ความหวังในการผลิตพลังงานสะอาดที่สามารถใช้งานได้อย่างไร้ขีดจำกัด เริ่มเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันสามารถทลายข้อกำจัดของการผลิตพลังงานด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้สำเร็จ นับเป็นอีกก้าวสำคัญในประวัติศาสตร์วงการวิทยาศาสตร์และพลังงาน
ความสำเร็จครั้งนี้เกิดขึ้นที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ลอว์เรนซ์ ลิเวอร์มอร์ (Lawrence Livermore National Lab – LLNL) ในรัฐแคลิฟอร์เนีย หลังจากมีความพยายามมานานหลายสิบปี ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถเอาชนะอุปสรรค ผลิตพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้มากกว่าพลังงานที่ใช้ไปในกระบวนการได้เป็นครั้งแรก ซึ่งจะปูทางไปสู่การมีแหล่งพลังงานสะอาดโดยไร้ขีดจำกัดในอนาคต
นิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) เป็นปฏิกิริยาแบบเดียวกับที่เกิดในดวงอาทิตย์ เกิดจากการจับคู่อะตอมเพื่อสร้างพลังงานมหาศาลออกมาในรูปแบบของความร้อน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการนี้มานานหลายทศวรรษ
นิวเคลียร์เคลียร์ฟิวชัน เป็นกระบวนการตรงข้ามกับนิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในปัจจุบันใช้กันอยู่ ซึ่งเป็นการแยกอะตอมหนักออกจากกัน ก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีจำนวนมากและต้องใช้เวลานานกว่าจะสลายตัว จึงมีความอันตรายและต้องอาศัยการจัดเก็บเป็นอย่างดี ซึ่งหากเกิดความผิดพลาด อาจทำให้เกิดการรั่วไหลของกัมมันตภาพรังสีได้
แตกต่างจากนิวเคลียร์เคลียร์ฟิวชันที่สร้างกากกัมมันตรังสีในปริมาณน้อยกว่า ใช้เวลาสลายตัวแค่เพียง 50-100 ปี ทั้งยังไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก และแทบไม่มีความเสี่ยงที่จะเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ เนื่องจากหากว่าเกิดความผิดพลาดขึ้นในกระบวนการปฏิกิริยาฟิวชันจะหยุดลง
นิวเคลียร์ฟิวชันถูกมองว่าเป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์” หรือความฝันอันสูงสุดในการผลิตพลังงาน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกพยายามทำการทดลองมาตั้งแต่ทศวรรษที่ 1950 ด้วยความหวังว่าจะเป็นแหล่งพลังงานสะอาด และมีราคาประหยัด เพราะกระบวนการนี้หากทำได้สำเร็จจะสามารถผลิตไฟฟ้าได้ในปริมาณมหาศาล โดยไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล อย่างเช่น น้ำมัน หรือก๊าซ จึงไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก และเป็นผลดีการจัดการกับปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
ในการทดลองครั้งล่าสุดนี้ นักวิทยาศาสตร์ของ LLNL ได้ทดลองสร้างปฏิกิริยาฟิวชันขึ้นด้วยการยิงแสงเลเซอร์แรงสูงใส่แคปซูลขนาดเล็กที่บรรจุไฮโดรเจนไว้ภายใน เพื่อให้เกิดความร้อน และการบีบแน่น จนทำให้แคปซูลมีความร้อนสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งเป็นระดับความร้อนที่มากกว่าใจกลางดวงอาทิตย์ หลอมนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนเข้าด้วยกัน จนเกิดปฏิกิริยาฟิวชันที่ปล่อยพลังงานออกมา โดยได้พลังงานมา 3.15 เมกะจุล ในขณะที่ใช้พลังงานกับเลเซอร์ไป 2.05 เมกะจุล เท่ากับว่าได้พลังงานมามากกว่าพลังงานที่ใช้ไปกับกระบวนการสร้าง
ในแง่วิทยาศาสตร์ การทดลองครั้งนี้จึงถือว่าเป็นความสำเร็จ เพราะเป็นครั้งแรกที่พิสูจน์ให้เห็นได้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันสามารถสร้างพลังงานได้จริง นับเป็นหลักไมล์สำคัญสู่การเข้าใกล้การแหล่งพลังงานสะอาดที่เกือบจะไร้ขีดจำกัดขึ้นบนโลกใบนี้
การสร้างพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันยังคงอุปสรรคและความท้าทายอยู่อีกมาก โดยเฉพาะยิ่งในเรื่องของต้นทุนและการเพิ่มปริมาณพลังงานที่ผลิตได้ โดยการทดลองล่าสุดที่ LLNL ครั้งนี้ ใช้งบประมาณไปมากถึง 3.5 พันล้านดอลลาร์ แต่ได้กระแสไฟฟ้าเพียงพอต่อการต้มน้ำในกาแค่เพียง 15-20 ใบเท่านั้น
ความสำเร็จครั้งนี้จึงเป็นเพียงก้าวเล็กๆ ที่ยังต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมต่อไปอีกหลายสิบปี กว่าจะได้เห็นการนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมาผลิตไฟฟ้าเพื่อแจกจ่ายในเชิงพาณิชย์
Feb92022
ข่าวสาร เกร็ดความรู้ทั่วไปฟิสิกส์ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ฟิชชัน และฟิวชัน
.ปฏิกิริยานิวเคลียร์
หมายถึง ปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น ซึ่งจะแผ่รังสีและให้พลังงานมหาศาล และเรียกสมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ว่า สมการนิวเคลียร์ ในสมการใช้สัญลักษณ์ธาตุเป็นสัญลักษณ์นิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะเกิดกับนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ โดยนิวเคลียสที่เป็นเป้าจะถูกยิงด้วยอนุภาคที่ใช้เป็นกระสุน ซึ่งอาจจะเป็นนิวตรอน แอลฟา หรือไอออนที่หนัก ๆ ผลิตผลที่ได้จะเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ และจะให้พลังงานออกมาอย่างมหาศาล ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่ หรืออาจเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น และให้พลังงานจำนวนมหาศาล ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบ่งออกได้ 2 ประเภทคือ ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) และปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction)
1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction)
คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา นิวตรอนที่เกิดขึ้น 2-3 ตัวซึ่งมีพลังงานสูงจะวิ่งไปชนนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปเป็นลูกโซ่ ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ ซึ่งทำให้ได้พลังงานมหาศาล
เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม-235 เกิดการแตกตัวออกเป็น 2 นิวเคลียส มวลอะตอมรวมหลังเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์มีค่าลดลง ซึ่งมวลอะตอมรวมที่หายไป จะกลายเป็นพลังงาน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ทำให้ได้พลังงานมหาศาล
2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction)
คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) เชื่อกันว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล
เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเมื่อธาตุเบารวมกันกลายเป็นธาตุหนัก เช่น การรวมกันของดิวทิเรียม กับทริเทียม กลายเป็นฮีเลียม กับนิวตรอน นิวเคลียร์ฟิวชันจะให้พลังงานต่อมวลมากกว่านิวเคลียร์ฟิชชันประมาณ 3.2-4.6 เท่า เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์
การควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ทำได้โดย ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาให้อยู่ในบริเวณจำกัด และใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีขนาดเล็ก