พลังงานนิวเคลียร์ (จบ)

ปฏิกิริยาฟิวชัน (fusion)

ฟิชชันมิได้เป็นกระบวนการสร้างพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แต่เพียงวิธีเดียว เพราะนักฟิสิกส์ได้พบว่า เวลานิวเคลียสของธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน ถูกอัดให้หลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสของธาตุที่หนักกว่า เช่น ฮีเลียม ปฏิกิริยานี้จะให้พลังงานมหาศาล นักฟิสิกส์เรียกปฏิกิริยานี้ว่า ฟิวชัน ซึ่งนอกจากจะให้พลังงานและใช้ทำระเบิดไฮโดรเจนแล้ว ฟิวชันยังเป็นวิธีที่ดวงอาทิตย์ใช้ในการให้กำเนิดพลังงานแสงและความร้อนแก่โลกด้วย

การเปรียบเทียบพลังงานที่ได้จากฟิวชันและฟิชชัน แสดงให้รู้ว่า ฟิวชันปล่อยพลังงานได้มากกว่าฟิชชัน และนอกจากประเด็นนี้แล้ว ฟิวชันก็ยังไม่ทำให้เกิดสารกัมมันตรังสีที่มีพิษต่อชีวิตด้วย หรือแม้แต่ธาตุที่จำเป็นต้องใช้ในการสร้างปฏิกิริยาฟิวชันได้แก่ ไฮโดรเจนที่มีอยู่ในน้ำทะเล ซึ่งมากพอให้มนุษย์มีพลังงานใช้ได้อีกนาน 5,000 ล้านปี ในขณะที่โลกมียูเรเนียมให้มนุษย์ใช้ในการทำฟิชชันอีกนานเพียง 200 ปีเท่านั้นเอง

นอกจากเหตุผลเหล่านี้ อุบัติเหตุนิวเคลียร์ที่ Chornobyl การก่อการร้าย ระเบิดโรงไฟฟ้าปรมาณู และการขาดแคลนน้ำมันในอนาคต ที่นับจะทวีความรุนแรงขึ้นทุกวัน ภัยเช่นนี้ล้วนทำให้นักวิทยาศาสตร์หันมาสนใจการสร้างพลังงานโดยฟิวชันมากขึ้น แต่ความรู้เรื่องนี้ยังก้าวหน้าไม่มากพอที่จะนำฟิวชันมาผลิตกระแสไฟฟ้า ให้มนุษย์ใช้ได้ตลอดเวลา 50 ปีที่ผ่านมานี้

ทั้งนี้เพราะการที่จะทำให้นิวเคลียสต่างๆ หลอมรวมกันนั้นยากมาก สืบเนื่องจากการที่นิวเคลียสของธาตุทุกชนิดมีประจุบวก ดังนั้น เวลามันถูกอัดให้รวมกัน แรงไฟฟ้าระหว่างประจุบวกจะต่อต้านการร่วมกันทุกวิถีทาง แต่ถ้าเราทำให้นิวเคลียสมีอุณหภูมิสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งมากกว่าอุณหภูมิที่จุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ราว 6 เท่า นิวเคลียสจะพุ่งชนกันอย่างรุนแรงการใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงควบคุมการหลอมรวมหรือ การใช้เลเซอร์พลังงานสูงระดมยิงเม็ด lithium deuteride จนอุณหภูมิของเม็ดสูงถึง 1 ล้านองศาเซลเซียส จะทำให้อะตอมที่ผิวของเม็ดระเหยออกมีผลให้เกิดความดัน 100 ล้านล้าน บรรยากาศอัดเม็ดจนมีขนาดเล็กลง 2,000 เท่า ในภาวะที่อุณหภูมิและความดันสูง เช่นนี้ นักฟิสิกส์ได้พบว่านิวเคลียสของ deuterium (ซึ่งเป็นไอโซโทปหนึ่งของไฮโดรเจนที่นิวเคลียสของมันมีนิวตรอนและโปรตอนอย่างละตัว) ให้พลังงานได้น้อยคือประมาณ 1% ของพลังงานที่ให้ ดังนั้น โครงการฟิวชันลักษณะนี้จึงให้ผลได้ไม่คุ้มเสีย สำหรับการทดลองสร้างฟิวชันอีกรูปแบบหนึ่งนั้น นักฟิสิกส์ใช้อุปกรณ์รูปโดนัทกลวงนี้มีชื่อเรียกว่า Tokamak และก็ได้พบว่าเวลานักทดลองปล่อยแสงเลเซอร์พลังงานสูงผ่านก๊าซผสมของ deuterium กับ lithium ก๊าซจะมีอุณหภูมิสูงมากจนอะตอมแตกตัวเป็นไอออนนั่นคือ อะตอมได้กลายสภาพเป็นพลาสมา (plasma) และถ้าพลาสมาถูกสนามแม่เหล็กความเข้มสูงอัดซ้ำ นิวเคลียสของดิวทีเรียมกับทริเทียม จะพุ่งชนกันอย่างรุนแรง จนทำให้เกิดฮีเลียมกับนิวตรอน เพราะนิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้าใดๆ ดังนั้น มันจะไม่ถูกสนามแม่เหล็กรบกวน และจะพุ่งออกจากสนามแม่เหล็กไปชนผนังของ Tokamak ทำให้ผนังมีอุณหภูมิสูง จากนั้นวิศวกรจะนำความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ไปต้มน้ำ ทำให้ได้ไอน้ำที่สามารถขับเคลื่อนเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้อีกทอดหนึ่ง

