นิวเคลียร์ฟิวชั่น – สุดยอดโซลูชั่นพลังงานสะอาดบนขอบฟ้า

พลังแห่งดวงดาว

พลังงานนิวเคลียร์มีชื่อเสียงที่ไม่ดีกับคนจำนวนมาก มีเหตุผลบางส่วนที่ภัยพิบัติเช่นเชอร์โนบิลหรือฟูกูชิม่าทำให้ชื่อเสียงเสื่อมโทรม

คนอื่นๆ มีความคิดเห็นตรงกันข้าม เมื่อพิจารณาว่าสิ่งใดก็ตามที่ไม่มีการแยกอะตอมเป็นวิธีดั้งเดิมและไม่มีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงาน นอกจากนี้ยังชี้ไปที่การปล่อยก๊าซคาร์บอนต่ำและพลังงานพื้นฐานที่มีความเสถียรสูงซึ่งพลังงานนิวเคลียร์สามารถให้ได้

มีแนวโน้มว่าพลังงานนิวเคลียร์จะเข้ามาเป็นส่วนหนึ่ง การผสมผสานพลังงานแห่งอนาคตของเราโดยเฉพาะอย่างยิ่ง และอำนาจลึกลับ^th การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เริ่มเข้ามาออนไลน์ซึ่งจะสะอาดกว่า ปลอดภัยกว่า และมีประสิทธิภาพมากกว่า

อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์ทั้งหมดเหล่านี้อาศัยแนวคิดเรื่องนิวเคลียร์ การแยก- พวกมันใช้อะตอมที่หนักมาก เช่น ยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโทเนียม และรวบรวมพลังงานเมื่อพวกมันแตกออกเป็นธาตุที่เบากว่า

พลังงานนิวเคลียร์อีกรูปแบบหนึ่งคือนิวเคลียร์ การผสม- มันอาศัยองค์ประกอบที่เบามากมารวมกันเป็นองค์ประกอบที่หนักกว่า

นิวเคลียร์ฟิวชันคือสิ่งที่ให้พลังแก่จักรวาลอย่างแท้จริง โดยที่ดาวฤกษ์ทุกดวงจะมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันขนาดยักษ์ ทุกวินาที, ดวงอาทิตย์ใช้ไฮโดรเจนถึง 600 ล้านตัน- สำหรับการอ้างอิง นี่หมายความว่าดวงอาทิตย์ใช้ไฮโดรเจนในปริมาณมากเท่ากับมวลทั้งหมดของโลกทุกๆ 70,000 ปี

น่าตลกที่หมายความว่าพลังงานแสงอาทิตย์ (เช่นเดียวกับพลังงานลม ชีวมวล และแม้แต่เชื้อเพลิงฟอสซิลในท้ายที่สุด) เป็นเพียงพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน (จากดวงอาทิตย์) จริงๆ ยกเว้นว่ามีขั้นตอนเพิ่มเติม

ดังนั้น หากเราสามารถจำลองสิ่งนี้บนโลกได้เพียงเล็กน้อย เราก็จะสามารถเข้าถึงแหล่งพลังงานที่แทบไม่มีขีดจำกัด ตรงกันข้ามกับยูเรเนียมหรือทอเรียมซึ่งค่อนข้างหายาก ไฮโดรเจนคือ 74% ของสสารทั้งหมดที่มีอยู่ในจักรวาล

ฟิชชันกับ ฟิวชั่น

เมื่อเราเผาโมเลกุล เช่น ก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน เราจะปล่อยพลังงานที่มีอยู่ในพันธะเคมีของโมเลกุล นี่เป็นพลังงานในระดับที่ค่อนข้างสูง แต่ไม่มีที่ไหนเลยที่ใกล้ช่วงเดียวกันกับพลังงานที่มีอยู่ในอะตอมนั่นเอง

นี่คือเหตุผลที่ ยูเรเนียม 1 กิโลกรัมมีปริมาณพลังงานเท่ากับถ่านหิน 2.7 ล้านกิโลกรัม- ไฮโดรเจนจะยิ่งมีพลังมากขึ้นเมื่ออยู่ในกระบวนการฟิวชัน

เมื่อพูดถึงพลังงานนิวเคลียร์ อาจเป็นเรื่องที่น่าสับสนที่จะเข้าใจว่าเหตุใดคุณจึงสามารถสร้างพลังงานจากทั้งฟิวชันและฟิชชันได้

เหตุผลก็คือพลังงานที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับน้ำหนักของธาตุ นิวเคลียสของธาตุหนักมีพลังงานมากกว่าธาตุที่มีน้ำหนักปานกลาง ดังนั้นเมื่อพวกมันแตกตัว พวกมันจะปล่อยพลังงานบางส่วนออกมาเป็นความร้อนและการแผ่รังสี ความร้อนนี้คือสิ่งที่เรารวบรวมเพื่อผลิตไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

แต่องค์ประกอบที่เบามากจะมีพลังมากกว่า ดังนั้นเมื่อเรารวมพวกมันเข้ากับองค์ประกอบที่มีน้ำหนักปานกลาง พวกมันก็จะปล่อยพลังงานออกมามากขึ้น

ที่มา: ธรรมชาติ

เป็นผลให้นิวเคลียร์ฟิวชันสามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าการแยกอะตอมถึง 3-10 เท่า

เมื่อรวมกับไฮโดรเจนซึ่งเป็นธาตุที่เบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในปริมาณมาก ในทางทฤษฎีแล้ว สิ่งนี้จะทำให้นิวเคลียร์ฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่จำกัด ซึ่งจำกัดด้วยปริมาณสสารทั้งหมดในจักรวาลเท่านั้น

