ความคืบหน้าของ ITER โครงการพลังงานสะอาดที่เชื้อเพลิงไม่มีวันหมด

เมื่อวันที่ 28 กรกฎาคมที่เพิ่งผ่านมา ณ ห้องโถงใหญ่ของอาคารหลักของโครงการ ITER (รูปที่ 1) ได้มีพิธีเริ่มต้นการประกอบติดตั้งเตาปฏิกรณ์ ITER อย่างเป็นทางการหลังจากชิ้นส่วนหลักๆของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันแบบ Tokamak ที่ใหญ่ที่สุดในโลกได้ถูกส่งมาถึงศูนย์วิจัย Cadarache ครบแล้ว ทั้งนี้มีประธานาธิบดีมาครง แห่งประเทศฝรั่งเศส ประเทศซึ่งเป็นที่ตั้งโครงการ เป็นประธานในพิธี (รูปที่ 2)

รูปที่ 1 ภาพอาคารหลักของโครงการ ITER ที่สร้างขึ้นติดกับศูนย์วิจัยแห่งชาติ Cadarache ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยด้านพลังงานนิวเคลียร์ที่สำคัญมากแห่งหนึ่งของประเทศฝรั่งเศส ตั้งอยู่ที่เมือง Saint-Paul-les-Durance ทางภาคตะวันออกเฉียงใต้ของประเทศ ในภาพจะเห็นธงชาติของ 7 ประเทศสมาชิกที่จับมือกันลงขันผลักดันโครงการนี้คือ (จากขวามาซ้าย) จีน, EU (มี 28 ประเทศในเครือสหภาพยุโรป ผนวกกับประเทศสวิตเซอร์แลนด์และอังกฤษ),อินเดีย, ญี่ปุ่น, เกาหลีใต้, รัสเซีย และสหรัฐอเมริกา และจีน (ที่มารูป: https://techxplore.com/news/2020-07-iter-france-paves-fusion-energy.html)

รูปที่ 2 ประธานาธิบดี Emmanuel Macron แห่งฝรั่งเศสกล่าวสุนทรพจน์ในพิธีเริ่มต้นการประกอบติดตั้งเตาปฏิกรณ์ ITER อย่างเป็นทางการ เมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม พ.ศ. 2563 ในแบบเว้นระยะห่างตามวิถี New Normal  (ที่มารูป: https://www.iter.org/newsline/-/3480 และ https://twitter.com/fusionforenergy)

 เนื่องจากกลุ่มประเทศในทวีปยุโรปไม่มีแหล่งพลังงานอย่างเช่นบ่อน้ำมันและแหล่งแร่ยูเรเนียมที่เพียงพอต่อความต้องการใช้ ต้องพึ่งพาประเทศนอกทวีปอย่างไม่มีทางเลือก จึงมีความมุ่งมั่นที่จะแก้ไขจุดอ่อนนี้ตลอดมา ประชาคมยุโรป (เวลานั้นยังไม่เกิดสหภาพยุโรป หรือ European Union อย่างเป็นทางการ) ได้คิดจับมือกันสร้างโครงการขนาดใหญ่ที่แพงมาก อีกทั้งต้องใช้เวลายาวนานเพื่อวิจัยและพัฒนาแหล่งพลังงานสะอาดที่ไม่มีวันหมดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) โดยเลือกใช้เทคนิค Tokamak โครงการประเดิมมีชื่อว่า Joint European Torus หรือเรียกสั้นๆว่า JET งานการก่อสร้างเริ่มต้นขึ้นเมื่อปีพ.ศ. 2521 ที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ Culham Centre for Fusion Energy ของ United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) ณ เมือง Abingdon ประเทศอังกฤษ ตัวเตาปฏิกรณ์ Tokamak ที่มีมูลค่าประมาณ 438 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (รูปที่ 3) ร่วมลงขันสร้างโดย 10 ประเทศในทวีปยุโรป

