“พลังงาน” เป็นสิ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสรรพสิ่งในโลก การใช้ชีวิตประจำวันของมวลมนุษยชาติล้วนมีความเกี่ยวพันกับพลังงานทั้งสิ้น มนุษย์รู้จักการใช้พลังงานมานานตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานจากน้ำ พลังงานจากลม ถ่านหิน น้ำมันและก๊าซ ฯลฯ

พลังงานเป็นสิ่งจำเป็นอย่างมากของมนุษย์ และเมื่อโลกยิ่งพัฒนามากขึ้น ความต้องการใช้พลังงานก็มีมากขึ้นตามลำดับ รวมทั้งพลังงานเป็นสิ่งจำเป็นในการขับเคลื่อนกลไกต่างๆ ในการสร้างความเติบโตทางเศรษฐกิจและสังคมของแต่ละประเทศ ดังนั้น พลังงานจึงถูกนำมาใช้อย่างมากมายมหาศาล ผลกระทบที่ตามมาคือ วิกฤตด้านพลังงาน เนื่องจากแหล่งพลังงานหลักที่ใช้กำลังจะหมดไป และผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมจากการเผาผลาญเชื้อเพลิง ทั่วโลกจึงได้หันมาให้ความสำคัญกับการวิจัยพัฒนาเทคโนโลยีในการผลิตพลังงานสะอาด ในขณะเดียวกันก็มีความยั่งยืนควบคู่กันไปด้วย

ในปัจจุบันทั่วโลกมีอัตราการใช้พลังงานจากฟอสซิลกว่าร้อยละ 86 และร้อยละ 6 จากพลังงานนิวเคลียร์ ส่วนที่เหลืออีกเล็กน้อยเป็นพลังงานหมุนเวียน อาทิ น้ำ ลม แสงอาทิตย์ พลังงานความร้อนจากใต้พิภพ ฯลฯ

ล่าสุด ประเทศจีน โดย สถาบันพลาสมาฟิสิกส์ (Institute of Plasma Physics of Chinese Academy of sciences : ASIPP) ซึ่งตั้งอยู่ที่เมืองเหอเฟ่ย์ มณฑลอานฮุยประสบผลสำเร็จในการทดลองเดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันหรือเครื่องโทคาแมคซึ่งเป็นการจำลองปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งเกิดตามธรรมชาติบนดวงอาทิตย์ให้เกิดขึ้นบนโลก

ผลการทดลองเดินเครื่องโทคาแมคครั้งนี้สร้างให้เกิดพลาสมาที่ความร้อนสูงถึง 70 ล้านองศาเซียลเซียส เป็นระยะเวลา 1,056 วินาที หรือราว 17 นาที ซึ่งถือเป็นสถิติโลกใหม่ที่สามารถเดินเครื่องได้นานที่สุดตั้งแต่มีการทดลองขึ้น ซึ่งเมื่อปีที่แล้วทาง ASIPP ได้ทำทดลองเดินเครื่องโทคาแมคได้พลาสมาที่พลังงานความร้อนสูงสุด 120 ล้านองศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 101 วินาที การทดลองดังกล่าวจึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นของนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาและทดลองด้านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันทั่วโลก

รศ.ดร.ธวัชชัย อ่อนจันทร์ ผู้อำนวยการสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ สทน. เปิดเผยว่า สทน.มีแผนการวิจัยและพัฒนาการใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน ภายใต้การสนับสนุนของกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์วิจัยและนวัตกรรม มหาวิทยาลัยชั้นนำในไทยอีก 15 แห่ง และการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ให้การสนับสนุนงบประมาณ และสทน.ได้ลงนามบันทึกความเข้าใจกับสถาบันพลาสมาฟิสิกส์ ประเทศจีนหรือ ASIPP มาตั้งแต่ปี 2560 โดยมีขอบข่ายความร่วมมือในการพัฒนาห้องปฏิบัติการเพื่อการทำวิจัยด้านพลาสมา และการพัฒนาห้องปฏิบัติการด้านนิวเคลียร์ฟิวชัน