แม้แต่ในระบบสุริยะ ดาวก๊าซยักษ์และเมฆดาวหางก็มีไฮโดรเจนอยู่มากจนทำให้มวลโลกมีขนาดเล็กลง

ตามความเป็นจริงแล้ว แม้แต่อารยธรรมของมนุษย์ที่ใช้ 1,000 พลังงานที่เราบริโภคในปัจจุบันก็ไม่มีวันหมดเชื้อเพลิง

ยิ่งไปกว่านั้น ผลลัพธ์ที่ได้จากไฮโดรเจนฟิวชันหรือฮีเลียมยังเป็นก๊าซที่ไม่เป็นพิษ เบา และไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมี ดังนั้นจึงไม่มีกากนิวเคลียร์ที่น่ารังเกียจให้จัดการเมื่อกระบวนการสิ้นสุดลง

ฟิวชั่นเป็นเรื่องยาก

เหตุใดเราจึงยังไม่ขับเคลื่อนอารยธรรมของมนุษย์ด้วยนิวเคลียร์ฟิวชัน?

ประเด็นก็คือว่านิวเคลียร์ฟิวชันนั้นทำได้ยาก นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและหลุดออกจากกันโดยธรรมชาติ ดังนั้นจึงอาจเป็นเรื่องยากมากที่จะเข้าใกล้กันมากพอสำหรับการหลอมรวม เหมือนกับแม่เหล็กแรงสูงพิเศษ 2 อันที่แม่เหล็กซึ่งกันและกัน

ในธรรมชาติ มีเพียงแรงโน้มถ่วงบดขยี้ของดาวฤกษ์ทั้งดวงเท่านั้นที่เพียงพอที่จะผลักอะตอมไฮโดรเจนเข้ามาใกล้พอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน แม้แต่บางสิ่งที่ยิ่งใหญ่อย่างดาวพฤหัสบดีก็ยัง "เล็กเกินไป" ที่จะบรรลุเป้าหมาย

ดังนั้นการทำให้อะตอมไฮโดรเจนเข้ามาใกล้กันบนโลกจึงเป็นเรื่องยากมาก

อย่างไรก็ตาม มีการทำสำเร็จแล้วและประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกด้วยเครื่องฟิวชันในปี 1950 เครื่องจักรเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างฟิวชันแต่ไม่สามารถให้พลังงานกลับคืนมาได้เพียงพอเมื่อเทียบกับพลังงานที่ใช้ในการกระตุ้นฟิวชัน

(Tโดยทางเทคนิคแล้ว นิวเคลียร์ฟิวชันขนาดใหญ่เกิดขึ้นได้เร็วเท่ากับปี 1952 ด้วยระเบิดแสนสาหัสลูกแรก แต่นี่แทบจะไม่ใช่เทคนิคที่ใช้ได้ในการสร้างแหล่งจ่ายไฟที่ปลอดภัย).

ปัญหาอีกประการหนึ่งของฟิวชันก็คือพลาสมานิวเคลียร์ฟิวชันมีความร้อนสูงมาก ซึ่งปกติจะสูงกว่า 100 ล้านองศาเซลเซียส ดังนั้นจึงจำเป็นต้องบรรจุไว้อย่างสมบูรณ์ ไม่เช่นนั้นเครื่องปฏิกรณ์จะละลาย

เนื่องจากปัญหาเหล่านี้ต้องแก้ไข นิวเคลียร์ฟิวชันจึงเป็นสนามที่เคลื่อนไหวช้า โดยมีความเห็นประชดประชันว่า “ฟิวชั่นจะมีอนาคตอีก 30 ปีข้างหน้าเสมอ"

แทนที่แรงโน้มถ่วง

ปัญหาในการสร้างพลังงานกลับจากฟิวชันให้เพียงพอ เมื่อเทียบกับปัญหาที่ใช้เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ถือเป็นปัญหาที่เกิดซ้ำในสนาม เนื่องจากการหลอมละลายเป็นเรื่องยากมาก การบีบอัดอะตอมไฮโดรเจนเพียงไม่กี่อะตอมจึงใช้พลังงานสูงมาก

จนถึงขณะนี้มีการเสนอวิธีการหลายวิธี

แต่ละธาตุได้รับการพิสูจน์แล้วว่า "ทำงาน" ซึ่งหมายความว่าพวกมันทำให้ไฮโดรเจนหรือธาตุแสงอื่นๆ หลอมรวมเป็นธาตุที่หนักกว่าและปล่อยพลังงานออกมา

โทคามัค

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นจะสร้างพื้นที่รูปทรงโดนัทพร้อมสนามแม่เหล็ก ซึ่งสามารถกักเก็บพลาสมานิวเคลียร์ฟิวชันได้

ปัจจุบันนี้เป็นหนึ่งในการออกแบบที่ถือว่ามีโอกาสสูงที่สุดในการเพิ่มประสิทธิภาพให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเชิงพาณิชย์ โทคามักตัวแรกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 1958 และเป็นแนวคิดพื้นฐานสำหรับ ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ซึ่งเป็นความพยายามวิจัยที่ใหญ่ที่สุดในการพัฒนาฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ โดยมีประเทศที่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเกือบทั้งหมดเข้าร่วมในโครงการนี้.

ที่มา: DOE

อย่างไรก็ตาม ITER เป็นโครงการที่มีปัญหาและมีความล่าช้าอย่างมาก ล่าสุดมีการประกาศว่าปฏิกิริยาการผลิตพลังงานอาจไม่เกิดขึ้นก่อนปี 2039

เครื่องปฏิกรณ์แม่เหล็กฟิวชันอื่นๆ

นอกจาก tokamaks แล้ว การออกแบบอื่นๆ ยังใช้แม่เหล็กเพื่อบีบอัดและจำกัดพลาสมา ซึ่งรวมถึงดาวฤกษ์ สฟีโรมัก และโทริขนาดกะทัดรัด

ในเครื่องปฏิกรณ์ดวงดาว รูปร่างของโดนัทจะไม่สม่ำเสมอ/บิดเบี้ยว ตามทฤษฎีแล้ว มันสามารถปล่อยให้ปฏิกิริยาฟิวชันมีระยะเวลานานขึ้นและพลาสมามีความเสถียรมากขึ้น ในทางปฏิบัติมันยากมากที่จะสร้างและถือว่ายากกว่าโทคามัค ระดับความซับซ้อนพิเศษนี้เช่นกัน ทำให้การสร้างแบบจำลองบนคอมพิวเตอร์เป็นเรื่องยากมาก ทำให้ยากต่อการคาดเดาและมีราคาแพงกว่าในการสร้าง.

สฟีโรมักส์ คล้ายกับโทคามัคแต่มีความแตกต่างกันเล็กน้อยในเรื่องวิธีที่พวกมันกระตุ้นสนามแม่เหล็ก

โทรอยด์ขนาดกะทัดรัด พยายามสร้างฟิวชั่นโดยไม่มีขดลวดแม่เหล็กอยู่ตรงกลางของพรู (รูปทรงโดนัท) ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการใช้แม่เหล็กที่ซับซ้อน

เลเซอร์

แทนที่จะบีบอะตอมไฮโดรเจนด้วยแม่เหล็ก อีกวิธีหนึ่งที่ใช้เลเซอร์พยายามทำให้พวกมันร้อนมากจนชนกัน ซึ่งจะสร้างคลื่นกระแทกที่ผลักอะตอมไฮโดรเจนเข้าหากันในทันที

ตัวอย่างที่ดีคือไฟล์ ระบบจุดระเบิดแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NIF)ซึ่งนำทาง ขยาย สะท้อน และโฟกัสลำแสงเลเซอร์อันทรงพลัง 192 ลำไปยังเป้าหมายที่มีขนาดประมาณยางลบดินสอ ซึ่งให้กำลังสูงสุด 500 ล้านล้านวัตต์ในจุดเดียว

ที่มา: อังกฤษ

นี่คือการออกแบบหลักอีกประการหนึ่งที่ถือว่ามีแนวโน้มว่าวันหนึ่งจะทำให้เกิดการผสมผสานเชิงพาณิชย์ได้

ฟิวชั่นที่ใช้แม่เหล็กต่อสู้กับคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและวัสดุศาสตร์ตัวนำยิ่งยวด ฟิวชันที่เกิดจากเลเซอร์ต้องดิ้นรนกับการส่งพลังงานอย่างเหมาะสม และรักษาเชื้อเพลิงให้หนาแน่นและเป็นเนื้อเดียวกันเพียงพอที่ฟิวชันจะเกิดขึ้น

ดันไฟฟ้า

วิธีสุดท้ายที่เป็นไปได้ในการบรรลุฟิวชันเทียมคือการใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่บีบพลาสมาให้แน่นยิ่งขึ้น หรือ ฟิวชั่นเป้าหมายแม่เหล็ก (MTF).

วิธีหนึ่งดังกล่าวก็คือ Z-หยิกอีกวิธีหนึ่งใช้ลูกสูบนิวแมติกและการฉีดพลาสมา เครื่องเร่งอนุภาคอาจบรรลุหลักการเดียวกันนี้ได้เช่นกัน

ที่มา: อีอีอี

โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบเหล่านี้มักจะมีขนาดกะทัดรัดกว่าโทคามักหรือฟิวชั่นที่ใช้เลเซอร์มาก

เป็นแนวทางที่บริษัทฟิวชั่นเอกชนชื่นชอบ ฟิวชั่นทั่วไป และ เฮลิออน.

ขั้นตอนสู่การผสมผสานเชิงพาณิชย์

อัตราผลตอบแทน

ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น ฟิวชั่นยังคงเป็นพื้นที่ทดลองอย่างมาก โดยยังไม่มีเส้นทางที่ชัดเจนไปสู่การออกแบบที่สามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์

โดยรวมแล้ว ผลผลิตของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะเริ่มให้พลังงานฟิวชันมากขึ้นเรื่อยๆ จากพลังงานที่ฉีดเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อกระตุ้นฟิวชัน

ในปี 2022 นักวิจัยที่ US National Ignition Facility ประกาศว่า "ทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดพลังงานมากกว่าที่ใส่เข้าไป"

ในทางปฏิบัติ คำกล่าวอ้างนี้ทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย เนื่องจากการออกแบบที่ใช้พลังงานเลเซอร์นั้นให้พลังงานได้ 2.05 เมกะจูล และสร้างพลังงานได้ 3 เมกะจูลผ่านฟิวชั่น

สิ่งนี้ละเลยความจริงที่ว่าในการสร้างเลเซอร์ 2.05 เมกะจูล มีการใช้ไฟฟ้าทั้งหมดเท่ากับ 322 เมกะจูลเพื่อสร้างลำแสงเลเซอร์เหล่านี้- ดังนั้นในทางปฏิบัติแล้ว พลังงานที่ส่งคืนทั้งหมดยังน้อยเกินไปถึง 100 เท่าที่จะทำให้ได้รับพลังงานเชิงบวก "ของจริง" สำหรับโมเดลนั้น และยิ่งต่ำกว่านั้นในทางปฏิบัติ เพราะแน่นอนว่าความร้อนที่เกิดขึ้นทั้งหมดนั้นไม่สามารถเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานได้

