วัตถุประสงค์ของการใช้น้ำมวลหนักในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คืออะไร ?
What is the purpose of using heavy water in nuclear reactor?

โกมล อังกุรรัตน์
ศูนย์ไอโซโทปรังสี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          เป็นคำถามที่ค่อนข้างซับซ้อนที่จะตอบ แต่พอจะอธิบายได้พอสังเขปดังนี้คือ

          โดยพื้นฐาน น้ำมวลหนักใช้เพื่อเป็น ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (moderator) ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มันถูกใช้เพื่อลดความเร็วของของนิวตรอน ที่วิ่งตรงไปยังวัสดุที่สามารถเกิดฟิชชันได้ โดยความหมายก็คือ ตามหลักทางฟิสิกส์ โมเลกุลของตัวหน่วงถูกนิวตรอนวิ่งมาชน และมีการดูดซับพลังงานของนิวตรอนบางส่วนไว้ ทำให้นิวตรอนนั้นมีความเร็วลดลง เปรียบเทียบเหมือนกับการชนกันของลูกบิลเลียดสองลูก ส่งผลกระทบต่อกันและกัน ทำให้ลูกที่วิ่งมากระทบชลอความเร็วลง หรือทั้งสองลูกวิ่งมากระทบกัน ทำให้ความเร็วลดลงทั้งคู่ เหตุผลที่ต้องทำให้ความเร็วของนิวตรอนลดลงเพราะว่า วัสดุที่เกิดฟิชชันได้ส่วนมาก จะสามารถดูดจับ เทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutrons - 2.2 km/s) ได้ดีกว่า นิวตรอนเร็ว (fast neutrons - 14,000 km/s)

          ปัญหาในการใช้น้ำมวลเบาเป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอนก็คือ อะตอมไฮโดรเจนจะมีการดูดจับนิวตรอนไปบางส่วน จึงเป็นตัวขัดขวาง ทำให้นิวตรอนไม่สามารถวิ่งตรงไปยังวัสดุเกิดฟิชชันได้ทั้งหมด ในเมื่อจำนวนสัดส่วนของยูเรเนียม-235 ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถเกิดฟิชชันได้ มีปริมาณอยู่น้อยมาก ทั้งนี้เพราะในยูเรเนียมธรรมชาติ จะมีสัดส่วนของยูเรเนียม-235 อยู่ประมาณ 0.72% ดังนั้น จำนวนนิวตรอนที่วิ่งผ่านตัวหน่วงโดยที่ไม่มีการถูกดูดจับ ก็ยังไม่เพียงพอที่ดำรง ภาวะวิกฤต (criticality) ให้อยู่ได้ตลอด ก็คือสภาพที่ซึ่ง ปริมาณนิวตรอนที่เกิดขึ้นเท่ากับปริมาณที่หนีหายไปหรือถูกดูดจับ โดยที่ไม่ทำให้เกิดฟิชชัน จึงทำให้ปฏิกริยาลูกโซ่ไม่สามารถเกิดติดต่อกันได้นาน และทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ไม่สามารถผลิตพลังงานได้อย่างยาวนานเช่นกัน

          น้ำมวลหนัก ก็คือ ดิวเทอเรียมออกไซด์ ดิวเทอเรียมคือไอโซโทปของไฮโดรเจน ประกอบด้วย “โปรตอนหนึ่งตัว” และ “นิวตรอนหนึ่งตัว” ดังนั้น ไอโซโทปของไฮโดรเจนชนิดนี้ จึงมีนิวตรอนเกินอยู่หนึ่งตัว และมันจึงมีแนวโน้มที่จะมีการดูดจับกับอนุภาคอื่นน้อยลง นั่นหมายถึง เมื่อน้ำมวลหนักถูกใช้เป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน จะมีจำนวนนิวตรอนวิ่งผ่านได้โดยไม่ถูกดูดจับ แม้จะมียูเรเนียม-235 อยู่ในระดับที่ต่ำมาก (มียูเรเนียม-235 อยู่ในยูเรเนียมธรรมชาติในระดับที่ต่ำมาก) ภาวะวิกฤตจึงสามารถดำรงอยู่ได้ และมีการผลิตพลังงานออกมา ดังนั้น ถึงแม้ว่าประสิทธิภาพของโมเลกุล D₂O (น้ำมวลหนัก) จะมีประสิทธิภาพในการหน่วงความเร็วนิวตรอนที่ต่ำกว่าโมเลกุลน้ำธรรมดา (น้ำหรือน้ำมวลเบา) เล็กน้อย การใช้น้ำมวลหนักเป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอนจึงสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้ หรือนำยูเรเนียมธรรมชาติ มาดำเนินการเสริมสมรรถนะให้มีระดับยูเรเนียม-235 เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเท่านั้นก็ใช้ได้แล้ว (กระบวนการเสริมสมรรถนะเพิ่มระดับยูเรเนียม-235 มีค่าการดำเนินการสูง และอาจและมีข้อขัดแย้ง ที่ยูเรเนียมที่มีการเสริมสมรรถนะให้มีระดับยูเรเนียม-235 สูง ๆ สามารถนำมาทำเป็นอาวุธนิวเคลียร์ได้)

          นี่คือเหตุผลที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ CANDU (CANadian Deuterium-Uranium) สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงได้ หรือใช้ได้แม้กระทั่งเชื้อเพลิงที่ผ่านการใช้แล้ว จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา

คำถาม-คำตอบที่เกี่ยวข้อง
ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์น้ำมวลหนักจะถูกใช้เป็นอะไร ? In nuclear reactor heavy water is used as?
          น้ำมวลหนัก (ดิวเทอเรียมออกไซด์) ทำหน้าที่เป็น ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน เป็นตัวลดความเร็วนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกริยาฟิชชัน ซึ่งเป็นนิวตรอนเร็ว ให้เป็นเทอร์มัลนิวตรอน เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปได้อย่างต่อเนื่อง นิวตรอนเร็วจะวิ่งผ่านวัสดุฟิชชันได้ไปเลยไม่ทำให้เกิดปฏิกริยาฟิชชัน

น้ำมวลหนักทำหน้าที่อะไรในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ? What is the function of heavy water in nuclear reactor?
          มันเป็นของเหลวในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน

วัตถุประสงค์ของการใช้น้ำในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียณร์ฟิชชันคืออะไร ? What is the purpose of water in nuclear fission reactor?
          ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน (PWR, pressurized water reactor) และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำเดือด (BWR, boiling water reactor) ใช้น้ำปกติธรรมดา เป็นทั้งตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน และเป็นตัวระบายความร้อน ซึ่งจะถ่ายเทความร้อนไปยังวงจรภายนอก และในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย น้ำอาจใช้เป็นตัวกำบังรังสีได้

คาร์บอน น้ำมวลหนัก และคอนกรีต ใช้ทำอะไรในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ? What are the uses of carbon, heavy water and concrete in the nuclear reactor?
          คาร์บอนในรูปของแกรไฟต์ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางประเภท เพื่อเป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอนเช่นเดียวกับน้ำมวลหนัก ส่วนคอนกรีตใช้เป็นตัวกำบังรังสี

ทำไมน้ำมวลหนักจึงใช้เป็นตัวถ่ายโอนความร้อนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ ? Why is heavy water used for heat transfer in nuclear reactor?
          น้ำมวลหนักมีสมบัติในการถ่ายโอนความร้อนเหมือนกับน้ำปกติธรรมดา ในแง่ของการปฏิบัติ จะใช้เป็นตัวหน่วงความเร็วของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางประเภท เพราะมีประสิทธิภาพดี ในการทำให้ความเร็วนิวตรอนของนิวตรอนเร็วลดลงเป็นเทอร์มัลนิวตรอน

ถอดความจาก http://wiki.answer.com/Q/What_is_the_purpose_of_using_heavy_water_in_nuclear_reactor

โพสต์เมื่อ : 23 พฤษภาคม 2555