๒.๑. พลังงานนิวเคลียร์ฟิสชัน

       พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชัน เกิดจากการระดมยิ่ง 92U235 ด้วยนิวตรอน ทำให้เกิดการแตกตัวออกที่ความเร็วต่าง ๆ ได้สองไอโซโตปที่มีเลขอะตอมต่ำกว่าคือ แบเรียม และคริปทอน กระบวนการนี้จะคายพลังงานออกมามากมายมหาศาล

พลังงานเฉลี่ยที่ได้จากปฏิกริยาฟิสชันแต่ละครั้งเท่ากับ 3.2x10-4 เอิร์ก หรือ 200 เม็กกะอิเล็กตรอนโวลต์ (mega electron volt = Mev.) หรือ 7.65x10-12 คาลอรี ถ้าเปรียบเทียบการเผาไหม้ของคาร์บอน 1 กรัม ซึ่งคายความร้อยออกมาเท่ากับ 7.83 กิโลคาลอรี กับพลังงานความร้อนที่คายโดย U235 1 กรัม เท่ากับ 1.96x107 กิโลคาลอรี จะเห็นว่าเป็นปริมาณที่มากกว่ามหาศาลทีเดียว

เนื่องจากการแตกตัวของ U235 หนึ่งไอโซโตป ให้นิวตรอน 2-3 ตัว และโดยที่นิวตรอนเป็นสารตั้งต้นหนึ่งในกระบวนการฟิสชัน ดังนั้นทันทีที่เกิดปฏิกิริยาฟิสชันขึ้น นิวตรอนที่ให้ออกมาจะไปทำให้ U235 2-3 ตัว แตกตัวออกให้นิวตรอนเพิ่มมากขึ้นอีกเป็น ปฏิกิริยาลูกโซ่ไปเรื่อย ๆ ดังแสดงในรูปที่ 1 จำนวนการแตกตัวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและคายความร้อนออกมาอย่างมหาศาล ถ้าไม่มีการควบคุม พลังงานที่สะสมไว้จะดันให้เกิดการระเบิด นั่นก็คือ พื้นฐานของระเบิดปรมาณูนั่นเอง ดังนั้นจึงต้องมีวิธีการควบคุมพลังงานความร้อนที่คายออกมา เครื่องมือที่ออกแบบเพื่อให้ปฏิกิริยาฟิสชันสามารถเกิดขึ้นได้ และขณะเดียวกันก็สามารถควบคุมปริมาณความร้อนที่คายออกมาได้คือ เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor)

กระบวนการฟิสชันที่เกิดกับ 92U235 มีหลายกระบวนการด้วยกันแต่ละกระบวนการต่างให้ผลิตผลที่แตกต่างกัน จำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมา อาจเป็นหนึ่ง สอง หรือสามก็ได้ ตัวอย่างกระบวนการแตกตัวของ     92U235         โดยนิวตรอนมีดังนี้

92U235 + 0n1 – 56Ba137 + 36Kr97 + 20n1

92U235 + 0n1 – 56Ba137 + 36Kr94 + 30n1

92U235 + 0n1 – 38Ba90 + 54Xe143 + 30n1

92U235 + 0n1 – 35Br90 + 57La143 + 30n1

 
๒.๒. พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน

พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน เกิดจากการนำไอโซโตป 2 ไอโซโตป ที่มีน้ำหนักอะตอมต่ำมาหลอมเข้าด้วยกัน เกิดผลิตผลใหม่ที่มีน้ำหนักเพิ่มขึ้น ขณะเดียวกันก็คายความร้อน หรือพลังงานอันมหาศาลออกมา ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยานี้เรียกว่า เทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear) คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 นิวเคลียส รวมตัวกันเป็นฮีเลียม 1 นิวเคลียส แต่ปฏิกิริยาฟิวชันที่มนุษย์ทำขึ้นมา คือ การรวมตัวกันของดิวทีเลียม 2 อะตอม เป็นฮีเลียม 1 อะตอม ซึ่งสามารถทำได้ง่ายใช้เวลาน้อย

การนำเอานิวเคลียสมาหลอมเข้าด้วยกัน จะต้องใช้พลังงานกระตุ้นสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักกันระหว่างนิวเคลียส ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิสูงมากประมาณสองร้อยล้านองศาเซลเซียส (อุณหภูมิโดยเฉลี่ยของดวงอาทิตย์เท่ากับสี่ล้านองศาเซลเซียส) แต่พลังงานที่คายออกมาต่อหน่วยมวลในกระบวนการฟิวชันมากกว่ากระบวนการฟิสชันมาก ดังนั้น ปฏิกิริยาฟิสชันจึงเปรียบเสมือนปฏิกิริยาชนวน ซึ่งเมื่อเกิดแล้ว ทำให้ปฏิกิริยาอื่น ๆ เกิดตามมาเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ และเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง ถ้าขาดการควบคุมการนำเอาพลังงานจากปฏิกิริยาฟิวชันมาใช้เพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้า ถ้าทำได้จะเป็นวิธีที่ดีกว่ากระบวนการฟิวชันที่ใช้ในปัจจุบัน เพราะได้พลังงานความร้อนมากกว่า ผลิตผลจากกระบวนการฟิวชันไม่เป็นกัมมันตรังสี ไม่มีปัญหาเรื่องกากกัมมันตรังสี แต่ที่เป็นปัญหาคือ ไม่สามารถหาห้องหรือถังที่ใช้ทำปฏิกิริยา ซึ่งสามารถทนต่อความร้อนที่สูงสองร้อยล้านองศาเซลเซียสได้

 
๒.๓. พลังงานนิวตรอน

หลังจากที่เกิดปฏิกิริยาฟิสชัน จะมีสารใหม่ที่เกิดขึ้นที่น้ำหนักไม่เท่ากัน เช่น แบเรียม (Ba), คริปทอน (Kr), สทรอนเชียม (Sr), ซีนอน (Xe), โบรมีน (Br), แลนทานัม (La) เป็นต้น สารต่าง ๆ เหล่านี้เรียกว่า ฟิสชันแฟรกเมนต์ (fission fragment) และจะมีนิวตรอน 2-3 ตัว ถูกปล่อยออกมามีความเร็วต่าง ๆ กัน ฟิสชันแฟรกเมนต์จะถูกเปลี่ยนไปเป็นไอโซโตปชนิดอื่น เนื่องจากการลดลงของรังสี กลายเป็นฟิสชันโปรดัค (fission produxt) ซึ่งเป็นของเสีย และยังมีกัมมันตรังสีที่เป็นอันตรายอยู่จะต้องมีระบบการกำจัดที่ดี

นิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาภายหลังเกิดปฏิกิริยาฟิสชันจะมีความเร็วโดยเฉลี่ยประมาณ 2.9979x109 ชม./วินาที ซึ่งให้พลังงานจลน์สูงมาก เมื่อมันชนกับนิวเคลียสของวัสดุที่ทำเชื้อเพลิง ความเร็วจะลดลง ความเร็วของนิวตรอนแบ่งเป็น 3 ระดับ คือ ความเร็วสูง ปานกลาง และต่ำ พลังงานจลน์ต่ำสุดที่นิวตรอนมีคือ พลังงานที่ใช้ในการไปรวมกับอะตอมและโมเลกุล

สารที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติคือ ยูเรเนียม (U238) และทอเรียม (TH232) มักใช้ไม่ค่อยได้ผล เนื่องจากต้องใช้นิวตรอนที่มีความเร็วสูงมาก จึงจะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง และนิวตรอนส่วนมากาจะถูกนิวเคลียสของ U238 จับไว้ ทำให้ไม่เกิด  ปฏิกิริยาต่อไป

ดังนั้นจึงต้องมีการเตรียมสารเชื้อเพลงใหม่ โดยการเปลี่ยนไอโซโตป หรือโครงสร้างของสารเชื้อเพลิงธรรมชาติ U238 ให้เป็น U232 , U235 หรือ พลูโทเนียม (Pu239) เพราะไอโซโตป เหล่านี้สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้อย่างต่อเนื่อง ใช้ได้กับนิวตรอนที่มีความเร็วทุกระดับ โดยเฉพาะถ้านิวตรอนมีความเร็วต่ำลง โอกาสที่จะทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมก็มีมากขึ้น

 

๒.๔. สารหน่วงนิวตรอน (moderator)

การที่จะทำให้นิวตรอนมีความเร็วลดลง เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้ดี ทำได้โดยแบ่งเชื้อเพลิงออกมาเป็นส่วนเล็ก ๆ เช่น เป็นแท่ง เป็นแผ่น หรือทรงกระบอกกลวง เป็นต้น แล้วใส่สารลงไปในช่องว่างที่แบ่งเป็นส่วนเล็ก ๆ นี้ สารนี้คือ สารหน่วงนิวตรอน (moderator)

นิวตรอนที่แตกออกมาจากปฏิกิริยาฟิสชัน จะออกจากเชื้อเพลิงเข้าไปในสารหน่วงนิวตรอน ความเร็วจะช้าลง เมื่อชนกับอะตอม หรือนิวเคลียสของสารที่ใช้เป็นตัวหน่วง แล้วกลับเข้าไปทำปฏิกิริยา หรือชนกับ U235 ใหม่ และมีนิวตรอนบางตัวที่มีความเร็วสูง ถูกจับโดย U238

สารหน่วงนิวตรอนที่ดี จะต้องทำให้นิวตรอนมีความเร็วช้าลง เมื่อชนกับนิวเคลียสของมันเพียงไม่กี่ครั้ง ดังนั้น ขนาดของนิวเคลียสของสารหน่วง ควรมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของนิวตรอน จะเห็นว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนมีขนาดประมาณเท่ากับขนาดของนิวตรอน น่าจะเป็นสารหน่วงที่ดี แต่เนื่องจากมันมีความหนาแน่นของนิวเคลียสน้อยนิวตรอนต้องเคลื่อนที่เป็นระยะทางไกลก่อนที่จะพบกับนิวเคลียสของสารหน่วง จึงไม่เหมาะที่จะนำมาใช้ ไฮโดรเจนและดิวทีเลียมที่เป็นส่วนหนึ่งในรูปของ ของเหลวและของแข็ง ใช้เป็นสารหน่วงได้ดี เช่น น้ำ, น้ำชนิดหนัก (heavy wate, D2O), ไฮโดรคาร์บอน, เชอร์โคเนียมไฮโดรด์, โพลีเอทีลีน เป็นต้น

 

เมนูบทเรียนเสริม