นิวเคลียร์ฟิวชันอาจเป็นพลังงานสะอาดแห่งอนาคต แต่ความท้าทายที่ 'ยากลำบาก' เหล่านี้เป็นอุปสรรค

วิธีคิดของนักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนไปตลอดกาลในปี 2022 เมื่อสิ่งที่บางคนเรียกว่าการทดลองแห่งศตวรรษแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าฟิวชันสามารถเป็นแหล่งที่มีชีวิตได้-

การทดลองที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์แสดงให้เห็นการจุดระเบิด: ปฏิกิริยาฟิวชันที่ให้พลังงานออกมามากกว่าที่ใส่เข้าไป

นอกจากนี้ไม่กี่ปีที่ผ่านมายังมีการทำเครื่องหมายด้วยการลงทุนภาคเอกชนในด้านนี้มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์โดยเฉพาะในประเทศสหรัฐอเมริกา

แต่ต้องจัดการกับความท้าทายด้านวิศวกรรมทั้งหมดก่อนที่จะขยายขนาดฟิวชันให้กลายเป็นแหล่งที่ปลอดภัยและราคาไม่แพงพลังสะอาดแทบไม่จำกัด- กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันคือเวลาทางวิศวกรรม

ในฐานะวิศวกรที่ได้ทำงานเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์พื้นฐานและวิศวกรรมประยุกต์ในนิวเคลียร์ฟิวชันมานานหลายทศวรรษ เราได้เห็นวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ส่วนใหญ่ของฟิวชันเติบโตเต็มที่ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา

แต่เพื่อให้ฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานเชิงพาณิชย์ที่เป็นไปได้ วิศวกรต้องรับมือกับความท้าทายในทางปฏิบัติหลายประการ ไม่ว่าสหรัฐอเมริกาจะก้าวขึ้นมาคว้าโอกาสนี้และก้าวขึ้นมาเป็นผู้นำระดับโลกด้านพลังงานฟิวชันหรือไม่นั้น ส่วนหนึ่งจะขึ้นอยู่กับว่าประเทศยินดีลงทุนมากเพียงใดในการแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติเหล่านี้ —โดยเฉพาะผ่านความร่วมมือระหว่างภาครัฐและเอกชน-

ที่เกี่ยวข้อง:

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกส่งตรงถึงกล่องจดหมายของคุณ

การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน

ฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนสองชนิดคือดิวทีเรียมและทริเทียมชนกันในสภาวะที่รุนแรง อะตอมทั้งสองหลอมรวมกันเป็นอะตอมเดียวโดยให้ความร้อนสูงถึง180 ล้านองศาฟาเรนไฮต์(100 ล้านองศาเซลเซียส) ร้อนกว่าแกนกลางดวงอาทิตย์ถึง 10 เท่า เพื่อให้ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้น โครงสร้างพื้นฐานพลังงานฟิวชันจะต้องทนต่อสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้

มีสองวิธีในการบรรลุฟิวชั่นในห้องปฏิบัติการ: ฟิวชั่นจำกัดแรงเฉื่อยซึ่งใช้เลเซอร์อันทรงพลังและฟิวชั่นกักขังแม่เหล็กซึ่งใช้แม่เหล็กอันทรงพลัง-

ในขณะที่ "การทดลองแห่งศตวรรษ" ใช้ฟิวชั่นกักขังเฉื่อย ฟิวชั่นกักขังแม่เหล็กยังไม่ได้แสดงให้เห็นที่สามารถคุ้มทุนในการผลิตพลังงานได้

การทดลองที่ได้รับทุนสนับสนุนจากเอกชนหลายครั้งตั้งเป้าที่จะบรรลุเป้าหมายนี้ในทศวรรษนี้และการทดลองขนาดใหญ่ที่ได้รับการสนับสนุนในระดับสากลในฝรั่งเศส ITERยังหวังที่จะคุ้มทุนในช่วงปลายทศวรรษ 2030- ทั้งสองใช้ฟิวชั่นกักขังแม่เหล็ก

ความท้าทายรออยู่ข้างหน้า

ทั้งสองแนวทางในการหลอมรวมมีความท้าทายหลายอย่างที่ไม่อาจเอาชนะได้ ยกตัวอย่างนักวิจัยจำเป็นต้องพัฒนาวัสดุใหม่ๆว่าสามารถทนต่ออุณหภูมิและสภาวะการฉายรังสีที่รุนแรงได้-

วัสดุเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นด้วยกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีขณะที่พวกมันถูกโจมตีด้วยอนุภาคพลังสูง นักวิจัยจำเป็นต้องออกแบบวัสดุใหม่ที่สามารถสลายตัวภายในไม่กี่ปีจนถึงระดับกัมมันตภาพรังสีที่สามารถกำจัดได้อย่างปลอดภัยและง่ายดายยิ่งขึ้น

การผลิตเชื้อเพลิงให้เพียงพอและดำเนินการอย่างยั่งยืนถือเป็นความท้าทายที่สำคัญเช่นกัน ดิวเทอเรียมมีอยู่มากมายและสามารถสกัดได้จากน้ำธรรมดา แต่เพิ่มการผลิตไอโซโทปซึ่งโดยปกติจะผลิตจากลิเธียม จะพิสูจน์ได้ยากกว่ามาก เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเดี่ยวจะต้องใช้ไอโซโทปหลายร้อยกรัมถึงหนึ่งกิโลกรัม (2.2 ปอนด์) ต่อวันในการทำงาน

ในปัจจุบัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบธรรมดาผลิตไอโซโทปเป็นผลพลอยได้จากฟิชชัน แต่สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถให้พลังงานได้เพียงพอที่จะรองรับกลุ่มเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้

ดังนั้นวิศวกรจะต้องพัฒนาความสามารถในการผลิตไอโซโทปภายในตัวอุปกรณ์ฟิวชันเอง สิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องกับการล้อมรอบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันด้วยวัสดุที่มีลิเธียม ซึ่งปฏิกิริยาจะเปลี่ยนเป็นไอโซโทป-

เพื่อขยายขนาดฟิวชันเฉื่อย วิศวกรจะต้องพัฒนาเลเซอร์ที่สามารถโจมตีเป้าหมายเชื้อเพลิงฟิวชันซ้ำๆ ซึ่งทำจากดิวทีเรียมและไอโซโทปแช่แข็ง หลายครั้งต่อวินาทีหรือประมาณนั้น แต่ยังไม่มีเลเซอร์ใดมีพลังเพียงพอที่จะทำสิ่งนี้ในอัตรานั้น — เลย วิศวกรจะต้องพัฒนาระบบควบคุมและอัลกอริธึมที่ควบคุมเลเซอร์เหล่านี้ด้วยความแม่นยำสูงสุดกับเป้าหมาย

นอกจากนี้ วิศวกรจะต้องขยายขนาดการผลิตตามเป้าหมาย: จากงานแฮนด์เมดไม่กี่ร้อยชิ้นทุกปีด้วยราคาที่รายละหลายแสนดอลลาร์สู่คนนับล้านโดยเสียค่าใช้จ่ายเพียงไม่กี่ดอลลาร์ต่อคน

สำหรับการกักเก็บด้วยแม่เหล็ก วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจะต้องพัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการให้ความร้อนและควบคุมพลาสมา และวัสดุที่ทนความร้อนและรังสีมากขึ้นสำหรับผนังเครื่องปฏิกรณ์ เทคโนโลยีที่ใช้ในการให้ความร้อนและจำกัดพลาสมาจนกว่าฟิวส์ของอะตอมจะต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายปี

นี่คือความท้าทายที่สำคัญบางประการ พวกมันแข็งแกร่งแต่ก็ผ่านไม่ได้

ภูมิทัศน์การระดมทุนในปัจจุบัน

การลงทุนจากบริษัทเอกชนทั่วโลกเพิ่มขึ้น สิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการขับเคลื่อนการวิจัยฟิวชั่นไปข้างหน้า บริษัทเอกชนดึงดูดการลงทุนภาคเอกชนได้กว่า 7 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในช่วงห้าปีที่ผ่านมา-

มีสตาร์ทอัพหลายแห่งกำลังพัฒนาเทคโนโลยีและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกันโดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มฟิวชันให้กับโครงข่ายไฟฟ้าในทศวรรษต่อๆ ไป ส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกา โดยมีบางแห่งอยู่ในยุโรปและเอเชีย

ในขณะที่การลงทุนของภาคเอกชนเติบโตขึ้น รัฐบาลสหรัฐฯ ยังคงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีฟิวชันจนถึงจุดนี้ เราคาดว่าจะเป็นเช่นนั้นต่อไปในอนาคต

กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาเป็นผู้ลงทุนประมาณ 3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐเพื่อสร้างระบบจุดระเบิดแห่งชาติที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์ลิเวอร์มอร์ในช่วงกลางทศวรรษ 2000ซึ่ง "การทดลองแห่งศตวรรษ" เกิดขึ้นในอีก 12 ปีต่อมา

ในปี 2023 กระทรวงพลังงานได้ประกาศโครงการระยะเวลา 4 ปี มูลค่า 42 ล้านดอลลาร์เพื่อพัฒนาฮับฟิวชั่นสำหรับเทคโนโลยี- แม้ว่าเงินทุนนี้มีความสำคัญ แต่ก็มีแนวโน้มว่าจะไม่เพียงพอต่อการแก้ปัญหาความท้าทายที่สำคัญที่สุดที่สหรัฐฯ ยังคงเป็นผู้นำระดับโลกในด้านพลังงานฟิวชันที่ใช้งานได้จริง

วิธีหนึ่งในการสร้างความร่วมมือระหว่างภาครัฐและบริษัทเอกชนในพื้นที่นี้ก็คือการสร้างความสัมพันธ์ที่คล้ายคลึงกันระหว่าง NASA และ SpaceX- เป็นหนึ่งในพันธมิตรทางการค้าของได้รับเงินทุนทั้งภาครัฐและเอกชนเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีนั้นสามารถใช้. เป็นบริษัทเอกชนแห่งแรกเพื่อส่งนักบินอวกาศสู่อวกาศและ-

นอกจากนักวิจัยคนอื่นๆ แล้ว เรายังมีทัศนคติในแง่ดีด้วยความระมัดระวัง ผลการทดลองและทฤษฎีใหม่ เครื่องมือใหม่ และการลงทุนของภาคเอกชน ล้วนเพิ่มความรู้สึกที่เพิ่มมากขึ้นของเราว่าการพัฒนาพลังงานฟิวชั่นที่ใช้งานได้จริงนั้นไม่ใช่สิ่งที่จะเกิดขึ้นอีกต่อไป

บทความแก้ไขนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-