นิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร สำคัญแค่ไหน เป็นความหวังพลังงานสะอาดไร้ขีดจำกัดของมนุษยชาติจริงหรือ?

ทีมนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการทดลองด้านพลังงานครั้งประวัติศาสตร์ หลังจากที่สามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่ให้ผลลัพธ์เป็นพลังงานสุทธิ ซึ่งเป็นความก้าวหน้าสำคัญ ที่รัฐบาลสหรัฐฯ ยกย่องว่าเป็น ‘หลักชัยสำหรับอนาคตของแหล่งพลังงานสะอาดที่ไร้ขีดจำกัด’

และนี่คือสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์รูปแบบใหม่ ซึ่งในท้ายที่สุดแล้วอาจจะช่วยให้พลังงานแก่โลกของเรา และช่วยยุติการพึ่งพาพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน และถ่านหินได้

อะไรคือนิวเคลียร์ฟิวชัน และทำไมมันจึงสำคัญ?

นิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) เป็นกระบวนการที่มนุษย์สร้างขึ้น ซึ่งจำลองพลังงานแบบเดียวกับที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป ผสมรวมกันเป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า ซึ่งเป็นกระบวนการที่สร้างพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาในรูปของความร้อน

ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกศึกษานิวเคลียร์ฟิวชันมานานหลายทศวรรษ ท่ามกลางความหวังว่าจะสร้างมันให้เป็นแหล่งพลังงานใหม่ที่ไร้ขีดจำกัด ปราศจากคาร์บอน ปราศจากกากนิวเคลียร์ที่เกิดจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในปัจจุบัน

นิวเคลียร์ฟิวชันนั้นไม่ต้องการเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน หรือก๊าซ และไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ซึ่งมีผลต่อภาวะโลกรวน

โดยการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งได้รับการขนานนามว่าเป็น ‘จอกศักดิ์สิทธิ์’ ของการผลิตพลังงานนั้น ส่วนใหญ่ใช้ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นธาตุที่สามารถสกัดได้ในราคาถูกจากน้ำทะเลและลิเธียม

นั่นหมายความว่าวัตถุดิบสำหรับการผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันจะมีเพียงพอให้ใช้ไปอีกหลายล้านปี

โครงการนิวเคลียร์ฟิวชันส่วนใหญ่ใช้ธาตุดิวเทอเรียม (Deuterium) และทริเทียม (Tritium) ซึ่งเป็นไอโซโทป (Isotope) หรือธาตุชนิดเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันของธาตุไฮโดรเจน

โดยดิวเทอเรียมจากน้ำเพียง 1 แก้ว ประกอบกับทริเทียมเพียงเล็กน้อย สามารถให้พลังงานไฟฟ้าแก่บ้าน 1 หลังได้ตลอดทั้งปี ขณะที่ทริเทียมนั้นหายากและค่อนข้างมีความท้าทายกว่าที่จะได้มา แม้ว่าจะสามารถสังเคราะห์ขึ้นมาได้ก็ตาม

“มันไม่เหมือนถ่านหิน คุณต้องการไฮโดรเจนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และมันเป็นสิ่งที่มีอยู่มากที่สุดในจักรวาล ไฮโดรเจนพบได้ในน้ำ ดังนั้นสิ่งที่สร้างพลังงานนี้จึงมีไม่จำกัด และสะอาด” จูลิโอ ฟรีดมันน์ (Julio Friedmann) หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ Carbon Direct และอดีตหัวหน้านักเทคโนโลยีพลังงานของ Lawrence Livermore (ลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์) กล่าวในการให้สัมภาษณ์สำนักข่าว CNN

การประกาศความสำเร็จครั้งนี้สำคัญอย่างไร?

กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ประกาศความสำเร็จในการสร้างประวัติศาสตร์ด้านการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชัน โดยเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ สามารถผลิตพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ได้มากกว่าพลังงานเลเซอร์ที่ใช้ในการทดลอง

โดยสิ่งที่เรียกว่า ‘การได้รับพลังงานสุทธิ’ (Net Energy Gain) นั้นเป็นหลักชัยสำคัญในความพยายามที่มีมายาวนานหลายทศวรรษ เพื่อสรรหาพลังงานที่สะอาดและไร้ขีดจำกัดจากนิวเคลียร์ฟิวชัน

การทดลองของทีมนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ เกิดขึ้นที่ศูนย์จุดระเบิดแห่งชาติ (National Ignition Facility) ที่ห้องทดลองแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ ในรัฐแคลิฟอร์เนีย เมื่อวันที่ 5 ธันวาคมที่ผ่านมา โดยเป็นพื้นที่ทดลองขนาดเท่าสนามฟุตบอล 3 สนาม ที่มีการติดตั้งแผงเลเซอร์จำนวน 192 ตัว

ขั้นตอนการทดลองนั้น ทีมนักวิทยาศาสตร์จะยิงเม็ดที่บรรจุเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเข้าใส่แผงเลเซอร์ดังกล่าว และเกิดการระเบิดซ้ำอย่างรวดเร็วในอัตรา 50 ครั้งต่อวินาที ซึ่งพลังงานที่รวบรวมได้จากอนุภาคนิวตรอน (Neutron) และอัลฟา (Alpha) จะถูกดึงออกมาเป็นความร้อน

ขณะที่ทีมนักวิทยาศาสตร์ใส่พลังงาน 2.05 เมกะจูลไปยังเป้าหมาย และได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นพลังงานฟิวชัน 3.15 เมกะจูล ซึ่งสร้างพลังงานได้มากกว่าที่ใส่เข้าไปมากกว่า 50% โดยถือเป็นครั้งแรกที่การทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันได้รับพลังงานออกมาในปริมาณที่มีความหมาย

และแม้ว่าจะยังมีขั้นตอนอีกมาก กว่าที่จะสามารถนำพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ แต่สิ่งสำคัญสำหรับการทดลองครั้งนี้้คือผลลัพธ์ที่แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างพลังงานออกมาได้มากกว่าที่เริ่มต้นการทดลอง

“สิ่งนี้สำคัญมาก เพราะจากมุมมองของพลังงานแล้ว มันไม่สามารถเป็นแหล่งพลังงานได้หากคุณไม่ได้รับพลังงานมากกว่าที่คุณใส่เข้าไป การพัฒนาครั้งก่อนๆ นั้นมีความสำคัญ แต่มันไม่เหมือนกับการผลิตพลังงานที่สักวันหนึ่งสามารถนำมาใช้ในระดับที่ใหญ่ขึ้นได้” ฟรีดมันน์กล่าว

นิวเคลียร์ฟิวชันต่างกับนิวเคลียร์ฟิชชันอย่างไร?

เมื่อผู้คนนึกถึงพลังงานนิวเคลียร์ เราอาจนึกถึงหอหล่อเย็นและควันจากการระเบิดรูปเห็ด แต่นิวเคลียร์ฟิวชันนั้นแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดจากการผสมรวมของอะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไปเข้าด้วยกันกลายเป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า

แต่นิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) นั้นตรงกันข้าม โดยเป็นกระบวนการแยกอะตอมที่ใหญ่กว่าออกเป็น 2 อะตอมที่เล็กกว่า

นิวเคลียร์ฟิชชันเป็นพลังงานชนิดหนึ่งที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วโลกในปัจจุบัน แต่สิ่งที่คล้ายกับนิวเคลียร์ฟิวชันคือ ความร้อนที่เกิดจากการแตกตัวของอะตอมนั้นถูกใช้ในการสร้างพลังงานเช่นเดียวกัน

ขณะที่นิวเคลียร์นั้นเป็นแหล่งพลังงานที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ แต่ก่อให้เกิดกากกัมมันตรังสีที่ระเหยง่ายและต้องจัดเก็บอย่างปลอดภัย อีกทั้งมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ซึ่งการหลอมละลายของนิวเคลียร์แม้ว่าจะเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก แต่ทุกครั้งที่เกิดขึ้นจะส่งผลลัพธ์ที่หลากหลายและร้ายแรง เช่น ที่เตาปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะและเชอร์โนบิล

แต่นิวเคลียร์ฟิวชันไม่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยดังกล่าว และวัตถุดิบที่ใช้สร้างพลังงานก็มีครึ่งชีวิตที่สั้นกว่านิวเคลียร์ฟิชชันมาก

ส่วนกากกัมมันตรังสีที่ผลิตโดยกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันยังมีระดับที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับนิวเคลียร์ฟิชชัน และสามารถจัดการและจัดเก็บได้ง่ายกว่ามาก

ทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency: IAEA) เรียกการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันว่า ‘ความปลอดภัยที่แท้จริง’

โดยการทดลองนิวเคลียร์ฟิวชันนั้นเป็นกระบวนการที่จำกัดตัวเอง ซึ่งหากไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ ตัวเครื่องที่ทำการทดลองจะปิดเอง

นิวเคลียร์ฟิวชันผลิตพลังงานได้อย่างไร?

