นิวเคลียร์ฟิวชันให้พลังแก่ดวงดาว วันหนึ่งมันจะทำให้โลกร้อนขึ้นได้หรือไม่?

เป็นเวลาเจ็ดปีที่ Bernard Bigot ดูแลการก่อสร้างอาคารที่มีความทะเยอทะยานและท้าทายและมีความสำคัญต่อมนุษยชาติบางครั้งเขาก็คิดว่าเป็นมหาวิหาร

สร้างขึ้นจากพื้นที่ 445 เอเคอร์ทางตอนใต้ของฝรั่งเศส หนึ่งชั่วโมงทางเหนือของมาร์เซย์ เป็นสิ่งปลูกสร้างที่แปลกมากจริงๆ มีอาคารไม่กี่หลังที่มีช่องสูญญากาศเป็นโพรงหรือต้องการความแม่นยำต่ำกว่ามิลลิเมตรในระหว่างการก่อสร้าง ยังคงมีจำนวนน้อยลงรวมถึงแม่เหล็กสูง 59 ฟุตที่มีพลังมากพอที่จะยกเรือบรรทุกเครื่องบินหรือลวดไนโอเบียมดีบุกที่มีตัวนำยิ่งยวดมากพอที่จะวนเส้นศูนย์สูตรสองครั้ง

โครงการที่ Bigot ดูแล เรียกว่า ITER สำหรับ International Thermonuclear Experimental Reactor ถือเป็นโครงการที่ใหญ่ที่สุด ซับซ้อนที่สุด และมีค่าใช้จ่ายมากกว่า 20 พันล้านดอลลาร์ ซึ่งเป็นการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่แพงที่สุดเท่าที่เคยมีมา กลุ่มความร่วมมือจาก 35 ประเทศที่ให้การสนับสนุนทางการเงินแก่ ITER และการสร้างส่วนประกอบเป็นตัวแทนของประชากรมากกว่าครึ่งหนึ่งของโลกและร้อยละ 85 ของ GDP ทั่วโลก สหรัฐอเมริกา รัสเซีย จีน และสหภาพยุโรปล้วนเป็นสมาชิก

ส่วนประกอบที่เข้ามาบางส่วนของ ITER มีขนาดใหญ่มาก ฝรั่งเศสต้องขยายหรือเสริมกำลังถนนและสะพานที่ยาวกว่า 64 ไมล์เพื่อนำไปยังไซต์ก่อสร้างใน Saint-Paul-lez-Durance เมื่อเครื่องปฏิกรณ์สร้างเสร็จ ไม่เกินปี 2025—ขณะนี้ก็ประมาณสามในสี่ของทางนั้นแล้ว—ต้องใช้เวลาถึง 40 ปีในการเจรจา งานออกแบบ และการก่อสร้างจึงจะไปถึงที่นั่น

ทั้งหมดนี้เพื่อเป้าหมายที่กล้าหาญและความฝันเก่าแก่ครึ่งศตวรรษ: เพื่อสร้างพลังงานโดยควบคุมนิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของดวงดาว หากหลอมรวมได้ ให้สัญญาว่าจะมีพลังงานเหลือเฟือโดยไม่มีควันจากปล่องควันหรือการปล่อยคาร์บอนที่เผาโลก โดยไม่มีเครื่องปฏิกรณ์หลอมละลายหรือของเสียจากกัมมันตภาพรังสีที่มีอายุยืนยาว—ให้พลังงานตามต้องการทุกวันตลอด 24 ชั่วโมง โดยมีน้ำทะเลเป็นแหล่งเชื้อเพลิงขั้นสุดท้าย

แต่การตระหนักถึงความฝันนี้เป็นฝันร้ายด้านวิศวกรรม

บนโลก การเกลี้ยกล่อมนิวเคลียสของไฮโดรเจนให้หลอมรวมเป็นฮีเลียมจำเป็นต้องสร้างและจำกัด “พลาสมา” ซึ่งเป็นก๊าซที่มีประจุไฟฟ้า โดยที่อิเล็กตรอนจะไม่ถูกจับกับนิวเคลียสของอะตอมอีกต่อไป ที่อุณหภูมิที่ร้อนกว่าในดวงอาทิตย์หลายเท่า นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้เมื่อนานมาแล้วว่าจะปลดปล่อยกระบวนการระเบิดภายในระเบิดไฮโดรเจนได้อย่างไร และเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันในปัจจุบันสามารถทำให้มันเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการควบคุมสำหรับชั่วพริบตาที่หายวับไป แต่ไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ใดที่เคยใส่พลังงานสุทธิเข้าไปในโครงข่ายไฟฟ้า

และจะไม่ ITER: ยิ่งใหญ่อย่างที่มันเป็น มันเป็นเพียงการทดลองที่ออกแบบมาเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้จอกนั้นอย่างยิ่งใหญ่ เป้าหมายของ ITER เป็นเพียงการก้าวข้าม “จุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์” ซึ่งเป็นธรณีประตูที่เครื่องปฏิกรณ์จะปล่อยพลังงานออกมามากเท่าที่จะใช้ในการหลอมละลายในพลาสมา

ในไทม์ไลน์ที่มองโลกในแง่ดีที่สุด โรงไฟฟ้าต้นแบบฟิวชันจะไม่พร้อมจนกว่าจะถึงช่วงต้นทศวรรษ 2030 นั่นหมายความว่าการหลอมรวมไม่สามารถช่วยเราให้พ้นจากความจำเป็นในการดำเนินการเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนได้ในขณะนี้ ตามรายงานของคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกจำเป็นต้องลดการปล่อย CO2 ประจำปีลงประมาณครึ่งหนึ่งในอีกสองทศวรรษข้างหน้าเพื่อหลีกเลี่ยงภาวะโลกร้อนที่เป็นอันตรายมากกว่า 2 องศาเซลเซียส ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมราคาถูกที่พร้อมใช้งาน โลกสามารถลดการปล่อยมลพิษได้โดยการขยายการใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่

Nick Eyre ศาสตราจารย์ด้านนโยบายพลังงานและสภาพอากาศที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดกล่าวว่า “เราต้องการการผลิตไฟฟ้าเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ภายในปี 2578 “ฟิวชั่นไม่สามารถทำอะไรได้ในช่วงเวลาเหล่านี้”

การควบคุมนิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นหนึ่งในสิ่งที่ยากที่สุดที่มนุษยชาติเคยพยายาม และความไม่เข้าใจกันของเทคโนโลยีได้ทำให้มันกลายเป็นเรื่องตลกมานานแล้ว กว่าครึ่งศตวรรษแล้วที่พลังงานฟิวชันอยู่ห่างออกไป “30 ปี” เสมอมา แต่เรื่องตลกที่ขมขื่นนั้นอาจจะดูจืดชืดในที่สุด

ITER ไม่ได้เป็นเพียงเหตุผลเดียว: ในห้องปฏิบัติการทั่วโลก นักวิจัยได้ขจัดความท้าทายทางเทคนิคมากมายระหว่างทางไปสู่เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้งานได้ ในขณะเดียวกัน ตามรายงานของ Fusion Industry Association นักลงทุนได้ ทุ่ม เงินกว่า 1.8 พันล้านดอลลาร์ในบริษัทไพรเวทฟิวชั่นซึ่งกำลังตกปลาเพื่อให้แหล่งพลังงานที่เข้าใจยากทำงานได้

Josefine Prollนักทฤษฎีฟิวชันที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Eindhoven ในเนเธอร์แลนด์กล่าวว่า “เรื่องตลกมีความจริง” แต่ “ไม่อีกแล้ว” ฉันคิดว่าเรามาถูกทางแล้ว”

มันยังอีกยาวไกล โดยไม่มีการรับประกันว่าจะบรรลุเป้าหมายของพลังงานฟิวชันที่เชื่อถือได้—แต่นักวิจัยฟิวชันคุ้นเคยกับสิ่งนั้น บีกอท ซึ่งดำรงตำแหน่งอธิบดีของ ITER ในปี 2558 และเสียชีวิตในเดือนพฤษภาคมเมื่ออายุ 72 ปี มักจะมองที่ขอบฟ้าเสมอ นักเคมีจากการฝึกอบรม เขามองว่า ITER เป็นสถาปนิกยุคกลางที่มองเห็นมหาวิหารของพวกเขา ซึ่งเป็นโครงการชั่วนิรันดร์ ที่ซึ่งผู้วางรากฐานอาจไม่ได้มีชีวิตอยู่เพื่อดูยอดแหลม

“ฉันเดา—ด้วยความซื่อสัตย์และความอ่อนน้อมถ่อมตน—เราได้เริ่มดำเนินการกับความท้าทายดังกล่าวแล้ว” เขากล่าวในการให้สัมภาษณ์เมื่อเดือนมีนาคมกับเนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก “ประโยชน์สำหรับมนุษยชาติอาจมีมากมายมหาศาล มันคุ้มค่าที่จะลอง”

ฟิวชั่นกับฟิชชัน

โรงงานฟิวชันจะแตกต่างจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในปัจจุบันโดยพื้นฐาน พวกมันอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งปล่อยพลังงานออกมาเมื่ออะตอมขนาดใหญ่และหนัก เช่น ยูเรเนียม แตกออกจากกันเนื่องจากการสลายของกัมมันตภาพรังสี

ในทางตรงกันข้าม ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน อะตอมขนาดเล็กและเบา เช่น ไฮโดรเจน จะหลอมรวมเป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า โดยปล่อยส่วนเล็กๆ ของมวลของพวกมันออกมาเป็นพลังงานตามสมการ E = mc2 ที่เป็นสัญลักษณ์ของไอน์สไตน์ เผยให้เห็นว่าพลังงานจำนวนมหาศาลถูกผูกไว้กับสสารจำนวนเล็กน้อย

ในกรณีของ ITER เครื่องปฏิกรณ์จะเริ่มต้นด้วยเชื้อเพลิงของดิวเทอเรียมและทริเทียม ซึ่งเป็นไฮโดรเจนสองรูปแบบที่หนักกว่า ที่อุณหภูมิสูง นิวเคลียสของอะตอมคู่นี้จะชนกันโดยมีอุ้มพอที่จะหลอมรวม เหตุการณ์ฟิวชันแต่ละครั้งจะสร้างนิวเคลียสฮีเลียม-4 และนิวตรอนพลังงานสูง นิวตรอนเหล่านี้จำนวนมากจะโจมตีผนังของเครื่องปฏิกรณ์ ทำให้เกิดความร้อนซึ่งวันหนึ่งสามารถนำมาใช้ในการต้มน้ำ ทำไอน้ำ และเปลี่ยนกังหันเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า

เพื่อป้องกันไม่ให้พลาสมาร้อนนี้เย็นลง พลาสม่าจะถูกแขวนไว้ตรงกลางห้องสุญญากาศรูปโดนัทด้วยชุดแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลัง กระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการระงับพลาสมาหมายความว่าขดลวดของ ITER แต่ละอันต้องถูกทำให้เย็นลงด้วยฮีเลียมเหลว ซึ่งทำให้เกิดกระดูกแตกลบ 452.5 องศาฟาเรนไฮต์ (4 เคลวิน)

ร้อนกว่าแดดสิบเท่า

นิวเคลียสของอะตอมมีประจุบวก ดังนั้นพวกมันจึงผลักกันอย่างรุนแรง ในแกนกลางของดวงดาว ความกดดันมหาศาลบีบให้พวกมันอยู่ใกล้พอที่จะหลอมรวม แต่แรงกดดันดังกล่าวไม่สามารถทำได้บนโลก นักวิทยาศาสตร์ที่นี่ต้องชดเชยความดันที่ต่ำกว่าด้วยความร้อนสูง: พลาสมาของ ITER จะต้องมีอุณหภูมิถึง 270 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งร้อนกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์ถึงสิบเท่าเต็ม

การบรรลุเงื่อนไขเหล่านี้ – นับประสาการรักษา – เป็นภารกิจที่ยาวนานหลายทศวรรษ เป็นเวลาหลายปีที่การทดลองฟิวชันได้ตั้งค่าบันทึกครั้งเดียวสำหรับอุณหภูมิพลาสม่า ความหนาแน่นของพลาสมา หรือระยะเวลาการกักขัง แต่ไม่ใช่ทั้งหมดในครั้งเดียว

“ในอดีต เรามีผลลัพธ์ที่สวยงาม … [แต่] ผลลัพธ์ที่เรามีในห้องปฏิบัติการแต่ละห้องนั้น ในแง่หนึ่ง แยกจากกัน” แอมโบรจิโอ ฟาโซลี ประธานความร่วมมือ EUROFusionของยุโรปและผู้อำนวยการ Swiss Plasma Center ใน โลซานน์

จนถึงทุกวันนี้ ไม่มีโทคามักซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์รูปโดนัทของ ITER ที่เคยบรรลุสภาวะที่เหมาะสมทั้งหมดเพื่อให้ได้จุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์ โดยที่พลังงานที่ปล่อยออกมาเท่ากับพลังงานที่จำเป็นในการทำให้พลาสม่าร้อน และอัตราส่วนของทั้งสองอย่างนี้เรียกว่า Q เท่ากับ 1 สิ่งที่ดีที่สุดที่เคยทำกับ tokamak คือค่า Q ที่ 0.67 สั้น ๆ ย้อนกลับไปในปี 1997

และจุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์เป็นเพียงขั้นตอนเดียว “จุดคุ้มทุนของปลั๊กผนัง” ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์จะปล่อยพลังงานผ่านการหลอมรวมมากกว่าที่จะดึงออกจากกริด ซึ่งเป็นเป้าหมายสูงสุด เป็นเรื่องที่ท้าทายกว่ามาก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันต้องการพลังงานจำนวนมหาศาลเพื่อให้ตัวเองวิ่งต่อไปได้ พลังงานที่จำเป็นในการทำให้พลาสม่าร้อนขึ้น อย่างไรก็ตาม จุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์ได้หลอมรวมตัวเองเป็นสัญลักษณ์แห่งความก้าวหน้าของการหลอมรวม—หรืออย่างที่ฟาโซลีกล่าวไว้ว่า “ขั้นตอนทางจิตวิทยา” ที่จะเอาชนะ

ครึ่งศตวรรษในการสร้าง

ITER ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ผ่านจุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์และไปถึงค่า Q อย่างน้อย 10 ที่พลังงานเหล่านั้น พลาสมาจะเริ่ม “เผาไหม้” หรือสร้างความร้อนจำนวนมากที่จำเป็นต่อการหลอมรวมต่อไป

กองไฟนี้ใช้เวลานานกว่าที่คาดไว้ในการจุดไฟ ตั้งแต่ปี 1950 นักวิจัยได้สร้างชุดเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันทดลองที่ใหญ่กว่าและทรงพลังกว่า หลายเครื่องมีพื้นฐานมาจาก tokamak ซึ่งเดิมพัฒนาโดยสหภาพโซเวียต การประชุมสุดยอดระหว่างโรนัลด์ เรแกนและมิคาอิล กอร์บาชอฟในปี 1985 เปิดประตูทางการทูต และสหรัฐฯ และสหภาพโซเวียตตกลงที่จะร่วมมือกันในการสร้างโทคาแมคที่ใหญ่พอที่จะบรรลุจุดคุ้มทุนทางวิทยาศาสตร์ ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ญี่ปุ่นและ Euratom ซึ่งเป็นองค์กรวิจัยนิวเคลียร์ของยุโรปได้ลงนามในข้อตกลงด้วยเช่นกัน และนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้เริ่มร่างการออกแบบสำหรับ ITER ซึ่งเป็นคำย่อ แต่ยังเป็นภาษาละตินสำหรับ “ทาง” ด้วย

เช่นเดียวกับโครงการวิศวกรรมขนาดใหญ่หลายๆ โครงการ ITER ได้รับมือกับความล่าช้าหลายปี ค่าใช้จ่ายในการขยาย และบางครั้งการจัดการที่ไม่ดี ตามการประเมินในปี 2013 ที่น่าสังเวช นับตั้งแต่ที่ Bigot เข้ามาในปี 2015 ITER ก็ดำเนินไปตามเส้นทาง ตอนนี้มันเสร็จสมบูรณ์แล้วกว่าสามในสี่ ในเดือนเมษายน เกาหลีใต้ส่งมอบภาชนะสุญญากาศของ ITER ขนาด 485 ตัน; การติดตั้งโซลินอยด์แม่เหล็กไฟฟ้ากลางสูง 59 ฟุตจากสหรัฐอเมริกาจะเริ่มดำเนินการไม่ช้ากว่าสิ้นปีหน้า

การทดสอบที่สำคัญที่เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กได้ตรวจสอบตัวเลือกการออกแบบที่สำคัญของ ITER แล้ว ในปี พ.ศ. 2564 Joint European Torus (JET) ในเมือง Culham ประเทศอังกฤษ ได้สร้างสถิติการวิ่งครั้งเดียวสำหรับพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากพลาสม่าของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน: 59 เมกะจูลในการทดสอบห้าวินาที นั่นเป็นพลังงานที่น้อยกว่าที่ลูกค้าไฟฟ้าในครัวเรือนของสหรัฐฯ โดยเฉลี่ยต้องเผชิญในหนึ่งนาที แต่ JET ทำงานโดยใช้เชื้อเพลิงดิวเทอเรียม-ไอโซโทปแบบเดียวกันที่จะจ่ายไฟให้กับ ITER และวัสดุชนิดเดียวกันสำหรับซับในของถังปฏิกรณ์ ITER คาดว่าจะสร้างพลังงานต่อการวิ่งมากกว่า JET หลายพันเท่า

“ITER ในตอนแรก … เป็นสิ่งที่ไม่ใช่สิ่งที่น่าภาคภูมิใจอย่างยิ่ง เพราะมันเริ่มต้นช้ามาก … [และ] ด้านการก่อสร้างไม่ได้ใช้งานมาระยะหนึ่งในช่วงเริ่มต้น” Fasoli กล่าว “ตอนนี้ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์แล้ว และคุณสามารถจินตนาการได้ มันเป็นหนึ่งในสิ่งที่น่าทึ่งที่สุดที่มนุษยชาติกำลังทำ—หนึ่งในโครงการที่มีความทะเยอทะยานที่สุดที่เราเคยทำมา”

หน้าแรก