นิวเคลียร์ฟิวชัน
เนบิวลามีกลุ่มแก๊สซึ่งมีมวลและความหนาแน่นไม่เท่ากัน ดังนั้นดาวฤกษ์แต่ละดวงที่เกิดขึ้นมาใหม่จึงมีมวลตั้งต้นไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้ดาวแต่ละดวงมีปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แก่นกลางและสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน เมื่อโปรโตสตาร์ที่มีมวลตั้งต้นเท่ากับดวงอาทิตย์ พัฒนาเป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่
แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลแก๊สกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน “กระบวนการลูกโซ่โปรตอน” (Proton-Proton Chain หรือ P-P chain) หลอมรวมอะตอมของธาตุไฮโดรเจน (เลขอะตอม 1) ให้เป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม (เลขอะตอม 2) และแผ่รังสีแกมมาออกมา โดยเขียนเป็นสมการข้างล่าง โดยสรุปรวมได้ว่า ไฮโดรเจน 4 อะตอม หลอมรวมให้เกิดฮีเลียม 1 อะตอม
เนื่องจากมวลของโปรตอน 1 อนุภาค = 1.6726 x 10-27 kg
ดังนั้นโปรตอน 4 อนุภาค มีมวล 6.693 x 10-27 kg
แต่มวลของฮีเลียม 1 อะตอม = 6.645 x 10-27 kg
ดังนั้น มวลที่หายไป = (6.693 x 10-27) – (6.645 x 10-27) kg = 0.048 x 10-27 kg
มวลที่หายไปเปลี่ยนเป็นโฟตอนของรังสีแกมมา ซึ่งมีพลังงานคิดได้ด้วยสูตรมวล-พลังงาน E = mc2 ของไอน์สไตน์ดังนี้
E = พลังงาน มีหน่วยเป็นจูล (Joule)
m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
c = ความเร็วแสง = 3 x 108 เมตร/วินาที (m/s)
E = mc2
= (0.048 x 10-27 kg)(3 x 108 m/s)2
= 4.32 x 10-12 Joules
จากสมการข้างบน เราสามารถสรุปได้ว่า ไฮโดรเจน 1 kg เปลี่ยนเป็นฮีเลียม 0.993 kg มวล 0.007 kg ที่หายไปเปลี่ยนเป็นพลังงาน 6.3 x 1014 จูล หรือเทียบเท่าการเผาถ่านหิน 20,000 ตัน และเมื่อไฮโดรเจนบนดาวหลอมรวมเป็นฮีเลียมหมดแล้ว ฮีเลียมบนดาวก็จะหลอมรวมกันเป็นธาตุที่หนักกว่าต่อไป
ในกรณีที่โปรโตสตาร์มีมวลตั้งต้นมากกว่าดวงอาทิตย์ 1.3 เท่า แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลแก๊สกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงกว่า 16 ล้านเคลวิน จุดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่รุนแรงกว่า เรียกว่า “วัฏจักร CNO” (Carbon – Nitrogen – Oxygen Cycle) ทำให้เกิดธาตุคาร์บอน (เลขอะตอม 6), ไนโตรเจน (เลขอะตอม 7) และ ออกซิเจน (เลขอะตอม 8) ดังสมการข้างล่าง
นิวเคลียร์ฟิวชันเป็นกระบวนการหลอมรวมธาตุเบาให้เกิดธาตุหนัก การฟิวชันธาตุหนักต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าธาตุเบา ดังนั้นมวลตั้งต้นของโปรโตสตาร์จะต้องมีมากพอที่จะสร้างแรงโน้มถ่วงและความกดดันให้แก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดฟิวชัน และปฏิกริยาที่เกิดขึ้นจะมีความรุนแรงและเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว ดังนั้น ดาวฤกษ์มวลมากจึงมีปฏิกริยาที่รุนแรง มีอุณหภูมิสูง และมีอายุขัยสั้นกว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันดำเนินต่อเนื่องไปจนกระทั่งเกิดธาตุเหล็ก (เลขอะตอม 26) เหล็กเป็นธาตุสุดท้ายของปฏิกิริยาฟิวชัน เหล็กไม่สามารถหลอมรวมให้เกิดธาตุหนักกว่าได้ (เนื่องจากค่ามวลต่ออนุภาคนิวเคลียร์จะเพิ่มขึ้น) ธาตุที่หนักกว่าเหล็กเกิดขึ้นจากการระเบิดของดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 8 เท่าขึ้นไป ซึ่งเรียกว่า “ซูเปอร์โนวา” (Supernova)
สแตนฟอร์ด วูสเลย์ และ โทมัส วีฟเวอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา ได้สร้างแบบจำลองการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวล 25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ได้ผลสรุปตามตารางที่ 1 พวกเขาพบว่า ดาวที่มีมวลมากจะเผาผลาญเชื้อเพลิงภายในอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาฟิวชันธาตุหนักมีอัตราเร็วกว่าธาตุเบา ดาวมีชีวิตอยู่ในลำดับหลักนานเพียง 7 ล้านปี หลังจากนั้นจะเผาไหม้ฮีเลียมหมดภายใน 70,000 ปี เผาไหม้คาร์บอนหมดภายใน 600 ปี เผาไหม้ออกซิเจนภายใน 6 เดือน และจบสิ้นด้วยการฟิวชันซิลิกอนให้กลายเป็นเหล็ก โดยใช้เวลาเพียง 1 วัน หลังจากนั้นแก่นของดาวจะยุบตัวและระเบิดอย่างรวดเร็ว
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (fusion reaction) เกิดจากการรวมกันของนิวเคลียสของธาตุที่มีน้ำหนักเบาเพื่อให้เกิดธาตุใหม่ที่มีน้ำหนักมากขึ้น ปฏิกิริยาการรวมตัวกันนี้จะปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลออกมา เรียกว่า พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน (fusion energy) ซึ่งเป็นกระบวนการตรงข้ามกับปฏิกิริยาฟิชชัน ที่มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการทำให้นิวเคลียสของอะตอมของธาตุหนักแตกออก ซึ่งมีการใช้งานในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบัน อย่างไรก็ดีโอกาสการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบนโลกนั้นต่ำมาก การจะทำให้นิวเคลียสที่กลายเป็นไอออนประจุบวกเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าระหว่างอะตอมและเกิดการหลอมรวมกันได้ ต้องอยู่ในสภาวะที่พลังงาน แรงดัน และอุณหภูมิสูงมากพอ สำหรับสภาวะบนโลกต้องให้อุณหภูมิสูงกว่า 100 ล้านองศาเคลวิน ในสภาวะร้อนจัดเช่นนี้จะทำให้ส่วนผสมของธาตุเบา เช่น ดิวทีเรียมและทริเทียมที่อยู่ในสถานะพลาสมา สามารถบีบอัดหลอมรวมกันและปลดปล่อยพลังงาน ปฏิกิริยาฟิวชันสามารถเกิดจากการรวมตัวกันขององค์ประกอบธาตุต่างๆมากมาย แต่นักวิจัยสนใจปฏิกิริยาฟิวชันดิวเทอเรียม – ทริเทียม (DT) เป็นพิเศษ เนื่องจากผลิตพลังงานได้จำนวนมากและเกิดในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าองค์ประกอบอื่นๆ
การควบคุมกระบวนการฟิวชันบนโลก มีความแตกต่างจากปฏิกิริยาฟิวชันที่เกิดขึ้นที่ดวงอาทิตย์ โดยการเลือกใช้อะตอมไฮโดรเจน ที่มีน้ำหนักมากกว่าไฮโดรเจนปกติ คือ ดิวทีเรียม (Deuterium D) และตริเตียม (Tritium T) ซึ่งเกิดปฏิกิริยาได้ดีกว่า ไฮโดรเจนโดยทั่วไป มีเพียง 1 โปรตอนและ 1 อิเล็กตรอน เรียกว่า Protium ซึ่งเป็นรูปแบบของไฮโดรเจนปกติ ที่ไม่มีนิวตรอน ขณะที่ Deuterium มี 1 นิวตรอน และ Tritium มี 2 นิวตรอน เมื่อทำให้นิวเคลียสของ Deuterium กับ Tritium หลอมรวมกัน จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้วแยกออกจากกัน กลายเป็นนิวตรอนกับนิวเคลียสของฮีเลียม ซึ่งมี 2 โปรตอน กับ 2 นิวตรอน และให้พลังงานส่วนเกินจากปฏิกิริยาออกมา โดยส่วนใหญ่จะเป็นพลังงานจลน์ของนิวตรอนอิสระที่เกิดขึ้น เนื่องจากอนุภาคที่เกิดจากปฏิกิริยามีความเสถียรมากกว่า
ฟิวชันจะเกิดขึ้นได้ เมื่อมีพลังงานหรืออุณหภูมิสูงมากพอ สำหรับสภาวะบนโลก ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 100 ล้านเคลวิน ในสภาวะที่ร้อนจัดขนาดนี้ จะทำให้ส่วนผสมของก๊าซดิวทีเรียม (Deuterium) กับตริเตียม (Tritium) อยู่ในสถานะของพลาสมา (plasma) ซึ่งอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุ แยกออกจากนิวเคลียส ทำให้มีประจุเรียกว่า ไอออน (ion )
พลาสมาเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงมาก ทำให้อิเล็กตรอน หลุดจากนิวเคลียสของอะตอม
การที่จะทำให้ไอออนที่มีประจุบวกหลอมรวมกันได้ ต้องใช้อุณหภูมิหรือพลังงานสูงมากพอที่จะเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าได้ ในการควบคุมพลังงานของฟิวชัน นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องหาวิธีที่จะควบคุมพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงมากนี้ให้ได้ก่อน ในปัจจุบัน มีการนำพลาสมาที่มีอุณหภูมิต่ำกว่านี้มาใช้งานอย่างแพร่หลายแล้วในด้านอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการผลิตสารกึ่งตัวนำ แต่การควบคุมพลาสมาอุณหภูมิสูงในระดับของฟิวชัน ยังเป็นงานท้าทายความสามารถทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ในการที่จะทำความร้อนให้พลาสมามีอุณหภูมิสูงเกิน 100 ล้านเคลวิน รวมทั้งการหาวิธีบีบลำพลาสมา ให้มีความหนาแน่นมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้อย่างต่อเนื่อง
พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ให้ออกมากมากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยาเคมีมาก เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส สูงกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนมาก
