เทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่น

Highlight

นิวเคลียร์ฟิวชั่นคืออะไร และหลักการทางฟิสิกส์เป็นอย่างไร
ปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในธรรมชาติ
วิธีการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่นบนโลก

ผมมั่นใจว่าทุกคนต้องเคยได้ยินเรื่องนิวเคลียร์ฟิวชั่นกันมาบ้างแล้วล่ะ แต่จะมีกี่ท่านที่ทราบหลักการการทำงานของมันจริง ๆ บทความวันนี้จะเป็นการเกริ่นนำเรื่องเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่นให้ทุกท่านได้ทราบหลักการทางฟิสิกส์คร่าว ๆ ที่มาที่ไปก่อนจะเกิดเป็นเครื่องต้นแบบที่แต่ละประเทศชั้นนำได้พยายามแข่งขันกัน ในบทความนี้จะเป็นซีรี่ส์ต่อไปยังกระแส ณ ตอนนี้ในเวทีโลกซึ่งก็มีไทยไปร่วมด้วย ได้มีการพัฒนาขีดความสามารถของพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นไปถึงไหนกันครับ อดใจรอตามอ่านบทความนี้ต่อไปหน่อยนะครับ

นิวเคลียร์ฟิวชั่นคืออะไร และหลักการทางฟิสิกส์คืออะไร

ก่อนอื่นเลยเรามาทำความเข้าใจถึงคำว่า นิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear Fusion) หรือปฏิกิริยานิวเคลียร์กันก่อนนะครับ เมื่อไหร่ก็ตามที่เราได้ยินคำว่า “นิวเคลียร์ (Nuclear)” คนโดยทั่วไปมักจะมองถึงภาพการทำลายล้าง แต่จริง ๆ แล้วคำนี้เป็นคำคุณศัพท์ของ นิวเคลียส (Nucleus) ซึ่งเป็นศูนย์กลางของอะตอม (Atom) นิวเคลียสของอะตอมประกอบไปด้วย โปรตอน (Proton) และ นิวตรอน (Neutron) ทำให้บริเวณใจกลางของอะตอมมีประจุทางไฟฟ้าเป็นบวก ในขณะที่อิเล็กตรอน (Electron) ซึ่งโคจรอยู่รอบนอกนั้นมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ทำให้ผลรวมประจุทางไฟฟ้าในอะตอมมีค่าเป็นศูนย์หรือเป็นกลางนั่นเอง

แบบจำลองอะตอม (Atom) อย่างง่าย
ตรงกลางคือนิวเคลียส (Nucleus) ที่ประกอบไปด้วย โปรตอน (Proton) และ นิวตรอน (Neutron)
รอบนิวเคลียสมีอิเล็กตรอน (Electron) ที่กระจายเป็นกลุ่มหมอก
ซึ่งอะตอมสามารถถูกแบ่งออกเป็นระดับชั้นพลังงานต่าง ๆ ได้
ที่มา: Britannica Encyclopedia

มาถึง ณ จุดนี้ ผมว่าหลายคนน่าจะสงสัยบ้างแล้วว่า ในใจกลางของอะตอมที่มีโปรตอนสะสมกันอยู่เยอะมากนั้น คงต้องมีการผลักกันเนื่องจากผลของประจุแรงทางไฟฟ้าตามกฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)

$F_{C} = k \frac{q_1 q_2}{r^2 }$

ยิ่งโปรตอนอยู่ใกล้ชิดกันมากเท่าไหร่ แรงที่กระทำต่อกันในใจกลางอะตอมก็ยิ่งมีค่ามหาศาลมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นถูกแล้วครับ อะตอมไม่น่าจะสามารถถูกสร้างขึ้นมาได้ เพราะอนุภาคโปรตอนควรจะผลักกันกระเด็นไปไกล แสดงว่ายังต้องมีแรงชนิดอื่นอีกแน่ ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการยึดเหนี่ยวของอะตอมที่นิวเคลียส ซึ่งแรงนั้นก็คือ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม (Strong Interaction) ซึ่งสามารถเอาชนะการผลักกันของแรงทางไฟฟ้าได้ ทีนี้หลายคนก็จะคิดต่อไปอีกว่า หากแรงชนิดนี้มีความแรงอย่างที่ว่าจริง ๆ ทำไมไม่ดูดอิเล็กตรอนเข้ามาร่วมในนิวเคลียสไปด้วยเลยล่ะ นั่นเป็นเพราะว่า ถึงแม้แรงนิวเคลียร์แบบเข้มจะแรงที่สุดในบรรดาแรงทั้งหมดที่เรารู้จักแต่ระยะทำการสั้นมาก ๆ หากพ้นระยะของนิวเคลียสไปแล้วแรงนี้จะไม่สามารถทำงานได้ทันที โดยระยะทำการของมันอยู่ที่ 10^-15 เมตร (ประมาณขนาดของนิวเคลียสนั่นเอง)

