เชื้อเพลิงของนิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear Fusion Fuel)

รูปที่ 1. ระบบสุริยจักรวาล (illustration: Chandra, NASA)

บทนำ เมื่อไรก็ตามที่เราเดินออกไปนอกบ้าน แล้วมองเห็นแสงแดด และรู้สึกถึงความร้อน นั่นคือเรากำลังรู้สึกถึงพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่น แหล่งกำเนิดพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่สำคัญที่สุดสำหรับมนุษย์คือดวงอาทิตย์นี่เอง รังสีความร้อน และแสงสว่าง ซึ่งพลังงานนี้เดินทางราว 150 ล้านกิโลเมตร (Astronomical Unit, A.U.) มายังโลก โดยบนดวงอาทิตย์นั้น ปฏิกิริยาฟิวชั่นเกิดขึ้นได้โดยใช้โปรตอน (หรือเรียกได้ว่า H-1) เป็นเชื้อเพลิงหลัก แรงโน้มถ่วงที่มหาศาลบีบอัดโปรตอนเข้าด้วยกัน ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเชิงนิวเคลียร์ ถ้าหากเราจะสร้างนิวเคลียร์ฟิวขั่นบนโลก เพื่อที่จะใช้เป็นแหล่งพลังงานเสริม สำหรับความต้องการของคนหลายพันล้านคนในโลก เราจะใช้เชื้อเพลิงชนิดใด?

รูปที่ 2. เครื่องโทคาแมค JET ณ. Culham, UK

นิวเคลียร์ฟิวชั่น

ในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น เราสามารถใช้ไอโซโทปหนัก เช่น ยูเรเนียม (U-235, U-233, U-238) และพลูโตเนียม (Pu-239) ซึ่งในปัจจุบันมีการใช้เชื้อเพลิงเหล่านี้สร้างไฟฟ้า ในราว 30 ประเทศทั่วโลก ส่วนการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นบนโลกนั้น เราสามารถใช้นิวเคลียส H-1, H-2, และ H-3 ซึ่งแปลว่า ไฮโดรเจนที่มีนิวตรอน 0, 1, และ 2 ตัว ตามลำดับ ซึ่งทั้งสามชนิดนิวเคลียสนี้เรียกได้ว่าเป็นไอโซโทป (isotopes) ของกันและกัน

โอกาส (cross section) ที่โปรตอนจะมารวมกันเป็นฮีเลียม-2 (He-2) นั้นมีค่าต่ำมาก การทดลองต่างๆทางด้านฟิวชั่นบนโลก เราจึงใช้พลาสมาพลังงานสูงเช่นพลาสมาที่จะมีในเครื่อง ITER [1] ของดิวทีรอน (deuteron, H-2, D) และทริทอน (triton, H-3, T) ซึ่งโอกาสในการเกิดฟิวชั่นของ D+D หรือ D+T จะมีค่าสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิของพลาสมา (วัดเป็น eV หรือ K) มีค่าเพิ่มขึ้น

เครื่องโทคาแมคดังเช่น JET (Joint European Torus) ที่สหราชอาณาจักร ซึ่งเป็นเครื่องที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน ใช้เชื้อเพลิง D กับ T มาสร้างพลังงานจากฟิวชั่นได้ถึง 16 MW และเครื่อง ITER ที่กำลังสร้างก็จะใช้เชื้อเพลิง D และ T เช่นเดียวกัน เพื่อสร้างพลังงาน 500 MW โดยการที่จะสร้างฟิวชั่นได้นั้น จะต้องเพิ่มพลังงานให้กับ D และ T ในระดับที่สูงมาก เป็นหลายล้านองศาเคลวิน การที่อนุภาคมีพลังงานสูงเช่นนี้ เราต้องมีวิธีควบคุม ซึ่งหากเป็นโทคาแมค ก็จะใช้สนามแม่เหล็กกำลังสูงในการควบคุมพลาสมาของเชื้อเพลิงเหล่านี้ หรือ หากเป็นวิธี Inertial Confinement Fusion (ICF) ก็จะใช้เลเซอร์ยิงอัดเม็ดเชื้อเพลิง (pellets) เพื่อเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าของนิวเคลียส D และ T เหตุผลที่เราต้องการใช้เชื้อเพลิงที่มาจากธาตุมวลต่ำ เช่น ไฮโดรเจน ก็เพราะว่าแรงผลักนี้มีค่าสูงขึ้นตามเลขอะตอม (Z) ของธาตุนั่นเอง

แหล่งไอโซโทปไฮโดรเจน

คำถามที่สำคัญต่อมาก็คือ เราจะหาเชื้อเพลิงดิวทีรอน และทริทอน มาจากที่ใด เมื่อในธรรมชาติ ไอโซโทปของไฮโดรเจนส่วนใหญ่ (เกิน 99.9%) เป็น H-1 ที่เหลือเป็น H-2 ส่วน H-3 ไม่เสถียร และจะสลายตัวให้รังสีเบตาลบ ด้วยครึ่งชีวิตราว 12.3 ปี

