credit: Atomic Archive
นิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นปฏิกิริยาทางนิวเคลียร์ระหว่างนิวเคลียสเบาสองตัวมารวมกัน ซึ่งหลังจากการรวมแล้ว จะได้นิวเคลียสใหม่ซึ่งไม่เสถียร นิวเคลียสนี้จะแตกตัวออก และให้พลังงานที่สูงออกมา กระบวนการนี้เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลาในดวงอาทิตย์ และดาวฤกษ์ต่างๆ
ปฏิกิริยาในดวงอาทิตย์เป็นการรวมกันของนิวเคลียสไฮโดรเจน
1H + 1H ---> 2H + positron + neutrino
2H + 1H ---> 3He + gamma
3H + 3H ---> 4He + 2 positrons + 2 neutrinos
สมมติฐานที่ว่าฟิวชั่นของไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์ได้เกิดจาก ฌอง แบบทิสต์ เพอร์ริน (Jean Baptiste Perrin) และ อาร์เธอร์ เอดดิงตัน (Arthur Eddington) โดยมี ฮันซ์ เบทธ์ (Hans Bethe) เป็นผู้สร้างทฤษฎีขึ้นอย่างเป็นรูปเป็นร่างขึ้นต่อมา ในราวปีค.ศ. 1938-1939
ในการเหนี่ยวนำให้ฟิวชั่นเกิดขึ้นบนโลกนั้น เราจะไม่ใช้ 1H เพราะว่ามันมีโอกาสการรวมตัวกันต่ำ เราจะใช้ไอโซโทปของไฮโดรเจน (ซึ่งมีประจุไฟฟ้าเท่ากับไฮโดรเจน) คือดิวเทอรอน (D หรือ 2H) และไทรทอน (T หรือ 3H) แทน
เนื่องจากการรวมกันของนิวเคลียส เป็นการนำสิ่งที่มีประจุไฟฟ้าบวกสองตัวเข้าหากัน จึงมีแรงผลักทางไฟฟ้า (แรงคูลอมป์แปรผกผันกับระยะห่างกำลังสอง) ที่สูงมาก ดังนั้นการทำให้ฟิวชั่นเกิดขึ้นได้ จะต้องให้พลังงานกับนิวเคลียสในปริมาณที่สูง ซึ่งหมายถึงปฏิกิริยาสามารถเกิดได้ภายใต้อุณหภูมิที่สูงมาก การควบคุมปฏิกิริยาฟิวชั่นอย่างมีประสิทธิภาพจึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง
ในปัจจุบันมีวิธีการควบคุมปฏิกิริยาฟิวชั่นหลักๆอยู่ สองวิธีคือ หนึ่ง Inertial Confinement Fusion (ICF) ซึ่งคือ การใช้แสงเลเซอร์ยิงเข้าไปในเม็ดเชื้อเพลิงให้มีพลังงานสูงพอที่จะเข้ารวมกัน และวิธีที่สองคือ Magnetic Confinement Fusion (MCF) ซึ่งใช้สนามแม่เหล็กเป็นตัวควบคุมพลาสมาที่ร้อนราวหลายร้อยล้านเคลวิน ให้เสถียรเพียงพอที่จะเกิดฟิวชั่นได้ ในทางปฏิบัติในปัจจุบันนั้น MCF มีการพัฒนาไปไกล และศึกษาอย่างกว้างขวางกว่า และจะเป็นหัวข้อที่เราจะพูดถึงในบทความนี้
ในวิธีการ MCF นั้น พลาสมาจะถูกสร้างและเก็บในเครื่องที่มีลักษณะคล้ายโดนัท หรือ โทรอยด์ (Toroid) ชื่อว่าโทคาแมค (Tokamak) ภายในพลาสมามีไอออน (ไอโซโทปของไฮโดรเจน) และอิเล็กตรอน แยกกันอยู่ แต่มีแรงทางไฟฟ้าดึงดูด และผลักซึ่งกันและกัน สนามแม่เหล็กมีอยู่สองแนวคือรอบวงหน้าตัดพลาสมา เรียกว่า poloidal field และแนวที่วิ่งผ่านหน้าตัดพลาสมารอบวงโทรอยด์ ซึ่งเรียกว่า toroidal field สนามแม่เหล็กทั้งสองแนวนี้ช่วยควบคุมให้พลาสมามีความเสถียร
วิธีการในการให้ความร้อนต่อพลาสมามีอยู่หลายรูปแบบ ดังเช่น
นอกจากความร้อนที่ต้องจ่ายจากภายนอกไปสู่พลาสมาแล้วนั้น เมื่อปฏิกิริยาฟิวชั่นเกิดขึ้น จะมีพลังงานเกิดขึ้นอีกด้วย ซึ่งในการทำฟิวชั่นระหว่างดิวเทอรอน (D) กับ ไทรทอน (T) นั้น พลังงานส่วนใหญ่จากฟิวชั่น (ราว 80%) จะอยู่ในรูปพลังงานจลน์ของอนุภาคอัลฟา
พลังงานจากฟิวชั่นนี้หารด้วยพลังงานทั้งหมด (พลังงานภายนอก บวก พลังงานจากฟิวชั่น) เรียกว่าค่า Q ของฟิวชั่น หากค่า Q มีค่าเท่ากับหรือมากกว่า 1 ก็จะเรียกว่าพลาสมานั้นมีความคงตัว (self-sustaining) ในการผลิตพลังงาน
ตัวอย่างการทดลอง MCF ในประเทศต่างๆ: JT-60 (ญี่ปุ่น) Tore Supra (ฝรั่งเศส) DIII-D (สหรัฐอเมริกา) HT-7 (จีน) JET (สหราชอาณาจักร) และ EAST (จีน)
โครงการนานาชาติ ITER เป็นความร่วมมือของ 7 กลุ่มประเทศ ภายใต้งบประมาณราว หมื่นล้านยูโร ในการศึกษาปฏิกิริยาฟิวชั่นโดยใช้สนามแม่เหล็กควบคุม โดยเครื่องโทคาแมคที่จะสร้างที่ คาดาราช ฝรั่งเศส ในอนาคตนั้น เป็นเครื่องที่ถูกมองว่าจะเป็นสะพานทอดไปยังเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่สามารถใช้งานได้จริง ITER คาดว่าปฏิกิริยาระหว่างดิวเทอรอน และไทรทอน นั้นจะสร้างพลังงานได้ถึง 500 MW ต่อเนื่องเป็นเวลา 500 วินาที ซึ่งเป็นพลังงาน และเวลาที่สูงกว่าเครื่องโทคาแมคใดๆที่เคยถูกสร้างขึ้นมาเป็นอย่างมาก
นิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นกระบวนการที่น่าสนใจยิ่ง เป็นวิธีการที่ดวงอาทิตย์ใช้ในการสร้างความร้อน ซึ่งทำให้โลกอบอุ่น เพราะนอกจากจะทำให้เราเข้าใจถึงการสร้างพลังงานในดาวฤกษ์แล้ว ฟิวชั่นยังอาจจะเป็นแหล่งพลังงานของโลกในอนาคตเมื่อแหล่งทรัพยากรอื่นๆ ร่อยหรอลงไป ดังนั้นเราจึงควรมีการศึกษาวิจัยด้านนิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง
ดร. รพพน พิชา
TINT
