มนุษย์ใฝ่ฝันมานานหลายศตวรรษ ควบคุมพลังของดวงอาทิตย์ เพื่อเติมพลังให้ชีวิตของเราบนโลกนี้ แต่เราต้องการไปให้ไกลกว่าการรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ และวันหนึ่งก็สร้างดวงอาทิตย์ขนาดเล็กของเราเอง หากเราสามารถแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่ซับซ้อนอย่างยิ่งได้ พลังงานฟิวชั่นสัญญาว่า สีเขียว ปลอดภัย แหล่งพลังงานไม่จำกัด. จากเพียง ดิวเทอเรียมสกัดจากน้ำหนึ่งกิโลกรัมต่อวัน อาจมีกระแสไฟฟ้าเพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับบ้านหลายแสนหลัง

ตั้งแต่ปี 1950 การวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมมี สร้างความก้าวหน้ามหาศาล เพื่อบังคับให้อะตอมของไฮโดรเจนหลอมรวมกันในปฏิกิริยาที่ค้ำจุนตัวเอง – เช่นเดียวกับ a ปริมาณน้อยแต่พิสูจน์ได้ ของพลังงานฟิวชัน คลางแคลงและผู้เสนอเหมือนกัน สังเกตความท้าทายที่สำคัญที่สุดสองประการที่เหลืออยู่: การรักษาปฏิกิริยาไว้เป็นเวลานานและคิดค้นโครงสร้างวัสดุเพื่อควบคุมพลังงานฟิวชันสำหรับไฟฟ้า

ในฐานะนักวิจัยฟิวชั่นที่ พรินซ์ตันพลาสมาฟิสิกส์แล็บเราทราบดีว่าตามความเป็นจริงแล้ว โรงไฟฟ้าฟิวชันเชิงพาณิชย์แห่งแรกอยู่ห่างออกไปอย่างน้อย 25 ปี แต่ศักยภาพของผลประโยชน์ที่เกินขอบเขตที่จะมาถึงในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษนี้หมายความว่าเราต้องทำงานต่อไป การสาธิตที่สำคัญของความเป็นไปได้ของการหลอมรวมสามารถทำได้ก่อนหน้านี้ และต้องทำ เพื่อให้สามารถรวมพลังฟิวชั่นเข้ากับการวางแผนสำหรับอนาคตด้านพลังงานของเรา

ต่างจากรูปแบบอื่น ๆ ของการผลิตไฟฟ้า เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ก๊าซธรรมชาติ และนิวเคลียร์ฟิชชัน ฟิวชั่นไม่สามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงแล้วขยายขนาดขึ้นได้ง่ายๆ ขั้นตอนการทดลองมีขนาดใหญ่และต้องใช้เวลาในการสร้าง แต่ปัญหาพลังงานสะอาดที่อุดมสมบูรณ์จะเป็น การเรียกร้องที่สำคัญสำหรับมนุษยชาติ เพื่อศตวรรษหน้าและต่อๆ ไป มันคงโง่เขลาที่จะไม่ใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานที่มีแนวโน้มมากที่สุดนี้อย่างเต็มที่

ทำไมต้องฟิวชั่นพลังงาน?

ในการหลอมรวม นิวเคลียสสองนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (ไอโซโทปดิวเทอเรียมและทริเทียม) หลอมรวมเข้าด้วยกัน. ค่อนข้างจะทำได้ยาก: นิวเคลียสทั้งสองมีประจุบวก ดังนั้นจึงผลักกัน เฉพาะในกรณีที่พวกมันเคลื่อนที่เร็วมากเมื่อชนกันเท่านั้นที่จะชนเข้าด้วยกัน หลอมรวมและปลดปล่อยพลังงานที่เราต้องการ

สิ่งนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในแสงแดด บนโลกนี้ เราใช้แม่เหล็กอันทรงพลังเพื่อกักเก็บก๊าซที่ร้อนจัดของดิวเทอเรียม นิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าด้วยไอโซโทป ก๊าซที่ร้อนและมีประจุนี้เรียกว่าพลาสมา

พลาสมาร้อนมาก - มากกว่า 100 ล้านองศาเซลเซียส - นิวเคลียสที่มีประจุบวกเคลื่อนที่เร็วพอที่จะเอาชนะแรงผลักและฟิวส์ไฟฟ้า เมื่อนิวเคลียสหลอมรวม จะสร้างอนุภาคที่มีพลังสองอนุภาค ได้แก่ อนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม) และนิวตรอน

การให้ความร้อนกับพลาสมาที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งจะต้องใส่เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ก่อนที่จะเริ่มการหลอมรวม แต่เมื่อมันดำเนินต่อไป การหลอมรวมมีศักยภาพที่จะสร้างพลังงานเพียงพอที่จะรักษาความร้อนของตัวเอง ทำให้เราสามารถดึงความร้อนส่วนเกินออกเพื่อเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าที่ใช้งานได้

เชื้อเพลิงสำหรับพลังงานฟิวชั่นนั้นมีมากมายในธรรมชาติ ดิวเทอเรียมมีมากในน้ำ และเครื่องปฏิกรณ์เองก็สามารถ ทำไอโซโทปจากลิเธียม. และสามารถใช้ได้กับทุกประเทศ โดยส่วนใหญ่ไม่ขึ้นกับทรัพยากรธรรมชาติในท้องถิ่น

พลังฟิวชั่นสะอาด ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก และผลิตเฉพาะฮีเลียมและนิวตรอนเท่านั้น

มันมีความปลอดภัย. มี ไม่มีทางเป็นไปได้สำหรับปฏิกิริยาหนีเหมือนกับ "การล่มสลาย" ของนิวเคลียร์ฟิชชัน แต่หากมีความผิดปกติใดๆ พลาสม่าจะเย็นลง และปฏิกิริยาฟิวชันจะหยุดลง

คุณลักษณะทั้งหมดเหล่านี้ได้กระตุ้นการวิจัยมานานหลายทศวรรษ และมีความน่าสนใจยิ่งขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป แต่ผลบวกนั้นเข้าคู่กับความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญของการหลอมรวม

ความคืบหน้าจนถึงปัจจุบัน

ความก้าวหน้าในการหลอมละลายสามารถวัดได้สองวิธี ประการแรกคือความก้าวหน้าอย่างมากในการทำความเข้าใจพื้นฐานของพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูง นักวิทยาศาสตร์ต้องพัฒนาสาขาฟิสิกส์ใหม่ – ฟิสิกส์พลาสมา – คิดค้นวิธีการกักขังพลาสมาในสนามแม่เหล็กแรงสูง จากนั้นจึงพัฒนาความสามารถในการให้ความร้อน เสถียร ควบคุมความปั่นป่วนและวัดคุณสมบัติของพลาสมาร้อนจัด

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องก็มีความก้าวหน้าอย่างมากเช่นกัน เรามี ผลักเขตแดนด้วยแม่เหล็กและแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและลำอนุภาคถึง บรรจุและให้ความร้อนกับพลาสม่า. เรายังได้พัฒนาเทคนิคเพื่อให้ วัสดุสามารถทนต่อความร้อนที่รุนแรงได้ ของพลาสมาในการทดลองปัจจุบัน

มันง่ายที่จะถ่ายทอดตัวชี้วัดที่ใช้งานได้จริงซึ่งติดตามการเดินขบวนของฟิวชั่นไปสู่การค้า หัวหน้าในหมู่พวกเขาคือพลังงานฟิวชั่นที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ: การผลิตพลังงานฟิวชั่นเพิ่มขึ้นจากมิลลิวัตต์สำหรับไมโครวินาทีในปี 1970 เป็น 10 เมกะวัตต์ของพลังงานฟิวชั่น (ที่ Princeton Plasma Physics Laboratory) และ 16 เมกะวัตต์ในหนึ่งวินาที (ที่ Joint European Torus ในอังกฤษ) ในปี 1990

บทใหม่ในการวิจัย

ตอนนี้ชุมชนวิทยาศาสตร์นานาชาติกำลังทำงานอย่างเป็นน้ำหนึ่งใจเดียวกันเพื่อสร้างศูนย์วิจัยฟิวชันขนาดใหญ่ในฝรั่งเศส เรียกว่า ITER (ภาษาละตินแปลว่า “ทาง”) โรงงานแห่งนี้จะผลิตพลังงานความร้อนฟิวชันประมาณ 500 เมกะวัตต์ ครั้งละประมาณแปดนาที หากพลังงานไฟฟ้านี้ถูกแปลงเป็นไฟฟ้า มันจะสามารถจ่ายไฟได้ประมาณ 150,000 หลังคาเรือน การทดลองนี้จะช่วยให้เราสามารถทดสอบประเด็นสำคัญทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับโรงไฟฟ้าฟิวชันที่จะทำงานอย่างต่อเนื่อง

ITER ใช้การออกแบบที่เรียกว่า “เมก” แต่เดิมเป็นคำย่อภาษารัสเซีย มันเกี่ยวข้องกับพลาสมารูปโดนัท ซึ่งถูกจำกัดอยู่ในสนามแม่เหล็กที่แรงมาก ซึ่งส่วนหนึ่งถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าที่ไหลในพลาสมาเอง

แม้ว่าจะได้รับการออกแบบเป็นโครงการวิจัยและไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นผู้ผลิตพลังงานไฟฟ้าสุทธิ แต่ ITER จะผลิตพลังงานฟิวชันมากกว่า 10 เมกะวัตต์ที่จำเป็นในการให้ความร้อนแก่พลาสมาถึง 50 เท่า นี่เป็นขั้นตอนทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ โดยการสร้าง "การเผาไหม้พลาสม่า” ซึ่งพลังงานส่วนใหญ่ที่ใช้ในการให้ความร้อนกับพลาสมานั้นมาจากปฏิกิริยาฟิวชันนั่นเอง

ITER ได้รับการสนับสนุนโดย รัฐบาลที่เป็นตัวแทนของประชากรครึ่งโลก: จีน สหภาพยุโรป อินเดีย ญี่ปุ่น รัสเซีย เกาหลีใต้ และสหรัฐอเมริกา เป็นคำแถลงระดับนานาชาติที่แข็งแกร่งเกี่ยวกับความต้องการและคำมั่นสัญญาของพลังงานฟิวชัน

ถนนข้างหน้า

จากนี้ไป เส้นทางที่เหลือสู่พลังฟิวชันจะมีสององค์ประกอบ อันดับแรก เราต้องค้นคว้าเกี่ยวกับ tokamak ต่อไป นี่หมายถึงการพัฒนาฟิสิกส์และวิศวกรรมที่ก้าวหน้าเพื่อให้เราสามารถรักษาพลาสมาให้อยู่ในสถานะคงที่เป็นเวลาหลายเดือนในแต่ละครั้ง เราจะต้องพัฒนาวัสดุที่สามารถทนต่อความร้อนได้เท่ากับหนึ่งในห้าของฟลักซ์ความร้อนบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์เป็นเวลานาน และเราต้องพัฒนาวัสดุที่จะครอบคลุมแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับนิวตรอนและขยายพันธุ์ไอโซโทป

องค์ประกอบที่สองบนเส้นทางสู่การหลอมรวมคือการพัฒนาแนวคิดที่เพิ่มความน่าดึงดูดใจของการหลอมรวม สี่ความคิดดังกล่าวคือ:

1) การใช้คอมพิวเตอร์ เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันภายในข้อจำกัดของฟิสิกส์และวิศวกรรม นอกเหนือจากสิ่งที่มนุษย์คำนวณได้ การออกแบบที่ปรับให้เหมาะสมเหล่านี้ก่อให้เกิด โดนัทรูปทรงบิด ที่มีความเสถียรสูงและสามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติเป็นเวลาหลายเดือน พวกเขาถูกเรียกว่า "stellarators" ในธุรกิจฟิวชั่น

2) พัฒนาแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงชนิดใหม่ที่แข็งแรงและเล็กกว่า วันนี้ดีที่สุด. ซึ่งจะทำให้เราสามารถสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่มีขนาดเล็กลงและน่าจะถูกกว่า

3) ใช้โลหะเหลว แทนที่จะเป็นของแข็ง เป็นวัสดุที่อยู่รอบพลาสมา โลหะเหลวไม่แตกโดยเสนอวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับความท้าทายอันยิ่งใหญ่ว่าวัสดุโดยรอบอาจมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อสัมผัสกับพลาสมา

4) ระบบอาคารที่มีพลาสมารูปโดนัทด้วย ไม่มีรูตรงกลางสร้าง พลาสม่ามีรูปร่างเกือบเหมือนทรงกลม. วิธีการเหล่านี้บางวิธีสามารถทำงานด้วยสนามแม่เหล็กที่อ่อนลงได้ เหล่านี้ "โทริขนาดกะทัดรัด” และแนวทาง “พื้นที่ต่ำ” ยังเสนอความเป็นไปได้ในการลดขนาดและต้นทุน

โครงการวิจัยที่ได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาล ทั่วโลกกำลังทำงานเกี่ยวกับองค์ประกอบของทั้งสององค์ประกอบ และจะส่งผลให้เกิดการค้นพบที่เป็นประโยชน์ต่อแนวทางทั้งหมดในการหลอมรวมพลังงาน (รวมถึงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพลาสมาในจักรวาลและอุตสาหกรรม) ในช่วง 10-15 ปีที่ผ่านมา บริษัทเอกชนร่วมทุนก็เข้าร่วมด้วยโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการค้นหาโทริขนาดกะทัดรัดและการพัฒนาพื้นที่ต่ำ ความคืบหน้ากำลังจะมาและจะนำพลังงานที่อุดมสมบูรณ์สะอาดและปลอดภัยไปด้วย

เกี่ยวกับผู้เขียน

Stewart Prager ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ อดีตผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสม่าพรินซ์ตัน มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน และ Michael C. Zarnstorff รองผู้อำนวยการฝ่ายวิจัย Princeton Plasma Physics Laboratory มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

[หมายเหตุบรรณาธิการ: นี่คือ คำเตือน เกี่ยวกับพลังงานฟิวชั่น]

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

at ตลาดภายในและอเมซอน