การหลอมนิวเคลียส

กระบวนการ

ต้นกำเนิดของพลังงานที่ปล่อยออกมาในการหลอมรวม (อังกฤษ: fusion) ขององค์ประกอบเบาจะเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ของสองแรงที่ตรงข้ามกัน แรงหนึ่งคือแรงนิวเคลียสซึ่งรวมแรงจากโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกัน อีกแรงหนึ่งคือแรงคูลอมบ์ซึ่งเป็นสาเหตุให้โปรตอนทั้งหลายผลักกันเอง โปรตอนจะมีประจุบวกและผลักกันเอง แต่พวกมันก็ยังคงอยู่ติดกัน แสดงให้เห็นถึงการดำรงอยู่ของอีกแรงหนึ่งที่เรียกว่าแรงดึงดูดของนิวเคลียส แรงนี้ถูกเรียกว่าแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง มันเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าในระยะที่ใกล้กันมาก ผลของแรงนี้จะไม่สังเกตได้นอกนิวเคลียส นั่นคือความแรงจะขึ้นอยู่กับระยะทาง ทำให้มันเป็นแรงวิสัยใกล้ แรงเดียวกันยังดึงนิวคลีออน (นิวตรอนและโปรตอน) ให้อยู่ด้วยกัน เนื่องจากว่าแรงนิวเคลียสจะแข็งแกร่งกว่าแรงคูลอมบ์สำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กกว่าธาตุเหล็กและนิกเกิล การสร้างนิวเคลียสเหล่านี้ขึ้นจากนิวเคลียสที่เบากว่าโดยการหลอม จะปลดปล่อยพลังงานมากขึ้นจากแรงดึงดูดสุทธิของอนุภาคเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม สำหรับนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่กว่า จะไม่มีพลังงานถูกปล่อยออกมา เนื่องจากแรงนิวเคลียสเป็นแรงพิสัยใกล้และไม่สามารถกระทำต่อเนื่องกับนิวเคลียสขนาดใหญ่ที่อยู่นิ่ง ๆ ได้ ดังนั้นพลังงานจะไม่ถูกปล่อยออกมาอีกต่อไปเมื่อนิวเคลียสดังกล่าวถูกทำขึ้นโดยการหลอม แต่พลังงานจะถูกดูดซึมในกระบวนการดังกล่าวแทน
ปฏิกิริยาการหลอมธาตุเบาเป็นผู้ให้พลังงานกับดวงดาวและเป็นผู้ผลิตแทบทุกธาตุในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียส การหลอมของธาตุที่เบากว่าในดวงดาวจะปลดปล่อยพลังงานออกมา(และมวลที่มักจะออกมาพร้อมกับมัน) ยกตัวอย่างเช่นในการหลอมของสองนิวเคลียสไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียม 0.7% ของมวลจะหลุดออกไปจากระบบในรูปแบบของพลังงานจลน์หรือรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงาน (เช่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า)
ในการวิจัยเพื่อการควบคุมการหลอม โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อผลิตพลังงานการหลอมสำหรับการผลิตไฟฟ้า มีการดำเนินการมานานกว่า 60 ปี มันพบกับความยุ่งยากทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอย่างมาก แต่ก็มีผลคืบหน้า ในปัจจุบันปฏิกิริยาการหลอมที่ควบคุมได้ไม่สามารถที่จะผลิตปฏิกิริยาการหลอม (ด้วยตนเองอย่างยั่งยืน) ที่คุ้มค่าการลงทุนได้ การออกแบบที่ใช้การได้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่ในทางทฤษฎีแล้วจะส่งพลังงานการหลอมเป็นสิบเท่าของจำนวนพลังงานที่จำเป็นเพื่อสร้างความร้อนให้กับพลาสม่าจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการอยู่ในระหว่างการพัฒนา (ดู ITER) สิ่งอำนวยความสะดวกใน ITER คาดว่าจะเสร็จสิ้นขั้นตอนการก่อสร้างในปี 2019 มันก็จะเริ่มติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์ในปีเดียวกันและเริ่มต้นการทดลองพลาสม่าในปี 2020 แต่ไม่คาดว่ามันจะเริ่มการหลอมดิวเทอเรียม-ไอโซโทปเต็มรูปแบบจนกว่าจะถึงปี 2027
มันต้องใช้พลังงานอย่างมากในการที่จะบังคับให้นิวเคลียสหลอมละลาย แม้แต่ธาตุที่มีน้ำหนักเบาที่สุดเช่นไฮโดรเจน เป็นเพราะว่านิวเคลียสทุกตัวมีประจุบวกอันเนื่องมาจากโปรตอนในตัวมัน และเป็นอย่างเช่นกกแรงผลักของประจุ นิวเคลียสจะต่อต้านอย่างแรงถ้าถูกวางอยู่ใกล้กัน เมื่อถูกเร่งให้มีความเร็วสูง พวกมันสามารถเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าสถิตนี้และจะถูกบังคับให้อยู่ใกล้พอสำหรับแรงดึงดูดนิวเคลียร์จนมีความแข็งแรงพอที่จะบรรลุการหลอม การหลอมของนิวเคลียสที่เบากว่า ซึ่งจะสร้างนิวเคลียสที่หนักขึ้นและมักจะเป็นนิวตรอนอิสระหรือโปรตอน โดยทั่วไปจะปลดปล่อยพลังงานมากขึ้นกว่าที่มันได้รับเพื่อที่จะบังคับให้นิวเคลียสทั้งหลายอยู่ด้วยกัน นี้เป็นกระบวนการคายความร้อนแบบหนึ่งที่สามารถผลิตปฏิกิริยาด้วยตนเองอย่างยั่งยืน สถานีจุดระเบิดแห่งชาติของสหรัฐ ซึ่งใช้การหลอมในภาชนะปิดที่เฉื่อยแบบขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ (อังกฤษ: laser-driven inertial confinement fusion) ได้รับการคาดการณ์ว่าจะสามารถสร้างปฏิกิริยาการหลอมที่คุ้มทุนได้
การทดลองเป้าหมายเลเซอร์ขนาดใหญ่ได้ดำเนินการเป็นครั้งแรกในเดือนมิถุนายนปี 2009 และการทดลองการจุดระเบิดเริ่มต้นขึ้นในช่วงต้นปี 2011
พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่กว่าในปฏิกิริยาเคมีอย่างมาก เพราะพลังงานยึดเหนี่ยวที่ยึดนิวเคลียสเอาไว้จะมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส ยกตัวอย่างเช่นพลังงานจากการแตกตัวเป็นไอออน (อังกฤษ: ionization energy) ที่ได้รับโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกับนิวเคลียสไฮโดรเจนหนึ่งตัวเป็น 13.6 eV -น้อยกว่าหนึ่งในล้านของ 17.6 MeV ที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-ไอโซโทป (D-T) ที่ได้แสดงในแผนภาพทางขวา (หนึ่งกรัมของสารจะปล่อย 339 GJ ของพลังงาน) ปฏิกิริยาการหลอมมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันหลายเท่า ปฏิกิริยาการหลอมจะผลิตพลังงานต่อหน่วยของมวลมากกว่าอย่างมากแม้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งโดยทั่วไปจะมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาการหลอมแต่ละครั้ง และปฏิกิริยาทั้งสองแบบยังมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาทางเคมีหลายล้านเท่า มีแต่การแปลงโดยตรงของมวลไปเป็นพลังงานเท่านั้นที่มีพลังต่อหน่วยของมวลมากกว่าการหลอมนิวเคลียส เช่นที่เกิดจากการชนกันแบบทำลายล้างของสสารและปฏิสสาร