นี่ถือเป็นเหตุการณ์สำคัญและเป็นความสำเร็จที่น่าประทับใจ

ความเสถียรของพลาสมาและระยะเวลาปฏิกิริยา

ส่วนสำคัญคือการประเมินสถานการณ์ของปฏิกิริยาฟิวชันแบบยั่งยืนในตัวเอง โดยที่พลังงานที่ปล่อยออกมาก่อนหน้านี้เพียงพอที่จะกระตุ้นให้เกิดการฟิวชันมากขึ้น จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ปฏิกิริยาฟิวชันคงอยู่ได้ดีที่สุดเพียงสองสามสิบวินาที ในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ในอนาคต ปฏิกิริยาดังกล่าวอาจใช้เวลานานหลายสิบนาทีหรือหลายชั่วโมง ต้องขอบคุณพลาสมาที่เสถียรกว่า

นี่อาจจะใกล้ตัวเกินกว่าที่หลายคนคาดไว้ด้วย สถิติใหม่ของการหลอมรวมความยาว 6 นาทีทั้งหมดทำได้โดยอุปกรณ์ WEST (สภาพแวดล้อมทังสเตน (W) ใน Tokamak ในสภาวะคงที่) ในฝรั่งเศส.

นี่แสดงให้เห็นว่าการใช้วัสดุขั้นสูงเช่นทังสเตนอย่างสร้างสรรค์อาจปูทางสำหรับการปรับปรุงอย่างมากเหนือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันแบบคลาสสิกได้อย่างไร คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับทังสเตนและโอกาสในการลงทุนที่หายากในภาคส่วนนี้ได้ในบทความของเรา “ทังสเตน – โลหะไฮเทคที่เป็นความลับ"

ตัวนำยิ่งยวดราคาถูก

ขั้นตอนนี้จำเป็นโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้แม่เหล็ก แต่ยังสำหรับการออกแบบอื่นๆ ด้วย เนื่องจากระดับพลังงานมักจะต้องใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดบางตัวเพื่อใช้ที่ไหนสักแห่งในระบบ

โชคดีที่ตัวนำยิ่งยวดที่ดีกว่า หรือแม้แต่เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง กำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว คุณสามารถอ่านรายละเอียดของหัวข้อนั้นได้ในบทความของเรา “ความก้าวหน้าในความเป็นตัวนำยิ่งยวดทำให้เกิดการปฏิวัติทางเทคโนโลยีครั้งใหม่"

AI

พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ แตกต่างจากสถานะอื่น ๆ อย่างมาก (ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ) มันร้อนจัดและโดยรวมแล้วจะไม่เสถียรอย่างรวดเร็ว

พลาสมาที่ไม่เสถียรมีแนวโน้มที่จะไม่ถูกกักขังเป็นเวลานานในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งขัดขวางกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน

เพื่อชดเชย แม่เหล็กของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์พยายามทำให้พลาสมามีความเสถียรอย่างต่อเนื่อง โดยจะปรับสนามแม่เหล็กแบบเรียลไทม์ คณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับพวกมันนั้นซับซ้อนจนเหลือเชื่อ และแม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ก็สามารถต่อสู้กับมันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากจำเป็นต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วเพื่อสั่งการปฏิกิริยาที่ถูกต้องต่อแม่เหล็กของเครื่องปฏิกรณ์

สิ่งนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากความก้าวหน้าใน AI ตามที่เรารายงานในบทความล่าสุด- ที่นั่น เราได้อธิบายว่า AI เรียนรู้ที่จะทำนายการเกิดขึ้นของความไม่เสถียรในพลาสมาล่วงหน้าสูงสุด 300 มิลลิวินาทีล่วงหน้าได้อย่างไร

“เราไม่จำเป็นต้องรอให้ความไม่เสถียรเกิดขึ้นอีกต่อไป จากนั้นจึงดำเนินการแก้ไขอย่างรวดเร็วก่อนที่พลาสมาจะหยุดชะงัก”

ความปลอดภัย

นิวเคลียร์ฟิวชันมีความปลอดภัยมากกว่าการแยกตัวของนิวเคลียร์โดยเนื้อแท้ ปฏิกิริยาฟิวชันจะหยุดโดยอัตโนมัติเมื่อพลาสมาขยายตัว ซึ่งหมายความว่าไม่มีความเสี่ยงใดๆ จากปฏิกิริยาลูกโซ่ที่หนีไม่พ้น

อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะกลายเป็นแหล่งพลังงานขนาดใหญ่ นิวเคลียร์ฟิวชันยังคงจำเป็นต้องจัดการกับปัญหาด้านความปลอดภัยบางประการ:

• การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากใช้ไอโซโทป เนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชันเหล่านี้กระตุ้นได้ง่ายกว่าฟิวชันดิวทีเรียม-ดิวทีเรียม อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปเป็นสารกัมมันตภาพรังสี ดังนั้นความล้มเหลวของเครื่องปฏิกรณ์อาจนำไปสู่การปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสี (เพียงเล็กน้อย)
• ความไม่เสถียรของพลาสมาและฟิสิกส์พลังงานสูงมีความเสี่ยงโดยธรรมชาติ การดูแลผู้ปฏิบัติงานให้ปลอดภัยและเครื่องปฏิกรณ์ไม่เสียหายในระหว่างการดำเนินการผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่องจะต้องมีขั้นตอนด้านความปลอดภัยที่ดีและน่าจะเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ
• นิวเคลียร์ฟิวชันจะผลิตนิวตรอนเป็นบางครั้ง ซึ่งจะค่อยๆ เปลี่ยนผนังเครื่องปฏิกรณ์ให้เป็นกากกัมมันตภาพรังสี แม้ว่าจะมีปริมาณน้อยที่สุด แต่ของเสียเหล่านี้จะต้องได้รับการประมวลผลอย่างเหมาะสมเมื่อส่วนประกอบหรือเครื่องปฏิกรณ์โดยรวมหมดอายุ

