เป็นเวลากว่าเจ็ดปีที่ Bernard Bigot ควบคุมการก่อสร้างอาคารหลังหนึ่งที่ทั้งทะเยอทะยาน ท้าทาย และยังเป็นคุณใหญ่หลวงต่อมวลมนุษยชาติ จนบางครั้งเขาเทียบมันเป็นเหมือนอาสนวิหารอันศักดิ์สิทธิ์
อาคารยักษ์ใหญ่ซึ่งตั้งตระหง่านอยู่บนที่ดินขนาด 1.8 ตารางกิโลเมตรในภาคใต้ของฝรั่งเศส ห่างจากเมืองมาร์แซย์ ไปทางเหนือหนึ่งชั่วโมงนั้นดูแปลกประหลาดโดยแท้ มีอาคารเพียงไม่กี่หลังที่มีห้องสุญญากาศขนาดมหึมาราวกับเป็นถ้ำที่ต้องการความแม่นยำในการก่อสร้างในระดับต่ำกว่าหนึ่งมิลลิเมตร และที่มีน้อยหลังยิ่งกว่าคืออาคารที่มีแม่เหล็กขนาดสูงกว่า 18 เมตร ซึ่งมีแรงมากพอสำหรับการยกเรือบรรทุกเครื่องบิน หรือสายไฟนิโอเบียม-ดีบุก แรงเหนี่ยวนำไฟฟ้าสูงที่ยาวพอสำหรับการวนรอบเส้นศูนย์สูตรสองครั้ง
อาจกล่าวได้ว่าโครงการที่ Bigot ดูแล นามว่า ITER หรือเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ความร้อนขั้นทดลองนานาชาติ (International Thermonuclear Experimental Reactor) นั้นใหญ่ที่สุด ซับซ้อนที่สุด และด้วยราคากว่า 7.34 แสนล้านบาท (2 หมื่นล้านเหรียญสหรัฐฯ) คือการทดลองทางวิทยาศาสตร์ราคาสูงที่สุดที่เคยมีมา สมาพันธ์ของ 35 ประเทศซึ่งร่วมสนับสนุนทุนและผลิตส่วนประกอบให้กับโครงการดังกล่าวมีจำนวนประชากรรวมกันคิดเป็นกว่าครึ่งหนึ่งและมีมูลค่า GDP กว่าร้อยละ 85 ของโลก ทั้งสหรัฐฯ รัสเซีย จีน และสหภาพยุโรปต่างเป็นสมาชิกของการร่วมมือครั้งนี้
ส่วนประกอบบางชิ้นของ ITER นั้นมหึมาจนฝรั่งเศสต้องเสริมความกว้างหรือความแข็งแรงของถนนและสะพานเป็นระยะทางกว่า 103 กิโลเมตรเพื่อขนส่งพวกมันไปยังพื้นที่ก่อสร้างที่ Saint-Paul-lez-Durance เมื่อเตาปฏิกรณ์สร้างแล้วเสร็จ ซึ่งอย่างเร็วที่สุดคือปี 2025 (ขณะนี้การก่อสร้างแล้วเสร็จไปแล้วราวสามในสี่) มันจะใช้เวลาร่วม 40 ปีแห่งการเจรจา ออกแบบ และก่อสร้างเพ่ือไปถึงฝั่งฝัน
ทั้งหมดนี้เป็นไปเพื่อเป้าหมายที่ยิ่งใหญ่และความฝันที่มีมายาวนานกว่าครึ่งศตวรรษ นั่นคือการผลิตพลังงานด้วยนิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานของเหล่าดวงดาว หากมันสามารถถูกควบคุมให้อยู่หมัดได้ ปฏิกิริยาดังกล่าวจะสร้างพลังงานที่เพียงพอให้โลกของเราโดยไม่จำเป็นต้องปล่อยควันพิษหรือคาร์บอนซึ่งที่ทำให้โลกร้อนจากท่อไอเสีย ไม่มีความเสี่ยงต่อการหลอมละลายของเตาปฏิกรณ์หรือกากกัมมันตรังสีซึ่งตกค้างอย่างยาวนาน เป็นพลังงานที่พร้อมใช้ 24 ชั่วโมงต่อวัน 7 วันต่อสัปดาห์ โดยมีน้ำทะเลเป็นแหล่งเชื้อเพลิงขั้นสุดยอด
แต่การเติมเต็มความฝันนี้คือ ‘ฝันร้าย’ ทางวิศวกรรม
บนโลก การบังคับให้นิวเคลียสของไฮโดรเจนรวมตัวกับฮีเลียมจำเป็นต้องสร้างและกักเก็บ “พลาสมา” – หรือแก๊สที่ประจุด้วยไฟฟ้า ซึ่งอิเล็กตรอนถูกแยกจากนิวเคลียสที่อุณหภูมิที่สูงกว่าภายในของดวงอาทิตย์หลายเท่าตัว เหล่านักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เมื่อนานมาแล้วว่าจะทำให้กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในระเบิดไฮโดรเจน (hydrogen bombs) ได้อย่างไร และแม้เตาปฏิกรณ์ฟิวชันที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถควบคุมกระบวนการดังกล่าวให้เกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ ได้ แต่ก็ยังไม่มีเตาประเภทดังกล่าวที่เคยส่งพลังงานสุทธิไปยังกริดไฟฟ้า (electrical grid) มาก่อน
เช่นเดียวกันกับ ITER แม้เตาปฏิกรณ์นี้จะใหญ่โตเพียงใด มันก็เป็นเพียงการทดลองที่ถูกออกแบบมาให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปสู่พัฒนาการอันยิ่งใหญ่ จุดประสงค์ของมันมีเพียงแค่การข้ามผ่าน “จุดสมดุลย์ทางวิทยาศาสตร์ (scientific breakeven)” หรือจุดต่ำสุดที่เตาปฏิกรณ์จะปล่อยพลังงานผ่านกระบวนการฟิวชันเท่ากับที่มันใช้ให้ความร้อนแก่พลาสมา (Plasma – แก๊สที่มีสภาพเป็นไอออน)
ในลำดับเวลาที่ตั้งความหวังไว้สูงที่สุด โรงไฟฟ้าฟิวชั่นต้นแบบจะยังไม่พร้อมใช้งานจนกว่าจะถึงต้นทศวรรษที่ 2030 นั่นหมายความว่ามันจะไม่ช่วยเราให้พ้นจากความจำเป็นของการลดการปล่อยคาร์บอนในทันที ข้อมูลจากคณะกรรมาธิการร่วมรัฐบาลด้านการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ (Intergovernmental Panel on Climate Change) ระบุว่าโลกจำเป็นต้องลดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ต่อปีลงราวครึ่งหนึ่งภายในช่วงสองทศวรรษข้างหน้าเพื่อหลีกเลี่ยงอุณหภูมิโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างอันตรายกว่าสององศาเซลเซียส และเมื่อรวมกับพลังงานราคาถูกจากแสงอาทิตย์และลมซึ่งพร้อมใช้งานอยู่ เราสามารถลดการปล่อยมลภาวะได้ด้วยการเพิ่มการใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วให้มากขึ้น
“เราจำเป็นต้องลดการปล่อยคาร์บอนจากการผลิตไฟฟ้าจนเกือบหมดภายในปี 2035 ครับ” Nick Eyre ศาสตราจารย์ด้านนโยบายทางพลังงานและสภาพอากาศประจำมหาวิทยาลัยอ๊อกซฟอร์ด กล่าว “ซึ่งเป็นสิ่งที่[การใช้] ฟิวชันไม่สามารถทำได้ทันเวลา”
การใช้ประโยชน์จากนิวเคลียร์ฟิวชันคือหนึ่งในสิ่งที่ยากลำบากที่สุดที่มนุษยชาติเคยพยายามกระทำ และการที่เทคโนโลยีนี้ยังดูห่างไกลยังทำให้มันตกเป็นเป้าของเรื่องตลกที่ว่า เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษแล้วที่เทคโนโลยีฟิวชันนั้น “ห่างออกไป 30 ปี” แต่มุกตลกขมขื่นนี้อาจไม่ตลกอีกต่อไป
ITER ไม่ไช่เหตุผลเดียว ในห้องทดลองทั่วโลก นักวิจัยต่างกำลังโจมตีปัญหาทางเทคนิคมากมายบนหนทางสู่เตาปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้ได้จริง ในขณะเดียวกัน ข้อมูลจากสมาคมอุตสาหกรรมฟิวชั่น (Fusion Industry Association) ระบุว่าเหล่านักลงทุนระดมเม็ดเงินกว่าราว 6.6 หมื่นล้านบาท (1.8 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ) ให้บริษัทฟิวชั่นเอกชนที่หาทางทำให้แหล่งพลังงานหายากชนิดนี้ใช้งานได้
“เรื่องตลกนี้มันเคยมีมูลความจริงอยู่ค่ะ” Josefine Proll นักทฤษฎีฟิวชันจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีไอนด์โฮเฟน ประเทศเนเธอร์แลนด์ กล่าว แต่ “[ขณะนี้] มันไม่ใช่อีกแล้ว ฉันคิดว่าเรากำลังมาถูกทาง”
อย่างไรก็ตาม หนทางดังกล่าวยังคงอยู่อีกยาวไกล โดยไม่มีสิ่งใดมารับประกันว่าเป้าหมายของการผลิตพลังงานฟิวชั่นจะใช้งานได้ แต่เหล่านักวิจัยพลังงานฟิวชั่นเคยชินกับสิ่งนี้ สายตาของ Bigot ผู้ขึ้นแท่นผู้อำนวยการสูงสุดของ ITER เมื่อปี 2015 และเสียชีวิตลงในวัย 72 ปีเมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา เฝ้ามองไปที่ขอบฟ้าเสมอ ตัวเขาซึ่งจบการศึกษาด้านเคมีมองโครงการพลังงานนี้เหมือนกับที่สถาปนิกในยุคกลางมองอาสนวิหารที่ตนเองสร้าง นั่นคือโครงการชั่วนิจนิรันดร์ที่ผู้วางรากฐานอาจไม่มีชีวิตอยู่ชมดูยอดแหลมของมัน
“ผมเดาด้วยความสัตย์จริงว่าเราออกเดินทางไปสู่ความท้าทายแบบนั้น” เขากล่าวในบทสัมภาษณ์กับเนชันแนล จีโอกราฟฟิก เมื่อเดือนมีนาคม “ผลประโยชน์ต่อมนุษย์ชาติมันอาจยิ่งใหญ่มากจนทำให้ความพยายามครั้งนี้คุ้มค่าครับ”
ฟิวชันและฟิชชัน
โรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชันแตกต่างกับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันอย่างสุดขั้ว โดยโรงงานประเภทหลังนั้นพึ่งพากระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งปล่อยพลังงานเมื่ออะตอมซึ่งมีขนาดใหญ่และน้ำหนักมาก (เช่นยูเรเนียม) แตกตัวเนื่องจากการเสื่อมสภาพของกัมมันตรังสี
ตรงกันข้าม ในเตาปฏิกรณ์ฟิวชัน อะตอมขนาดเล็กและเบาเช่นไฮโดรเจนจะรวมตัวกับอะตอมที่ใหญ่กว่าและปลดปล่อยส่วนเล็กๆ ของมวลออกในฐานะพลังงาน ตามสมการ E = mc2 อันโด่งดังของไอน์สไตน์ ซึ่งเผยว่าพลังงานมหาศาลถูกกักเก็บอยู่ได้ในสสารประเภทนี้แม้จะมีจำนวนเพียงน้อยนิด
ในกรณีของ ITER เตาปฏิกรณ์จะเริ่มทำงานด้วยเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมและทริเทียม ซึ่งเป็นไฮโดรเจนหนัก ที่อุณหภูมิสูง นิวเคลียร์ของอะตอมทั้งสองจะกระแทกกันด้วยแรงที่มากพอสำหรับการรวมตัว การฟิวชันแต่ละครั้งจะสร้างนิวเคลียสของฮีเลียม-4 และนิวตรอนพลังงานสูง จากนั้น นิวตรอนจำนวนมากเหล่านี้จะกระแทกผนังของเตาปฏิกรณ์และก่อความร้อนทีจะสามารถใช้ต้มน้ำ ก่อไอน้ำ และหมุนกังหันเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าได้ในสักวันหนึ่ง
เพื่อป้องกันไม่ให้พลาสมาร้อนนี้เย็นตัว มันจะถูกยึดเหนี่ยว (suspend) เข้ากับใจกลางของห้องสุญญากาศรูปโดนัทด้วยกลุ่มแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลัง ปริมาณไฟฟ้าซึ่งจำเป็นสำหรับการยึดเหนี่ยวพลาสมาหมายความว่าขดลวด (coils) ของ ITER ต้องถูกทำความเย็นด้วยฮีเลียมเหลวซึ่งมีอุณหภูมิเย็นไปถึงขั้วกระดูกที่ -233.6 องศาเซลเซียส (-452.5 องศาฟาเรนไฮต์)
ร้อนกว่าดวงอาทิตย์ 10 เท่า
นิวเคลียสของอะตอมเป็นประจุขั้วบวก พวกมันจึงต่อต้านกันและกันอย่างดุเดือด ในแกนกลางของดวงดาว แรงดันมหาศาลช่วยบีบให้พวกมันเข้ามาอยู่ใกล้กันมากพอสำหรับการรวมตัว แต่การสร้างแรงดันที่เพียงพอนั้นไม่สามารถทำสำเร็จได้บนพื้นผิวโลก เหล่านักวิทยาศาสตร์จึงต้องใช้ความร้อนสุดขีดมาชดเชยแรงดันที่ต่ำกว่า โดยพลาสมาของ ITER นั้นต้องมีอุณหภูมิถึงราว 150 ล้านองศาเซลเซียส (270 ล้านองศาฟาเรนไฮต์) หรือมากกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์กว่าสิบเท่า
การทำให้สภาวะเหล่านี้เกิดขึ้นได้ (และยังไม่ต้องพูดถึงว่าจะทำให้พวกมันคงอยู่ได้อย่างไร) เป็นภารกิจยิ่งใหญ่ที่ไขว่คว้ากันมานานนับหลายทศวรรษ มีหลายครั้งที่การทดลองฟิวชันทำสถิติการกับเก็บพลาสมาที่ยาวนานที่สุด หรือมีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงที่สุด แต่ทั้งสามสิ่งไม่เคยเกิดขึ้นพร้อมกัน
“ที่ผ่านมา เราเคยมีผลลัพธ์ที่สวยงามครับ… แต่ในทางหนึ่ง ผลลัพธ์เหล่านั้นที่ทำได้ในห้องทดลองต่างๆ มันแยกกันต่างหาก” Ambrogio Fasoli ประธานของคณะร่วมมือยูโรฟิวชัน (EUROFusion) และผู้อำนวยการศูนย์พลาสมาประจำซวิตเซอร์แลนด์ (Swiss Plasma Center) ในเมืองโลซานกล่าว
จนถึงทุกวันนี้ ยังไม่มีเตาปฏิกรณ์โทกามัก (tokamak) หรือเตาปฏิกรณ์รูปโดนัทแบบเดียวกันกับ ITER ที่สามารถสร้างสภาวะที่ถูกต้องทุกอย่างสำหรับจุดสมดุลทางวิทยาศาสตร์ซึ่งพลังงานที่ถูกถ่ายทอดเท่าเทียมกับพลังงานที่จำเป็นสำหรับการสร้างความร้อนให้พลาสมา และทำให้สัดส่วนระหว่างค่าทั้งสอง หรือที่รู้จักในนาม Q มีค่าเท่ากับหนึ่งได้สำเร็จ สถิติที่ดีที่สุดที่เตาโทกามักทำได้คือค่า Q 0.67 ในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่อครั้งปี 1997
และจุดสมดุลทางวิทยาศาสตร์เป็นเพียงก้าวหนึ่ง เป้าหมายสุดยอดของการไปถึง “จุดสมดุลย์ระหว่างเตาและเครือข่าย (wall-plug breakeven) หรือจุดที่การปล่อยพลังงานจากการฟิวชันของเตาปฏิกรณ์มีมากกว่าพลังงานที่มันใช้จากกริดนั้นยิ่งท้าทายกว่านี้มาก เหตุผลส่วนหนึ่งเป็นเพราะการทำงานของเตาปฏิกรณ์ฟิวชันต้องการพลังงานมากมายมหาศาลที่มากยิ่งกว่าการให้ความร้อนแก่พลาสมาเสียอีก อย่างไรก็ตาม จุดสมดุลทางวิทยาศาสตร์นั้นถือได้ว่าเป็นสัญลักษณ์ที่ทรงพลังของความก้าวหน้าในเทคโนโลยีฟิวชัน หรือ ตามคำกล่าวของ Fasoli ที่เป็น “ก้าวทางจิตวิทยา” ที่ต้องข้ามผ่านไปให้ได้
ใช้เวลากว่าครึ่งศตวรรษ
ITER ถูกออกแบบมาให้พุ่งทะยานผ่านจุดสมดุลทางวิทยาศาสตร์และทำค่า Q ถึง 10 ให้สำเร็จ ด้วยพลังงานระดับนี้ พลาสมาจะเริ่ม “ไหม้” หรือผลิตความร้อนที่มากพอสำหรับการทำให้กระบวนการฟิวชันดำเนินต่อไปเรื่อยๆ ได้
เปลวเพลิงนี้ใช้เวลาจุดนานกว่าที่คาดการณ์ไว้ ตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1950 บรรดานักวิจัยต่างสร้างเตาปฏิกรณ์ฟิวชันรุ่นทดลองที่ใหญ่ขึ้นและทรงพลังมากขึ้นเรื่อยๆ หลายรุ่น ในบรรดาเตาเหล่านี้ หลายเตามีต้นแบบจากโทกามัก ซึ่งพัฒนาจากสหภาพโซเวียต การประชุมสุดยอดครั้งหนึ่งในปี 1985 ระหว่างโรนัลด์ เรแกน และมิคาอิล กอร์บาเชฟ ได้เปิดหนทางทางสู่การทูต ทำให้สหรัฐฯ และโซเวียตตกลงร่วมมือกันสร้างเตาโทกามักขนาดใหญ่พอที่จะสร้างจุดสมดุลทางวิทยาศาสตร์ เมื่อทศวรรษที่ 1980 สิ้นสุดลง ญี่ปุ่นและยูราตอม (Euratom) ซึ่งเป็นองค์การวิจัยนิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดในยุโรปก็ได้เซ็นสัญญาเข้าร่วมเช่นกัน ส่วนบรรดานักวิทยาศาสตร์และวิศวกรก็เริ่มร่างแบบของ ITER ซึ่งเป็นทั้งอักษรย่อและคำว่า “หนทาง” ในภาษาละติน
เช่นเดียวกับโครงการวิศวกรรมครั้งใหญ่อีกหลายครั้ง ITER ต้องเผชิญกับความล่าช้าหลายปี ค่าก่อสร้างที่พุ่งทะยาน และจากรายงานประเมินซึ่งมีการวิพากษ์วิจารณ์กันอย่างรุนแรงชิ้นหนึ่งเมื่อปี 2013 บ่งบอกถึงการบริหารจัดการที่ย่ำแย่ในบางครั้ง
อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ Bigot เริ่มดำรงตำแหน่งเมื่อปี 2015 โครงการนี้ก็กลับเข้าทางที่ควรจะเป็น ในขณะนี้ การก่อสร้างได้แล้วเสร็จไปแล้วกว่าสามในสี่ เมื่อเดือนเมษายน เกาหลีใต้ได้ส่งมอบหนึ่งในส่วนแบ่งของถังความดัน (vessel) ของเตาปฏิกรณ์ขนาด 485 ตัน แม้การติดตั้งแม่เหล็กไฟฟ้าโซลินอยด์ตัวกลางความสูง 18 เมตรจากสหรัฐฯ จะยังไม่เริ่มอย่างน้อยก็จนกว่าปลายปีหน้าก็ตาม
การทดสอบครั้งสำคัญยิ่งหลายครั้งด้วยเตาปฏิกรณ์ขนาดย่อยลงมาคือตัวช่วยพิสูจน์ตัวเลือกระดับกุญแจสำคัญสำหรับการออกแบบ ITER ในปี 2021 เตาปฏิกรณ์ Joint European Torus (JET) ในคัลแฮม อังกฤษได้ทำสถิติการปล่อยพลังงานจากพลาสมาของเตาฟฏิกรณ์ฟิวชันในครั้งเดียวที่ 59 เมกาจูลส์ในการทดสอบเป็นเวลาห้าวินาที แม้ปริมานพลังงานดังกล่าวจะน้อยกว่าพลังงานที่ผู้บริโภคในที่อยู่อาศัยในสหรัฐฯ ใช้โดยเฉลี่ยในหนึ่งวัน แต่เตาปฏิกรณ์ดังกล่าวก็สามารถทำงานด้วยเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมและทริเทียมที่จะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานให้ ITER และใช้วัสดุเดียวกันกับวัสดุที่จะถูกใช้บุพื้นผิวภายในของถังความดันเตาพลังงานที่ใหญ่กว่าได้โดยสำเร็จ ITER ถูกคาดหวังว่ามันจะปล่อยพลังงานได้มากกว่าเตาปฏิกรณ์ JET หลายพันเท่าตัวในการทำงานแต่ละครั้ง
“ในตอนแรกสุด ITER ไม่ใช่สิ่งที่น่าภูมิใจที่สุดนะครับ เพราะเริ่มต้นอย่างเชื่องช้า เชื่องช้ามากๆ… และการก่อสร้างก็ไม่คืบหน้าไปพักใหญ่เลยในตอนแรก” Fasoli กล่าว “แต่ในตอนนี้มันเกือบเสร็จสิ้นแล้ว และคุณก็จินตนาการถึงมันได้ มันคือหนึ่งในสิ่งที่มหัศจรรย์ที่สุดที่มนุษย์กำลังทำอยู่ เป็นหนึ่งในโครงการที่ทะเยอทะยานมากที่สุดที่เราเคยทำกันมา”
การฟิวชันด้วยวิธีอื่น
แม้ ITER จะทำงานได้อย่างราบรื่น มนุษยชาติก็ยังต้องการเตาปฏิกรณ์สาธิตรุ่นต่อไปเพื่อไปถึงดินแดนแห่งพันธสัญญาของโรงไฟฟ้าที่ใช้งานได้ ซึ่ง Fasoli ประมานการว่ามันต้องมีค่า Q ไม่ต่ำกว่า 30 หน่วย แต่ ITER ก็ไม่ใช่เตาปฏิกรณ์ระดับทดลองเพียงเตาเดียว ห้องทดลองที่ได้รับทุนจากสาธารณชนและบริษัทเอกชนจากทั่วทุกมุมโลกก็กำลังทดสอบวิธีการอื่นๆ เช่นเดียวกัน ซึ่งบางครั้งการทดสอบเหล่านั้นก็รวดเร็วกว่าการทดสอบของเตาปฏิกรณ์แห่งนี้อย่างมากมาย “ฉันคิดว่าธุรกิจสตาร์ทอัพเหล่านี้มันทำให้เกิดความเป็นไปได้อื่นๆ อีกมากมายเลยค่ะ” Proll นักทฤษฎีฟิวชันจากไอนด์โฮเฟน กล่าว
คอมมอนเวลต์ฟิวชันซิสเตมส์ (Commonwealth Fusion Systems) ซึ่งเป็นสาขาย่อยของ MIT ในเคมบริดจ์ มลรัฐเมสซาชูเซตส์กำลังออกแบบเตาโทกามักที่มีแม่เหล็กซึ่งทำจากวัสดุที่ใหม่กว่าแม่เหล็กของ ITER ซึ่งแม่เหล็กที่ทรงพลังกว่าเหล่านี้อาจสามารถให้ค่า Q เทียบเท่ากับ ITER ด้วยเตาปฏิกรณ์ที่เล็กกว่า เมื่อปีที่แล้ว ทางบริษัทกล่าวว่ามันทดสอบแม่เหล็กของตนเองอย่างสำเร็จลุล่วง และเตาปฏิกรณ์รุ่นทดลองซึ่งมีชื่อเล่นว่า SPARC มีกำหนดเริ่มต้นปฏิบัติการในปี 2025
ส่วนทีมอื่นๆ นั้นกำลังขัดเกลาเตาปฏิกรณ์อื่นๆ ซึ่งมีการออกแบบต่างกันโดยสิ้นเชิง ที่สถาบันความร้อนแห่งชาติ (National Ignition Facility หรือ NIF) ที่ลิเวอร์มอร์ รัฐแคลิฟอร์เนีย แสงเลเซอร์ทรงพลังหลายแสงพุ่งตรงไปที่ก้อนความร้อนเล็กๆ ก้อนหนึ่งและบีบอัดไฮโดรเจนภายในอย่างรุนแรงจนทำให้เกิดการฟิวชัน เมื่อปี 2014 นักวิจัยของสถาบันแห่งนี้ประกาศว่าพวกเขาสามารถสร้างจุดสมดุลแบบหนึ่งได้ด้วยวิธีการดังกล่าว ซึ่งเรียกว่าการกักเก็บความเฉื่อย (inertial confinement) แต่นักวิจัยรายอื่นๆ กล่าวว่างานวิจัยจากปี 2014 จำกัดความหมายของ “จุดสมดุล” แคบเกินไป แต่ไม่ว่ากรณีใดก็ตาม เตาปฏิกรณ์ประเภทที่ NIF ใช้ จำเป็นต้องมีค่า Q เกินหนึ่งร้อยเพื่อให้มันเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้ และมันยังไม่เข้าใกล้ความสำเร็จดังกล่าว
บางบริษัทกำลังสำรวจเชื้อเพลิงและการออกแบบที่แตกต่างออกไป ทีเออี เทคโนโลจีส์ (TAE Technologies) ซึ่งตั้งอยู่ที่แคลิฟอร์เนียและทำธุรกิจด้านนี้มาตั้งแต่ปี 1998 กำลังสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ถูกออกแบบให้อะตอมของไฮโดรเจนและโบรอน-11 โดยการจับ “วงแหวนควัน (smoke rings)” ของพลาสมามาชนกันภายในห้องรูปทรงยาวและเหมือนซิการ์ เตาปฏิกรณ์ซึ่งใช้วิธีการนี้จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าเตาโทกามักเสียอีก แต่หากเตาปฏิกรณ์ประเภทนี้ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น พวกมันอาจสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องระดมยิงนิวตรอนใส่ผนังเตาเหมือนกับเตา ITER
การถ่ายพลังงานเข้าไปในนิวตรอนเหล่านี้เพื่อผลิตไฟฟ้า ซึ่งเป็นวิธีที่ ITER และเตาฟิวชันประเภทอื่นๆ ต้องการใช้คือความท้าทาย แม้แต่วัสดุที่ต้านทานความร้อนได้ดีที่สุดและใช้บุถังความดัน (vessel) ของเตาปฏิกรณ์อย่างไทเทเนียมและเบริลเลียมจะกลายสภาพเป็นกัมมันตรังสีและอ่อนตัวและเปราะบางลงอย่างต่อเนื่องเมื่อถูกนิวตรอนกระแทกอย่างไม่หยุดหย่อน แต่ที่ JET เตาปฏิกรณ์นั้นถูกบำรุงรักษาด้วยหุ่นยนต์ที่ควบคุมจากระยะไกลสองตัว ซึ่งหนึ่งในหน้าที่ของพวกมันคือการเปลี่ยนแผ่นบุภายในเตา
ยังอีกหลายทศวรรษ
หากนิวเคลียร์ฟิวชันกลายเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ได้ เราจำเป็นต้องมีแผนว่าจะใช้มันอย่างไร
ในทางปฏิบัติ แผนการลดการปล่อยมลพิษอย่างรวดเร็วใดๆ ก็ตาม พลังงานแสงอาทิตย์และลมจำเป็นต้องเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานส่วนใหญ่ในสหรัฐฯ ภายในปี 2050 แต่การหยุดใช้คาร์บอนจะเป็นเรื่องยากลำบากสำหรับบางภาคส่วนของธุรกิจ เช่นอุตสาหกรรมโลหะซึ่งจำเป็นต้องใช้ความร้อนปริมานมากอย่างต่อเนื่อง หากการใช้พลังงานฟิวชันได้ผล มันจะเป็นแหล่งพลังงานที่พึ่งพาได้สำหรับอุตสาหกรรมหนัก และยังสามารถช่วยลดผลกระทบของความผันแปรของพลังงานลมและแสงอาทิตย์ได้ แซลลี เบนสัน หัวหน้าฝ่ายยุทธศาสตร์การเปลี่ยนผ่านพลังงานประจำทำเนียบขาว กล่าว
เธอกล่าวเสริมว่าการทำตามเป้าหมายทางสภาพอากาศของสหรัฐฯ ให้สำเร็จ ยังมีกระบวนการหลากหลายที่พึ่งพาฟอสซิลอยู่ในขณะนี้จำเป็นต้องเปลี่ยนมาใช้พลังงานไฟฟ้า อันเป็นสิ่งที่คาดการณ์ว่าจะทำให้อุปสงค์การใช้พลังงานในประเทศแห่งนี้เพิ่มขึ้นกว่าสองเท่าตัวระหว่างปี 2035 ถึง 2050 และพลังงานฟิวชันอาจไม่สามารถพร้อมรับมือกับการพุ่งทะยานของอุปสงค์ในครั้งนี้ได้ทันเวลา แต่มันอาจช่วยได้ในครึ่งหลังของศตวรรษนี้
“พลังงานทดแทนมันยอดเยี่ยมมากค่ะ มันราคาถูก มีอยู่ทุกที่ และคุณสามารถพบพวกมันที่ไหนก็ได้ แต่ ณ ตอนนี้ งานวิจัยส่วนใหญ่บ่งชี้ว่าหากคุณต้องการพลังงานที่เชื่อถือได้ตลอดเวลา คุณจำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานแบบกระจายตัวได้ (dispatchable resource)” เบนสันกล่าวถึงแหล่งพลังงานที่เปิดและปิดได้ตลอดเวลา ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แตกต่างกับแสงอาทิตย์และลม ในขณะนี้ ถ่านหิน ก๊าซ และนิวเคลียร์คือแหล่งผลิตพลังงานฐาน (baseload energy) ดังกล่าว และพลังงานน้ำและความร้อนใต้พิภพอาจสามารถเป็นได้ในอนาคต แต่พวกมันมิได้มีอยู่ทุกที่ ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่พลังงานฟิวชันไม่มีในทางทฤษฎี
“ฉันคิดว่านั่นคือเหตุผลที่สำคัญทีเดียวสำหรับการพยายามมีทางเลือกหลายชุดเพื่อนำเทคโนโลยีอื่นๆ เช่นฟิวชันมาร่วมด้วย” เธอกล่าวเสริม “ถ้ามันได้ผล คงจะเป็นเรื่องที่งดงามน่าดูค่ะ” ในสุดยอดการประชุมครั้งหนึ่งเมื่อเดือนเมษายน ทำเนียบขาวกล่าวว่า มีการเริ่มต้นโครงการฟิวชันของกระทรวงพลังงานและอนุมัติงบประมานกว่าราว 1848 ล้านบาท (50 ล้านเหรียญสหรัฐฯ) เพื่อเป็นเงินทุนสำหรับโอกาสวิจัยพลังงานฟิวชันในอนาคต
มันเป็นเรื่องโง่เขลาหรือเปล่าสำหรับการเสี่ยงโชคกับเทคโนโลยีฟิวชันโดยไม่รู้ว่าผลตอบแทนจะคุ้มค่าหรือไม่?
เหมือนกับ Bigot สายตาของเธอจ้องมองไปที่ขอบฟ้า
“เรากำลังลงทุนระยะยาวใช่ไหมคะ? มันไม่ใช่ว่าภารกิจของเราจะหยุดที่ปี 2030 หรือ 2035 หรือแม้แต่ 2050” เธอกล่าวว่า เป้าหมายคือการมี “ทางเลือกใหม่ที่ก้าวล้ำไปอีกขั้นที่จะเตรียมตัวพวกเราให้พร้อมสำหรับ [ทั้ง] ศตวรรษที่ 21’
ภาพ PAOLO VERZONE
แปล ภาวิต วงษ์นิมมาน