รูปที่ 3 ภาพวาดเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันของโครงการ JET ที่มีขนาดใหญ่และหนักมาก เช่นโครงเหล็กสีส้มจำนวน 8 อันที่ทำหน้าที่เป็นแกนเหล็กทรานสฟอร์เมอร์ของวงจรแม่เหล็กหนักรวมกัน 1,500 ตัน ส่วนห้องสุญญากาศ (vacuum vessel) ที่มีรูปคล้ายขนมโดนัท ขนาดปริมาตร 100 ลูกบาศก์เมตร มีภาคตัดขวางคล้ายกับตัวอักษร D ที่มีความกว้าง 2.5 เมตร สูง 4.2 เมตร ก็หนักถึง 80 ตัน เป็นต้น ในช่วงแรกภายในห้องสุญญากาศนี้เป็นที่เกิดพลาสมาของแก๊สดิวทีเรียมล้วน (ซึ่งผลิตได้เป็นครั้งแรกเมื่อปีพ.ศ. 2526)  เมื่อมีอุณหภูมิสูงถึง 150 ล้านเซลเซียส (ตรงใจกลางดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิประมาณ 15 ล้านเซลเซียส) นิวเคลียสของดิวทีเรียม 2 ตัวที่ต่างก็มีประจุบวกจะมีพลังงานจลน์สูงพอที่จะเอาชนะแรงผลักคูลอมบ์แล้วเข้าหลอมรวมกัน (nuclear fusion) แล้วปลดปล่อยพลังงานออกมาที่มีค่ารวมไม่ 3.27 MeV ก็ 4.03 MeV (รูปที่ 4) พลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงมากดังกล่าวถูกควบคุมไม่ให้สัมผัสกับผนังโลหะของห้องสุญญากาศโดยสนามแม่เหล็กความเข้มสูงมากระดับ 3.45 เทสลา (ความเข้มสนามแม่เหล็กโลกที่เส้นศูนย์สูตรคือ 0.0000305 เทสลา)  เทคนิคนี้นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียคือ Igor Tamm, Andrei Sakharov และ Oleg Lavrentiev เป็นคนต้นคิด คำย่อของชื่อเทคนิคนี้ในภาษารัสเซียคือ Tokamak ซึ่งก็ขอยืมใช้กันต่อๆมาจนติดปาก (ที่มารูป: https://imgbin.com/png/5Tj9HQ5p/joint-european-torus-tokamak-fusion-test-reactor-nuclear-fusion-fusion-power-png และhttps://www.researchgate.net/figure/D-D-Fusion-Reaction-A-common-technique-for-explosives-detection-utilizing-thermal_fig1_228869000)

ในช่วงแรกโครงการ JET ใช้เชื้อเพลิงเป็นแก๊สดิวทีเรียมล้วน คือการผลิตพลังงานนิวเคลียร์จากการหลอมรวมกันของนิวเคลียสของดิวทีเรียม 2 ตัว หรือที่เรียกว่าปฏิกิริยา ดี–ดี ฟิวชัน (รูปที่ 4) ต่อมาในช่วงท้ายได้เลื่อนขั้นไปทดลองใช้เชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สผสมระหว่างดิวทีเรียมกับตริเตียมคือการหลอมรวมกันของนิวเคลียสของดิวทีเรียมกับนิวเคลียสของตริเตียม หรือที่เรียกว่าปฏิกิริยา ดี–ที ฟิวชัน (รูปที่ 4) โดยสามารถผลิตพลาสมาของแก๊สผสมดังกล่าวได้เมื่อตอนปลายปีพ.ศ. 2534 ปฏิกิริยานี้มีข้อที่ควรระวังสูงกว่าปฏิกิริยา ดี–ดี ฟิวชันอย่างมากตรงที่ตริเตียมเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี สลายตัวด้วยค่าครึ่งชีวิต (half-life) 12.32 ปี ปลดปล่อยรังสีบีตา (beta)  ซึ่งมีอันตรายโดยเฉพาะเมื่อตริเตียมเข้าไปอยู่ในร่างกายของมนุษย์ แต่ก็เย้ายวนกว่ามากเพราะจะให้พลังงานสูงกว่าปฏิกิริยา ดี–ดีฟิวชันถึง 5 เท่า (รูปที่ 4) หรือประมาณการได้ว่าเชื้อเพลิงดี–ที ฟิวชันขนาดเท่าผลสับปะรดจะให้พลังงานเทียบเท่ากับถ่านหิน 10,000 ตัน อย่างไรก็ตามเตาปฏิกรณ์ Tokamak ของโครงการ JET ที่ว่าใหญ่ที่สุดในโลกแล้วขณะนั้น ก็ยังมีขนาดเล็กเกินไปที่จะบรรลุจุด break-even ได้ คือจุดสมดุลที่พลังงานที่ต้องจ่ายให้เท่ากับพลังงานที่ผลิตได้ (ซึ่งคาดการณ์ไว้ก่อนแล้ว) จึงต้องส่งต่อองค์ความรู้และประสบการณ์ทางด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมศาสตร์ของการผลิตและควบคุมพลาสมาอุณหภูมิสูงสุดขั้วแบบ Tokamak ให้แก่โครงการถัดไปที่ใหญ่กว่า ซึ่งก็คือโครงการ International Thermonuclear Experimental Reactor หรือ ITER