แต่นักฟิสิกส์ก็ได้พบว่า ณ วันนี้ เทคนิคนี้ยังไม่สามารถให้พลังงานได้อย่างพอเพียงและต่อเนื่องเป็นเวลานาน ถึงกระนั้นโครงการสร้างพลังงานโดยอาศัยปฏิกิริยาฟิวชันก็เป็นโครงการที่มีแนวโน้มว่าจะประสบความสำเร็จในอนาคตคืออีก 30 ปี ทั้งนี้เพราะทะเลบนโลกมี deuterium และ tritium มาก ดังนั้นปัญหาการขาดแคลนเชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันจึงไม่มี นอกจากนี้ปัญหาด้านกัมมันตรังสีก็ไม่มีเช่นกัน เพราะธาตุที่เกิดจากการรวม deuterium กับ tritium คือ helium ซึ่งไม่เป็นอันตรายใดๆ

ส่วนข้อเสียของการสร้างพลังงานลักษณะนี้คือ เวลาอนุภาคนิวตรอนพุ่งชนผนัง tokamak ผนังจะกลายเป็นสารกัมมันตรังสี ดังนั้นในทุก 2-3 ปี ผนังของ tokamak จะต้องถูกเปลี่ยนเพื่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้า และสำหรับก๊าซร้อนใน tokamak นั้นก็จะต้องได้รับการควบคุมไม่ให้สัมผัสผนัง เพราะจะทำให้ผนังหลอมเหลว ซึ่งก็สามารถทำได้โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงควบคุม

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้พบว่า ถ้าใช้ปฏิกิริยาฟิวชันที่มี deuterium กับ tritium เขาจะได้ฮีเลียมกับอนุภาคนิวตรอนและพลังงาน

21H+31H 42He+10n+พลังงาน = 1.7+109 กิโลจูล/โมล

จากนั้น อนุภาคนิวตรอนที่เกิดขึ้นก็จะรวมกับลิเธียม (63Li) เป็น 73Li ซึ่งจะสลายให้ tritium ฮีเลียม และพลังงานอีกทอดหนึ่งดังปฏิกริยา

10n+63Li 73Li 42He+31H = 4.6+108 กิโลจูล

แล้วอนุภาค tritium (31H) ที่เกิดก็จะรวมกับ deuterium (21H) อีกเช่นนี้ไปเรื่อยๆ ดังนั้นพลาสมาใน tokamak จึงประกอบด้วย 21H, 31H, 62Li และอิเล็กตรอนมากมาย

ข้อเสียที่สำคัญของเทคโนโลยีฟิวชันคือ พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานี้ ณ วันนี้ยังน้อยกว่าพลังงานที่ให้เข้าไปมาก ดังนั้นมันจึงยังไม่เหมาะสำหรับการนำไปใช้ในการเป็นพลังงานทางเลือกใหม่ของมนุษย์

เมื่อ 50 ปีก่อนที่นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มรู้จักปฏิกิริยาฟิวชัน และโลกมีความหวังมากว่าปฏิกิริยานี้คงสร้างพลังงานให้มนุษย์ใช้อย่างพอเพียง

แต่เมื่อถึงวันนี้ ความฝันนี้ก็ยังไม่เป็นจริง เพราะเทคโนโลยีฟิวชันเป็นอัลตราไฮ ไฮเทค ดังนั้นประเทศต่างๆ ที่ขาดความสามารถไม่ด้านใดก็ด้านหนึ่ง จึงยังต้องพึ่งพาพลังงานฟอสซิล พลังงานใต้พิภพ พลังงานน้ำ พลังงานลม พลังงานแสงแดด ฯลฯ ที่ประสิทธิภาพยังไม่สูงต่อไป และเมื่อเดือนมิถุนายนที่ผ่านมานี้ โลกก็มีโครงการ International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) ซึ่งเป็นโครงการความร่วมมือระหว่างสหรัฐอเมริกา บางประเทศในยุโรป จีน ญี่ปุ่น รัสเซีย และเกาหลีใต้ มูลค่า 5 แสนล้านบาท ซึ่งมีจุดมุ่งหมายจะผลิตกระแสไฟฟ้าจากปฏิกิริยาฟิวชันให้ได้ใน 10 ปี โดยมีเตาปฏิกรณ์ที่เมือง Cadarache ในฝรั่งเศส

โครงการนี้เป็นโครงการวิทยาศาสตร์ที่มีราคาแพงมากที่สุดโครงการหนึ่ง คือ แพงพอๆ กับ International Space Station และเมื่อบรรดาประเทศมหาอำนาจทางวิชาการและเศรษฐกิจตกลงกันได้ในเรื่องสถานที่ สิ่งที่มนุษย์ต้องคอยต่อไปคือ ความร่วมมือและร่วมสมองกัน ผลิตพลังงานที่โลกต้องการให้ได้ก่อนที่โลกจะประสบปัญหาขาดแคลนพลังงาน

สุทัศน์ ยกส้าน ผู้เชี่ยวชาญพิเศษ สสวท