หัวข้อที่เกี่ยวข้อง

แรงขับฟิวชั่นอวกาศ

ปัจจุบัน นิวเคลียร์ฟิวชันมุ่งเป้าไปที่ศักยภาพในการผลิตพลังงานบนโลกเป็นหลัก อีกภาคส่วนที่จะได้รับประโยชน์อย่างมากจากการเรียนรู้นิวเคลียร์ฟิวชันคือการสำรวจอวกาศและการล่าอาณานิคม

ด้วยประสิทธิภาพที่สูงมากเมื่อเทียบกับมวลเชื้อเพลิง เช่นเดียวกับอุณหภูมิที่สูงมาก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันจึงสร้างระบบขับเคลื่อนในห้วงอวกาศที่สมบูรณ์แบบ

ตามทฤษฎีแล้ว มันสามารถให้อัตราเร่งและเวลาเดินทางที่รวดเร็วมาก โดยมีความต้องการเชื้อเพลิงต่ำ และเพิ่มความปลอดภัยให้กับลูกเรือ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ทางเลือกอื่น เช่น เครื่องยนต์เคมีหรือนิวเคลียร์ฟิชชัน ความง่ายในการเข้าถึงและการมีไฮโดรเจนในอวกาศมากเกินไปถือเป็นโบนัสพิเศษ

ในทางปฏิบัติ การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันให้มีขนาดเล็กและเบาพอที่จะติดตั้งบนยานอวกาศอาจเป็นเรื่องท้าทาย แม้ว่าเราจะเชี่ยวชาญการออกแบบบนโลกแล้วก็ตาม

หากนิวเคลียร์ฟิวชันสามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ สิ่งนี้จะปฏิวัติโอกาสของนิวเคลียร์โดยสิ้นเชิง เศรษฐกิจแบบอิงพื้นที่ (ซึ่งเราหารือทั้งแบบมีและไม่มีการผสมผสานในบทความของเราที่นี่)และทำให้มนุษยชาติกลายเป็นสายพันธุ์ท่องอวกาศในทันที

ฟิวชั่นเย็น

Cold Fusion เป็นหัวข้อที่ถกเถียงกัน ตามแนวคิด นี่คือแนวคิดที่ว่านิวเคลียร์ฟิวชันสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้พลาสมาที่อุณหภูมิต่ำ

วิธีการที่เสนอคือการใช้วัสดุที่เปลี่ยนรูปร่างในลักษณะที่อะตอมไฮโดรเจนติดอยู่และถูกบังคับให้หลอมรวมเข้าด้วยกัน มีการเสนอโลหะที่ผสมไฮโดรเจน เช่น แพลเลเดียม เออร์เบียม และไทเทเนียมเพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว

ในปี 1989 นักวิจัย Stanley Pons และ Martin Fleischmann อ้างว่าประสบความสำเร็จในการหลอมรวมดังกล่าว น่าเสียดายที่ความพยายามหลายปีในการทำซ้ำการค้นพบของชุมชนวิทยาศาสตร์ยังไม่ประสบความสำเร็จ นำไปสู่การกล่าวหาว่าวิทยาศาสตร์ไม่มีคุณภาพหรือแม้แต่การฉ้อโกงโดยสิ้นเชิง

ข้อโต้แย้งต่อไปนี้จะทำลายภาพลักษณ์ของแนวคิดนี้อย่างถาวร อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์จำนวนไม่มากยังคงดำเนินการเรื่องนี้อยู่ โดยปกติจะอยู่ภายใต้ชื่อ Low Energy Nuclear Reactions (LENR), Condensed Matter Nuclear Science (CMNS) หรือ Chemically Assisted Nuclear Reactions (CANR)

ความสนใจใหม่ในสาขานี้เกิดขึ้นในช่วงปี 2020 โดยมองหาการก้าวข้ามความอัปยศของการวิจัยที่ไม่จริงจัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหน่วยงานรัฐบาลสหรัฐฯ ARPA-E ประกาศในปี 2023 ทุนสนับสนุนจำนวนหนึ่งสำหรับกลุ่มวิจัยที่กำลังมองหาปฏิกิริยานิวเคลียร์พลังงานต่ำ (LENR)ดังต่อไปนี้ ผลลัพธ์อันน่าทึ่งที่นักวิจัยของ NASA ทำได้ในปี 2020.

ปัจจุบัน Cold Fusion ยังไม่แน่นอนและเป็นการเก็งกำไรมาก อย่างไรก็ตาม การกลับมาของการวิจัยที่จริงจังและได้รับการสนับสนุนอย่างดีในสาขานี้อาจทำให้สถานการณ์กระจ่างขึ้นและตัดสินว่านี่อาจกลายเป็นเส้นทางที่เป็นไปได้ในการบรรลุนิวเคลียร์ฟิวชันหรือไม่

บับเบิ้ลฟิวชั่น

อีกแนวคิดหนึ่งก็คือนิวเคลียร์ฟิวชันอาจเกิดขึ้นในฟองสบู่เมื่อมันพังทลายลง ตัวอย่างเช่น ฟองอากาศอาจก่อตัวในน้ำเมื่อส่งไปอัลตราซาวนด์ แนวคิดนี้บางครั้งเรียกว่าโซโนฟิวชัน

ตามทฤษฎี คลื่นกระแทกที่เกิดจากการยุบตัวของฟองสบู่ในของเหลวอาจมีพลังมากพอที่จะทำให้เกิดการฟิวชัน ซึ่งไม่ต่างจากคลื่นกระแทกที่เกิดจากเลเซอร์อย่างสิ้นเชิง มันสามารถอธิบายปรากฏการณ์ของ โซโนลูมิเนสเซนซ์ (การเปล่งแสงที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจเมื่อฟองสบู่ยุบ)

แนวคิดนี้ยังเป็นที่ถกเถียงพอๆ กับการหลอมรวมแบบเย็น โดยมีผู้ก่อการหลักวิพากษ์วิจารณ์อย่างกว้างขวาง.

อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้อาจไม่ตายไปเท่ากับข้อโต้แย้งในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาที่จะปรากฏให้เห็น

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2024 บทความทางวิทยาศาสตร์เรื่อง “การสังเกตการปล่อยนิวตรอนระหว่างการเกิดโพรงเสียงของผงไทเทเนียมดิวเทอเรต“ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ที่มีชื่อเสียงมาก อ้างว่าตรวจพบเหตุการณ์ฟิวชันที่อาจเกิดขึ้นกับฟองของน้ำหนักผสมกับอนุภาคไทเทเนียม

เราสามารถรักษาการผลิตนิวตรอนไว้ได้เป็นเวลาหลายชั่วโมง และทำการทดลองซ้ำหลายครั้งภายใต้สภาวะต่างๆ เราตั้งสมมติฐานว่านิวตรอนที่สังเกตได้นั้นเกิดจากการหลอมนิวเคลียร์ของไอออนดิวเทอเรียมที่ละลายในโครงตาข่ายไทเทเนียมเนื่องจากการกระทำเชิงกลของไอพ่นคาวิเทชันที่พุ่งชน

การผสมผสานของไทเทเนียมขัดแตะ (เช่นใน Cold Fusion) กับ Cavitation (Bubbles) เป็นมากกว่าความน่าสนใจ และการตีพิมพ์ในวารสารที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิที่จริงจังมากอาจจุดประกายความสนใจในภาคส่วนนี้อีกครั้ง โดยอาจเป็น "Cold-Bubble Fusion" ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์

ภาคเอกชนเข้ามา

นับตั้งแต่ก่อตั้ง สาขาฟิสิกส์พลาสมาและนิวเคลียร์ฟิวชันส่วนใหญ่ได้รับแรงผลักดันจากการวิจัยของรัฐบาลจากเงินทุนสาธารณะ

สิ่งนี้สมเหตุสมผล เนื่องจากมีประโยชน์อย่างมากสำหรับโครงการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ ตัวอย่างเช่น โรงงานจุดระเบิดแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาที่เริ่มแรกพัฒนาขึ้นเพื่อทดแทนการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์มากกว่าการสำรวจนิวเคลียร์ฟิวชัน

เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่ไม่มีการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์โดยตรง เงินทุนสำหรับการหลอมรวมจึงต้องมาจากภาครัฐและภาควิชาการเป็นส่วนใหญ่

สิ่งนี้กำลังเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการบรรจบกันของปัจจัย 3 ประการ:

1. ประสบการณ์หลายทศวรรษในภาคนี้ได้สร้างองค์ความรู้ที่เข้าถึงได้ฟรีจำนวนมาก และนักวิทยาศาสตร์ที่ผ่านการฝึกอบรมซึ่งสามารถทำงานให้กับบริษัทเชิงพาณิชย์ได้
2. ดูเหมือนว่านิวเคลียร์ฟิวชันจะเข้าใกล้ความสำเร็จเชิงพาณิชย์มากขึ้นกว่าเดิม ซึ่งเพิ่มความกระตือรือร้นของนักลงทุน และรูปแบบการลงทุนแบบ "มูนช็อต" กำลังได้รับความนิยมในขณะนี้ โดยนิวเคลียร์ฟิวชันอาจเป็นสุดยอดมูนช็อตร่วมกับการขุดดาวเคราะห์น้อย ตามลำดับ ซึ่งจะช่วยแก้ไขปัญหาการขาดแคลนพลังงานและวัตถุดิบตามลำดับอย่างถาวร
3. การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ภูมิศาสตร์การเมือง และการสูญเสียทรัพยากร ล้วนมาบรรจบกันเพื่อเพิ่มความต้องการแหล่งพลังงานที่เป็นกลางต่อคาร์บอน

ดังนั้น ความพยายามคลื่นลูกใหม่ของความพยายามนิวเคลียร์ฟิวชันจึงถูกขับเคลื่อนโดยบริษัทเอกชนในขณะนี้ โดยมองหาการปรับปรุงการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จากหลักการแรกๆ ตรวจสอบวิธีการใหม่ๆ และพยายามจำลองสิ่งที่บริษัทอย่าง SpaceX ประสบความสำเร็จในการบินอวกาศในภาคส่วนฟิวชัน (เช่นเดียวกับที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ การนำจรวดกลับมาใช้ใหม่เป็นไปไม่ได้)

บริษัทฟิวชั่น

ปัจจุบันไม่มีบริษัทใดที่อุทิศตนเพื่อการผลิตนิวเคลียร์ฟิวชันเชิงพาณิชย์ได้จดทะเบียนในตลาดหลักทรัพย์ ซึ่งรวมถึง เฮลิออน, ฟิวชั่นทั่วไป, เครือจักรภพฟิวชั่น, เทคโนโลยีชา, แซ็ป พลังงานและนีโอฟิวชั่น คุณสามารถหา รายชื่อบริษัทสตาร์ทอัพมากมายในพื้นที่นิวเคลียร์ฟิวชันในหน้าเฉพาะของ Dealroom.