การหลอมนิวเคลียสในดวงดาว

กระบวนการหลอมที่สำคัญที่สุดในธรรมชาติเป็นสิ่งที่ให้พลังงานกับดวงดาว ในศตวรรษที่ 20 มีการตระหนักว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียสเป็นตัวกำหนดอายุขัยของดวงอาทิตย์และดาวอื่น ๆ โดยเป็นแหล่งที่มาของความร้อนและแสงสว่าง การหลอมของนิวเคลียสทั้งหลายในดาวดวงหนึ่งเริ่มต้นจากความอุดมสมบูรณ์ของไฮโดรเจนและฮีเลียมในช่วงแรก เกิดเป็นพลังงานและการสังเคราะห์นิวเคลียสขึ้นใหม่เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการหลอมนั้น ผู้ผลิตพลังงานหลักในดวงอาทิตย์เป็นการหลอมของไฮโดรเจนก่อตัวเป็นก๊าซฮีเลียมซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิแกนกลางของดวงอาทิตย์ที่ 14 ล้านเคลวิน ผลสุทธิคือการหลอมรวมของสี่โปรตอนกลายเป็นหนึ่งอนุภาคแอลฟาพร้อมกับการปลดปล่อยโพสิตรอนสองตัวและนิวตริโนสองตัว (ซึ่งเปลี่ยนสองโปรตอนไปเป็นนิวตรอน) และพลังงาน ห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่แตกต่างกันเข้ามามีส่วนร่วม ขึ้นอยู่กับมวลของดาว สำหรับดาวขนาดดวงอาทิตย์หรือเล็กกว่าห่วงโซ่โปรตอน-โปรตอนจะเป็นปฏิกิริยาหลัก ในดาวที่หนักกว่า วัฏจักร CNO (อังกฤษ: Carbon Nitrogen Oxigen Cycle) มีความสำคัญมากกว่า
เมื่อดาวใช้ขึ้นส่วนที่สำคัญของไฮโดรเจนของมันหมดไปเรื่อย ๆ มันก็เริ่มที่จะสังเคราะห์ธาตุที่หนักกว่าโดยเป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบดารา (อังกฤษ: stellar nucleosynthesis) อย่างไรก็ตามธาตุที่หนักที่สุดจะมีการสังเคราะห์โดยการหลอมที่เกิดขึ้นเมื่อดาวที่มีมวลขนาดใหญ่มากกว่าผ่านการซูเปอร์โนวาที่มีความรุนแรงในตอนท้ายของชีวิตของมัน กระบวนการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบซูเปอร์โนวา (อังกฤษ: supernova nucleosynthesis)