เวลามีเหตุการณ์สำคัญๆ เกิดขึ้น ใคร ๆ ก็จำวาทะที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์นั้นได้อย่างขึ้นใจ เช่น วาทะที่ว่า “Houston” “Tranquility Base Here” “The Eagle has Landed” ซึ่ง Neil Armstrong ได้เอ่ยออกมา เมื่อเขานำยาน Eagle ลงจอดที่ทะเลแห่งความสงบเงียบบนดวงจันทร์ เมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม ปี 1969 เพราะวันนั้น เป็นวันที่แสดงว่าโลกได้ก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ ที่มนุษย์สามารถเดินทางไปถึงต่างดาวได้เป็นครั้งแรก
มาคราวนี้ คือ เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม ปี 2022 Jennifer Granholm ซึ่งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ ก็ได้เอ่ยวาทะที่สำคัญยิ่งว่า “We have Ignition” (Ignition แปลว่า จุดระเบิด) ซึ่งเป็นคำพูดสั้นๆ ที่บอกว่า ความฝันอันยิ่งใหญ่ของมนุษย์ได้เป็นความจริงแล้ว เพราะนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างพลังงานบริสุทธิ์แบบ fusion ได้เป็นครั้งแรก หลังจากที่ได้เพียรพยายามสร้างมาเป็นเวลานานกว่า 60 ปี โดยใช้งบประมาณมากเป็นล้านล้านล้านบาท ใช้คนทำงานนับหมื่น เพราะ Ignition เป็นเป้าหมายที่บอกว่านักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างพลังงานแบบ fusion ได้มากกว่าพลังงานที่เตาปฏิกรณ์ได้รับเข้าไป เช่น จากพลังงานที่รับเข้าไป 2.05 Megajoules จะได้พลังงาน 3.1 Megajoules เป็นต้น
ซึ่งพลังงานนี้เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนอะตอมของ heavy hydrogen อันได้แก่ deuterium กับ tritium อันเป็น isotope ของ hydrogen โดยที่นิวเคลียสของ deuterium มีโปรตอน 1 อนุภาค กับนิวตรอน 1 อนุภาค และนิวเคลียสของ tritium มีโปรตอน 1 อนุภาค กับนิวตรอน 2 อนุภาค (นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถหลอมรวมโปรตอนกับโปรตอนใน hydrogen ธรรมดาได้ เพราะอนุภาคโปรตอนทั้งสองมีประจุบวกที่เหมือนกัน ซึ่งจะผลักกัน แต่ในการหลอมรวม deuterium กับ tritium นั้น มีอนุภาคนิวตรอนเป็นตัวช่วยให้การหลอมรวมเกิดได้ง่ายขึ้น
ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงต้องใช้ deuterium กับ tritium และใช้แสงเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงมากที่สุดในโลก เพื่อยิงนิวเคลียสของทั้งสองธาตุให้หลอมรวมกัน ซึ่งข้อดีของปฏิกิริยานี้ คือ ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้น ไม่มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ทำให้เกิดมลพิษในอากาศ อันจะทำให้โลกร้อน และน้ำท่วมโลก นอกจากนี้ปฏิกิริยาแบบ fusion ก็ไม่ได้ทำให้เกิดขยะกัมมันตรังสีที่มีชีวิตยืนนาน จนทำให้เกิดปัญหาในการกักเก็บ และพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาแบบ fusion ก็มากกว่าพลังงานที่ได้จากการเผาผลาญเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นล้านเท่า ในส่วนของเชื้อเพลิงที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาแบบ fusion นั้น ก็มีมากมหาศาล เพราะธาตุ deuterium มีในน้ำทะเลและมหาสมุทรประมาณ 0.015% ส่วนธาตุ tritium ก็สามารถผลิตได้ในห้องปฏิบัติการ โดยใช้ lithium-6 ที่โลกมีอย่างอุดมสมบูรณ์
