ในยุคที่โลกกำลังเผชิญกับวิกฤตพลังงานและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การค้นหาแหล่งพลังงานสะอาดและยั่งยืนจึงเป็นภารกิจสำคัญ และหนึ่งในความหวังที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือ พลังงานฟิวชัน (Fusion Energy) ซึ่งเลียนแบบกระบวนการผลิตพลังงานของดวงอาทิตย์ และหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือ เครื่องโทคาแมค (Tokamak) หรือที่มักถูกขนานนามว่า “ดวงอาทิตย์เทียม”

พลังงานฟิวชันคืออะไร?

ก่อนจะไปทำความรู้จักกับโทคาแมค เรามาทำความเข้าใจพลังงานฟิวชันกันก่อน พลังงานฟิวชันคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อะตอมเบาสองอะตอมรวมตัวกันเป็นอะตอมที่หนักขึ้น พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา ปฏิกิริยาแบบนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องบนดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของระบบสุริยะของเรา

บนโลก นักวิทยาศาสตร์พยายามจำลองกระบวนการนี้โดยใช้ไอโซโทปของไฮโดรเจน ได้แก่ ดิวเทอเรียม (Deuterium) และ ทริเทียม (Tritium) ซึ่งมีอยู่ในน้ำทะเลและผลิตได้จากลิเทียม การรวมตัวของอะตอมทั้งสองนี้จะก่อให้เกิดฮีเลียมและปล่อยนิวตรอนพลังงานสูงออกมา ซึ่งสามารถนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าได้

โทคาแมคทำงานอย่างไร?

ความท้าทายหลักของการสร้างพลังงานฟิวชันคือ การทำให้พลาสมา (สถานะที่สี่ของสสาร ซึ่งประกอบด้วยอิออนและอิเล็กตรอนที่แยกตัวจากกัน) มีอุณหภูมิสูงถึงหลายร้อยล้านองศาเซลเซียส และควบคุมมันให้อยู่ในพื้นที่จำกัด เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้อย่างต่อเนื่อง

เครื่องโทคาแมค (TOroidal KAmera MAgnet KAmera) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่คิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียตในปี 1950 ได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหานี้ โทคาแมคมีรูปทรงเหมือนโดนัท (torus) ภายในเป็นห้องสุญญากาศขนาดใหญ่ และมีคุณสมบัติที่สำคัญดังนี้:

สนามแม่เหล็กอันทรงพลัง: ใช้ขดลวดแม่เหล็กขนาดใหญ่สร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งมาก เพื่อกักเก็บพลาสมาที่ร้อนจัดและไม่ให้มันสัมผัสกับผนังห้อง หากพลาสมาสัมผัสกับผนัง อุณหภูมิของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วและปฏิกิริยาฟิวชันจะหยุดลง
การให้ความร้อนพลาสมา: พลาสมาจะถูกให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิสูงลิ่วหลายร้อยล้านองศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์เสียอีก วิธีการให้ความร้อนมีหลายวิธี เช่น การฉีดลำแสงคลื่นวิทยุ (radio frequency heating) หรือการฉีดลำอนุภาคพลังงานสูง (neutral beam injection)
เชื้อเพลิง: ใช้แก๊สดิวเทอเรียมและทริเทียมเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งจะถูกทำให้ร้อนจนกลายเป็นพลาสมา

เมื่ออุณหภูมิและความหนาแน่นของพลาสมาสูงพอ อนุภาคก็จะชนกันและรวมตัวกัน ปล่อยพลังงานออกมามหาศาล

ทำไมถึงเรียกว่า “ดวงอาทิตย์เทียม”?

ฉายา “ดวงอาทิตย์เทียม” มาจากความสามารถของเครื่องโทคาแมคในการจำลองกระบวนการผลิตพลังงานแบบเดียวกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ คือการรวมตัวของอะตอมเบาเข้าด้วยกันเพื่อปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในปัจจุบันที่ใช้หลักการฟิชชัน (Fission) หรือการแยกอะตอมหนัก

ความก้าวหน้าและความท้าทาย

ปัจจุบัน โครงการฟิวชันที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือ ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ซึ่งกำลังก่อสร้างอยู่ในประเทศฝรั่งเศส โดยเป็นความร่วมมือของหลายประเทศมหาอำนาจ รวมถึงสหภาพยุโรป จีน อินเดีย ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย และสหรัฐอเมริกา ITER มีเป้าหมายที่จะแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการผลิตพลังงานฟิวชันในเชิงพาณิชย์ และสร้างต้นแบบของโรงไฟฟ้าฟิวชันในอนาคต

แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่การสร้าง “ดวงอาทิตย์เทียม” บนโลกก็ยังมีความท้าทายหลายประการ เช่น:

การรักษาเสถียรภาพของพลาสมา: การควบคุมพลาสมาที่ร้อนจัดให้คงที่และต่อเนื่องเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมาก
วัสดุ: การหาสสารที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงมากและรังสีนิวตรอนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา
ประสิทธิภาพพลังงาน: การทำให้พลังงานที่ผลิตได้มีมากกว่าพลังงานที่ใช้ในการเดินเครื่อง

อนาคตของพลังงานฟิวชัน

หากนักวิทยาศาสตร์สามารถก้าวข้ามความท้าทายเหล่านี้ได้สำเร็จ พลังงานฟิวชันจากเครื่องโทคาแมคจะกลายเป็นแหล่งพลังงานแห่งอนาคตที่สะอาด ปลอดภัย และยั่งยืนอย่างแท้จริง เพราะ:

เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: ไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่ทำให้โลกร้อน
เชื้อเพลิงมี plentiful: เชื้อเพลิงหลักอย่างดิวเทอเรียมมีอยู่มากมายในน้ำทะเล
ปลอดภัยกว่า: ไม่มีความเสี่ยงของการหลอมละลายของแกนปฏิกรณ์ และไม่มีของเสียนิวเคลียร์กัมมันตรังสีอายุยาวนานเหมือนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันในปัจจุบัน

เครื่องโทคาแมคไม่ใช่แค่เครื่องจักรธรรมดา แต่เป็นสัญลักษณ์ของความมุ่งมั่นของมนุษย์ในการไขปริศนาแห่งจักรวาล และนำพลังงานแห่งดวงดาวมาใช้เพื่ออนาคตที่ยั่งยืนของโลกเรา

บริการงานระบบไฟฟ้า ไฟบ้าน ไฟอาคาร ไฟสำนักงาน ไฟฟ้าโรงงาน #ช่างไฟดอทคอม