มี 2 วิธีหลักในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน แต่ทั้ง 2 วิธีมีผลลัพธ์เหมือนกันคือ การผสมรวม 2 อะตอม ที่ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมหาศาล ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตพลังงาน

ความร้อนที่ได้นั้นสามารถใช้ทำน้ำอุ่น สร้างไอน้ำ และหมุนกังหันเพื่อผลิตพลังงานได้ เช่นเดียวกับที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันใช้สร้างพลังงาน

แต่ความท้าทายที่ใหญ่กว่าในการควบคุมพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันคือ การรักษาพลังงานให้คงอยู่ได้นานพอที่จะให้พลังงานแก่โครงข่ายไฟฟ้าและระบบทำความร้อนทั่วโลก

ความก้าวหน้าที่ได้ในการทดลองของนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ นั้นเป็นเรื่องใหญ่ แต่ยังผลิตพลังงานได้ในขนาดที่เล็กมาก เมื่อเทียบกับความจำเป็นสำหรับการสร้างพลังงานให้เพียงพอในการเดินเครื่องโรงไฟฟ้า 1 แห่ง

“มันประมาณต้มน้ำ 10 กา และเพื่อที่จะเปลี่ยนเป็นสถานีพลังงาน เราจำเป็นต้องได้รับพลังงานมากขึ้น เราต้องการมากขึ้นอย่างมาก” เจเรมี ชิตเทนเดน (Jeremy Chittenden) ผู้อำนวยการร่วมศูนย์การศึกษาฟิวชันเฉื่อย (Centre for Inertial Fusion Studies) แห่งราชวิทยาลัยลอนดอน กล่าว

ก้าวต่อไปหลังจากนี้ของนิวเคลียร์ฟิวชัน

เป้าหมายสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญในตอนนี้คือ จำเป็นต้องค้นหาวิธีผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันในปริมาณที่ใหญ่กว่าการทดลองครั้งนี้มาก

ในขณะเดียวกันพวกเขายังต้องหาวิธีที่จะลดต้นทุนของการทำนิวเคลียร์ฟิวชันเพื่อให้สามารถใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ในที่สุด โดยชิตเทนเดนชี้ว่า ในการทดลองทุกครั้งที่ทำมาต้องใช้ทั้งเวลาและเงินจำนวนมหาศาล

ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังจำเป็นต้องเก็บเกี่ยวพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และส่งต่อไปยังโครงข่ายพลังงานในรูปแบบกระแสไฟฟ้า

แต่อาจต้องใช้เวลาหลายปีและอาจถึงหลายทศวรรษ ก่อนที่นิวเคลียร์ฟิวชันจะสามารถผลิตพลังงานสะอาดในปริมาณไม่จำกัด ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกก็กำลังแข่งกับเวลา เพื่อต่อสู้กับภาวะการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ

นิวเคลียร์ฟิวชันช่วยรับมือภาวะโลกร้อนได้ไหม?

การผลิตพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างเช่นน้ำมัน หรือก๊าซ และไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกที่ก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน

มันไม่เหมือนกับพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม โดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศที่เป็นประโยชน์ และใช้วัตถุดิบหลักคือไฮโดรเจนและลิเธียม

หากมีการใช้นิวเคลียร์ฟิวชันผลิตพลังงานในวงกว้าง จะสามารถช่วยให้ประเทศต่างๆ ทั่วโลกบรรลุเป้าหมาย ‘Net Zero’ หรือการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ ได้ภายในปี 2050

อย่างไรก็ตาม การขยายขนาดในการผลิตพลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันที่ต้องใช้เวลาอีกหลายปี ทำให้ฟรีดมันน์เชื่อว่าผลการทดลองล่าสุดนี้จะไม่ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศได้อย่างมีความหมายในอีก 20-30 ปีข้างหน้า พร้อมทั้งชี้ว่า “นี่คือความแตกต่างระหว่างการจุดไม้ขีดไฟกับการสร้างกังหันก๊าซ”

ภาพ: Facebook / Lawrence Livermore National Laboratory

อ้างอิง: