Artificial Sun

ดวงอาทิตย์เทียม พลังงานที่ไม่มีวันหมด

 

แหล่งพลังงานยิ่งใหญ่ที่สุดของโลกก็คือดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า ซึ่งได้รับการเคารพบูชาว่าเป็นเทพองค์หนึ่งมาตั้งแต่ในสมัยโบราณ แต่วันนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามสร้าง “ดวงอาทิตย์เทียม” ขึ้นบนโลก

                เพราะพลังงานคือโจทย์ใหญ่ที่กำหนดอนาคตของอารยธรรมมนุษย์ ว่าจะยังก้าวเดินไปต่อหรือถึงขั้นสิ้นสลาย

เป็นเวลา ๒๐๐ ปีแล้วที่โลกพัฒนาก้าวหน้าด้วยแหล่งพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ทั้งน้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน แต่วันนี้เราพบแล้วว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลคือสาเหตุสำคัญของปัญหาภาวะโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ซึ่งก่อผลกระทบอย่างรุนแรงต่อชีวิตผู้คนทั่วโลก และมนุษย์ก็ยังต้องการพลังงานมากขึ้นเรื่อยๆ พร้อมๆ กับประชากรโลกที่เพิ่มสูงขึ้น

การยุติการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลและหาแหล่งพลังงานใหม่ที่ไม่ก่อปัญหาทับซ้อนจึงเป็นโจทย์ที่ท้าทายอย่างมาก

และหนึ่งในความหวังนั้นก็คือ ดวงอาทิตย์เทียม

                ดวงอาทิตย์เทียม คือการสร้างแหล่งกำเนิดพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ “ฟิวชัน” (Fusion) เช่นเดียวกับพลังงานที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ  โดยการหลอมรวมอะตอมของธาตุเบาให้กลายเป็นธาตุที่หนักกว่าอย่าง แล้วปลดปล่อยพลังงานออกมาจากมวลที่หายไป ตามสูตรที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ คือ E = mc²  ซึ่งตรงข้ามกับการแตกอะตอมของธาตุหนักอย่างยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ “ฟิชชัน (Fission) ที่มีการพัฒนาเป็นอาวุธระเบิดนิวเคลียร์และต่อมาใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า   

                แม้ปัจจุบันจะมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันในกว่า 30 ประเทศทั่วโลก แต่ด้วยภาพลักษณ์ติดลบอย่างหนักจากอุบัติเหตุใหญ่ร้ายแรงซึ่งปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีเป็นอันตรายถึงชีวิต และการปนเปื้อนรังสีที่ส่งผลกระทบระยะยาว  รวมถึงปัญหาการกำจัดกากนิวเคลียร์ ทำให้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันต่อต้านจากประชาชนทั่วไป  ขณะที่ปัจจุบันดวงอาทิตย์เทียมยังไม่เกิดขึ้น โดยอยู่ระหว่างการวิจัยพัฒนาในห้องทดลอง เนื่องจากเทคโนโลยีการควบคุมให้เกิดพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นและปลดปล่อยพลังงานได้อย่างสม่ำเสมอ เป็นเรื่องยากยิ่งกว่านิวเคลียร์ฟิชชันหลายร้อยเท่า 

                ประเทศยักษ์ใหญ่หลายประเทศกำลังแข่งขันกันสร้างดวงอาทิตย์เทียม ซึ่งไม่ใช่การสร้างดวงอาทิตย์อีกดวงขึ้นไปลอยกลางฟ้า แต่เป็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่ใช้อุปกรณ์และเทคโนโลยีขั้นสูง ด้วยความหวังว่าจะเป็นแหล่งพลังงานสะอาด ปลอดภัย และผลิตพลังงานได้ตลอดเวลา แถมยังมีจุดเด่นที่เหนือกว่าพลังงานทางเลือกประเภทอื่นๆ คือเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมด เพราะธาตุเชื้อเพลิงคือ ไอโซโทปของไฮโดรเจน ได้แก่ ดิวทีเรียม และทริเทียม นั้น สามารถสกัดได้จากน้ำทะเลที่มีอยู่มหาศาล

