นิวเคลียร์ฟิวชั่นคืออะไร?

นิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นปฏิกิริยาที่ปั่นป่วนในหัวใจของดวงดาวซึ่งนิวเคลียสอะตอมสองแสงรวมกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่าเดียว ฟิวชั่นผลิตของเสียนิวเคลียร์น้อยมากและไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกซึ่งหมายความว่ามันได้รับการขนานนามว่าเป็นทางเลือกที่สะอาดสำหรับแหล่งพลังงานทั่วไป แต่กระบวนการนี้ขับเคลื่อนอะไร? และมันจะกลายเป็นแหล่งพลังงานพลังงานเชิงพาณิชย์ที่มีศักยภาพได้หรือไม่?

ฟิวชั่นคืออะไร?

ฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่ออะตอมแสงสองอะตอมรวมกันหรือหลอมรวมเพื่อให้ได้อย่างหนัก มวลรวมของอะตอมใหม่น้อยกว่าของทั้งสองที่เกิดขึ้น มวล "หายไป" ถูกมอบให้เป็นพลังงานตามที่อธิบายโดยอัลเบิร์ตไอน์สไตน์มีชื่อเสียง "e = mc^2"สมการ

โดยปกติแล้วนิวเคลียสอะตอมจะขับไล่ซึ่งกันและกันเพราะมีค่าใช้จ่ายเท่ากัน อุณหภูมิสูงแรงกดดันหรือทั้งสองอย่างจะต้องเอาชนะแรงผลักดันนี้ บนโลกอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นนิวเคลียร์ถึงเกือบหกเท่าที่พบในแกนกลางของดวงอาทิตย์ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์- ด้วยความร้อนนี้ไฮโดรเจนไม่ได้เป็นก๊าซอีกต่อไป แต่เป็นพลาสมาซึ่งเป็นพลังงานที่สูงมากสถานะของสสารอิเล็กตรอนที่ถูกถอดออกจากอะตอม

ฟิวชั่นแตกต่างจากฟิชชันซึ่งแยกอะตอมและส่งผลให้เกิดขยะกัมมันตภาพรังสีจำนวนมากซึ่งเป็นอันตราย

ฟิวชั่นเป็นแหล่งพลังงานที่โดดเด่นสำหรับดาวในจักรวาล นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งพลังงานที่มีศักยภาพในโลกหากนักวิทยาศาสตร์สามารถหาวิธีที่จะได้รับพลังงานจากปฏิกิริยามากกว่าที่ต้องการในการเริ่มต้น เมื่อถูกตั้งค่าในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่มีการควบคุมโดยเจตนาฟิวชั่นนิวเคลียร์ขับเคลื่อนระเบิดไฮโดรเจน ฟิวชั่นก็ถูกพิจารณาว่าเป็นไปได้งานฝีมือพลังงานผ่านอวกาศ-

พลังงานฟิวชั่นนิวเคลียร์

"จอกศักดิ์สิทธิ์" ของพลังงานสะอาดคือการสร้างพลังงานเชิงพาณิชย์จากปฏิกิริยาฟิวชั่นนิวเคลียร์

นักวิทยาศาสตร์ได้ติดตามเป้าหมายนี้มานานหลายทศวรรษ ฟิวชั่นเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับแหล่งพลังงานที่มีอยู่เพราะมันผลิตของเสียกัมมันตภาพรังสีหรือก๊าซเรือนกระจกเพียงเล็กน้อยและไม่ต้องใช้ส่วนผสมที่ค่อนข้างง่าย กุญแจสำคัญในความฝันของพลังทำความสะอาดที่ไร้ขีด จำกัด นี้กำลังผลิตพลังงานจากปฏิกิริยามากกว่าที่จะผลิต

ในปี 2022 นักวิทยาศาสตร์ที่มีศูนย์บริการจุดระเบิดแห่งชาติของ Lawrence Livermore National Laboratory (NIF) ประกาศว่าเป็นครั้งแรกแกนฟิวชั่นนิวเคลียร์ผลิตพลังงานมากกว่าที่บริโภค- สิ่งอำนวยความสะดวกการจุดระเบิดใช้คานเลเซอร์เพื่อ จำกัด พลาสมาของดิวเทอเรียมและไอโซโทปไอโซโทปสองไอโซโทปหรือรุ่นไฮโดรเจน แต่ผู้เชี่ยวชาญบอกว่าทำงานได้เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นเชิงพาณิชย์น่าจะอยู่ห่างออกไปหลายทศวรรษ- นั่นเป็นเพราะความร้อนในพลาสมานักวิทยาศาสตร์จะต้องดึงพลังงานจากกริดไฟฟ้า ดังนั้นเพื่อให้ปฏิกิริยาเป็นไปได้พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาจะต้องคำนึงถึงปริมาณพลังงานที่หายไปเนื่องจากไฟฟ้าถูกแปลงเป็นแสงที่พลังเลเซอร์

ดิวเทอเรียม-ทริเทียมฟิวชั่น:การผสมผสานที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับ Power บนโลกในปัจจุบันคือการหลอมรวมของอะตอมดิวเทอเรียมที่มีไอโซโทปหนึ่งเพื่อสร้างอะตอมฮีเลียม กระบวนการซึ่งต้องใช้อุณหภูมิประมาณ 72 ล้านองศา F (39 ล้านองศาเซลเซียส) ผลิตพลังงานอิเล็กตรอน 17.6 ล้านโวลต์

การทดลองในปัจจุบันด้วยฟิวชั่นดิวเทอเรียม-ทริเทอรัมกำลังดำเนินอยู่ที่โรงงานฟิวชั่นแห่งชาติ DIII-Dในซานดิเอโกแคลิฟอร์เนีย เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีศักยภาพมากที่สุดโครงการ ITERในภาคใต้ของฝรั่งเศสซึ่งยังคงเป็นปีที่ผ่านมายังใช้ไอโซโทปทั้งสองนี้เพื่อเพิ่มพลังงานปฏิกิริยาของมัน ซึ่งแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ NIF โครงการ ITER ใช้แม่เหล็กที่แข็งแกร่งในการคัดท้ายพลาสมาไฮโดรเจนรอบเครื่องปฏิกรณ์รูปโดนัทเรียกว่า Tokamak

ดิวเทอเรียมเป็นส่วนผสมที่มีแนวโน้มเพราะเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนที่มีโปรตอนและนิวตรอนเดี่ยว แต่ไม่มีอิเล็กตรอน ในทางกลับกันไฮโดรเจนมีมากมายในน้ำ แกลลอนน้ำทะเล (3.8 ลิตร) สามารถผลิตพลังงานได้มากถึง 300 แกลลอน (1,136 ลิตร) ของน้ำมันเบนซิน

ไอโซโทปมีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองตัว มันถูกผลิตในปริมาณมากในระหว่างการทดสอบขีปนาวุธนิวเคลียร์ในศตวรรษที่ 20 แต่ครึ่งชีวิตของมันคือประมาณ 12 ปีซึ่งหมายความว่าครึ่งหนึ่งของปริมาณการสลายตัวในกรอบเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์ที่ ITER ได้เสนอให้ทำให้ไอโซโทปในปริมาณมากโดยการทิ้งระเบิดลิเธียมซึ่งเป็นองค์ประกอบที่พบในเปลือกโลกด้วยนิวตรอน

ฟิวชั่นดิวเทอเรียม-เดอเรียม: ทางทฤษฎีมีแนวโน้มมากกว่าดิวเทอเรียมทริเทียมเนื่องจากความสะดวกในการได้รับอะตอมดิวเทอเรียมสองตัวและพลังงานที่สูงขึ้นจะผลิตได้วิธีนี้ก็ท้าทายมากขึ้นเพราะต้องใช้อุณหภูมิสูงมากในการทำงาน เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นนิวเคลียร์ทดสอบหลายตัวสามารถเข้าถึงอุณหภูมิได้ประมาณ 270 ล้าน F (150 ล้าน C)iter- อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-ยูเลียม แต่เพียงผู้เดียวจะต้องใช้อุณหภูมิอย่างน้อย 720 ล้านถึง 900 ล้าน F (400 ล้านถึง 500 ล้าน C)ตาม Eurofusionกลุ่มของสถาบันฟิวชั่นแห่งชาติตั้งอยู่ทั่วยุโรป

จนถึงตอนนี้สิ่งอำนวยความสะดวกเดียวที่สามารถเริ่มต้นปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-เดอเรียมได้คือตอร์เรสสิ่งอำนวยความสะดวก (เจ็ท) ซึ่งประสบความสำเร็จเพียงอย่างเดียวตาม Eurofusion

ปฏิกิริยาฟิวชั่นในดวงดาว

Proton-Proton Fusion:ไดรเวอร์ที่โดดเด่นสำหรับดวงดาวเช่นดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิหลักต่ำกว่า 27 ล้าน F (15 ล้าน C) ฟิวชั่นโปรตอน-โปรตอนเริ่มต้นด้วยโปรตอนสองตัวและในที่สุดก็ให้อนุภาคพลังงานสูงเช่น positrons, นิวตริโนและรังสีแกมมา เพื่อให้บรรลุการหลอมรวมเช่นอุณหภูมิต่ำดาวขึ้นอยู่กับการบดขยี้แรงกดดันมากกว่า 200 พันล้านเท่าของความดันบรรยากาศบนโลกมหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย-

วงจรคาร์บอน:ดาวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าผสานคาร์บอนมากกว่าอะตอมไฮโดรเจน ในกระบวนการนี้ดวงดาวเริ่มต้นด้วยคาร์บอน -12 และเดินผ่านหกขั้นตอนที่แตกต่างกันเพื่อผลิตนิวเคลียสฮีเลียมและอะตอมคาร์บอน -12 อื่น ๆ ตามที่มหาวิทยาลัย Swinburneศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์และซูเปอร์คอมพิวเตอร์-

กระบวนการสามอัลฟ่า: ดาวเช่นยักษ์แดงในตอนท้ายของเฟสของพวกเขามีอุณหภูมิสูงกว่า 180 ล้าน F (100 ล้าน C) อะตอมฮีเลียมรวมกันมากกว่าไฮโดรเจนและคาร์บอน

ทรัพยากรเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิวชั่นที่พลังดวงดาวจากนาซ่า- นี้วิดีโออธิบายวิธีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นนิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุด และอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการแข่งขันเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวใน "The Star Builders: Nuclear Fusion และการแข่งขันเพื่อเปิดพลังโลก"(Scribner, 2021)