ดร. ธวัชชัย อ่อนจันทร์
สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์
ถึงเวลาแล้วที่ ฟิวชั่นนิวเคลียร์จะเป็นจริง โครงการที่สามารถผลิตพลังงานได้มหาศาลและไม่ต้องพึ่งพาน้ำมันอีกต่อไป
หลายคนที่ชอบอ่านข่าวจากสื่อต่างประเทศในช่วง
1 เดือนที่ผ่านมาแล้วคงเห็นผ่านหูผ่านตากับข่าวของโครงการ ITER อย่างแน่นอน เป็นข่าวใหญ่พอสมควร
มีการเสนอข่าวนี้ในหลายรุปแบบ ทั้ง ทีวี และ หนังสือพิมพ์ รวมไปถึง อินเตอร์เนต
ข่าวดังกล่าวได้แสดงความยินดีในความก้าวหน้าครั้งสำคัญของโครงการนี้ โดยมีนัยสำคัญคือ
การตกลงกันได้ในสถานที่ตั้งของโครงการดังกล่าว โดยที่จะสร้าง ITER ที่ฝรั่งเศส
การตัดสินใจครั้งนี้เป็นสิ่งที่มีค่ามากสำหรับการพัฒนาพลังงานทดแทนเพื่ออนาคตของเรา
ความฝันที่จะนำปฏิกิริยานิวเคลียฟิวชั่นมาใช้ผลิตพลังงานคงอยู่ไม่ไกลนัก ซึ่งถ้าความฝันนี้เป็นจริงความต้องการน้ำมันคงลดลงและพลังงานที่เราใช้คงมีราคาถูกลงด้วย
แต่น่าเสียดายที่ข่าวสำคัญเช่นนี้ไม่ได้รับความสนใจจากสื่อในประเทศไทยเลยแม้แต่น้อย
แต่ไม่เป็นไรวันนี้เรามารู้จักโครงการนี้กันเถอะ
โครงการ ITER เป็นโครงการที่เกิดจากการร่วมมือกันของหลายๆประเทศ
คำว่า ITER เป็นคำย่อมาจากชื่อเต็มว่า International Thermonuclear Experimental
Reactor และในภาษาละตินคำว่า ITER นี้มีความหมายว่า the way แปลเป็นไทยคือ
หนทาง หรือ ทางออก ซึ่งมีความหมายสอดคล้องกับโครงการนี้ได้ดีเพราะเป็นทางเลือกใหม่ของพลังงานในอนาคตหรือที่เรามักจะเรียกว่าพลังงานทดแทน
ITER เป็นความร่วมมือกันในระดับนานาชาติ โดยมีสมาชิกหลัก 6 ประเทศ คือ ประเทศสหรัฐอเมริกา
สหภาพยุโรป ประเทศรัสเซีย ประเทศจีน ประเทศญี่ปุ่น และ ประเทศเกาหลีใต้ ความคิดในการก่อตั้งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ
20 ปีก่อนในประเทศรัสเซีย ต่อมาได้มีความร่วมมือกันในระดับนานาชาติ ในช่วงแรกมีประเทศสมาชิกเพียงแค่
4 ประเทศคือ ประเทศสหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป ประเทศรัสเซีย และ ประเทศญี่ปุ่น
ได้ช่วยกันออกแบบ ITER โดยใช้ชื่อว่า
ITER-EDA แต่เนื่องจากขนาดที่ใหญ่ทำให้ต้องใช้งบประมาณที่สูง แบบของ ITER จึงต้องเปลี่ยนไปให้มีขนาดเล็กลงในเวลาต่อมา
ส่วนประเทศจีนและเกาหลีใต้ได้เข้าร่วมโครงการในระยะหลัง
ประมาณปี คศ 1998 เกิดปัญหากับโครงการ ITER คือประเทศสหรัฐอเมริกา ขอถอนตัวออกจากการเป็นสมาชิก
ทำให้การพัฒนา ITER เป็นไปได้ช้าลง แต่ในที่สุด ประเทศสหรัฐอเมริกาก็กลับมาร่วมอีกครั้งในปี
คศ 2003 เป้าหมายหลักของโครงการ ITER คือการสาธิตความเป็นไปได้ในเชิงรูปธรรมของการนำเอาพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้
ซึ่งมีการคาดการณ์ว่า ITER จะสามารถผลิตพลังงานได้ถึง 500 MW สถานที่ก่อสร้าง
ITER เป็นปัญหาที่ต้องถกเถียงกันเป็นเวลานานระหว่างประเทศสมาชิก เริ่มต้นจากมีการเสนอ
4 สถานที่คือ ประเทศแคนาดา, ประเทศสเปน, ประเทศญี่ปุ่นและประเทศฝรั่งเศส ต่อมาได้มีการคัดเลือกเหลือ
2 สถานที่คือ ประเทศญี่ปุ่นและประเทศฝรั่งเศส ต้องใช้เวลาเกือบ 2 ปีจึงตกลงได้ว่าจะสร้างที่เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส
ในการก่อสร้าง ITER จะต้องใช้เวลาประมาณ 10 ปี และคาดว่าการทดลองปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
(Fusion) จะสามารถเริ่มต้นได้ในปี คศ 2016
โครงการ ITER จะอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเพื่อที่จะผลิตพลังงาน
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ สามารถให้พลังงานตอบแทนที่สูงกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชั่น(Fission)
แต่มีผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมน้อยมาก หลักการสำคัญของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นคือ
ในการรวมกันของนิวเคลียสของอะตอมขนาดเล็กเช่น ดิวเทอร์เรียมและตริเตรียมซึ่งต่างเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน
ผลต่างของมวลก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมาตามสมการที่เรารู้จักกันดีว่า
E = mc2 ดิวเทอร์เรียมและตริเตรียมเป็นสิ่งที่หาได้ไม่ยากเช่น ดิวเทอร์เรียมที่มีอยู่ทั่วไปในน้ำทะเล
สิ่งที่ยากในการนำพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้คือการควบคุมให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง
ซึ่งในโครงการ ITER จะใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อควบพลาสมาให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
โดยจะอาศัยหลักการของเครื่องมือที่ชื่อว่า Tokamak ซึ่งมีลักษณะดังรูปที่
1
รูปที่ 1: รูปแบบของ tokamak ซึ่งมีลักษณะเหมือนโดนัท เป็นความหวังในการพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้ผลิตพลังงานสำหรับอนาคต
โครงสร้างของ ITER
มีขนาดใหญ่มาก โดยที่มีรายละเอียดดังในตารางที่ 1 การออกแบบของ
ITER ได้รับการศึกษาและพัฒนามาเป็นเวลาเกือบ 10 ปี โดยแบบที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน
โดยจะใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ มากมายเช่น ตัวสร้างสนามแม่เล็กความเข้มสูงโดยใช้ superconductor,
การให้ความร้อนแก่พลาสมาแบบใหม่ที่มีพลังงานสูงขึ้น และ การนำเอาหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติต่างๆ
ซึ่งการพัฒนาสิ่งเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ต่อเราอย่างสูงในอนาคต
รัศมีใหญ่ (Major radius) 6.2 เมตร
รัศมีเล็ก(Minor radius) 2.0 เมตร
ปริมาตรของพลาสมา 840 เมตร3
กระแสพลาสมา 15 เมกกะแอมแปร์
ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า 5.3 เทสลา
การศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในรูปแบบของ
Tokamak มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง สามารถสรุปประสิทภาพของการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในปีต่างๆและการค้นพบที่สำคัญของการวิจัยด้านนี้ได้ในรูปที่
2 จะเห็นได้ว่า ITER จะเป็นก้าวที่สำคัญของงานวิจัยด้านนี้ โดยที่มีความคาดหวังว่า
ITER จะสามารถผลิตพลังงานได้ถึง 500MW
รูปที่ 2: ประสิทธิภาพของการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในปีต่างๆและการค้นพบที่สำคัญของการวิจัยด้านการพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในรูปแบบของ
tokamakมาใช้ผลิตพลังงานสำหรับอนาคต
การศึกษาและทำนายผลของ
ITER ได้เป็นไปอย่างละเอียด เทคโนโลยีทางคอมพิวเตอร์ได้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบต่างๆ
เช่น การนำเอา integrated modeling code มาใช้ เพื่อให้เป็นการทำนายที่สมบูรณ์แบบและมีลักษณะใกล้เคียงกับการทดลองจริง
กล่าวคือ เพียงแค่ใส่ค่าของตัวแปรต่างที่ใช้ในการทดลองจริง เช่น รูปแบบเรขาคณิตของ
tokamak, กระแสพลาสมา, สนามแม่เหล็ก, พลังงานที่ใช้, ความหนาแน่นของพลาสมา เป็นต้น
คอมพิวเตอร์จะคิดคำนวณและทำนายผลของพลาสมาในเวลาต่างโดยอาศัยทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับ
ผลที่ได้อย่างหนึ่งคือประสิทภาพในการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน Tokamak
ซึ่งจะช่วยในการพัฒนาและปรับปรุงแบบของ tokamak ใหมีประสิทภาพสูงสุด ตัวอย่างผลการวิจัยโดยใช้
integrated modeling code สำหรับ ITER ได้แสดงในรูปที่ 3 จะเห็นได้ว่า
ค่าที่ต้องการคือ Q = 10 (Q เป็นการแสดงประสิทภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน
tokamak รูปแบบหนึ่ง) การที่ ITER จะประสบความสำเร็จ (Q > 10) เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิที่
pedestal มีค่ามากกว่า 4 keV ซึ่งมีความเป็นไปได้สูง
รูปที่ 3: ประสิทธิภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน ITER ทำนายจาก 2
code (GLF23 และ MMM95) โดยประสิทธิภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นอยู่กับค่า
ของอุณหภูมิที่ pedestal (งานวิจัยของ J. Kinsey, G. Bateman, T. Onjun
et al. Nucl. Fusion 43, 1845 (2003))
โครงการ
ITER จะใช้เงินงบประมาณทั้งสิ้นประมาณ 12,000 ล้านเหรียญ หรือประมาณ 480,000
ล้านบาท สหภาพยุโรปจะต้องออกเงินประมาณครึ่งหนึ่ง คือประมาณ 6,000 ล้านเหรียญ
หรือประมาณ 240,000 ล้านบาท เนื่องจากโครงการนี้จะสร้างที่เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส
(รูปที่ 4) ส่วนประเทศสมาชิกที่เหลือคือ ประเทศสหรัฐอเมริกา ประเทศรัสเซีย
ประเทศจีน ประเทศญี่ปุ่น และ ประเทศเกาหลีใต้ จะแบ่งกันออกในจำนวนเงินที่เท่ากันสำหรับส่วนที่เหลือ
ปัจจุบันนี้มีประเทศอื่นๆสนใจเข้าร่วมอีกหลายประเทศ เช่น ประเทศอินเดีย เป็นต้น
รูปที่ 4: สถานที่ตั้งของ ITER เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส
การวิจัยเพื่อที่จะพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเพื่อใช้ผลิตพลังงานทดแทนมีอนาคตสดใสเมื่อโครงการ
ITER ได้เกิดขึ้นอย่างเป็นรูปธรรม อีกประมาณ 20 ปีข้างหน้าเราคงจะได้รับคำตอบของความเป็นไปได้ในพลังงานทดแทนรูปแบบนี้
ซึ่งถ้าเป็นไปได้ ITER จะกลายต้นแบบของโรงผลิตพลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
การวิจัยในโครงการนี้ต้องใช้งบประมาณที่สูงมากและประเทศไทยเราไม่สามารถเข้าร่วมได้โดยตรงเนื่องจากข้อจำกัดในงบประมาณ
แต่การศึกษาวิจัยด้านนี้ ก็ควรได้รับความสนใจอย่างใกล้ชิดทั้งภาครัฐและหน่วยงานวิชาการต่างๆ
เพื่อไม่ให้ประเทศเราล้าหลัง และสามารถแก้ไขปัญหาการขาดแคลนพลังงานในระยะยาวเพื่ออนาคตของตัวเราเอง