การทดลองโดยทีมนักวิจัยที่ Lawrence Livermore National Laboratory ซึ่งมีห้องปฏิบัติการ National Ignition Facility (NIF) อยู่ที่ California ก็ได้ประสบความสำเร็จเมื่อวันที่ 5 ธันวาคมที่ผ่านมานี้เป็นครั้งแรก หลังจากทีได้ตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลเป็นเวลา 1 สัปดาห์ NIF ก็ได้แจ้งให้รัฐมนตรีกระทรวงพลังงานทราบว่า ทีมวิจัยสามารถสร้างพลังงานที่เกิดในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่าง ๆ ได้แล้ว สำหรับงานขั้นต่อไปของการวิจัยนี้ ก็คือ การสร้างโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ fusion ซึ่งอาจจะต้องใช้เวลาอีกประมาณ 10-20 ปี
ประวัติความเป็นมาของการศึกษาเรื่อง fusion ได้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 100 ปีก่อนนี้เอง เมื่อ Francis William Aston (1877-1948) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 1922 จากผลงานการสร้างอุปกรณ์ mass spectrograph เพื่อวัดมวลของอะตอมต่าง ๆ และได้พบว่า hydrogen มี isotope 3 ชนิด คือ hydrogen ธรรมดา, deuterium และ tritium เพราะมวลทั้ง 3 isotope นี้แตกต่างกัน และได้พบว่า เมื่อนำ isotope ของแต่ละชนิด จำนวน 4 อะตอม มารวมกันจะมีค่ามากกว่ามวลของอนุภาคแอลฟา
จากข้อมูลนี้ Arthur Eddington (1882-1948) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ผู้ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า แสงเดินทางเป็นเส้นโค้ง ขณะผ่านใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ ก็ได้ให้ความเห็นว่า ถ้านำอนุภาคโปรตอน 4 อนุภาคมารวมกัน ก็จะทำให้เกิดอนุภาคแอลฟา ซึ่งมีมวลน้อยกว่าอนุภาคโปรตอนทั้งหมด ดังนั้นมวลที่หายไปก็จะทำให้เกิดพลังงานตามสมการ E=mc^2 เมื่อ E คือ พลังงานที่เกิดขึ้น, m คือ มวลที่หายไป และ c คือ ความเร็วแสง
จากข้อคิดนี้ Hans Bethe (1906-2005) นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ปี 1967 ก็ได้พัฒนาทฤษฎีการปลดปล่อยพลังงานบบ fusion ของดวงอาทิตย์ ซึ่งเรียกว่า วัฏจักรโปรตอน-โปรตอน (p-p cycle) ทั้งๆ ที่โปรตอนมีประจุบวก แต่ก็สามารถรวมกันได้ ถ้าโปรตอนนั้นมีความเร็วสูงมาก จนสามารถเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าแบบ Coulomb ได้ แต่การที่จะทำให้โปรตอนมีความเร็วสูงนั้น โปรตอนจะต้องมีอุณหภูมิสูงมาก ซึ่งก็เป็นไปได้ในดวงอาทิตย์ เพราะอุณหภูมิที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์มีค่าสูงเป็นล้านองศาเซลเซียส และที่แก่นกลางก็มีความดันสูงมากเป็นร้อยล้านเท่าของความดันบรรยากาศโลก
ข้อมูลนี้จึงแสดงให้เห็นว่า มนุษย์เรามีเตาปฏิกรณ์แบบ fusion แล้ว แต่เตาปฏิกรณ์นั้นอยู่ห่างจากโลกประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร ซึ่งก็ได้ให้พลังงานแก่โลกตลอดเวลา 4,500 ล้านปีอย่างต่อเนื่อง แม้โลกจะได้รับพลังงานของดวงอาทิตย์เพียง 0.01% เท่านั้นเอง สิ่งมีชีวิตทั้งหลายก็สามารถดำรงชีพอยู่ได้จนทุกวันนี้
นักวิทยาศาสตร์มีวิธีที่จะเดินทางสู่การให้กำเนิดพลังงานแบบ fusion ได้หลายรูปแบบ เช่น ใช้อุปกรณ์ tokamak, stellarator ในโครงการ ITER และใช้ heavy hydrogen (deuterium, tritium) ในโครงการ NIF โดยการทำให้ธาตุ deuterium กับ tritium ทั้งสองเป็นของแข็ง และถูกอัดแน่นเป็นเม็ดขนาดใหญ่เท่าเม็ดถั่วลิสง แล้วนำไปบรรจุในภาชนะทรงกระบอก ซึ่งมีผนังที่ทำด้วยทองคำ จากนั้นฉายแสงเลเซอร์จำนวน 192 ลำแสง จ่อเข้าไปที่เม็ดเชื้อเพลิงในทุกทิศทาง เพื่อให้ห้วงแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นในแถบ ultra-violet และนานประมาณ 3 นาโนวินาที ซึ่งมีพลังงาน 1.8 ล้านจูล ที่นับว่ามากเท่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในสหรัฐอเมริกาทั้งประเทศ เป็นเวลา 1 นาโนวินาที เมื่อแสงเลเซอร์ปะทะอะตอมของทองคำ ซึ่งเป็นธาตุหนัก อะตอมจะระเหิด แล้วทำให้เกิดรังสีเอกซ์ ที่เปล่งออกมาหุ้มเม็ดเชื้อเพลิงของ deuterium กับ tritium จนทำให้มันมีอุณหภูมิสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งมากกว่าอุณหภูมิที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่า ดังปฏิกิริยา
deuterium + tritium จะได้ อนุภาคแอลฟาที่มีพลังงาน 3.5 MeV
และอนุภาคนิวตรอนที่มีความเร็วสูงมากกับพลังงาน
และอนุภาคนิวตรอนความเร็วสูงจะถูกนำไปทำปฏิกิริยากับ lithium-7 ดังปฏิกิริยา
นิวตรอนความเร็วสูง + lithium-7 ได้ อนุภาคแอลฟากับ tritium และอนุภาค นิวตรอนความเร็วต่ำ
ซึ่งเมื่อนำอนุภาคนิวตรอนความเร็วต่ำไปทำปฏิกิริยากับ lithium-6 ดังปฏิกิริยา
นิวตรอนความเร็วต่ำ + lithium-6 ได้ อนุภาคแอลฟากับ tritium และพลังงาน
ในการทดลองที่ NIF เมื่อวันที่ 5 ธันวาคมที่ผ่านมานี้ ได้ผลการทดลองว่า มีพลังงานเกิดขึ้น 3.15 Megajoules และพลังงานที่ได้ให้เข้าไปมีค่า 2.015 Megajoules ดังนั้น ค่า Q ของปฏิกิริยานี้ จึงเท่ากับ 1.53
จากสมมการข้างต้นเราจะเห็นว่า ธาตุ tritium ที่จำเป็นต้นใช้ในปฏิกิริยา fusion จะไม่มีวันหมด ตราบใดที่โลกยังมีน้ำทะเล ส่วนอนุภาคนิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่ จะพุ่งชนผนังของเตาปฏิกรณ์ด้วยความเร็วสูง จึงมีพลังงานจลน์มาก และมันจะถ่ายทอดพลังงานที่มันมีนี้ให้แก่ผนัง จนผนังมีอุณหภูมิสูงตามไปด้วย ดังนั้นน้ำที่อยู่ติดผนังก็จะกลายเป็นไอ ไปผลักดันเครื่องยนต์ turbine ให้หมุน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ผนังที่ใช้ทำเตาปฏิกรณ์ก็จะต้องเป็นวัสดุที่นำความร้อนได้ดี ทนทาน ไม่หลอมเหลว ไม่ละลายง่าย ไม่สึกกร่อน เพราะถ้าผนังสึกกร่อน อะตอมของธาตุที่ใช้ทำผนังก็จะไปรบกวนปฏิกิริยาแบบ fusion และทีมวิจัยของ NIF ก็ได้พบว่าผนังที่ทำด้วยเหล็กกล้า กับ silicon carbine เป็นวัสดุที่ทนความร้อนได้ดี และนี่ก็คือปัญหาที่นักวิจัย ซึ่งจะพัฒนาเตาปฏิกรณ์แบบ fusion ต้องทำในอนาคต
ข้อดีอีกข้อหนึ่งของเตาปฏิกรณ์แบบ fusion คือ ไม่ได้ทำให้เกิดขยะกัมมันตรังสีเหมือนเตาปฏิกรณ์แบบ fission ที่ได้จากการแยกนิวเคลียสของ uranium-235 หรือ plutonium-239 ซึ่งทำให้เกิดกากนิวเคลียร์ที่เป็นอันตราย
นอกจากนี้อันตรายที่อาจจะเกิดขึ้นจากการล่มสลายของเตาปฏิกรณ์แบบ fission ดังที่เกิดขึ้นที่เมือง Chernobyl ในประเทศยูเครน เมื่อวันที่ 26 เมษายน ปี 1986 ซึ่งทำให้มีคนเสียชีวิตกว่า 100 คน เพราะเจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยของเตาทำงานผิดพลาด และการล่มสลายของเตาปฏิกรณ์แบบ fission ที่เมือง Fukushima Daiichi ในประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ 11 มีนาคม ปี 2011 ซึ่งได้ทำให้คนเสียชีวิต 537 คน เพราะเตาได้รับอุบัติภัยจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวอย่างรุนแรง และเตาถูกคลื่นสึนามิถล่ม แต่ภัยทำนองนี้ จะไม่เกิดกับเตาปฏิกรณ์แบบ fusion เพราะระบบการรักษาความปลอดภัยของเตาปฏิกรณ์ชนิดนี้ดีกว่าเตาปฏิกรณ์แบบ fission มาก
ปัญหาที่จะต้องพัฒนาหรือแก้ไขในอนาคต คือ วิศวกรจะนำความรู้วิทยาศาสตร์ที่ได้มานี้ออกไปสู่สังคมได้อย่างไร เพราะเขาจะต้องทำให้เตามีประสิทธิภาพมากกว่านี้ คือ ให้ค่า Q มากกว่า 10 ให้เตาปลอดภัย โดยการทำให้ปฏิกิริยา fusion ระหว่างนิวเคลียสของธาตุ deuterium กับ tritium เกิดขึ้นอย่างสมมาตรที่สุด เพราะถ้าปฏิกิริยาเป็นไปอย่างอสมมาตร ประสิทธิภาพของปฏิกิริยาแบบ fusion ก็จะลดน้อยลง และนี่ก็คือความลับสุดยอดที่นักทดลองจะต้องเรียนรู้จากการลองไป เรียนไป
ในส่วนของการศึกษาปฏิกิริยา fusion บนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ นั้นก็น่าสนใจ เพราะอุณหภูมิและความดันภายในของดวงอาทิตย์สูงมาก ดังนั้นการหลอมรวมของธาตุที่เบา เช่น hydrogen, helium, lithium, carbon, magnesium, bismuth จนกระทั่งถึง iron ก็สามารถเกิดขึ้นได้ เมื่อ hydrogen 600 ล้านตัน ถูกเปลี่ยนไปเป็น helium 596 ล้านตัน/วินาที นั่นคือ ดวงอาทิตย์ได้สูญเสียมวลไปวินาทีละ 4 ล้านตัน และเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นตลอดเวลา 5,000 ล้านปีที่ผ่านมา เพราะดวงอาทิตย์มี hydrogen มากที่สุด และ hydrogen เป็นธาตุที่เบาที่สุด จึงสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา fusion ได้ง่าย แต่เราจะรวม uranium-235 กับ plutonium-239 ไม่ได้ โดยเราสามารถจะรวมนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ได้ในที่สุดเป็น ธาตุ nickel และธาตุ iron และนี่ก็คือเหตุผลที่แก่นกลางของโลก ประกอบด้วยธาตุ nickel และธาตุ iron ซึ่งธาตุทั้งสองนี้ก็เป็นองค์ประกอบของแก่นกลางของดาวเคราะห์น้อย 16 Psyche ที่นักดาราศาสตร์กำลังจะศึกษา โดยใช้แก่นกลางของดาวเคราะห์น้อยดวงนี้ เพื่อให้เข้าใจธรรมชาติของแก่นกลางของโลกโดยทางอ้อม
สำหรับคนทั่วไปที่อาจจะสงสัยว่า เตาปฏิกรณ์แบบ fusion จะมีประโยชน์ในทางการทหารหรือไม่นั้น ก็เป็นเรื่องที่จะต้องศึกษาต่อไปในอนาคต และอนาคตนั้น ก็ได้มาถึงแล้ว ดังเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 12 ธันวาคมที่ผ่านมานี้
อ่านเพิ่มเติมจาก “Sun in a Bottle: The Strange History of Fusion and the Science of Wishful Thinking” โดย Charles Sife จัดพิมพ์โดย Viking ปี 2008
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