                คาดว่าภายใน 10-20 ปีข้างหน้า การใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์เทียมจะเกิดขึ้นจริง และจะเป็นการปฏิวัติครั้งใหญ่ที่สุดในอารยธรรมมนุษย์

 

บิดาแห่งอาทิตย์เทียม

การพัฒนานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นมาพร้อมๆ กับนิวเคลียร์ฟิชชันในทศวรรษที่ 1950 ซึ่งเป็นช่วงของการพัฒนาระเบิดนิวเคลียร์ในสงครามเย็นระหว่างสหรัฐอเมริกากับรัสเซีย โดยนักวิทยาศาสตร์ที่เสนอแนวคิดของสิ่งประดิษฐ์นี้ครั้งแรกคือ อังเดร ซาคารอฟ (Andrei Sakharov) และ อิกอร์ ทามม์ (Igor Tamm) ชาวรัสเซีย ใช้วิธีสร้างวงแหวนแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไว้ภายในวงแหวน เรียกอุปกรณ์นี้ว่า โทคามัค  (Tokamak) และต่อมาในปี ค.ศ. 1956 เลฟ อาร์ตซิโมวิช (Lev Artsimovich) ก็ได้ประดิษฐ์เครื่องต้นแบบของโทคามัคขึ้น ทำให้เลฟได้ชื่อว่า “บิดาของโทคามัค”  จนถึงปัจจุบันยังไม่มีใครได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการว่าคือบิดาของดวงอาทิตย์เทียม

 

Quote

“ผมเชื่อเสมอมาว่าอาวุธที่ทรงพลังที่สุดในโลกคือระเบิด...แต่ผมก็พบข้อสรุปใหม่ว่า มันไม่ใช่ระเบิด แต่คือความจริง”

อังเดร ซาคารอฟ

 

ฟิวชัน VS ฟิชชัน

·        สถานที่เกิด ฟิวชันเกิดขึ้นบนดาวฤกษ์ทั่วไป แต่ฟิชชันเกิดขึ้นในบางพื้นที่ที่ความเข้มข้นของธาตุหนักมากพอ

·        การสร้างปฏิกิริยา ฟิวชัน เกิดจากหลอมนิวเคลียสของธาตุเบา 2 นิวเคลียสหรือมากกว่ารวมกันเป็นนิวเคลียสของธาตุที่หนักขึ้น และปล่อยพลังงานออกมา โดยไม่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ส่วนฟิชชัน คือยิงนิวตรอนเข้าไปกระทบนิวเคลียสของธาตุหนัก เกิดการแตกตัวเป็น ธาตุที่เบาขึ้น 2 ธาตุหรือมากกว่า นิวตรอน และพลังงาน โดยนิวตรอนจะไปกระทบกับธาตุหนักอื่นต่อเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

·        พลังงานที่เกิดขึ้น ตามสูตร E = mc²โดยฟิวชันให้กำเนิดพลังงานมากกว่าฟิชชัน 3-4 เท่า

·        ธาตุเชื้อเพลิง ฟิวชันใช้ไอโซโทปของธาตุไฮโดรเจนซึ่งสกัดได้จากน้ำทะเล ฟิชชันใช้ธาตุยูเรเนียมและพลูโตเนียม ซึ่งมีการแผ่กัมมันตภาพรังสีตลอดเวลา

·        ผลพลอยได้หลังปฏิกิริยา ฟิวชันทำให้เกิดธาตุฮีเลียม ซึ่งไม่มีกัมมันตภาพรังสีและนำไปใช้ประโยชน์ต่อได้  ฟิชชันธาตุหนักซึ่งมีกัมมันตภาพรังสี กลายเป็นกากขยะนิวเคลียร์ที่กำจัดยาก

·        หากเกิดอุบัติเหตุ ฟิวชันจะหยุดปฏิกิริยาลงเอง ส่วนฟิชชันยังเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่องสร้างความเสียหายได้

 

เตาปฏิกรณ์ดวงอาทิตย์เทียม

·        เตาปฏิกรณ์รูปทรงวงแหวนแบบโดนัท (Magnetic Confinement) หรือ โทคามัค (Tokamak) ภายในเป็นสุญญากาศ ใช้พลังงานไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กรอบวงแหวนเพื่อควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจนที่อยู่ในสภาพพลาสม่า อุณหภูมิสูงระดับหลักสิบถึงร้อยล้านองศาเซลเซียส เป็นเทคโนโลยีที่นิยมมากที่สุดในขณะนี้ เช่น โครงการ EAST ของจีน โครงการ KSTAR ของเกาหลีใต้ และโครงการ ITER จากความร่วมมือของ 35 ประเทศ  โครงการ Thai Tokamak-1 (TT-1) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างไทยกับจีน

·        เลเซอร์ (Laser Confinement) ใช้การยิงแสงเลเซอร์เป็นเสมือนเส้นลูกกรงจำนวนมากเพื่อขังปฏิกิริยาฟิวชันไว้ภายใน โดยเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะอยู่ในแคปซูลขนาดเล็ก และจะถูกยิงด้วยแสงเลเซอร์เพื่อกระตุ้นการเกิดปฏิกิริยา เช่น โครงการ NIF ของสหรัฐอเมริกา

 

พลังงานจากดวงอาทิตย์เทียม

ดวงอาทิตย์เทียมจะถึงจุดที่คุ้มค่าของการนำมาใช้เมื่อสามารถผลิตพลังงานออกมาได้มากกว่าพลังงานที่ใช้สร้างปฏิกิริยาฟิวชัน นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าค่า Q   

ค่า Q เท่ากับ 1 เป็นจุดที่แสดงว่าพลังงานที่ใส่เข้าไปเท่ากับพลังงานที่ได้ออกมา แต่การจะใช้งานจริงและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ อาทิตย์เทียมต้องมีค่า Q มากกว่า 10 เนื่องจากต้องเผื่อการสูญเสียพลังงานที่จะเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการต่างๆ 

 

ผลกระทบเชิงบวก

·        ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ทั้งปัญหาภาวะโลกร้อนและการปล่อยมลพิษ

·        แหล่งพลังงานที่มั่นคงและยั่งยืนในอนาคตของภาคการคมนาคมขนส่ง ไฟฟ้า และอุตสาหกรรม ทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล

 

ผลกระทบเชิงลบ

·        การใช้ไอโซโทปตัวหนึ่งของไฮโดรเจน คือ ทริเทียม มีการแผ่กัมมันตภาพรังสี หายากในธรรมชาติ และต้องผลิตขึ้นในโรงงาน จึงอาจเกิดการรั่วไหลของกัมมันตภาพรังสีในขั้นตอนต่างๆ 

·        การแผ่รังสีนิวตรอนในเตาปฏิกรณ์อาจทำให้วัสดุของเตาปฏิกรณ์เกิดกัมมันตรังสี

 

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

https://www.iter.org/mach/Tokamak

Harnessing energy from nuclear fusion (openaccessgovernment.org)

https://www.mhesi.go.th/index.php/all-media/infographic/9116-660608general.html

.

#DisruptiveTechnology

#ArtificialSun

#ดวงอาทิตย์เทียม

#CuriosityWINS

#ดินแดนแห่งการค้นพบความมหัศจรรย์ของวิทยาศาสตร์

#พิพิธภัณฑ์เทคโนโลยีสารสนเทศ #ITMuseumThailand

#องค์การพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์แห่งชาติ #อพวช #NSMThailand

.

Created by

กองวิชาการเทคโนโลยีและนวัตกรรม

สำนักวิชาการพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์