จากความรู้ตรงนี้ทำให้เราได้รับรู้ว่า การสร้างอะตอมขึ้นมานั้นมีการสะสมพลังงานเอาไว้ นอกจากการสะสมที่อิเล็กตรอนซึ่งโคจรในแต่ละชั้นพลังงานแล้ว ยังมีพลังงานที่ถูกกักเก็บเอาไว้ภายในนิวเคลียสอีกด้วย จุดที่น่าสนใจคือ อันตรกิริยา (Interaction) ที่เราพบได้จากการรวมตัวของธาตุไฮโดรเจน (Hydrogen) เข้าด้วยกันแล้วกลายเป็นฮีเลียม (Helium) โดยจะขอยกตัวอย่างกระบวนแบบแรก คือ การรวมไอโซโทป (Isotope) ของไฮโดรเจนที่เรียกว่า ดิวเทอเรี่ยม (Deuterium) กับ (Tritium) แล้วได้ออกมาเป็นฮีเลี่ยมกับนิวตรอนอิสระ รวมทั้งพลังงานส่วนเกิน ตามภาพต่อไปนี้ครับ

อันตรกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear Fusion Interaction)
ของไฮโดรเจน 2 อะตอม
กลายเป็นฮีเลียม (ที่มีพลังงาน 3.5 MeV)
พร้อมทั้งปลดปล่อยนิวตรอน (ที่มีพลังงาน 14.1 MeV)
ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion

สมการการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Fusion) จากการรวมดิวเทอร์เรียมและทริเที่ยมให้กลายเป็นฮีเลียมจะเป็นดังนี้

${}^2_1 \text{H} + {}^3_1 \text{H} \rightarrow {}^4_2 \text{He} + {}^1_0 \text{n} + \text{17.59 MeV}$

จะเห็นได้ว่านี่คืออันตรกิริยาการรวมตัวกันของอนุภาค 2 ชนิดที่มีขนาดเล็ก แล้วเกิดเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น หรือเรียกสั้น ๆ ว่าฟิวชั่น (Fusion) แต่เนื่องจากเป็นการรวมกันของนิวเคลียส จึงเรียกปรากฏการณ์ชนิดนี้ว่า นิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear fusion) สิ่งที่น่าสนใจของอันตรกิริยานี้คือ มันเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน ดังนั้นพลังงานจลน์ในระบบจะเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ และไปทำให้ไอโซโทปของไฮโดรเจนคู่อื่น ๆ มีการหลอมรวมกันต่อไปเรื่อย ๆ เกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นั่นเอง อันตรกิริยาแบบคายพลังงานประเภทนี้จะเกิดขึ้นจากการรวมกันของธาตุขนาดเล็ก แล้วได้ธาตุขนาดใหญ่ขึ้นไปเรื่อย ๆ แต่กระบวนการหลอมรวมกันของธาตุใหญ่ ๆ ตั้งแต่เหล็กเป็นต้นไป จะเป็นอันตรกิริยาแบบดูดพลังงาน ทำให้ธาตุที่มีขนาดนิวเคลียสใหญ่กว่านิวเคลียสของเหล็กต้องได้รับการป้อนพลังงานเข้าไปถึงจะเกิดการรวมกันได้ทำให้พลังงานจลน์ในระบบลดลง เช่น การเกิดมหานวดารา (Supernova) เป็นต้น นั่นจึงเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมธาตุที่มีนิวเคลียสใหญ่กว่าเหล็กถึงมีจำนวนน้อยในธรรมชาติเพราะต้องเกิดจากการบีบอัดจากมวลและพลังงานมหาศาลนั่นเอง

