เชื้อเพลิงการหลอมนิวเคลียส (Nuclear Fusion Fuel)

บทนำ

เมื่อไรก็ตามที่เราเดินออกไปนอกบ้าน แล้วมองเห็นแสงแดด และรู้สึกถึงความร้อน นั่นคือเรากำลังรู้สึกถึงพลังงานการหลอมนิวเคลียสหรือนิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) แหล่งกำเนิดพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันที่สำคัญที่สุดสำหรับมนุษย์คือดวงอาทิตย์นี่เอง รังสีความร้อน และแสงสว่าง ซึ่งพลังงานนี้เดินทางราว 150 ล้านกิโลเมตร (astronomical unit, A.U.) มายังโลก โดยบนดวงอาทิตย์นั้น ปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นได้โดยใช้โปรตอน (หรือเรียกได้ว่า H-1) เป็นเชื้อเพลิงหลัก แรงโน้มถ่วงที่มหาศาลบีบอัดโปรตอนเข้าด้วยกัน ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเชิงนิวเคลียร์

นิวเคลียร์ฟิวชัน

ในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เราสามารถใช้ไอโซโทปหนัก เช่น ยูเรเนียม (U-235 U-233 U-238) และพลูโทเนียม (Pu-239) ซึ่งในปัจจุบันมีการใช้เชื้อเพลิงเหล่านี้ผลิตไฟฟ้าในราว 30 ประเทศทั่วโลก ส่วนการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบนโลกนั้น เราสามารถใช้นิวเคลียส H-1 H-2 และ H-3 ซึ่งหมายถึงไฮโดรเจนที่มีนิวตรอน 0 1 และ 2 อนุภาค ตามลำดับ ซึ่งนิวเคลียสทั้งสามชนิดนี้เรียกได้ว่าเป็นไอโซโทป (isotopes) ของกันและกัน

ภาคตัดขวาง (cross section) หรือโอกาส ที่โปรตอนจะมารวมกันเป็นฮีเลียม-2 (He-2) นั้นมีค่าต่ำมาก การทดลองต่าง ๆ ทางด้านฟิวชันบนโลก เราจึงใช้พลาสมาพลังงานสูง เช่นพลาสมาที่จะมีในเครื่อง ITER [1] ของดิวเทอรอน (deuteron, H-2, D) และไทรทอน (triton, H-3, T) ซึ่งโอกาสในการเกิดฟิวชันของ D+D หรือ D+T จะมีค่าสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิของพลาสมา (วัดเป็น eV หรือ K) มีค่าเพิ่มขึ้น

เครื่องโทคาแมกดังเช่น JET (Joint European Torus) ที่สหราชอาณาจักร ซึ่งเป็นเครื่องที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน ใช้เชื้อเพลิง D กับ T มาสร้างพลังงานจากฟิวชันได้ถึง 16 MW และเครื่อง ITER ที่กำลังสร้างก็จะใช้เชื้อเพลิง D และ T เช่นเดียวกัน เพื่อผลิตพลังงาน 500 MW โดยการที่จะสร้างฟิวชันได้นั้น จะต้องเพิ่มพลังงานให้กับ D และ T ในระดับที่สูงมาก เป็นหลายล้านองศาเคลวิน การที่อนุภาคมีพลังงานสูงเช่นนี้ เราต้องมีวิธีควบคุม ซึ่งหากเป็นโทคาแมก ก็จะใช้สนามแม่เหล็กกำลังสูงในการควบคุมพลาสมาของเชื้อเพลิงเหล่านี้ หรือ หากเป็นวิธี Inertial Confinement Fusion (ICF) ก็จะใช้เลเซอร์ยิงอัดเม็ดเชื้อเพลิง (pellets) เพื่อเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าของนิวเคลียส D และ T เหตุผลที่เราต้องการใช้เชื้อเพลิงที่มาจากธาตุมวลต่ำ เช่น ไฮโดรเจน ก็เพราะว่าแรงผลักนี้มีค่าสูงขึ้นตามเลขอะตอม (Z) ของธาตุนั่นเอง

แหล่งไอโซโทปไฮโดรเจน

คำถามที่สำคัญต่อมาก็คือ เราจะหาเชื้อเพลิงดิวเทอรอนรอนและไทรทอนมาจากที่ใด เมื่อในธรรมชาติ ไอโซโทปของไฮโดรเจนส่วนใหญ่ (เกิน 99.9%) เป็น H-1 ที่เหลือเป็น H-2 ส่วน H-3 ไม่เสถียร และจะสลายให้รังสีบีตาลบ ด้วยครึ่งชีวิตราว 12.3 ปี

ดิวเทอเรียมถูกค้นพบโดยฮาโรลด์ อูเรย์ (Harold Urey) ในปี ค.ศ. 1931 [2] ดิวเทอเรียมเป็นไอโซโทปที่มีอยู่ในปริมาณต่ำในธรรมชาติ โดยประมาณทุก ๆ 6500 อะตอมของไฮโดรเจน จะเป็นดิวเทอเรียมสักหนึ่งอะตอม เราสามารถสกัดเอาดิวเทอเรียมมาจากน้ำทะเล น้ำมวลหนัก (deuterium oxide, D₂O) มีการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันแบบแคนดู (CANDU) ซึ่งผลิตโดย บริษัท AECL ของแคนาดา ซึ่งพัฒนามาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1944 ซึ่งน้ำธรรมดากับน้ำมวลหนักมีสมบัติบางอย่างต่างกัน เช่นความหนาแน่น และจุดเดือด (น้ำมวลหนักมีจุดเดือดราว 101.4 องศาเซลเซียส และจุดเยือกแข็ง 3.8 องศาเซลเซียส) ส่วนใหญ่เราแยกดิวเทอเรียมจากไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมี เพราะเนื่องจากไอโซโทปสองชนิดนี้มีมวลที่ต่างกันในสัดส่วนที่สูง (เนื่องจากมวลน้อย) จึงมีสมบัติในการจับตัวกับสารประกอบอื่น ๆ ที่ต่างกัน [3]

การผลิตดิวเทอเรียม ก็คือการนำดิวเทอเรียมที่มีอยู่ในธรรมชาติ มาสกัดให้มีความเข้มข้นขึ้นนั่นเอง โดยในปัจจุบัน ดิวเทอเรียมสามารถหาซื้อได้ตามท้องตลาด ส่วนใหญ่ในรูปของ น้ำมวลหนัก โดยมีประเทศแคนาดาและอินเดียเป็นผู้ผลิตดิวเทอเรียมรายใหญ่ โดยผู้ใช้สามารถที่จะใช้วิธีการแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis: ใช้กระแสไฟฟ้ามาแยกพันธะทางเคมีของสสาร) เพื่อสกัดเอาแก๊ส D₂ ออกมา

สำหรับทริเทียมนั้น แม้จะไม่คงตัว แต่ก็มีครึ่งชีวิตไม่สั้นเกินไป สามารถผลิตได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ระหว่างลิเทียม (Li-6 หรือ Li-7) กับนิวตรอน โดยลิเทียมมีอยู่ในอัตราส่วนราว 50 ส่วนในล้านส่วน (parts per million: ppm) ในเปลือกโลก [4] ซึ่งสูงกว่าธาตุอย่างเช่นตะกั่วหรือยูเรเนียม โดยราว 7% ของ Li บนโลกเป็น Li-6 และ 93% เป็น Li-7 ในอนาคตเมื่อเทคโนโลยีมีการพัฒนาสูงขึ้น ก็จะสามารถสกัดลิเทียมจากมหาสมุทรได้เช่นกัน เนื่องจากลิเทียม (เลขเชิงอะตอมเท่ากับ 3) เป็นธาตุในกลุ่มที่มีอิเล็กตรอนวงนอกอนุภาคเดียว จึงมีสภาพไวสูงในการทำปฏิกิริยาเคมี ต้องถูกเก็บไว้ให้ห่างจากน้ำและความชื้นในอากาศ ในปัจจุบัน ประเทศชิลีและอาร์เจนตินาเป็นผู้ผลิตลิเทียมรายใหญ่สุดของโลก [5,6] นอกจากนี้ราคาของทั้งเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมและลิเทียมนั้นต่ำมากหากเทียบกับราคาการผลิตไฟฟ้าทั้งหมด และทั้งคู่ก็มีปริมาณที่จะรองรับความต้องการพลังงานของโลกไปได้อีกนาน

นอกจากนี้ ในเครื่องปฏิกรณ์ ITER ก็มีการออกแบบที่จะสร้างผนังเครื่องให้ประกอบไปด้วยไอโซโทปของลิเทียม (Li-6 และ Li-7) เพื่อไว้จับนิวตรอนที่ถูกสร้างขึ้นจากฟิวชัน ซึ่งปฏิกิริยานี้สามารถที่จะผลิต H-3 และอนุภาคแอลฟาขึ้นมาได้ โดย cross section ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจับนิวตรอนของลิเทียมก็มีการศึกษากันมายาวนานเกินกว่า 50 ปี ดังเช่นงานของกลุ่มของดาร์ลิงตันเมื่อ ค.ศ. 1953 [7] ซึ่งทริเทียมที่ถูกผลิตขึ้นนี้ สามารถจะถูกส่งกลับไปในเครื่องเพื่อเป็นเชื้อเพลิงฟิวชัน ในขณะที่แอลฟาก็เป็นตัวสร้างความร้อนเพื่อไปผลิตไฟฟ้าต่อไป

สรุป

เรื่องเชื้อเพลิงไม่ใช่ปัญหาของฟิวชัน ที่เป็นปัญหาคือจะการนำเชื้อเพลิงเหล่านี้มาทำให้เกิดฟิวชันได้อย่างวางใจได้ ปัจจุบันฟิวชันยังคงสร้างพลังงานได้เป็นจังหวะ (pulses) สั้น ๆ ถ้าจะมีโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชันที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในระดับประเทศจริง เราคงต้องทำให้พลังงานเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง นั่นคือความท้าทาย ที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องค้นคว้าศึกษากันต่อไป

อ้างอิง (References):

1. ITER www.iter.org
2. H. C. Urey, Ferdinand G. Brickwedde, G. M. Murphy (1932). "A Hydrogen Isotope of Mass 2". Physical Review 39: 164–165
3. Federation of American Scientists, Heavy Water Production
4. Fusion Magnetique, CEA, France, Lithium
5. US Geological Survey, Lithium
6. Mineral Information Institute, Lithium
7. Darlington, L. E. et al., The Angular Distribution of Li6(n, alpha)H3 for Neutrons of 200, 270, 400, and 600 kev, Phys. Rev. 90 (1953)