รูปที่ 4 (ซ้าย) แผนภาพแสดงกระบวนการก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยา ดี-ดี ฟิวชัน (D-D fusion) ซึ่งหลังการหลอมรวมมีโอกาสเท่าๆกันที่จะปลดปล่อยอนุภาคไตรตอนและอนุภาคโปรตอนที่มีพลังงานจลน์รวม 4.03 MeV หรือไม่ก็ปลดปล่อยนิวเคลียสของฮีเลียม-3 และอนุภาคนิวตรอนที่มีพลังงานจลน์รวม 3.27 MeV และ (ขวา) แผนภาพของปฏิกิริยา ดี-ที ฟิวชัน (D–T fusion) ซึ่งปลดปล่อยพลังงานรวม 17.6 MeV ในรูปพลังงานจลน์ของอนุภาคนิวตรอนกับอนุภาคแอลฟา (หรือนิวเคลียสของฮีเลียม-4) ดิวทีเรียม (deuterium) และตริเตียม (tritium) เป็นไอโซโทปตัวที่ 2 และ 3 ของไฮโดรเจนตามลำดับ นิวเคลียสของดิวทีเรียม (deuteron) ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนกับนิวตรอนอย่างละหนึ่งตัว ส่วนนิวเคลียสของตริเตียม (triton) ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน 1 ตัวกับอนุภาคนิวตรอน 2 ตัว ดิวทีเรียมนั้นมีอยู่มากมายในโลก กล่าวคือในน้ำทะเล 1 ลูกบาศก์เมตร จะมีดิวทีเรียมปนอยู่ 33 กรัม ดังนั้นเมื่อน้ำทะเลบนโลกมีอยู่ประมาณ 1.35 พันล้านลูกบาศก์กิโลเมตร จึงมีดิวทีเรียมอยู่ทั้งสิ้น 44.6 ล้านล้านตัน ส่วนตริเตียมมีอยู่น้อยมากในธรรมชาติ แต่สามารถสร้างขึ้นได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์หลังการชนกันระหว่างอนุภาคนิวตรอนกับลิเธียม ซึ่งในเตาปฏิกรณ์ Tokamak จะมีการผนวกส่วนนี้เข้าไว้ด้วยเพื่อผลิตตริเตียมขึ้นใช้เอง

 (ที่มารูป: https://www.researchgate.net/figure/D-D-Fusion-Reaction-A-common-technique-for-explosives-detection-utilizing-thermal_fig1_228869000 และ http://www.hotelsrate.org/nuclear-fusion-equation-deuterium-tritium/)

ตามแผนที่วางไว้ตอนแรกนั้น โครงการ JET จะมีระยะเวลาของโครงการเพียง 12 ปี อย่างไรก็ตามถึงวันนี้โครงการ JET ก็ยังคงได้รับการสนับสนุนงบประมาณจาก Euratom ของ EU แต่ก็คงจะถึงปลายปีพ.ศ. 2563 นี้เท่านั้น การถอนตัวออกจาก EU ของอังกฤษ (Brexit) ส่งผลถึงการต้องถอนตัวออกจาก Euratom ด้วย ทำให้อนาคตของ JET มีความไม่แน่นอนสูง

โครงการ ITER เริ่มต้นงานตระเตรียมพื้นที่ขนาด 262.5 ไร่ เพื่อสร้างหมู่อาคารต่างๆของโครงการใกล้กับศูนย์วิจัย Cadarache เมื่อปีพ.ศ. 2551 ส่วนงานก่อสร้างอาคารเริ่มต้นขึ้นเมื่อปีพ.ศ. 2556 กระทั่งเสร็จเรียบร้อยจนสามารถเริ่มงานประกอบเตาปฏิกรณ์ Tokamak ได้ในปีนี้ งบประมาณค่าก่อสร้างอาคารต่างๆคือประมาณ  2.23 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 6.9 หมื่นล้านบาท) ขณะนี้เข้าสู่ยุคของผู้อำนวยการคนที่ 3 คือดร. Bigot (รูปที่ 5) โดย 2 ท่านแรกเป็นชาวญี่ปุ่น รูปที่ 6 แจกแจงให้เห็นว่าหุ้นส่วนทั้ง 7 แบ่งกันสร้างส่วนใดบ้างของเตาปฏิกรณ์ Tokamak โดยควักกระเป๋าของตัวเอง