พอพูดมาถึงตรงนี้แล้ว หลายๆ ท่านก็คงจะสงสัยว่าแล้วทุกวันนี้ที่ประเทศชั้นนำบางประเทศมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ มันอันเดียวกันกับหลักการที่พูดมาหรือไม่ จะตอบตรงนี้เลยว่าใช้คนละตัวกันครับ โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ทุกวันนี้ใช้หลักการนิวเคลียร์ฟิชชั่นที่จะทำการแตกธาตุที่มีขนาดนิวเคลียสใหญ่กว่าเหล็กให้กลายเป็นธาตุที่เล็กลง

ภาพอธิบายการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นของ Uranium-235
ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission

หลักการทำงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบที่ใช้ Uranium-235 คือ จะทำการระดมยิงนิวตรอนที่มีพลังงานค่า ๆ หนึ่ง เข้าไปในธาตุ Uranium-235 ซึ่งจะสร้างความไม่เสถียรภาพให้กับอะตอม ส่งผลให้เกิดการแตกตัวออกมาเป็นสองธาตุที่เล็กลง นั่นคือ Barium และ Krypton ตามสมการต่อไปนี้

${}^1_0 \text{n} + {}^{235}_{92} \text{U} \rightarrow {}^{141}_{56} \text{Ba} + {}^{92}_{36} \text{Kr} + 3 {}^{1}_{0} \text{n} + 41 \text{MeV}$

นอกจากนี้จะเห็นว่ามีการผลิตนิวตรอนออกมาเพิ่มอีกสามตัว พร้อมกับพลังงานกว่า 41 MeV ซึ่งนิวตรอนอิสระทั้งสามตัวนี้หากไปกระทบกับอะตอม Uranium-235 ในบริเวณรอบข้าง ก็จะเกิดปฏิกิริยานิวฟิชชั่นแบบลูกโซ่ไปเรื่อยๆ จนกว่าอะตอม Uranium-235 จะหมดนั่นเอง หากเทียบกันกับกรณีของนิวเคลียร์ฟิวชั่นแล้ว พลังงานที่ได้ออกมาต่อ 1 ปฏิกิริยานั้น นิวเคลียร์ฟิชชั่นเยอะกว่าถึง 2.3 เท่า แต่เห็นปัญหาอย่างหนึ่งไหมครับ คือกรณีของฟิวชั่นให้ฮีเลียมที่เสถียรออกมา ในขณะที่ ${}^{141}_{56} \text{Ba}$ และ ${}^{92}_{36} \text{Kr}$ ก็จะสลายตัวต่อให้กากกัมมันตภาพรังสีต่อไป ทำให้ทุกโรงงานนิวเคลียร์ฟิชชั่นจะต้องมีสถานที่ที่เอาไว้เก็บกากกัมมันตภาพรังสีอย่างน้อย ๆ ก็ร้อยปี หากผู้อ่านสนใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนิวเคลียร์ฟิชชั่นก็บอกมาได้นะครับ ผมจะไปหาข้อมูลเพิ่มเติมมาอธิบายในส่วนนี้เพิ่มครับ ตอนนี้กลับไปที่เรื่องนิวเคลียร์ฟิวชั่นกันต่อครับ

ปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในธรรมชาติ

แม้ว่าอันตรกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นจะเกิดจากการหลอมอะตอมขนาดเล็กให้กลายเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แต่ผมก็คิดว่าผู้อ่านช่างสงสัยที่อ่านมาถึงตรงนี้คงจะมีคำถามว่า เราก็ไม่เคยเห็นไฮโดรเจนมาหลอมรวมกันเป็นฮีเลียมเลย สาเหตุที่เป็นแบบนี้เนื่องจากว่า ปฏิกิริยาฟิวชั่นนี้เกิดขึ้นได้ยากเพราะต้องการอุณหภูมิเริ่มต้นที่สูงมาก ๆ ในการทำให้อะตอมมีความเร็วมากพอที่นิวเคลียสจะสามารถเอาชนะพลังงานศักย์ทางไฟฟ้า แล้วทำให้ระยะระหว่างสองอะตอมเล็กกว่าระยะทำการของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มแล้วเกิดกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งอุณหภูมิที่สามารถเกิดปฎิกิริยานี้ได้ก็ต้องใช้ความร้อนอย่างน้อย ๆ ก็เท่ากับชั้น corona ของดวงอาทิตย์หรือประมาณ $5 \times 10^6$ Kelvin

