์เทียม’ สร้างสถิติใหม่ในการคงสภาพเก็บกักพลาสมาได้นานถึง 403 วินาที ขยับเข้าใกล้จุดหมายในเปิดการใช้งานจริงมากขึ้นเรื่อยๆ
ความสำเร็จครั้งนี้ถือเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่จากสถิติเดิมที่ทำเอาไว้ 101 วินาทีเมื่อปี 2017 มาได้ค่อนข้างไกลเลยทีเดียว ท่ามกลางความยินดีของทีมวิจัยจากนักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์พลาสมาของจีน Chinese Academy of Sciences (ASIPP) ที่ได้ทุ่มเททำงานนี้มาอย่างยาวนาน และได้รับผลสำเร็จครั้งนี้เป็นกำลังใจสำคัญในการก้าวต่อไป
‘ดวงอาทิตย์เทียม’ คืออะไร
คำนี้จริงๆ มีต้นทางมาจากคำว่า ‘Artificial Sun’ ที่มีความหมายถึง ‘ดวงอาทิตย์ประดิษฐ์’ โดยมีที่มาจากการที่มนุษย์เราพยายามสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบหลอมรวมธาตุ (ฟิวชัน) ขึ้นมาใช้ประโยชน์ การหลอมรวมธาตุแบบนี้มันไปเหมือนกับสิ่งที่เกิดขึ้นตลอดเวลาที่ใจกลางดวงอาทิตย์ ก็เลยนำเอาความเหมือนนี้มาตั้งชื่อให้เข้าใจง่ายๆ
ขั้นตอนเป็นอย่างไร
อะตอมของธาตุเบาอย่างไฮโดรเจน 2 อะตอม ถ้าเราทำให้มันหลอมรวมกันได้ ก็จะได้พลังงานออกมา แต่การจะทำให้มันหลอมรวมกันนั้นต้องเลือกตัวช่วยสำคัญอย่างใดอย่างหนึ่ง คือความร้อน หรือแรงกดดัน
ที่ใจกลางดวงอาทิตย์มีแรงกดดันมากถึง 2.65 แสนล้านบาร์ อะตอมของไฮโดรเจนจึงหลอมรวมกันได้ไม่ยากที่อุณหภูมิเพียง 15 ล้านองศา แต่สำหรับบนโลกเรานั้นยังไม่พบหนทางใดที่จะสร้างแรงกดดันระดับแสนล้านบาร์ขึ้นมาได้ จึงเหลือวิธีการเดียวนั่นคือการสร้างอุณหภูมิสูงมากๆ ขึ้นมาแทน ซึ่งเท่าที่ผ่านมาก็มีพบหลายวิธีที่จะสร้างอุณหภูมิระดับหลายสิบล้านองศาไปจนถึงร้อยล้านองศาในเตาปฏิกรณ์ ดังนั้นการทดสอบการหลอมรวมธาตุจึงเกิดขึ้นได้เป็นปกติบนโลกใบนี้
ปัญหาต่อมาคือ เราจะเอาภาชนะอะไรไปใส่ของที่ร้อนนับล้านองศา เพราะไม่ว่าวัสดุอะไรก็ตามย่อมไม่อาจทนต่ออุณหภูมิสูงขนาดนั้นได้ ทางออกก็คือต้องหุ้มภาชนะนั้นด้วยสนามแม่เหล็ก และนั่นคือที่มาของเตาปฏิกรณ์ที่แข่งขันกันสร้างและวิจัยกันในเวลานี้
หนึ่งในรูปแบบเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบหลอมรวมธาตุที่นิยมสร้างกันคือ ‘โทคาแมค’ มีลักษณะเป็นท่อรูปโดนัท (สีเทาตามภาพบน) เรียกว่า ทอรัส ทำหน้าที่เป็นทางให้พลาสมาซึ่งเป็นอะตอมของไฮโดรเจนที่เราจ่ายความร้อนเข้าไปจนมีอุณหภูมิหลายล้านองศา (สีเหลืองในภาพ) ไหลวนเป็นวงกลม โดยมีคอยล์ 2 ชุดสร้างสนามแม่เหล็กใน 2 ทิศทางกำกับการไหลของพลาสมาร้อนจัดนี้ นั่นคือคอยล์แบบโทรอยด์ (Toroid) วางตัวตามแนวนอน (สีเขียวในภาพ) และโพลอยด์ (Poloid) วางตัวตามแนวตั้ง (สีแดงในภาพ)
เตาปฏิกรณ์ของจีนในข่าวนี้ก็เป็นเตาปฏิกรณ์ในรูปแบบโทคาแมคเช่นกัน มีชื่อเต็มว่า Experimental Advanced Superconducting Tokamak ตั้งอยู่ในเมืองเหอเฝย (合肥) มณฑลอานฮุย ทางจีนระบุว่า เตาปฏิกรณ์ EAST ถูกออกแบบมาให้เน้นไปในเรื่องของการประหยัดและลดต้นทุนโดยไม่ลดประสิทธิภาพ
ประโยชน์คืออะไร