1. ฟิวชั่นทั่วไป

General เป็นหนึ่งในบริษัทสตาร์ทอัพที่เป็นผู้นำในการทำให้ฟิวชั่นกลายเป็นธุรกิจร่วมลงทุนของภาคเอกชน แทนที่จะเป็นโครงการฟิสิกส์ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสาธารณะ

บริษัทก่อตั้งขึ้นเมื่อปี 2002 เพื่อพัฒนาเทคโนโลยี Magnetized Target Fusion (MTF)

บริษัทคาดหวังว่า MTF จะเป็นเส้นทางที่สั้นกว่าไปสู่การหลอมรวมพลังงานเชิงบวก และมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่ามาก General Fusion เป็นเครื่องแรกในโลกที่สร้างและทดสอบเครื่องฉีดพลาสมาโทรอยด์ขนาดกะทัดรัดในระดับโรงไฟฟ้าในปี 2010 และ ได้ก้าวไปสู่เหตุการณ์สำคัญอีกมากมายนับแต่นั้นมา.

ที่มา: ฟิวชั่นทั่วไป

บริษัทตั้งเป้าบรรลุอุณหภูมิฟิวชันที่ 100 ล้านองศาเซลเซียสในปี 2025 และมุ่งสู่จุดคุ้มทุนพลังงาน (ผลตอบแทนเชิงบวกจากนิวเคลียร์ฟิวชัน) ในปี 2026 ก่อนหน้านั้น 1/5^th แบบจำลองขนาดถูกสร้างขึ้นในปี 2023 และประสิทธิภาพตรงกับความคาดหวังจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์

โดยรวมแล้ว General Fusion ใช้เวลา 2 ทศวรรษในการสร้างเทคโนโลยีหลักแต่ละเทคโนโลยีของการออกแบบขั้นสุดท้ายทีละขั้นตอน ทดสอบไปพร้อมกันและประสบความสำเร็จในการตรวจสอบแนวคิด อย่างน้อยก็จนถึงตอนนี้

ในฐานะบริษัทเอกชน ไม่จำเป็นต้องหารือและเจรจาการเปลี่ยนแปลงการออกแบบใดๆ ซึ่งขัดแย้งกับโครงการระดับนานาชาติเช่น ITER นอกจากนี้ยังสามารถเลือกเทคโนโลยีตามข้อดีของตนเอง โดยไม่ต้องตัดสินใจว่าประเทศใดควรได้รับสัญญาโดยไม่คำนึงถึงเหตุผลทางการเมือง

ที่มา: ฟิวชั่นทั่วไป

นี่คือสาเหตุที่หลายๆ คนคาดหวังว่า General Fusion และคู่แข่งบางรายจะจัดการโครงการขนาดใหญ่ของรัฐบาลที่อาจไม่สามารถทำได้

2. บริษัท ล็อกฮีดมาร์ติน

ข้อยกเว้นที่น่าสังเกตประการหนึ่งสำหรับบริษัทสตาร์ทอัพที่จดทะเบียนในตลาดหลักทรัพย์ซึ่งมีอำนาจเหนือสาขานี้คือบริษัทที่มีการซื้อขายในตลาดหลักทรัพย์ บริษัท ล็อกฮีดมาร์ตินยักษ์ใหญ่แห่งอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ

Lockheed เคยทำงานมาตั้งแต่ต้นปี 2010 เป็นต้นมา ฟิวชั่นขนาดกะทัดรัดซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่คาดว่าจะพร้อมใช้ภายในปี 2020 อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่นั้นมาก็มีการประกาศว่างานในโครงการนี้หยุดลงในปี 2021

บริษัทใช้ความระมัดระวังอย่างมากเกี่ยวกับโครงการนี้หลังจากการประกาศสู่สาธารณะครั้งแรก จนถึงทุกวันนี้ ยังไม่มีความชัดเจนว่าอะไรอาจทำให้บริษัทละทิ้งแนวคิดนี้

ขณะเดียวกันก็ดูเหมือนว่าไม่ได้ละทิ้งแนวคิดไปเสียหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งการลงทุนในปี 2024 ใน Helicity ซึ่งเป็นสตาร์ทอัพที่พัฒนาเครื่องยนต์ฟิวชัน.

แนวคิดคือการขับเคลื่อนยานอวกาศด้วยการระเบิดฟิวชั่นสั้นๆ Helicity กำลังวางแผนที่จะใช้ปืนพลาสม่า ซึ่งเป็นแนวทางเดียวกับที่ General Fusion ใช้

ผลลัพธ์ภายในของ Lockheed เองอาจแสดงให้เห็นว่าการออกแบบของพวกเขาไม่สามารถรักษาฟิวชันในลักษณะที่เข้ากันได้กับการผลิตพลังงาน

แต่บางทีในเวลาเดียวกัน การระเบิดระยะสั้นก็เพียงพอสำหรับความจำเป็นในการขับเคลื่อนในอวกาศและใกล้จะกลายเป็นผลิตภัณฑ์จริงมากขึ้นแล้ว นอกจากนี้ยังจะเหมาะสมกว่ากับโปรไฟล์โดยรวมที่มุ่งเน้นการบินและอวกาศและการป้องกันของบริษัท

3. ทีเออี เทคโนโลยี

บริษัทในแคลิฟอร์เนียเดิมชื่อ Tri Alpha Energy มุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานฟิวชัน ขณะนี้ TAE Technologies กำลังอัปเกรดแพลตฟอร์มฟิวชั่น Norman ให้เป็นเครื่องจักรรุ่นที่ 6 ที่เรียกว่า Copernicus

ที่มา: เมษายน

เทคโนโลยี TAE อาศัยเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อฉีดพลังงานเข้าไปในพลาสมาและ "ทำหน้าที่เป็นสารเพิ่มความหนาที่ทำให้จัดการได้ง่ายขึ้น"

บริษัทยังใช้การพิมพ์ 3D อย่างกว้างขวางในการสร้าง Copernicus ช่วยให้สามารถทำซ้ำชิ้นส่วนใหม่ได้อย่างรวดเร็วและแก้ไขปัญหาได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น สามารถพิมพ์ส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์บางส่วนได้โดยมีน้ำหนักเพียงครึ่งหนึ่งของน้ำหนักที่การผลิตแบบทั่วไปสามารถทำได้

ที่มา: เมษายน

หากทุกอย่างดำเนินไปอย่างราบรื่น บริษัทคาดว่าจะสร้างโรงไฟฟ้าต้นแบบแห่งแรกที่สามารถเชื่อมต่อกับโครงข่ายได้ในช่วงต้นทศวรรษ 2030 โดยการขยายขนาดเพื่อพัฒนาพลังงานเชิงพาณิชย์ที่ "แข็งแกร่งและเชื่อถือได้" จะดำเนินต่อไปตลอดทศวรรษ Michl Binderbauer ซีอีโอของ Fusion จะนำเราเข้าสู่ "กระบวนทัศน์แห่งความอุดมสมบูรณ์"

ในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา บริษัทได้ดำเนินการในรูปแบบ "เงินตามเหตุการณ์สำคัญ" โดยที่การระดมทุนแต่ละรอบจะได้รับจากการส่งมอบตามเหตุการณ์สำคัญที่สัญญาไว้กับนักลงทุนเท่านั้น

ในปี 2022 Google และ Chevron ลงทุนใน TAE Technologies โดยเป็นส่วนหนึ่งของการระดมทุน 250 ล้านดอลลาร์ของบริษัท Google เป็นพันธมิตรกับ TAE มาเป็นเวลากว่าทศวรรษแล้ว และมอบ AI และพลังการคำนวณให้กับบริษัท

ทาง บริษัท ยังมีบริการ บริการด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ (การบำบัดด้วยการดักจับโบรอนนิวตรอน -BNCT) และ โซลูชันด้านพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ และระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า.

4. เฮลิออน

Helion มุ่งหวังที่จะสร้างฟิวชันกับดิวเทอเรียมและฮีเลียม-3 แทนที่จะเป็นแนวทางทั่วไปในการมุ่งเน้นไปที่ฟิวชันกับไอโซโทป

โดยปกติฮีเลียม-3 จะหายากมาก แต่ฮีเลียนมีวิธีการผลิตมันจากดิวทีเรียมในเครื่องปฏิกรณ์ของมันเอง มิฉะนั้น อาจจำเป็นต้องใช้ทางเลือกอื่น เช่น การขุดที่ไม่ได้รับการพิสูจน์บนดวงจันทร์

เช่นเดียวกับการลงทุนฟิวชั่นของเอกชนส่วนใหญ่ Helion ใช้เทคโนโลยีการฉีดพลาสมา

คุณสมบัติพิเศษอีกประการหนึ่งคือการกำหนดเป้าหมายการจับไฟฟ้าโดยตรงจากพลาสมา โดยใช้กฎของฟาราเดย์เพื่อเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า โดยข้ามวงจรการให้ความร้อนด้วยไอน้ำซึ่งพบได้ทั่วไปในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยตรง

การเคลื่อนไหวครั้งนี้ค่อนข้างชัดเจน แต่ยังสามารถเพิ่มผลผลิตของโรงไฟฟ้าในอนาคตได้ 2-3 เท่า เนื่องจากการแปลงความร้อนเป็นไอน้ำเป็นพลังงานมักจะมีประสิทธิภาพต่ำมาก นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนที่ต้องใช้เงินลงทุนสูงมากอีกด้วย

โรงไฟฟ้าฟิวชันของ Helion คาดว่าจะมีต้นทุนเชื้อเพลิงเล็กน้อย ต้นทุนการดำเนินงานต่ำ เวลาทำงานสูง และต้นทุนเงินทุนที่แข่งขันได้ เครื่องจักรของเราต้องการต้นทุนอุปกรณ์ทุนที่ต่ำกว่ามาก เพราะเราสามารถทำฟิวชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และไม่ต้องใช้กังหันไอน้ำขนาดใหญ่ หอทำความเย็น หรือข้อกำหนดราคาแพงอื่นๆ ของวิธีการฟิวชันแบบดั้งเดิม

ปัจจุบัน Helion ดำเนินการอยู่ สามสิบมันคือ 6^th เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่มีความเร็วมากกว่า 10,000 พัลส์ และอุณหภูมิ 100 ล้านองศาเซลเซียส

ที่มา: เฮลิออน

ขณะนี้กำลังย้ายไปที่ นักษัตรเนมีซึ่งเป็นโมเดลถัดไปที่คาดว่าจะสามารถผลักดันได้เร็วกว่าเทรนตาถึง 100 เท่า ซึ่งจะทำให้เป็นนิวเคลียร์ฟิวชันครั้งแรกที่ผลิตไฟฟ้าได้สุทธิ

เป็นที่น่าสังเกตว่าโพลาริสจะมีความยาว 19 เมตร ซึ่งห่างไกลจากการติดตั้งขนาดยักษ์ เมื่อเทียบกับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นแบบคลาสสิกอื่นๆ