รูปที่ 3. ไอโซโทปของไฮโดรเจน

ดิวทีเรียมได้ถูกค้นพบโดยฮาโรลด์ อูเรย์ (Harold Urey) ในปี ค.ศ. 1931 [Urey1932] ดิวทีเรียมเป็นไอโซโทปที่มีอยู่ในปริมาณต่ำในธรรมชาติ โดยประมาณทุกๆ 6500 อะตอมของไฮโดรเจน จะเป็นดิวทีเรียมสักหนึ่งอะตอม เราสามารถสกัดเอาดิวทีเรียมมาจากน้ำทะเล น้ำมวลหนัก (deuterium oxide, DO₂) มีการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นแบบแคนดู (CANDU) ซึ่งผลิตโดย บริษัท AECL ของแคนาดา ซึ่งพัฒนามาตั้งแต่ ค.ศ. 1944 ซึ่งน้ำธรรมดากับน้ำมวลหนักมีคุณลักษณะบางอย่างต่างกัน เช่นความหนาแน่น และจุดเดือด (น้ำมวลหนักมีจุดเดือดราว 101.4 องศาเซลเซียส และจุดเยือกแข็ง 3.8 องศาเซลเซียส) ส่วนใหญ่เราแยกดิวทีเรียมจากไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมี เพราะไอโซโทปสองตัวนี้ เนื่องจากมีมวลที่ต่างกันในสัดส่วนที่สูง (เนื่องจากมวลน้อย) จึงมีคุณสมบัติในการจับตัวกับสารประกอบอื่นๆ ที่ต่างกัน [FAS]

การผลิตดิวทีเรียม ก็คือการนำดิวทีเรียมที่มีอยู่ในธรรมชาติ มาสกัดให้มีความเข้มข้นขึ้นนั่นเอง โดยในปัจจุบัน ดิวทีเรียมสามารถหาซื้อได้ตามท้องตลาด ส่วนใหญ่ในรูปของ น้ำมวลหนัก โดยมีประเทศแคนาดา และอินเดียเป็นผู้ผลิตดิวทีเรียมรายใหญ่ โดยผู้ใช้สามารถที่จะใช้วิธี electrolysis (ใช้กระแสไฟฟ้ามาแยกพันธะทางเคมีของสสาร) เพื่อสกัดเอาก๊าซ D₂ ออกมา

รูปที่ 4. น้ำธรรมดา (H₂O) เทียบกับ น้ำมวลหนัก (D₂O)
(figure: Oak Ridge Associated Universities)

สำหรับทริเทียมนั้น แม้จะไม่คงตัว แต่ก็มีครึ่งชีวิตไม่สั้นเกินไป สามารถถูกสร้างได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ระหว่างลิเธียม (Li-6 หรือ Li-7) กับนิวตรอน โดยลิเธียมมีอยู่ในอัตราส่วนราว 50 parts per million (ppm) ในเปลือกโลก [4] ซึ่งสูงกว่าธาตุอย่างเช่นตะกั่วหรือยูเรเนียม โดย ราว 7% ของ Li บนโลกเป็น Li-6 และ 93% เป็น Li-7 ในอนาคตเมื่อเทคโนโลยีมีการพัฒนาสูงขึ้น ก็จะสามารถสกัดลิเธียมจากมหาสมุทรได้เช่นกัน เนื่องจากลิเธียม(เลขอะตอม 3) เป็นธาตุในกลุ่มที่มีอิเลคตรอนวงนอกตัวเดียว มันจึงมีความไวสูงในการทำปฏิกิริยาเคมี ต้องถูกเก็บไว้ให้ห่างจากน้ำและความชื้นในอากาศ ในปัจจุบัน ประเทศชิลีและอาร์เจนตินาเป็นผู้ผลิตลิเธียมรายใหญ่สุดของโลก [5,6] นอกจากนี้ราคาของทั้งเชื้อเพลิงดิวทีเรียม และลิเธียมนั้นต่ำมากหากเทียบกับราคาการผลิตไฟฟ้าทั้งหมด และทั้งคู่ก็มีปริมาณที่จะรองรับความต้องการพลังงานของโลกไปได้อีกนาน

นอกจากนี้ ในเครื่องปฏิกรณ์ ITER ก็มีการออกแบบที่จะสร้างผนังเครื่องให้ประกอบไปด้วยไอโซโทปของลิเธียม (Li-6 และ Li-7) เพื่อไว้จับนิวตรอนที่ถูกสร้างขึ้นจากฟิวชั่น ซึ่งปฏิกิริยานี้สามารถที่จะผลิต H-3 และอนุภาคอัลฟาขึ้นมาได้ โดยค่า cross section ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจับนิวตรอนของลิเธียมก็มีการศึกษากันมายาวนาน เกินกว่า 50 ปี ดังเช่นงานของกลุ่มของดาร์ลิงตันเมื่อ ค.ศ. 1953 [7] ซึ่งตัวทริเทียมที่ถูกผลิตขึ้นนี้ สามารถจะถูกส่งกลับไปในเครื่องเพื่อเป็นเชื้อเพลิงฟิวชั่น ในขณะที่อัลฟาก็เป็นตัวสร้างความร้อนเพื่อไปผลิตไฟฟ้าต่อไป

สรุป

เรื่องเชื้อเพลิงไม่ใช่ปัญหาของฟิวชั่น ที่เป็นปัญหาคือจะการนำเชื้อเพลิงเหล่านี้มาทำให้เกิดฟิวขั่นได้อย่างวางใจได้ ปัจจุบัน ฟิวชั่นยังคงสร้างพลังงานได้เป็นจังหวะ (pulses) สั้นๆ ถ้าจะมีโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชั่นที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในระดับประเทศจริง เราคงต้องทำให้พลังงานเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง นั่นคือความท้าทาย ที่ทางนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องค้นคว้าศึกษากันต่อไป

รพพน พิชา และ วิเชียร รตนธงชัย
ฝ่ายวิทยาการก้าวหน้า กลุ่มวิจัยและพัฒนา
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