ทั้งสองวิธีในการหลอมนิวเคลียร์มีเป้าหมายร่วมกัน นั่นคือการควบคุมพลังของดวงอาทิตย์บนโลก โดย ราหุล ราว | เผยแพร่เมื่อ 15 พ.ย. 2564 8:00 น.
ศาสตร์
พลังงาน
ผู้ปฏิบัติงานที่ศูนย์จุดระเบิดแห่งชาติที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore ดำเนินการบำรุงรักษาตามปกติ เจสัน ลอเรีย/NIF
เมื่อสัปดาห์ที่แล้วนักการเมืองและผู้นำได้พบกันที่กลาสโกว์เพื่อเข้าร่วม COP26 เพื่อแก้ไขนโยบายที่อาจบรรเทาวิกฤตสภาพภูมิอากาศ เนื่องจากความต้องการพลังงานเป็นเชื้อเพลิงในวิกฤตดังกล่าว อาจเป็นการดึงดูดใจที่จะมองดูดวงอาทิตย์ที่แผดเผาและสงสัยว่าเราจะทำสิ่งที่มันทำได้หรือไม่ นั่นคือนิวเคลียร์ฟิวชัน
นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามมาเป็นเวลาหลาย
ทศวรรษเพื่อให้เกิดการหลอมรวม อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนั้นจริงต้องเอาชนะความท้าทายด้านลอจิสติกส์จำนวนมาก แม้ว่าการหลอมรวมเป็นวิทยาศาสตร์ที่เคลื่อนไหวช้า แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังเข้าใกล้การบรรลุความฝันมากขึ้นเรื่อยๆ
พวกเขากำลังแบ่งความพยายามระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันสองประเภท แนวทางหนึ่งดำเนินไปอย่างยิ่งใหญ่และพยายามกระตุ้นการหลอมรวมในห้องขนาดห้อง อีกอันมีขนาดเล็กและพยายามทำเช่นเดียวกันในเม็ดขนาดเท่าเข็มหมุด แต่ท้ายที่สุด ทั้งคู่ก็พยายามเลียนแบบสิ่งที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์
ดาวของเราผลิตความร้อนมหาศาลและแสงที่ทำให้ไม่เห็นด้วยการรวมอะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งรวมกันเป็นฮีเลียมและพลังงานจำนวนมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ นั่นคือสิ่งที่นักวิจัยฟิวชันต้องการจะทำในที่สุด: หากเราสามารถสร้างเงาสีซีดของดาวฤกษ์บนโลกได้ สิ่งนั้นจะเปิดประตูสู่พลังงานสะอาดจำนวนมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ
นี่เป็นสองแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุด
ไปกันใหญ่
ดวงอาทิตย์สามารถหลอมรวมอะตอมของไฮโดรเจนได้อย่างง่ายดายเนื่องจากสภาวะนรกที่อยู่ตรงกลาง ที่อุณหภูมิหลายสิบล้านองศา อะตอมจะเอาชนะแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่แยกออกจากกันตามธรรมชาติ พวกเขาหลอมรวม ปฏิกิริยานั้นไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก
ที่อุณหภูมิดังกล่าว อะตอมจะร้อนมากจนสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นซุปร้อนลวกของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เรียกว่าพลาสม่า นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการและกวนซุปนี้ได้โดยใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
การสร้างพลาสมาบนโลกนั้นทำได้ แต่นั่นเป็นเพียงขั้นตอนแรกเท่านั้น ต่อไป นักฟิสิกส์ต้องบีบอัดพลาสมาให้มีความหนาแน่นสูงพอสมควร วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการวางพลาสม่าไว้ในกรงแม่เหล็กที่แข็ง นั่นเรียกว่าฟิวชั่นการกักขังด้วยแม่เหล็ก
ภาชนะที่รู้จักกันดีสำหรับวิธีนี้คือtokamak : ห้องรูปโดนัทโดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่เท่ากับห้องขนาดกลาง ผนังของห้องเป็นบ้านของแม่เหล็กอันทรงพลัง ซึ่งช่วยให้พลาสมากักขังไว้จนกว่าจะถึงความหนาแน่นสูงพอที่จะทำให้เกิดฟิวชั่น
[ที่เกี่ยวข้อง: มนุษย์เพิ่งสร้างพลังงานนิวเคลียร์ที่คล้ายกับดาวฤกษ์ ]
เป้าหมายระยะยาวของ Fusion คือธรณีประตูที่เรียกว่า “การจุดระเบิด” เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ใช้พลังงานมากกว่าที่จำเป็นในการเริ่มต้น ซึ่งเป็นเกณฑ์มาตรฐานที่จำเป็นในการทำให้โรงไฟฟ้าฟิวชันสามารถทำงานได้ แต่ถึงแม้การหลอมรวมการกักขังด้วยแม่เหล็กจะมีมาตั้งแต่ปี 1950 จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวเข้าใกล้เครื่องหมายนั้น
แต่วันนั้นนักวิทยาศาสตร์หวังว่าอาจจะอยู่ในสายตา
อยู่ระหว่างการก่อสร้าง ซึ่งตั้งอยู่ในเนินเขาทางตอนใต้ของฝรั่งเศส เป็นโทคามักที่ใหญ่และทรงพลังที่สุดในโลกเท่าที่เคยพบเห็น: เครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์นานาชาติหรือ ITER โทคามัคของมันจะ กว้างกว่าโท คาแมคถึงสิบเท่าในปัจจุบัน ITER ทำงานมากว่าทศวรรษแล้ว และหวังว่าจะเริ่มดำเนินการในปี 2568 เรียกได้ว่าเป็นการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่แพงที่สุดเท่าที่เคยมีมา
ตัวเล็กไป
ห่างจากฝรั่งเศสไปทั่วโลก ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2564 ปฏิกิริยาอีกรูปแบบหนึ่งกำลังดำเนินอยู่ ที่ National Ignition Facility (NIF) ที่ Lawrence Livermore National Laboratory ในแคลิฟอร์เนีย นักวิทยาศาสตร์ประกาศว่าพวกเขาได้ทำการหลอมรวมที่มีประสิทธิภาพสูงจนเกือบถึงจุดติดไฟ
ไม่มี tokamak ในการทดลองที่ประสบความสำเร็จของ NIF แต่ NIF จะใช้ปฏิกิริยาประเภทหนึ่งที่เรียกว่า Inertial Convenement fusion สิ่งนี้ต้องอาศัยการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเม็ดเล็กๆ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีขนาดเท่าเข็มหมุด แล้วเขย่าด้วยคลื่นกระแทกอันทรงพลัง ในขณะที่คลื่นกระแทกเหล่านั้นล้างบนเม็ด พวกมันจะบีบอัดและต้มไฮโดรเจนภายในให้เป็นแรงดันและอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้เกิดฟิวชั่น
[ที่เกี่ยวข้อง: เรายังไม่ทราบจริงๆ ว่ามีอะไรอยู่ในดวงอาทิตย์—แต่อาจเปลี่ยนแปลงได้ในไม่ช้า ]
นักฟิสิกส์สามารถสร้างคลื่นกระแทกได้หลายวิธี แต่เกือบทั้งหมดอาศัยการเล็งเลเซอร์พลังงานสูงไปที่เม็ด สิ่งอำนวยความสะดวกบางอย่างจะระเบิดเม็ดโดยตรงด้วยเลเซอร์เหล่านั้น ในทางกลับกัน NIF จะแปลงพลังงานของเลเซอร์เป็นรังสีเอกซ์ ซึ่งจะกระทบกับเม็ด
ซึ่งใช้พลังงานมากขึ้น แต่ยังทำให้การตั้งค่ามีความละเอียดอ่อนน้อยลงและสามารถจัดการได้มากขึ้นโดยให้นักวิทยาศาสตร์มีความคล่องตัวในการทำงานเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย “ขั้นตอนในการบีบหนึ่งในสิ่งเหล่านี้… พิถีพิถันมาก ทุกอย่างต้องแม่นยำ แม่นยำที่สุด” Doug Larsonผู้อำนวยการ NIF กล่าว
NIF และหน่วยงานอื่นๆ สามารถสร้างแรงกดดันมหาศาล มากกว่าที่เป็นไปได้ใน tokamak—แต่แรงกดดันใน tokamak นั้นยาวนานกว่ามาก
“ใน NIF เราสามารถสร้างแรงกดดันได้สูงถึงระดับบรรยากาศหนึ่งแสนล้าน—จริงๆ แล้ว สุดขีดสุดขีด—แต่สิ่งเหล่านี้มีอยู่ในห้องเป้าหมายของเราเป็นเวลาล้านล้านของวินาที” ลาร์สันกล่าว
NIF เป็นสถานที่หลอมรวมเฉื่อยเพียงแห่งเดียวที่มีขนาดเท่า แม้ว่าสิ่งอำนวยความสะดวกอื่นๆ เช่นLaser Mégajouleในบอร์โดซ์ ประเทศฝรั่งเศส และShenguang IV ที่เสนอ ในจีน วันหนึ่งอาจเข้าคู่กันได้
อนาคตอันสดใสสำหรับการหลอมรวม?
นักฟิสิกส์กล่าวว่ามันเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นในโลกแห่งฟิวชั่น “ในปีที่ผ่านมา มีความเข้าใจหลายอย่างมารวมกันในลักษณะที่ความคืบหน้าได้เร่งตัวขึ้นจริงๆ” ที่ NIF ลาร์สันกล่าว
เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเสนอสัญญาของพลังงานที่เกือบจะไม่จำกัด แต่สิ่งเหล่านี้ยังห่างไกลจากวิธีแก้ไขวิกฤตสภาพภูมิอากาศในทันที การทดลองในเดือนสิงหาคมที่ NIF อาศัยเลเซอร์ที่สามารถชีพจรได้ทุกๆสองสามชั่วโมงเป็นต้น แต่สำหรับโรงไฟฟ้าหลอมรวมเฉื่อยที่สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ ลาร์สันกล่าว เลเซอร์นั้นจำเป็นต้องยิงทุกๆ สองสามวินาที NIF วางแผนที่จะอัพเกรดเลเซอร์นั้น
สำหรับ ITER ซึ่งเป็น tokamak ยักษ์ที่กำลังก่อสร้างในฝรั่งเศส เป็นเพียงขั้นตอนกลางในการทำให้พลังงานฟิวชันเป็นไปได้ ผู้สร้างหวังว่าความรู้จาก ITER จะช่วยปรับปรุงเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันรุ่นต่อไป ที่เรียกว่า Demonstration Fusion Power Plant หรือDEMO พวกเขาหวังว่า DEMO อาจเป็นสิ่งที่นำการผสมผสานมาสู่ผู้คน โรงไฟฟ้าเหล่านั้นจะไม่เริ่มก่อสร้างจนกว่าจะถึงปี 2030