เตาปฏิกรณ์แบบหลอมรวมธาตุ หากสร้างสำเร็จ เอามาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ หน้าที่หลักคือเป็น ‘เตาต้มน้ำ’ เพื่อสร้างไอน้ำไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ฟังดูอาจน่าขำ แต่เบื้องหลังไฟฟ้าที่เราใช้กันเป็นหลักในทุกวันนี้ก็มาจากหลักการในการหาอะไรสักอย่างไป ‘หมุน’ หรือปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งสิ้น ไม่ว่าเป็นการไหลของน้ำในเขื่อน การหมุนของกังหันลม หรือการต้มน้ำเพื่อเอาไอน้ำมาไปหมุนหรือปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่มาของเชื้อเพลิงในการต้มน้ำนั้นก็มีความหลากหลาย ตั้งแต่เชื้อเพลิงจำพวกฟอสซิลอย่างน้ำมันดีเซล ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ ที่ส่งผลโดยตรงต่อสภาวะโลกร้อนจากปริมาณคาร์บอนที่ปล่อยออกมา ไปจนถึงการใช้ความร้อนจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นเก่า (ฟิชชัน) ที่ทำงานแบบแยกธาตุหนัก โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ประเภทนี้แม้ไม่ทำโลกร้อนเหมือนเชื้อเพลิงฟอสซิล แต่ก็มีปัญหาเรื่องกากกัมมันตรังสีที่อาจรั่วไหลออกมาเป็นอันตราย หากการควบคุมไม่ดีพอหรือเกิดอุบัติเหตุกับระบบที่หุ้มห่อแท่งเชื้อเพลิง
แต่ ‘ดวงอาทิตย์เทียม’ นั้นต่างออกไป เตาปฏิกรณ์แบบหลอมรวมธาตุ (ฟิวชัน) นั้นเป็นพลังงานสะอาดอย่างแท้จริง เตาปฏิกรณ์ประเภทนี้ใช้เชื้อเพลิงเป็นไอโซโทปของธาตุไฮโดรเจน ซึ่งก็คือดิวทีเรียมที่สกัดได้จากน้ำทะเลเป็นหลัก เป็นเชื้อเพลิงที่แทบจะไม่มีวันหมดไปจากโลก แถมของเสียที่ทิ้งออกมาจากโรงไฟฟ้าชนิดนี้ก็เป็น ‘ฮีเลียม’ ซึ่งไม่มีพิษภัย จึงถือว่าเป็นแหล่งพลังงานสะอาด ไม่ส่งผลต่อสภาวะโลกร้อน มีความยั่งยืน และผลสุดท้ายก็จะทำให้ผู้คนทั่วโลกได้ใช้พลังงานไฟฟ้าราคาถูกในอนาคต
สถิติในการแข่งขันคืออะไร
พลาสมาในเตาปฏิกรณ์แบบฟิวชันนั้นต้องมีอุณหภูมิสูงมากๆ จึงจะเกิดการหลอมรวมธาตุปลดปล่อยพลังงานออกมาได้ ในการสร้างอุณหภูมิสูงจะต้องป้อนพลังงานเข้าไปเรื่อยๆ ให้เพียงพอ ดังนั้นหากจะเอามาใช้งานในเชิงพาณิชย์ ‘พลังงานที่ได้ออกมาจากเตาปฏิกรณ์จะต้องมากกว่าพลังงานที่ใส่เข้าไป’ แต่ทุกวันนี้เรายังไปไม่ถึงจุดนั้น กระแสพลาสมาที่สร้างขึ้นมาในเตาปฏิกรณ์ยังมีอายุสั้นมาก (403 วินาทีในสถิติล่าสุดของจีน) แต่เป้าหมายของเราคือต้องการให้มันติดเครื่องยาวๆ เป็นเหมือนสตาร์ทรถยนต์ที่พอหมุนกุญแจติดเครื่องแล้วมันก็จะทำงานไปเรื่อยๆ จนเราดึงกุญแจออก หรือเชื้อเพลิงหมดไปเอง แต่สำหรับเตาปฏิกรณ์แบบหลอมรวมธาตุ (ฟิวชัน) ทุกเครื่องในโลกเวลานี้ยังอยู่ในขั้นตอนวิจัย พัฒนา ยังคงเป็นภาระของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกที่จะต้องหาหนทางต่อไปในการสร้างสถิติการแข่งขัน เพื่อให้เกิดความเสถียรของพลาสมาอย่างถาวร การหลอมรวมธาตุในพลาสมาในเตาปฏิกรณ์จะต้องดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง จนสามารถสร้างพลังงานออกมาให้มากเพียงพอที่จะย้อนกลับไปให้ความร้อนตัวเองโดยไม่ต้องเติมพลังงานภายนอกเข้าไปอีก อีกทั้งยังจะต้องเหลือพลังงานบางส่วนเพื่อต้มน้ำปั่นไฟฟ้า และเมื่อถึงขั้นนั้นจึงจะถือได้ว่าโลกเรามีแหล่งกำเนิดพลังงานใหม่เกิดขึ้น และจะมีการสร้างโรงไฟฟ้าที่ใช้พลังงานจาก ‘ดวงอาทิตย์เทียม’ ออกมาให้มนุษยชาติได้ใช้พลังงงานสะอาดที่ไม่มีวันหมดนี้ต่อไป
ภาพ: irfm.cea.fr
อ้างอิง:
