นิวเคลียร์ฟิวชั่น

นิวเคลียสฟิวชันคือปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของอะตอมตั้งแต่สองตัวขึ้นไปรวมกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมที่แตกต่างกันอย่างน้อยหนึ่งตัว ( นิวตรอนหรือโปรตอน ) ความแตกต่างในมวลระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เป็นที่ประจักษ์เป็นทั้งการปล่อยหรือดูดซึมของพลังงาน ความแตกต่างของมวลนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างนิวเคลียสก่อนและหลังปฏิกิริยา ฟิวชั่นเป็นกระบวนการที่อำนาจการใช้งานหรือหลักลำดับ ดาวและอื่น ๆ ที่สูงขนาดดาวที่จำนวนมากของพลังงานที่ได้รับการปล่อยตัวออกมา

ดวงอาทิตย์เป็น ดาวหลักลำดับและทำให้สร้างของ พลังงานจากนิวเคลียร์ฟิวชันของ ไฮโดรเจนนิวเคลียสเข้าไป ฮีเลียม ในแกนกลางดวงอาทิตย์หลอมรวมไฮโดรเจน500 ล้าน เมตริกตันต่อวินาที
นิวเคลียร์พลังงานที่มีผลผูกพันทางโค้ง การก่อตัวของนิวเคลียสที่มีมวลมากถึง เหล็ก -56จะปลดปล่อยพลังงานออกมาดังภาพประกอบด้านบน

กระบวนการหลอมรวมที่สร้างนิวเคลียสที่เบากว่าเหล็ก -56หรือนิกเกิล -62โดยทั่วไปจะปล่อยพลังงานออกมา องค์ประกอบเหล่านี้มีมวลขนาดค่อนข้างเล็กต่อ nucleon และขนาดใหญ่พลังงานที่มีผลผูกพันต่อนิวคลีออ ฟิวชั่นของนิวเคลียสเบากว่ารุ่นเหล่านี้พลังงาน (เป็นคายความร้อนกระบวนการ) ในขณะที่ฟิวชั่นของนิวเคลียสที่หนักกว่าผลในการใช้พลังงานเก็บรักษาไว้โดยนิวคลีออผลิตภัณฑ์และปฏิกิริยาที่เกิดเป็นสัตว์เลือดอุ่น ตรงข้ามเป็นจริงสำหรับกระบวนการย้อนกลับนิวเคลียร์ ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้วธาตุที่เบากว่าเช่นไฮโดรเจนและฮีเลียมจะหลอมรวมได้ง่ายกว่า ในขณะที่ธาตุที่หนักเช่นยูเรเนียม , ทอเรียมและพลูโตเนียมเป็นตัวได้มากขึ้น เหตุการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่รุนแรงของซูเปอร์โนวาสามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอที่จะหลอมรวมนิวเคลียสให้เป็นองค์ประกอบที่หนักกว่าเหล็ก

ในปี 1920 อาร์เธอร์เอ็ดดิงตันแนะนำว่าไฮโดรเจน - ฮีเลียมฟิวชันอาจเป็นแหล่งพลังงานหลักของดาวฤกษ์ การขุดอุโมงค์ควอนตัมถูกค้นพบโดยFriedrich Hundในปี 1929 และหลังจากนั้นไม่นานRobert AtkinsonและFritz Houtermans ก็ใช้มวลของธาตุแสงที่วัดได้เพื่อแสดงให้เห็นว่าพลังงานจำนวนมากสามารถถูกปลดปล่อยออกมาได้โดยการหลอมรวมนิวเคลียสขนาดเล็ก อาคารในการทดลองในช่วงต้นของการแปรนิวเคลียสโดยเออร์เนสรัทเธอร์ , ฟิวชั่นห้องปฏิบัติการของไอโซโทปไฮโดรเจนก็ประสบความสำเร็จโดยมาร์คโอลิแฟนท์ในปี 1932 ในส่วนที่เหลือของทศวรรษที่ทฤษฎีของวงจรหลักของนิวเคลียร์ฟิวชันในดาวได้รับการทำงานออกโดยHans Bethe การวิจัยในฟิวชั่นเพื่อวัตถุประสงค์ทางทหารเริ่มต้นขึ้นในช่วงต้นปี 1940 เป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน ฟิวชั่นนิวเคลียร์แบบพึ่งพาตนเองได้ดำเนินการครั้งแรกเมื่อวันที่ 1 พฤศจิกายน พ.ศ. 2495 ในการทดสอบระเบิดไอวี่ไมค์ ไฮโดรเจน (เทอร์โมนิวเคลียร์)

การวิจัยเพื่อพัฒนาฟิวชันควบคุมภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้ดำเนินการมาตั้งแต่ปี 1940 แต่เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา

การหลอมรวมของ ดิวเทอเรียมกับ ไอโซโทปสร้าง ฮีเลียม -4ปลดปล่อย นิวตรอนและปล่อย 17.59 MeVเป็นพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์ในขณะที่มวลจำนวนที่สอดคล้องกันจะหายไปตาม จลน์ E = ∆ mc 2โดยที่ Δ m คือการลดลงของ มวลส่วนที่เหลือทั้งหมดของอนุภาค [1]

การปลดปล่อยพลังงานด้วยการหลอมรวมขององค์ประกอบแสงเกิดจากการทำงานร่วมกันของสองแรงที่เป็นปฏิปักษ์กันคือแรงนิวเคลียร์ซึ่งรวมโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันและแรงคูลอมบ์ซึ่งทำให้โปรตอนขับไล่ซึ่งกันและกัน โปรตอนมีประจุไฟฟ้าบวกและขับไล่ซึ่งกันและกันด้วยแรงคูลอมบ์ แต่กระนั้นก็สามารถเกาะติดกันได้แสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของแรงอื่นระยะสั้นที่เรียกว่าแรงดึงดูดนิวเคลียร์ [2]นิวเคลียสของแสง (หรือนิวเคลียสที่เล็กกว่าเหล็กและนิกเกิล) มีขนาดเล็กเพียงพอและโปรตอนไม่ดีทำให้พลังนิวเคลียร์สามารถเอาชนะแรงขับไล่ได้ เนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กเพียงพอที่นิวคลีออนทั้งหมดจะรู้สึกถึงแรงดึงดูดในระยะสั้นอย่างน้อยก็รุนแรงที่สุดเมื่อพวกเขารู้สึกถึงแรงขับไล่คูลอมบ์ระยะอนันต์ การสร้างนิวเคลียสจากนิวเคลียสที่เบากว่าโดยการหลอมรวมจะปลดปล่อยพลังงานพิเศษจากแรงดึงดูดสุทธิของอนุภาค อย่างไรก็ตามสำหรับนิวเคลียสที่ใหญ่กว่าจะไม่มีการปลดปล่อยพลังงานเนื่องจากแรงนิวเคลียร์อยู่ในระยะสั้นและไม่สามารถกระทำต่อไปในระดับความยาวนิวเคลียร์อีกต่อไปได้ ดังนั้นพลังงานจะไม่ถูกปลดปล่อยออกมาพร้อมกับการหลอมรวมของนิวเคลียสดังกล่าว แต่ต้องใช้พลังงานเป็นข้อมูลป้อนเข้าสำหรับกระบวนการดังกล่าว

ฟิวชั่นเสริมพลังให้กับดวงดาวและสร้างองค์ประกอบเกือบทั้งหมดในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์นิวคลีโอซิส ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ในลำดับหลักและด้วยเหตุนี้จึงสร้างพลังงานโดยการหลอมนิวเคลียสของไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียม ในแกนกลางดวงอาทิตย์หลอมรวมไฮโดรเจน 620 ล้านเมตริกตันและสร้างฮีเลียม 616 ล้านเมตริกตันต่อวินาที การหลอมรวมขององค์ประกอบที่เบากว่าในดวงดาวจะปลดปล่อยพลังงานและมวลที่มาพร้อมกับมันเสมอ ตัวอย่างเช่นในการหลอมรวมนิวเคลียสของไฮโดรเจนสองนิวเคลียสเพื่อสร้างฮีเลียม 0.645% ของมวลจะถูกพัดพาไปในรูปของพลังงานจลน์ของอนุภาคแอลฟาหรือพลังงานในรูปแบบอื่น ๆ เช่นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า [3]

มันต้องใช้พลังงานมากในการบังคับให้นิวเคลียสฟิวส์แม้ผู้ขององค์ประกอบที่มีน้ำหนักเบา, ไฮโดรเจน เมื่อเร่งความเร็วให้สูงพอนิวเคลียสสามารถเอาชนะแรงขับดันไฟฟ้าสถิตนี้ได้และถูกนำเข้ามาใกล้มากพอจนแรงนิวเคลียร์ที่ดึงดูดนั้นมีค่ามากกว่าแรงคูลอมบ์ที่น่ารังเกียจ แรงเติบโตอย่างรวดเร็วครั้งเดียวนิวเคลียสอยู่ใกล้พอและนิวคลีออหลอมละลายสามารถเป็นหลัก "ตก" ลงในแต่ละอื่น ๆ และผลที่ได้คือฟิวชั่นและการใช้พลังงานสุทธิที่ผลิต การหลอมรวมของนิวเคลียสที่เบากว่าซึ่งสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่าและมักจะเป็นนิวตรอนหรือโปรตอนอิสระโดยทั่วไปจะปล่อยพลังงานออกมามากกว่าที่จะบังคับให้นิวเคลียสเข้าด้วยกัน นี่คือกระบวนการคายความร้อนที่สามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่ยั่งยืนได้เอง

พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์ส่วนใหญ่มีขนาดใหญ่กว่าในปฏิกิริยาเคมีเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวที่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกันมีค่ามากกว่าพลังงานที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส ตัวอย่างเช่นพลังงานไอออไนเซชันที่ได้จากการเพิ่มอิเล็กตรอนให้กับนิวเคลียสของไฮโดรเจนคือ13.6  eV -น้อยกว่าหนึ่งในล้านของ17.6  MeV ที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาดิวเทอเรียม - ไอโซโทป (D – T) ที่แสดงในแผนภาพที่อยู่ติดกัน ปฏิกิริยาฟิวชั่นที่มีความหนาแน่นของพลังงานหลายครั้งมากกว่านิวเคลียร์ ; ปฏิกิริยาดังกล่าวจะสร้างพลังงานต่อหน่วยมวลมากขึ้นแม้ว่าโดยทั่วไปแล้วปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละปฏิกิริยาจะมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชันแต่ละชนิดซึ่งมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาเคมีหลายล้านเท่า เพียงแปลงโดยตรงของมวลเป็นพลังงานเช่นที่เกิดจากการannihilatoryการปะทะกันของเรื่องและปฏิสสารคือมีพลังมากขึ้นต่อหน่วยของมวลกว่านิวเคลียร์ฟิวชัน (การแปลงสสารหนึ่งกรัมโดยสมบูรณ์จะปล่อยพลังงาน 9 × 10 13จูล)

การวิจัยเกี่ยวกับการใช้ฟิวชั่นในการผลิตไฟฟ้าได้ดำเนินการมานานกว่า 60 ปี แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วฟิวชั่นที่ควบคุมจะสามารถจัดการได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน (เช่นฟิวเซอร์ ) แต่ความสำเร็จของฟิวชั่นทางเศรษฐกิจก็ถูกขัดขวางโดยความยากลำบากทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี อย่างไรก็ตามความคืบหน้าสำคัญได้เกิดขึ้น ในปัจจุบันปฏิกิริยาฟิวชันที่ควบคุมได้ยังไม่สามารถสร้างฟิวชั่นที่ควบคุมได้ [4]สองแนวทางที่ก้าวหน้าที่สุดสำหรับมันคือการกักขังแม่เหล็ก (การออกแบบ toroid) และการกักขังเฉื่อย (การออกแบบด้วยเลเซอร์)

การออกแบบที่สามารถใช้งานได้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบ toroidal ซึ่งในทางทฤษฎีจะให้พลังงานฟิวชันมากกว่าปริมาณที่จำเป็นในการให้ความร้อนกับพลาสมาถึงอุณหภูมิที่ต้องการถึงสิบเท่า (ดูITER ) โรงงาน ITER คาดว่าจะเสร็จสิ้นขั้นตอนการก่อสร้างในปี 2568 โดยจะเริ่มเดินเครื่องปฏิกรณ์ในปีเดียวกันนั้นและเริ่มการทดลองพลาสมาในปี 2568 แต่คาดว่าจะไม่เริ่มฟิวชั่นดิวเทอเรียม - ทริเทียมเต็มรูปแบบจนถึงปี 2578 [5]

ในทำนองเดียวกันGeneral Fusionซึ่งตั้งอยู่ในแคนาดาซึ่งกำลังพัฒนาระบบพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันเป้าหมายแม่เหล็กมีเป้าหมายที่จะสร้างโรงงานสาธิตภายในปี 2568 [6]

สิ่งอำนวยความสะดวกจุดระเบิดแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาซึ่งใช้ฟิวชั่นกักขังเฉื่อยที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ได้รับการออกแบบโดยมีเป้าหมายในการหลอมรวมที่คุ้มทุน การทดลองเป้าหมายเลเซอร์ขนาดใหญ่ครั้งแรกดำเนินการในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2552 และการทดลองจุดระเบิดเริ่มขึ้นในต้นปี พ.ศ. 2554 [7] [8]