รูปที่ 5 ดร. Bernard Bigot ผู้อำนวยการคนที่ 3 ของ ITER เข้ารับตำแหน่งเมื่อปีพ.ศ. 2558 ปัจจุบันอายุ 70 ปี ท่านเป็นชาวฝรั่งเศส มีปริญญาเอก 2 ใบทั้งในสาขาวิชาฟิสิกส์และเคมี มีความเชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ เคยดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของ French Commission for Atomic Energy ท่านเป็นผู้หนึ่งที่ผลักดันให้โครงการ ITER ได้มาตั้งอยู่ที่ประเทศฝรั่งเศส เบียดเอาชนะคู่แข่งรายสำคัญคือประเทศญี่ปุ่นที่ก็ต้องการเป็นเจ้าบ้านของโครงการ ITER ด้วยเช่นกัน ปัจจุบันทีมงานคุณภาพสูงประมาณ 2,300 คนกำลังทำงานกันอยู่อย่างขะมักเขม้น ดร. Bigot เล่าว่าการนำชิ้นส่วนขนาดใหญ่ยักษ์ทั้งหลายมาประกอบเข้าด้วยกันต้องใช้ความแม่นยำระดับเดียวกับการประกอบนาฬิกาสวิส ค่าดำเนินงานโครงการ ITER จะอยู่ที่ประมาณ 223 ล้านดอลลาร์สหรัฐ / ปี (ที่มารูป: https://mcetv.fr/mon-mag-campus/alain-merieux-transmet-presidence-fondation-pour-luniversite-lyon-bernard-bigot-1212/)

รูปที่ 6 แผนภาพแสดงให้เห็นความร่วมมือที่น่าอัศจรรย์ของ 7 ประทศในการสร้างเตาปฏิกรณ์ ITER เช่นประเทศอินเดียช่วยสร้างห้องทำความเย็น (cryostat) ครอบห้องสุญญากาศ (vacuum vessel) และแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง ห้องโลหะสเตนเลสขนาดใหญ่นี้หนัก 3,800 ตัน  ประเทศจีน, EU, เกาหลีใต้ และรัสเซีย แบ่งกันช่วยสร้างแผ่น blanket หลายร้อยชิ้นที่ทำหน้าที่ป้องกันผนังด้านในของห้องสุญญากาศจากความร้อนและรังสีนิวตรอนพลังงานสูง  EU, ประเทศอินเดีย, เกาหลีใต้ และรัสเซีย แบ่งกันช่วยสร้างห้องสุญญากาศ ที่หนักประมาณ 3,870 ตัน หรือประเทศญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกแบ่งกันช่วยสร้างขดลวดโซลีนอยด์ตรงแกนกลาง (central solenoid) ซึ่งใช้เส้นลวดตัวนำยวดยิ่ง ไนโอเบียม-ดีบุกที่หล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว เป็นต้น น้ำหนักรวมของทั้งเตาปฏิกรณ์ ITER คือประมาณ 23,000 ตัน โดยภายในอาคารของเตาปฏิกรณ์นี้จะถูกทำให้เป็นบริเวณสะอาดและควบคุมให้อุณหภูมิคงที่ตลอดเวลาเพื่อป้องกันการขยายตัว-หดตัวของชิ้นส่วนต่างๆที่มีเป็นจำนวนมาก (ที่มารูป: https://acee.princeton.edu/distillates/fusion-energy-via-magnetic-confinement/#introduction)

กำหนดกรอบไว้ว่าโครงการ ITER จะมีระยะเวลา 30 ปี โดย 10 ปีแรกจะเป็นช่วงของการก่อสร้างและ 20 ปีหลังเป็นช่วงของการทดลอง ประเมินไว้ตอนแรกว่าโครงการ ITER จะต้องใช้งบประมาณ 5.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ แต่จากความล่าช้าไป 5 ปี การเพิ่มขึ้นของราคาวัสดุต่างๆ และการปรับเปลี่ยนการออกแบบต่างๆ ทำให้ตัวเลขเพิ่มขึ้นหลายเท่า ดร. Bigot ให้สัมภาษณ์ว่างบประมาณในความรับผิดชอบของ EU จะอยู่ที่ 2.23 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 7 แสนล้านบาท) แต่ในส่วนของสมาชิกอีก 6 ประเทศที่ช่วยสร้างชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆให้ (แบบ in kind ไม่ใช่ in cash) ไม่มีข้อมูลที่แน่นอน เพราะแต่ละประเทศบริหารจัดการกันเอง อย่างไรก็ตามเคยตกลงเป็นกรอบไว้ว่า EU จะรับผิดชอบ 45.6% ของงบประมาณทั้งหมด ส่วนอีก 6 ประเทศสมาชิกจะแบ่งกันไปเท่าๆกันประเทศละ 9.1%

โครงการ ITER มีแผนที่จะสร้างพลาสมาในห้องสุญญากาศขนาด 840 ลูกบาศก์เมตร (ใหญ่กว่าของ JET ประมาณ 8 เท่า) ให้ได้ในปีพ.ศ. 2568 และเริ่มต้นการทดลองกับปฏิกิริยา ดี-ที ฟิวชัน ในปีพ.ศ. 2578 โดยมีเป้าหมายหลักอยู่ที่การไปให้ทะลุ break-even คือ คาดหวังว่า ต่อพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้ 300 เมกะวัตต์ เตาปฏิกรณ์ ITER จะผลิตพลังงานความร้อนได้ 500 เมกะวัตต์ และเป็นช่วงเวลานาน 1,000 วินาที โดยใช้ปริมาณแก๊สผสมดิวทีเรียม – ตริเตียม 0.5 กรัม ซึ่งจะแซงหน้าโครงการ JET หลายก้าวกล่าวคือต่อพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้ 700 เมกะวัตต์ เตาปฏิกรณ์ Tokamak ของ JET ผลิตพลังงานความร้อนได้เพียง 16 เมกะวัตต์ เป็นเวลาสั้นๆไม่ถึง 1 วินาที

เมื่อสิ้นสุดโครงการ ITER จะส่งไม้ต่อให้กับโครงการ DEMO (Demonstration Fusion Power Plant) ซึ่งมีเป้าหมายที่จะสาธิตการผลิตพลังงานไฟฟ้าระดับ 300 – 500 เมกะวัตต์ให้ได้ในประมาณปีพ.ศ. 2597 และหวังว่าหลังจากนั้นจะมีบริษัทเอกชนเข้ามารับช่วงต่อ มีการประเมินว่าในแง่อุตสาหกรรมนั้น ค่าก่อสร้างและค่าดำเนินการของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน น่าจะอยู่ในระดับเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) แต่มีข้อได้เปรียบกว่าในแง่ที่ไม่มีค่าใช้จ่ายเรื่องการเก็บรักษาและกำจัดกากกัมมันตรังสีเช่นแท่งเชื้อเพลิงที่หมดอายุใช้งานแล้ว ขณะนี้อีกทีมงานหนึ่งได้เริ่มงานวางแนวคิดหลักของเตา DEMO คู่ขนานกันไปแล้ว แต่เมื่อโครงการ ITER ล่าช้า ทีมงานนี้ก็ถูกกระทบไปด้วยเพราะจำเป็นต้องอาศัยข้อมูลจาก ITER

ดังนั้นกว่าที่โลกจะได้ใช้ไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันจะต้องเป็นหลังปีพ.ศ. 2597 อย่างแน่นอน ผู้บุกเบิกหลายคนคงไม่ได้อยู่ใช้ แต่รู้ทั้งรู้ ก็ยังยอมทำงานหนักเลือดตาแทบกระเด็นในการตระเตรียมอนาคตที่ดีกว่าไว้ให้ลูกหลาน การควบคุมพลาสมาอุณหภูมิสูงสุดขั้วให้เชื่องเป็นเรื่องที่ยากมาก และต้องใช้ทุนรอนมหาศาล หวังว่าคนหนุ่มสาวยุคนี้จะส่งต่อนาคตที่ดีกว่าให้กับคนรุ่นต่อไปเช่นกัน