ในทางธรรมชาติ เราสามารถพบปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นได้จากวัตถุที่มีขนาดใหญ่มาก เช่น ดาวฤกษ์ นั่นเอง กระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์นั้นเราเรียกว่ากระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียส (Nucleosynthesis) ซึ่งดวงอาทิตย์ก็เป็นหนึ่งในแหล่งให้พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ใกล้ชิดและสำคัญกับโลกของเรามากที่สุด วัตถุดิบหลักของการทำฟิวชั่นในดวงอาทิตย์คือก๊าซไฮโดรเจนพลังงานสูง ถ้าคำนวณดูจะพบว่าในหนึ่งวินาที มีก๊าซไฮโดรเจนถูกนำไปหลอมถึง 620 ล้านตัน เพื่อทำการสร้างฮีเลียมกว่า 616 ล้านตัน ซึ่งพลังงานส่วนต่างนี้จะกลายเป็นพลังงานที่ค้ำจุนดวงอาทิตย์ไม่ให้ยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาว รวมทั้งยังเป็นแหล่งพลังงานหลักให้กับสิ่งมีชีวิตบนโลกด้วยเช่นกัน

เราจะทำการแบ่งรูปแบบการเกิดอันตรกิริยาฟิวชั่นออกเป็นสองอันหลักตามขนาดของดาวฤกษ์

1. ปฏิกิริยาห่วงโซ่โปรตอน-โปรตอน (Proton-proton chain) เกิดขึ้นในดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์จนมีมวลเท่ากับ 1.3 เท่า เนั่นเอง จะเป็นปรากฏการณ์ที่รวมไอโดรเจนถึงสี่ตัวเข้าด้วยกันจนกลายเป็นฮีเลียมหนึ่งอะตอม

2. วงจรปฏิกิริยาคาร์บอน-ไนโตรเจน-อ็อกซิเจน หรือ วงจรซีเอ็นโอ (Carbon-Nitrogen-Oxygen Cycle หรือ CNO Cycle) มีอีกชื่อหนึ่งว่าวงจรเบเทอ-ไวซ์เซกเกอร์ (Bethe–Weizsäcker Cycle) จะเกิดขึ้นในดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ตั้งแต่ 1.3 เท่าเป็นต้นไป

วิธีการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่นบนโลก

สาเหตุที่เราอยากทำการจำลองนิวเคลียร์ฟิวชั่นให้ได้นั่นก็คือ พลังงานที่ได้จากการหลอมนั้นมหาศาลมาก ๆ โดยทำการเปรียบเทียบพลังงานที่จะปลดปล่อยออกมาจากการหลอมดิวเทอเรียมกับทริเที่ยมมีค่าสูงถึง 17.6 MeV ต่อหนึ่งปฏิกิริยา ในขณะที่พลังงานพันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตรอนมีเพียงแค่ 13.6 eV ต่างกันกว่าล้านเท่า ทีนี้เรามาดูเทคนิคการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ ณ วันนี้กันครับ

แบบที่ดูจะเป็น meta ในสายการวิจัยและพัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นก็คือ เทคนิคการกักขังสนามแม่เหล็ก หรือ magnetic confinement เป็นเทคนิคที่จะทำการควบคุมพลาสม่าร้อน ๆ ของสารตั้งต้นอย่างดิวเทอเรี่ยมกับทริเที่ยมที่อุณหภูมิสูง ๆ โดยใช้สนามแม่เหล็กนั่นเอง ทีนี้เรามาดูโดยหลักการว่ามีการออกแบบยังไง เริ่มจากการออกแบบให้ลำพลาสม่าร้อน ๆ เหล่านี้วิ่งในวง torus ให้ลองนึกภาพว่ามันคือโดนัทที่ภายในกลวง ๆ เป็นท่อให้พลาสม่าพวกนี้วิ่งวนไปเรื่อย ๆ แล้วอะไรล่ะที่จะบังคับให้พลาสม่าพวกนี้เคลื่อนที่โค้งได้ หลายคนคงคิดว่าก็ gravity ไง ดูอย่างการโคจรของดาวต่าง ๆ ก็เป็นวงกลมหรือวงรี นั่นใช้ได้กับวัตถุขนาดใหญ่ที่ดึงดูดวัตถุมวลเล็ก ๆ แต่เราไม่ได้มีอะไรที่มีมวลที่มีความหนาแน่นมากพอจะทำแบบนั้น เราก็มาคิดว่าพลาสม่าจะประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าของอนุภาคจำนวนมหาศาล นั่นทำให้มันทำอันตรกิริยากับแม่เหล็ก ดังนั้นจึงได้ออกแบบตัวเครื่องให้มีแท่งแม่เหล็กไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้พลาสม่าเคลื่อนที่เป็นวงกลมนั่นเอง เราเรียกเตาปฏิกรณ์แบบนี้ว่า Tokamak

ภาพแสดงส่วนประกอบของเตา Tokamak ที่เป็นต้นแบบในการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชั่น
ภาพจาก https://www.energy.gov/science/doe-explainstokamaks

ซึ่งเมื่ออนุภาคของพลาสม่าเคลื่อนที่ตามเส้นแรงของสนามแม่เหล็ก อนุภาคก็จะถูกบีบให้เข้าใกล้กันมากขึ้น ยิ่งใกล้กันก็จะเกิดการผลักกันทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ แม้อุณหภูมิจะสูงเท่ากับชั้น corona ของดวงอาทิตย์ แต่ยังไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ขึ้นมาได้ เนื่องจากพลังงานที่ใส่เข้าไปให้กับแท่งแม่เหล็กไฟฟ้าสูงกว่าพลังงานที่ได้จากการหลอมรวมของสองไอโซโทป ไม่เหมือนกับในดวงอาทิตย์ที่ ไม่ต้องมีแม่เหล็กมาบีบอัดเพราะด้วยความหนาแน่นที่มหาศาลบีบให้ธาตุเล็กๆ ต้องถูกหลอมรวมกันอย่างเลี่ยงไม่ได้

ตอนนี้มีโครงการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่น ITER ที่ฝรั่งเศส โดยมีประเทศที่เป็นสมาชิกคือ จีน สหภาพยุโรป อินเดีย ญี่ปุ่น เกาหลี รัสเซีย และอเมริกา ซึ่งเราจะมาพูดถึงความสำเร็จที่กลุ่มความร่วมมือนี้ทำได้ในบทความครั้งต่อไปกันนะครับ มีแต่เรื่องทำลายสถิติทั้งนั้นในปีที่ผ่านมาจนมาถึงต้นปีของปีนี้ ยังไงอดใจรอติดตามไว้ด้วย เพราะไทยก็มีเอี่ยวกับความก้าวหน้านี้ด้วยแต่จะเป็นในทางไหน

พูดคุยท้ายบทความ

จบไปแล้วนะครับ กับบทความเกริ่นนำเรื่องนิวเคลียร์ฟิวชั่น น่าจะทำให้รู้จักกับหลักการพื้นฐานระดับนึงนะครับ จริง ๆ แล้วยังมีเรื่องราวอีกเยอะเลย ไม่ว่าจะเป็น การหลอมไฮโดรเจน 4 ตัวให้ได้ฮีเลียม 1 ตัว การหลอมดิวเทอเรียม 2 ตัว แทนที่จะใช้ดิวเทอเรี่ยมกับทริเที่ยมอย่างที่บอกมา และเทคนิคอื่นในการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชั่นแบบไม่ต้องมีพลาสม่าอีกหลายแบบ หากสนใจเรื่องไหนทักกันมาได้แล้วผมจะไปหาข้อมูลมาอธิบาย หรืออยากให้เน้นเรื่องไหนเป็นพิเศษก็บอกกันมาได้ครับ ถ้าชื่นชอบในบทความวิทยาศาสตร์ทำนองนี้อย่าลืมกดติดตามทั้งในเพจ Facebook ของพวกเรา และเข้ามาอ่านเนื้อหาวิทยาศาสตร์ใน The Principia ได้เรื่อย ๆ นะครับ รอดูกันว่าครั้งต่อไปจะเป็นเรื่องอะไร เจอกันครับ