นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้ประกาศถึงสิ่งที่พวกเขาเรียกว่าเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเป้าหมายอันยาวไกลในการสร้างพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน
กระทรวงพลังงานสหรัฐกล่าวเมื่อวันที่ 13 ธันวาคม 2022 ว่าเป็นครั้งแรกและหลังจากพยายามมาหลายสิบปี นักวิทยาศาสตร์สามารถดึงพลังงานออกจากกระบวนการได้มากกว่าที่ต้องป้อนเข้าไป
แต่การพัฒนามีความสำคัญเพียงใด? และความฝันอันยาวนานของการหลอมรวมที่ให้พลังงานสะอาดอุดมสมบูรณ์นั้นห่างไกลแค่ไหน? แคโรลีน คูรานซ์รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนิวเคลียร์แห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกน ซึ่งเคยทำงานในโรงงานที่เพิ่งทำลายสถิติฟิวชัน ช่วยอธิบายผลลัพธ์ใหม่นี้
เกิดอะไรขึ้นใน Fusion Chamber?
ฟิวชั่น เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รวมอะตอม XNUMX อะตอมเพื่อสร้างอะตอมใหม่ XNUMX อะตอมขึ้นไปที่มีมวลรวมน้อยกว่าเล็กน้อย ความแตกต่างของมวลจะถูกปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงาน ดังที่ได้อธิบายไว้ในสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc2 โดยที่พลังงานเท่ากับมวลคูณความเร็วแสงยกกำลังสอง เนื่องจากความเร็วของแสงนั้นมหาศาล การแปลงมวลเพียงเล็กน้อยให้เป็นพลังงาน—เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในฟิวชัน—จึงสร้างพลังงานจำนวนมหาศาลในทำนองเดียวกัน
นักวิจัยของรัฐบาลสหรัฐฯ สถานที่จุดระเบิดแห่งชาติ ในแคลิฟอร์เนียได้สาธิตสิ่งที่เรียกว่า “การจุดระเบิดแบบฟิวชัน” เป็นครั้งแรก การจุดระเบิดคือเมื่อปฏิกิริยาฟิวชันผลิตพลังงานมากกว่าที่ป้อนเข้าสู่ปฏิกิริยาจากแหล่งภายนอกและกลายเป็นพลังงานที่ยั่งยืนในตัวเอง
เทคนิคที่ใช้ใน National Ignition Facility เกี่ยวข้องกับการยิงเลเซอร์ 192 นัดที่จุดระเบิด เชื้อเพลิงอัดเม็ดขนาด 0.04 นิ้ว (1 มม.) ทำจากดิวทีเรียมและทริเทียม ซึ่งเป็นธาตุไฮโดรเจนสองรุ่นที่มีนิวตรอนพิเศษ วางอยู่ในกระป๋องทองคำ เมื่อเลเซอร์กระทบกับกระป๋อง พวกมันจะสร้างรังสีเอกซ์ที่ให้ความร้อนและบีบอัดเม็ดเชื้อเพลิงให้มีความหนาแน่นประมาณ 20 เท่าของตะกั่ว และมีอุณหภูมิสูงกว่า 5 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ (3 ล้านเซลเซียส) ซึ่งร้อนกว่าพื้นผิวประมาณ 100 เท่า ดวงอาทิตย์. หากคุณสามารถคงสภาพเหล่านี้ไว้ได้นานพอ เชื้อเพลิงจะหลอมรวมและปล่อยพลังงานออกมา.
เชื้อเพลิงและกระป๋องจะระเหยกลายเป็นไอภายในไม่กี่พันล้านวินาทีระหว่างการทดลอง นักวิจัยหวังว่าอุปกรณ์ของพวกเขาจะรอดพ้นจากความร้อนและวัดพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชันได้อย่างแม่นยำ
พวกเขาประสบความสำเร็จอะไร?
เพื่อประเมินความสำเร็จของการทดลองฟิวชัน นักฟิสิกส์พิจารณาอัตราส่วนระหว่างพลังงานที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการฟิวชันกับปริมาณพลังงานภายในเลเซอร์ อัตราส่วนนี้คือ เรียกว่ากำไร.
อะไรก็ตามที่เหนือกว่าหนึ่งหมายความว่ากระบวนการฟิวชั่นปล่อยพลังงานออกมามากกว่าเลเซอร์ที่ส่งมา
เมื่อวันที่ 5 ธันวาคม 2022 National Ignition Facility ได้ยิงเม็ดเชื้อเพลิงด้วยพลังงานเลเซอร์ 15 ล้านจูล ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่ใช้ในการเป่าไดร์เป่าผมเป็นเวลา XNUMX นาที ซึ่งทั้งหมดนี้ใช้เวลาเพียงไม่กี่พันล้านวินาที สิ่งนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันที่ ปล่อยสามล้านจูล. นั่นคือกำไรประมาณ 1.5 ซึ่งทำลายสถิติเดิมที่ได้รับ ทำได้ 0.7 โดยโรงงานในเดือนสิงหาคม 2021.
ผลลัพธ์นี้ใหญ่แค่ไหน?
พลังงานฟิวชั่น เป็น "จอกศักดิ์สิทธิ์" ของการผลิตพลังงานสำหรับ เกือบครึ่งศตวรรษ. แม้ว่าการเพิ่มขึ้น 1.5 นั้น ผมเชื่อว่าเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งประวัติศาสตร์อย่างแท้จริง แต่ก็ยังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่ฟิวชันจะเป็นแหล่งพลังงานที่ทำงานได้
ในขณะที่พลังงานเลเซอร์ 2 ล้านจูลน้อยกว่าผลผลิตฟิวชันที่ 3 ล้านจูล โรงงานนี้ใช้พื้นที่เกือบ 300 ล้านจูลในการผลิตเลเซอร์ ใช้ในการทดลองนี้ ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าการจุดระเบิดด้วยฟิวชันเป็นไปได้ แต่จะต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการปรับปรุงประสิทธิภาพจนถึงจุดที่ฟิวชันสามารถให้พลังงานสุทธิกลับเป็นบวก เมื่อคำนึงถึงระบบตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทางทั้งหมด ไม่ใช่แค่ ปฏิสัมพันธ์เดียวระหว่างเลเซอร์และเชื้อเพลิง
ต้องปรับปรุงอะไรบ้าง?
มีปริศนาฟิวชันหลายชิ้นที่นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายทศวรรษเพื่อให้ได้ผลลัพธ์นี้ และการทำงานต่อไปจะทำให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ประการแรก เลเซอร์เป็นเพียง คิดค้นขึ้นในปี 1960. เมื่อรัฐบาลสหรัฐฯ การก่อสร้าง National Ignition Facility แล้วเสร็จในปี 2009ซึ่งเป็นโรงงานเลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกที่สามารถส่งมอบได้ พลังงานหนึ่งล้านจูลไปยังเป้าหมาย. จูลที่ผลิตได้ 50 ล้านจูลในปัจจุบันมีพลังมากกว่าจูลถึง XNUMX เท่า เลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก. เลเซอร์ที่ทรงพลังมากขึ้นและวิธีที่ใช้พลังงานน้อยลงในการผลิตเลเซอร์ที่ทรงพลังเหล่านั้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้อย่างมาก
เงื่อนไขฟิวชั่นคือ ท้าทายมากที่จะรักษาและอื่น ๆ ความไม่สมบูรณ์เล็กน้อยในแคปซูลหรือเชื้อเพลิง สามารถเพิ่มความต้องการพลังงานและลดประสิทธิภาพได้ นักวิทยาศาสตร์มีความก้าวหน้าอย่างมากในการ ถ่ายโอนพลังงานจากเลเซอร์ไปยังกระป๋องได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และ รังสีเอกซ์จากกระป๋องไปยังแคปซูลเชื้อเพลิงแต่ปัจจุบันมีเพียงประมาณ 10 เป็นร้อยละ 30 ของพลังงานเลเซอร์ทั้งหมดจะถูกส่งไปยังกระป๋องและเชื้อเพลิง
ในที่สุด ในขณะที่เชื้อเพลิงส่วนหนึ่งคือดิวเทอเรียมเป็นธรรมชาติ มีมากในน้ำทะเล ทริเทียมนั้นหายากกว่ามาก. ฟิวชั่นผลิตเองจริง ไอโซโทปดังนั้นนักวิจัยจึงหวังที่จะพัฒนาวิธีการเก็บเกี่ยวไอโซโทปนี้โดยตรง ในขณะเดียวกันก็มี วิธีการอื่นๆ ที่มีอยู่เพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่จำเป็น.
อุปสรรคทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และวิศวกรรมเหล่านี้และอื่นๆ จะต้องเอาชนะให้ได้ก่อนที่ฟิวชันจะผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับบ้านของคุณ การทำงานจะต้องทำให้ต้นทุนของโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชันลดลงจาก สิ่งอำนวยความสะดวกการจุดระเบิดแห่งชาติมูลค่า 3.5 พันล้านเหรียญสหรัฐ. ขั้นตอนเหล่านี้จะต้องมีการลงทุนจำนวนมากจากทั้งรัฐบาลกลางและอุตสาหกรรมเอกชน
เป็นที่น่าสังเกตว่ามีการแข่งขันทั่วโลกเกี่ยวกับฟิวชั่นกับห้องทดลองอื่น ๆ มากมายทั่วโลก ไล่ตามเทคนิคต่างๆ. แต่ด้วยผลลัพธ์ใหม่จาก National Ignition Facility ทำให้โลกได้เห็นหลักฐานเป็นครั้งแรกว่า ความฝันของการหลอมรวมเป็นไปได้.
บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.
เครดิตภาพ: กระทรวงพลังงานสหรัฐ/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore
