พลังงานจากนิวเคลียร์ฟิชชัน |
ดร. อุดร ยังช่วย
งานปฏิบัติการความปลอดภัย
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
|
หลังจากการค้นพบนิวตรอนโดยเจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ในปี ค.ศ. 1932 แล้ว การศึกษาและพัฒนาสาขานิวเคลียร์ฟิสิกส์ได้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงต้นปี ค.ศ. 1930-1940 โดยได้มีการทดลองศึกษาหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับนิวตรอน เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) และทีมงานที่อิตาลีได้ใช้นิวตรอนทำปฏิกิริยากับนิวไคลด์ต่าง ๆ และศึกษาการเกิดนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เกิดจากการจับยึดนิวตรอน พบว่านิวไคลด์กัมมันตรังสีเหล่านี้จะสลายกัมมันตรังสีด้วยการปลดปล่อยรังสีบีตา ทั้งนี้เนื่องจากนิวไคลด์พยายามปรับนิวตรอนส่วนเกิน ด้วยการเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอน ผลลัพธ์ที่ได้คือ นิวเคลียสจะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งหน่วยและ Fermi ได้รับรางวัลโนเบล (Noble Prize) ในปี ค.ศ. 1938 จากการค้นพบนี้ ในปี ค.ศ. 1939 ออทโท ฮาน และฟริทซ์ ชตราสส์มาน (Otto Hahn and Fritz Strassman) ค้นพบว่าหากนิวไคลด์ยูเรเนียมจับยึดนิวตรอน จะเกิดความไม่เสถียรอย่างมาก และจะแบ่งแยกออกเป็นสองส่วนเรียกว่า ฟิชชัน ได้ชิ้นส่วนการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission fragments) สองส่วนเกือบเท่ากันดังรูปที่ 1. |
| |
|
| |
รูปที่1. หลักการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันเบื้องต้น |
|
การเกิดฟิชชันในเบื้องต้นเกิดจากการแข่งขันกันระหว่างแรงนิวเคลียร์ (แรงยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออน) และแรงผลักคูลอมบ์ของนิวไคลด์หนัก โดยพลังงานยึดเหนี่ยวรวมเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนกับเลขมวล (A) ในขณะที่พลังงานผลักคูลอมบ์ของโปรตอนเพิ่มขึ้นเร็วกว่า ด้วยสัดส่วนทวีคูณของเลขเชิงอะตอม (Z2) หากเราสมมติให้กระบวนการเกิดนิวไคลด์หนัก (heavy fragment) คล้ายกับการสลายให้อนุภาคแอลฟา ดังนั้นนิวไคลด์นี้จะอยู่ด้านบนของ potential well ซึ่งมีค่าของกำแพงคูลอมบ์ (Coulomb barrier) ไม่มาก และง่ายต่อการทะลวงผ่าน ดังนั้น ฟิชชันสามารถเกิดขึ้นเองได้ในธรรมชาติ หรืออาจใช้พลังงานของนิวตรอนและโปรตอน ที่มีพลังงานต่ำก็ได้
หากเราพิจารณาพลังงานกระตุ้นที่ได้จากยูเรเนียม (U-235) รับนิวตรอน จากนั้นจะอยู่ในรูป U*-236 (U-236 ในสถานะถูกกระตุ้น) พลังงานกระตุ้นสามารถหาได้ดังนี้ |
| |
E ex |
= |
m (U*-236) - m (U-236) |
(1) |
| |
E ex |
= |
(236.052589 u 236.045563 u) 931.502 MeV/u |
|
| |
E ex |
= |
6.5 MeV |
|
|
(u คือ หน่วยมวลอะตอม หรือ atomic mass unit )
พลังงานกระตุ้นจำนวนนี้ มีมากกว่ากำแพงคูลอมบ์ของ U-236 (6.2 MeV) ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่า U-235 สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ ถึงแม้ว่านิวตรอนที่เข้าชนจะมีพลังงานเป็นศูนย์ หากเราลองมาพิจารณานิวไคลด์ต่าง ๆ ที่ได้จากปฏิกิริยาฟิชชัน โอกาสเกิดเป็นไปตามหลักความน่าจะเป็นทางสถิติ ดังรูปที่ 2. โดยแกน X เป็นค่าเลขมวลและแกน Y เป็นเปอร์เซ็นต์ความถี่ในการเกิด ที่เลขมวลนั้น ๆ ทั้งนี้โอกาสในการฟิชชันไม่สามารถทำนายได้ แต่ต้องเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์ เช่น การอนุรักษ์พลังงาน การอนุรักษ์มวล และการอนุรักษ์อื่น ๆ ตัวอย่างของผลที่ได้จากการเกิดฟิชชันของ U-235 เช่น |
| |
U-235 + n |
===> |
Cs-141 + Rb-93 + 2n + 181 MeV |
(2) |
| |
U-235 + n |
===> |
Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 MeV |
(3) |
| |
U-235 + n |
===> |
Te-139 + Zr-94 + 3n + 197 MeV |
(4) |
|
| |
|
| |
รูปที่2. โอกาสความน่าในเกิดชิ้นส่วนการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission fragments) จาก U-235 |
|
พิจารณาพลังงานที่ปล่อยจากการเกิดฟิชชันว่าไปอยู่ที่ไหนบ้างโดยยกตัวอย่างให้ U-235 เกิดฟิชชันตามสมการ (2) โดย Rb-93 มีมวล 92.92172 u Cs-141 มีมวล 140.91949 u และ Q คือพลังงานศักย์ที่ได้ มีค่า 181 MeV แรงผลักคูลอมบ์จะแยกนิวไคลด์ที่เกิดใหม่ทั้งสองออกจากกัน จากนั้นจะมีการเปลี่ยนพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ของนิวไคลด์ที่เกิดใหม่นี้ตามสัดส่วน โดย Rb-93 จะมีพลังงานจลน์ประมาณ 66 MeV และ Cs-141 จะมีพลังงานจลน์ประมาณ 98 MeV พอกล่าวได้ว่าประมาณ 80 % ของพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิชชันจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของนิวไคลด์ที่เกิดใหม่ ส่วนพรอมต์นิวตรอน (prompt neutrons) จำนวน 2.5 นิวตรอนต่อฟิชชันจะมีพลังงานจลน์ประมาณ 5 MeV และพลังงานที่เหลือจะปล่อยออกมาในรูป รังสีบีตา แกมมา และนิวทริโน
เอกสารอ้างอิง |
- Kenneth S. Krane, Introductory to Nuclear Physics, John Wiley & Son, New York 1988
- www.atomicarchive.com/Fission/Fission1.shtml, Nuclear fission: Basics
|
| |
| |
