ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร? แม้ว่าโลกจะรู้จักปฏิกิริยานิวเคลียร์มานานมากแล้ว แต่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เรารู้จักกันดี และถูกนำมาใช้คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน แล้วปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันสามารถนำมาใช้จริงได้หรือไม่
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร?
ก่อนทำความรู้จักปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน เรามาทำความรู้จักปฏิกิริยานิวเคลียร์กันก่อน
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งเป็นส่วนกลางของอะตอม เมื่อเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้น จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในปริมาณมหาศาล
ปฏิกิริยานิวเคลียร์หลัก ๆ แบ่งเป็น 2 ชนิด
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission): เป็นปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของอะตอมหนักแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสอะตอมที่เล็กกว่าหลายๆ อะตอม พร้อมกับปลดปล่อยนิวตรอนและพลังงานออกมา ปฏิกิริยานี้เป็นหลักการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบัน
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion): เป็นปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของอะตอมเบาๆ สองตัวมารวมตัวกันกลายเป็นนิวเคลียสอะตอมใหม่ที่หนักกว่า และในระหว่างกระบวนการนี้ จะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในปริมาณมหาศาล ปฏิกิริยานี้เป็นแหล่งพลังงานหลักของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ
ความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันและฟิวชัน
ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์และปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์สามารถปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลออกมาทั้งคู่แต่ทำงานบนหลักการที่ตรงกันข้าม
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะเกี่ยวข้องกับการแยกนิวเคลียสอะตอมหนักออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กกว่าและปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา กระบวนการนี้มักเกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนชนกับนิวเคลียสที่ไม่เสถียร เช่น ยูเรเนียม-235 (U-235) ทำให้นิวเคลียสแตกออกและปลดปล่อยพลังงาน และนิวตรอนที่จะพุ่งไปชนกับนิวเคลียสตัวต่อไป ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่
ในทางตรงกันข้าม ปฏิกิริยาฟิวชันจะเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสอะตอมเบาสองนิวเคลียสรวมกันเพื่อสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่า ปฏิกิริยานี้มักเกิดขึ้นกับไอโซโทปของไฮโดรเจน เช่น ดิวทีเรียม ( Deuterium) และทริเทียม (Tritium) ซึ่งต้องใช้ความร้อนที่สูงกว่า 100 ล้านองศาเซลเซียส และสถานะพลาสมาของสสาร
สถานะพลาสคืออะไร?
พลาสมาประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุจำนวนมาก รวมถึงไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นสื่อไฟฟ้าและตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก
ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิห้อง โดยอาศัยการดูดซับนิวตรอนโดยนิวเคลียสหนัก เช่น ยูเรเนียม-235 (U-235) หรือพลูโตเนียม-239 (Pu-239) เมื่อนิวตรอนชนกับนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ปฏิกิริยาฟิชชันก็จะสามารถดำเนินต่อไปได้โดยไม่ต้องใช้ความร้อนหรือแรงกดดันที่ มากเกินไป
ในทางปฏิบัติ เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 300 ถึง 600 องศาเซลเซียส ซึ่งเพียงพอที่จะผลิตไอน้ำสำหรับการผลิตไฟฟ้าในขณะที่ยังคงรักษาเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ควบคุมได้ นี่คือเหตุผลว่าทำไมปัจจุบันปฏิกิริยาฟิชชันจึงเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตพลังงาน
แม้ว่าในทางเทคนิคแล้ว นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างปฏิกิริยาฟิวชันได้ แต่พวกเขาไม่สามารถรักษาสถานะพลาสมาที่เสถียรได้นานพอสำหรับปฏิกิริยาฟิวชัน
อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันก็มีความน่าสนใจตรงที่ เป็นพลังงานสะอาด พลังงานจากปฏิกิริยาฟิวชันก่อให้เกิดกัมมันตภาพรังสีในปริมาณที่น้อยมาก และไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก นั้นหมายความว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีโอกาสที่จะพัฒนาเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่แทบไม่มีขีดจำกัดที่มีความยั่งยืน
อุปสรรคของการนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมาใช้จริง
แม้ว่าปฏิกิริยาฟิวชันจะมีความน่าสนใจและอาจจะเป็นแหล่งพลังงานในอนาคตได้ แต่ก็ยังมีอุปสรรคหลายประการที่ต้องข้ามผ่านไปให้ได้ เช่น
- การสร้างสภาวะที่เหมาะสม: การสร้างสภาวะที่มีอุณหภูมิและความดันสูงมากบนโลกนั้นเป็นเรื่องยากและซับซ้อน
- การควบคุมปฏิกิริยา: การควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันให้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและปลอดภัยเป็นอีกหนึ่งความท้าทาย
- วัสดุที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง: การสร้างวัสดุที่สามารถทนทานต่ออุณหภูมิสูงหลายล้านองศาเซลเซียสได้นั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก
ถึงปฏิกิริยาฟิวชันจะยังไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน แต่เราก็ยังสามรถนำปฏิกิริยานี้มาใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ ได้
ปฏิกิริยาฟิวชันในการรักษามะเร็ง
นิวเคลียร์ฟิชชันถูกนำมาใช้ในรูปแบบต่างๆ ของรังสีบำบัดเพื่อรักษามะเร็งมานานหลายทศวรรษแล้ว
การรักษามะเร็งด้วยวิธีการฟิชชันที่พบมากที่สุด คือ External Beam Radiation Therapy (EBRT) ซึ่งเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นจะส่งลำแสงรังสีพลังงานสูงไปยังเนื้องอก เช่น รังสีเอกซ์ โปรตอน อิเล็กตรอน หรือรังสีแกมมา
การบำบัด Proton-Boron Fusion Therapy (PBFT) ซึ่งยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา ซึ่งสามารถรักษาได้ตรงเป้าหมายมากยิ่งขึ้น ในวิธีนี้ สารประกอบที่ประกอบด้วยโบรอน (Boron) จะถูกส่งไปยังเนื้องอกอย่างสม่ำเสมอ และเมื่อมันสะสมอยู่ในเนื้องอกแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะใช้โปรตอนเพื่อรวมเข้ากับโบรอน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่สร้างอนุภาคแอลฟาที่ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ด้วยวิธีนี้ PBFT สามารถทำลายเซลล์มะเร็งได้ในขณะที่ยังรักษาเนื้อเยื่อดีโดยรอบไว้ด้วย
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในยานพาหนะ
ยานพาหนะที่ใช้ปฏิกิริยาฟิวชันในการขับเคลื่อนก็เช่น การเดินทางในอวกาศ และระบบขับเคลื่อนทางทะเล
ในปี 1991 เมื่อมิตซูบิชิสร้างเรือ Yamato 1 สำดร็จซึ่งเป็นเรือที่ขับเคลื่อนด้วยระบบ Magnetohydrodynamic (MHD) ด้วยความเร็วสูงสุด 15 กม./ชม. ระบบ MHD ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อขับเคลื่อนของเหลวที่มีตัวนำไฟฟ้า เช่น น้ำทะเล แม้ว่าเรือลำนี้จะไม่ได้ขับเคลื่อนโดยตรงจากปฏิกิริยาฟิวชัน แต่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีฟิวชันสามารถปรับปรุงระบบ MHD ได้โดยการให้สนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งขึ้น
ในการเดินทางในอวกาศ มีแนวคิดที่จะสร้างเครื่องยนต์ Direct Fusion Drive (DFD) ที่ใช้ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์เท่านั้น โดยวิธีนี้จะใช้แม่เหล็กเพื่อกักเก็บพลาสมาร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันที่ได้รับเชื้อเพลิงจากฮีเลียม-3 (Helium-3) และดิวทีเรียม ( Deuterium)
เมื่อเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน เครื่องยนต์จรวดจะปล่อยอนุภาคพลังงานสูงออกมา ซึ่งสามารถสร้างแรงขับดันได้ อนุภาคมีประจุเหล่านี้ยังสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าให้กับระบบบนยานอวกาศและเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ได้อีกด้วย
เครื่องปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันขนาดเล็ก
NT-Tao ซึ่งเป็นบริษัทสตาร์ทอัพของอิสราเอลที่กำลังพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบกะทัดรัดและปรับขนาดได้ซึ่งสามารถทำงานได้ทั้งแบบออนไลน์และออฟไลน์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เหล่านี้ผสมผสานข้อดีของเทคโนโลยีฟิวชันสองแบบ ได้แก่ Tokamak และ Stellarator เทคโนโลยีเหล่านี้ใช้แม่เหล็กเพื่อกักพลาสมาไว้ในทอรัส (Torus) ที่มีรูปทรงคล้ายโดนัท อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี Tokamak จะทำให้พลาสมามีเสถียรภาพด้วยสนามแม่เหล็กแรงสูงที่สร้างขึ้นจากขดลวดภายนอก ในเวลาเดียวกันนั้นเทคโนโลยี Stellarator จะเกี่ยวข้องกับระบบขดลวดแม่เหล็กที่ซับซ้อนกว่าซึ่งสามารถรักษาเสถียรภาพของพลาสมาได้ด้วยพลังงานที่น้อยลง
บริษัทต้องการพัฒนาวิธีการให้ความร้อนด้วยพลาสมาแบบเร็วพิเศษเพื่อให้ได้ความหนาแน่นของพลาสมาสูงกว่าเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันแบบเดิมถึง 1,000 เท่า ซึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาฟิวชันมีประสิทธิภาพมากขึ้น และผลิตพลังงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นถึง 1 ล้านเท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน
จากการคาดการณ์ เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันขนาดกะทัดรัดของ NT-Tao จะสามารถผลิตพลังงานสะอาดและยั่งยืนให้กับรถยนต์ไฟฟ้าได้มากถึง 1,000 คันพร้อมกัน โดยมีต้นทุนประมาณ 6-13 เซ็นต์ (2-4.5 บาท) ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง (kWh)
เครื่องปฏิกรณ์ของ NT-Tao มีขนาดเทียบเท่ากับตู้คอนเทนเนอร์ สามารถติดตั้งได้อย่างง่ายดายทั้งในเขตเมืองและสถานที่ห่างไกล แม้ว่าแหล่งพลังงานแบบเดิมอาจมีข้อจำกัดก็ตาม
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในการผลิตพลังงาน
แน่นอนว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเป็นทางเลือกหนึ่งของการผลิตพลังงาน เนื่องจากมีข้อได้เปรียบสำคัญด้านสิ่งแวดล้อม ขณะที่เชื้อเพลิงฟอสซิลที่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์และมลพิษที่เป็นอันตรายอื่นๆ สู่ชั้นบรรยากาศ และปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีที่มีอายุยืนยาว แต่ฟิวชันนิวเคลียร์ปล่อยเพียงฮีเลียมออกมาเท่านั้น ซึ่งไม่มีอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม
นอกจากนี้เชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันก็ยังมีอยู่มากมาย ไอโซโทปของไฮโดรเจนที่ใช้มากที่สุดสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์คือ ดิวทีเรียม (Deuterium) และทริเทียม (Tritium) ดิวทีเรียมสามารถสกัดได้จากน้ำทะเล ในขณะที่ทริเทียมผลิตได้จากลิเธียมภายในเครื่องปฏิกรณ์เอง
ปฏิกิริยาฟิวชันนั้นปลอดภัยกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน หากมีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้น กระบวนการฟิวชันก็จะหยุดลงโดยอัตโนมัติ โดยไม่มีความเสี่ยงจากปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ควบคุมไม่ได้ ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชัน หากระบบระบายความร้อนขัดข้อง อาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและอาจเกิดการหลอมละลายได้ เช่นที่เกิดขึ้นในเชอร์โนบิลหรือฟุกุชิมะ
ด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้ จึงมีโครงการริเริ่มด้านการวิจัยฟิวชันหลายโครงการ เช่น โครงการ International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) ซึ่งเป็นโครงการที่สำคัญที่สุดโครงการหนึ่ง โดยมีประเทศต่างๆ เข้าร่วม 33 ประเทศ
โครงการ ITER ถูกคาดการณ์ว่าจะสร้างเสร็จในปี 2039 และจะเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา โดยมีปริมาณพลาสมามากกว่าเครื่องปฏิกรณ์ที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันถึง 5 เท่า
อ้างอิง interestingengineering.com และ cover iter.org
อ่านบทความและข่าวอื่นๆเพิ่มเติมได้ที่ it24hrs.com
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร? นำมาใช้จริงได้หรือยัง?
อย่าลืมกดติดตามอัพเดตข่าวสาร ทิปเทคนิคดีๆกันนะคะ Please follow us
Youtube it24hrs
Twitter it24hrs
Tiktok it24hrs
facebook it24hrs