จากความร่วมมือดังกล่าว ASIPP ได้มอบเครื่องโทคาแมค HT-6M ให้ สทน. อย่างเป็นทางการเมื่อปี 2561 หลังรับมอบเครื่องโทคาแมค สทน.ได้วางแผน
การทำงานเป็น 3 ระยะได้แก่ ระยะแรก เป็นการถอดแบบและศึกษาองค์ประกอบของเครื่องโทคาแมคและอุปกรณ์ประกอบต่างๆ รวมถึงการก่อสร้างอาคาร เพื่อเตรียมการติดตั้งเครื่องโทคาแมค ในระยะที่ 2 สทน.จะส่งเจ้าหน้าที่เข้ารับการถ่ายทอดองค์ความรู้ พร้อมร่วมออกแบบและพัฒนาระบบต่างๆ ของเครื่องโทคาแมคและประกอบเครื่องจนสามารถเดินเครื่องได้ และระยะที่ 3 เป็นการย้ายเครื่องกลับมาประเทศไทยซึ่งคาดว่าจะแล้วเสร็จในปี 2566

และเมื่อวันที่ 7 มิถุนายน 2564 ที่ผ่านมา สทน. ได้ลงนามกับ ASIPP เพื่อที่จะพัฒนาระบบสนับสนุนต่างๆ ที่ประเทศจีน จนเมื่อเครื่องทำงานได้ก็จะทำการถอดประกอบและขนส่งมาติดตั้ง ณ สทน. องครักษ์ ปัจจุบันการดำเนินการอยู่ในระยะที่ 2 ในส่วนการก่อสร้างอาคารสำหรับติดตั้งเครื่องโทคาแมคนั้น ความคืบหน้าของการก่อสร้าง และอุปกรณ์สำหรับอาคารห้องปฏิบัติการ คืบหน้าไปแล้วร้อยละ 70และคาดว่าจะแล้วเสร็จในกลางปี 2565 นี้

สำหรับชื่อของเครื่องโทคาแมคที่ไทยพัฒนาร่วมกับ ASIPP คือ Thai Tokamak-1 หรือTT-1 คือ ซึ่งเมื่อเดินเครื่อง คาดว่าอุณหภูมิของพลาสมาในระยะแรกจะอยู่ที่ประมาณ 1 แสนองศาเซลเซียส และ สทน. มีแผนพัฒนาระบบให้ความร้อนเสริมแก่พลาสมาด้วยวิธีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อยกระดับอุณหภูมิของพลาสมาไปสู่ระดับ 1 ล้านองศาเซลเซียส

และในอนาคตจะมีการออกแบบและสร้างเครื่องโทคาแมคเครื่องใหม่ขึ้นมาเองโดยจะใช้เทคโนโลยี Superconducting magnet เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงขึ้นสำหรับกักพลาสมาและการให้ความร้อนเสริมด้วยวิธีการต่างๆ ซึ่งคาดว่าจะสามารถสร้างพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงในระดับ 10 ล้านองศาเซลเซียส ได้เครื่องโทคาแมคที่ติดตั้งที่ สทน. จะใช้สำหรับการศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน เพื่อใช้เป็นพลังงานสะอาดในการผลิตกระแสไฟฟ้าในอนาคต และการนำพลาสมาไปใช้ในด้านอุตสาหกรรม การเกษตร และด้านการแพทย์

สำหรับเครื่องโทคาแมค เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลาสมาพลังงานสูงโดยใช้สนามแม่เหล็ก และเป็นเครื่องมือหลักอย่างหนึ่งที่ใช้ควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน มีการใช้มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1975ในสหภาพโซเวียต โดยเครื่องที่มีชื่อว่า T-10สำหรับในปัจจุบันนั้น เครื่อง JET ในอังกฤษเป็นเครื่องโทคาแมคที่สร้างพลังงานจากฟิวชันได้สูงสุด (ที่ 30 MW)

นอกจากนี้ ประเทศสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ฝรั่งเศส โปรตุเกสเกาหลีใต้ และจีน ก็เป็นตัวอย่างของกลุ่มประเทศที่มีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับโทคาแมค อย่างจริงจัง

สสารในสภาวะปกติจะอยู่ในลักษณะของโมเลกุลซึ่งประกอบไปด้วยอะตอม อะตอมเหล่านี้มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์เนื่องจากมีประจุบวกของโปรตอนและประจุลบของอิเล็กตรอนอยู่ด้วยกันในจำนวนที่เท่ากัน พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่มีไอออนบวกกับอิเล็กตรอนที่แยกกันอยู่ส่วนหนึ่ง จึงมีประจุอยู่ทั่วพลาสมาโทคาแมคมีลักษณะรูปทรงคล้ายโดนัท พลาสมาจะวิ่งเป็นทางไขว้แบบ helix (นึกภาพเส้นลวดของสปริง นั่นคือรูปร่างของ helix) หลักการในการควบคุมพลาสมานี้คือการใช้แรงแม่เหล็ก โดยมีการควบคุมในสองแนว คือวงรอบยาวที่มีทรงคล้ายห่วงยาง(toroidal) และรอบขวาง (poloidal) แสดงให้เห็นถึงแรงทางแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็ก

การจะสร้างฟิวชันให้เกิดในพลาสมาได้นั้น ต้องให้พลังงานที่สูง โดยมีวิธีการหลัก ๆ ในปัจจุบันคือ ใช้กระแสวิ่งผ่าน (ohmic heating) โดยใช้สมบัติการเป็นตัวนำไฟฟ้าของพลาสมา คล้ายกับการที่อิเล็กตรอนสร้างความร้อนในสายไฟ ใช้ลำอนุภาคไร้ประจุ (neutral beam injection) วิ่งเข้าชนกับพลาสมาและให้ถ่ายเทพลังงานให้กับพลาสมา ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (radio frequency heating) โดยคลื่นนี้มีพลังงานในช่วงคลื่นวิทยุ โดยอนุภาคมีประจุในพลาสมา จะถูกเร่งและเข้าชนกับอนุภาคตัวอื่นๆ

การควบคุมพลาสมาพลังงานสูงไม่ใช่สิ่งง่าย เนื่องจากมีความแปรปรวนที่อาจเกิดขึ้นได้ เช่นการเสียอนุภาคหรือพลังงานออกไปจากแกนกลาง (core) ของพลาสมา ซึ่งทำให้ความหนาแน่นของพลังงานของพลาสมาตกลง ทำให้การเกิดฟิวชันเกิดได้ไม่ต่อเนื่องหรือไม่เกิดเลย ซึ่งการศึกษาปรากฏการณ์ crash เช่นนี้ รวมถึงตำแหน่งซึ่งการส่งถ่ายพลังงานออกไปยังขอบพลาสมา (boundary)ยังเป็นเรื่องที่ยังอยู่ในช่วงการวิจัยอย่างต่อเนื่องในหลายประเทศ ผลที่ได้มาจะช่วยให้เราเข้าใจพลาสมามากขึ้น ทำให้เราทราบว่าจะต้องทำเช่นไรให้พลาสมามีความเสถียรสูงสุด เพื่อทำให้โทคาแมคควบคุมพลาสมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องโทคาแมคเป็นความหวังของการสร้างฟิวชันให้เกิดขึ้นบนโลก เพื่อสร้างพลังงานสำหรับอนาคต เมื่อเชื้อเพลิงชนิดอื่นมีราคาแพงมากขึ้น หรือกระทั่งหมดไป โดยเครื่องโทคาแมคขนาดใหญ่ อย่างเช่น เครื่อง ITER ที่กำลังก่อสร้างในประเทศฝรั่งเศส โดยใช้ความรู้และเทคโนโลยีจากเครื่องโทคาแมครุ่นก่อนหน้านี้ เช่น JT-60 ของญี่ปุ่น JET ของสหราชอาณาจักรเครื่อง TFTR ของสหรัฐอเมริกา และเครื่อง EAST ของจีน สามารถสร้างพลาสมาที่มีความร้อนที่สูงมาก จากการนำดิวเทอเรียมและทริเทียม (ไฮโดรเจนที่มีนิวตรอน 1 และ 2 อนุภาค ตามลำดับ) มารวมกัน และมีพลังงานจากฟิวชันประมาณ 10 เท่าของพลังงานที่ป้อนเข้าไป โดยตามการคำนวณของ ITER พลังงานที่คนคนหนึ่งใช้ทั้งชีวิตนั้น สามารถนำมาจากเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมเพียง 10 กรัมและทริเทียมเพียง 15 กรัม เท่านั้น

ดังนั้น ฟิวชัน จึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจที่สุดทางหนึ่งสำหรับพลังงานแห่งอนาคต และโทคาแมคก็น่าจะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการนำพลังงานจากฟิวชันมาใช้ได้จริง