ความรู้เกี่ยวกับนิวเคลียร์

อะตอม

อะตอม (Atom) หมายถึง อนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารที่ยังคงมีคุณสมบัติทางเคมีของธาตุนั้นๆอยู่ โครงสร้างของอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งอยู่ตรงกลางและมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบๆนิวเคลียส ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งในสภาวะปกติโครงสร้างของอะตอมจะมีจำนวน อิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

โปรตอน (Proton;p) หมายถึง อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกหนึ่งหน่วย มีมวลประมาณ 1,837 เท่า ของอิเล็กตรอนซึ่งโปรตอนเป็นองค์ประกอบในนิวเคลียสของธาตุทุกชนิด

นิวตรอน (Neutron;n) หมายถึง อนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลมากกว่าโปรตอนเล็กน้อย

อิเล็กตรอน (Electron) หมายถึง อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ โดยแต่ละอะตอมจะมีอิเล็กตรอน จำนวนหนึ่งอยู่ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอมนั้น

นิวตรอนและโปรตอนภายในนิวเคลียสถูกยึดให้อยู่ด้วยกันได้ด้วยแรงนิวเคลียร์ ซึ่งในสภาวะปกติภาย ในนิวเคลียสจะมีความเสถียร (Stable) จึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส หากภายในนิวเคลียส มีจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนที่มากหรือน้อยเกินไป เรียกสถานะเช่นนี้ว่าเกิดความไม่เสถียร (Unstable) นิวเคลียสจะปรับตัวเองเพื่อให้อยู่ในสภาวะเสถียรและมีการปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบต่างๆ ซึ่งเป็น ที่มาของคำว่าพลังงานปรมาณู

พลังงานปรมาณู คือ พลังงานที่ถูกปล่อยมาจากนิวเคลียสของอะตอมซึ่งเกิดขึ้นจาก 3 กรณี

1. เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียส (Decay)

2. เกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสออกเป็นส่วน (Fission)

3. เกิดจากการรวมตัวกันของนิวเคลียส (Fusion)

นิวไคลด์

นิวไคลด์ (Nuclide) หมายถึง คำที่ใช้เรียกแทนนิวเคลียสของอะตอมของธาตุใดๆ โดยการใช้ สัญลักษณ์แทนเพื่อทำให้ทราบคุณสมบัติของธาตุนั้นๆได้โดยง่าย

เลขเชิงอะตอม (Atomic number;Z) หมายถึง จำนวนของโปรตอนภายในนิวเคลียสของอะตอมใดๆ

เลขมวล (Mass number;A) หมายถึง ผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนภายในนิวเคลียส

พลังงานปรมาณู

พลังงานปรมาณูเป็นพลังงานที่ได้มาจากพฤติกรรมของนิวเคลียสภายในอะตอม ดังนั้นหลักการ ที่แท้จริงของพลังงานปรมาณูก็จะอยู่ที่การนำเอาพลังงานที่เกิดจากนิวเคลียสมาใช้งาน โดยเกิดขึ้นจาก กรณีใดกรณีหนึ่งจากทั้ง 3 กรณีตามที่กล่าวไปแล้ว ในปัจจุบันมักพบการใช้งานส่วนใหญ่อยู่ 2 กรณี คือ การสลายตัวของนิวเคลียสซึ่งนำไปใช้ประโยชน์ในด้านการแพทย์ อุตสาหกรรม เกษตรกรรม เป็นต้น อีกแบบหนึ่งคือการแตกตัวของนิวเคลียสในอะตอมของธาตุหนักซึ่งนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับ ผลิตพลังงานไฟฟ้าหรือการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย เป็นต้น สำหรับการรวมตัวกันของนิวเคลียส นั้นอยู่ระหว่างการศึกษาวิจัย กระบวนการที่นิวเคลียสของอะตอมธาตุหนักเกิดการแตกตัวนั้นเรียกว่า ปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งจะได้กล่าวต่อไป

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยาที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยทั่วไปนั้นเป็นปฏิกิริยาฟิชชัน คือเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอน เข้าไปชนนิวเคลียสของธาตุหนักเช่นยูเรเนียมแล้วเกิดการแตกตัวของธาตุหนักนั้นซึ่งการแตกตัวนี้จะทำ ให้มีการปลดปล่อยความร้อนพร้อมทั้งอนุภาคนิวตรอนเกิดขึ้นมาใหม่จำนวนหนึ่ง ( 2-3 ตัว) โดยการแตก ตัวนี้จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction) อย่างไรก็ตามวัสดุที่สามารถนำมา เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้นั้นเรียกว่าวัสดุฟิสไซล์ (Fissile material) ซึ่งการเลือกใช้วัสดุ ฟิสไซล์ใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับประเภทของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เช่นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ PWR หรือ BWR ใช้ยูเรเนียม-235 ความเข้มข้น 2-4 % ส่วนแบบ CANDU นั้นใช้ยูเรเนียมที่มีอยู่ตามธรรมชาติ

อย่างไรก็ตามเงื่อนไขในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นนิวตรอนที่ทำให้เกิดการแตกตัวต่อไปได้นั้นต้องเป็น นิวตรอนพลังงานต่ำหรือนิวตรอนช้าแต่ว่านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่จากการแตกตัวนั้นเป็นนิวตรอนเร็ว หรือ Fast neutron ซึ่งข้อจำกัดนี้เกิดจากเหตุผลทางฟิสิกส์ของปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้นภายในเครื่องปฏิกรณ์จึง ต้องมีสารหน่วงนิวตรอนเพื่อลดความเร็วของนิวตรอนให้อยู่ในย่าน Thermal energy เพื่อให้เกิดปฏิกิริยา ต่อไปได้ ซึ่งสารหน่วงนิวตรอนโดยทั่วไปมักใช้น้ำธรรมดาหรือน้ำมวลหนักแล้วแต่ประเภทของโรงไฟฟ้า อย่างไรก็ตามเป็นที่น่าสังเกตุว่าปฏิกิริยาฟิชชันนี้สามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติเพียงแต่ว่าโอกาส ที่จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจนเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นมีโอกาสน้อยมาก