วัสดุฟิสไซล์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

วัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: fissile material) คือวัสดุที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันอย่างต่อเนื่องได้ง่าย ทั้งในกรณีที่มีความร้อน หรือ นิวตรอนช้า หรือ นิวตรอนเร็วซึ่งเหนือกว่า จึงสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน

  • เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบความร้อน (thermal reactor) ที่มีนิวตรอนตัวกลาง
  • เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเร็ว (fast reactor) ที่ไม่มีตัวกลาง
  • ระเบิดนิวเคลียร์

วัสดุฟิสไซล์เปรียบเทียบกับวัสดุที่เกิดฟิชชันได้[แก้]

วัสดุฟิสไซล์ต่างจากวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้ เนื่องจากวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้หมายถึงวัสดุที่อะตอมของธาตุนั้นสามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น ส่วนฟิชไซล์ใช้กับวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้โดยนิวตรอนพลังงานจลน์ต่ำ คำว่าวัสดุฟิสไซล์จึงมีความหมายที่แคบกว่าวัสดุที่เกิดฟิชชันได้ วัสดุฟิสไซล์ทุกชนิดเป็นวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้ แต่วัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้บางชนิดเท่านั้นที่เป็นวัสดุฟิสไซล์ หน่วยงานบางแห่งจำกัดในการใช้คำว่าวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้ให้หมายถึงวัสดุทีเกิดฟิชชั่นได้และไม่ใช่วัสดุฟิชไซล์

ยูเรเนียม-238 เป็นตัวอย่างของวัสดุวัสดุที่เกิดฟิชชั่นได้แต่ไม่ใช่วัสดุฟิสไซล์ นิวตรอนที่สร้างมาจากการแตกตัวของนิวเคลียส อย่าง U-235 มีพลังงานประมาณ 1 MeV (100 TJ/kg, คือความเร็ว 14,000 km/s) และโดยปกติไม่ทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมของ U-238 แต่นิวตรอนที่สร้างจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นของดิวเทอเรียม-ทริเทียมมีพลังงาน 14.1 MeV (1400 TJ/kg, คือความเร็ว 52,000 km/s) และสามารถทำให้นิวเคลียสของ U-238 และแอกทิไนด์อื่นที่ไม่ใช่วัสดุฟิสไซล์แตกตัวได้ง่าย นิวตรอนที่สร้างจากการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมนี้ไม่เร็วพอที่จะสร้างการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมอีกครั้ง ดังนั้น U-238 ไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อเนื่องได้

การแตกตัวของนิวเคลียสแบบเร็วของ U-238 ในระยะที่สองของอาวุธนิวเคลียร์ทำให้มีอาวุธอานุภาพสูงขึ้นและมีฝุ่นกัมมันตรังสีตามมา การแตกตัวของนิวเคลียสแบบเร็วของ U-238 นั้นยังเป็นส่วนสำคัญในการสร้างกำลังของเครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็วบางเครื่อง

ในบริบทการควบคุมอาวุธโดยเฉพาะในแนวทางสำหรับสนธิสัญญาการยุติการผลิตวัสดุฟิสไซล์ (Fissile Material Cutoff Treaty) คำว่า "ฟิสไซล์" ถูกใช้บ่อยในการบรรยายถึงวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมขั้นแรกของอาวุธนิวเคลียร์[1] เหล่านี้คือวัสดุที่เกิดระเบิดแบบปฏิกิริยาลูกโซ่แตกตัวเร็วแบบยั่งยืน นิวไคลด์ชนิดหนึ่งที่เป็นวัสดุฟิสไซล์ภายใต้คำนิยามนี้แต่ไม่ถูกนิยามในฟิสิกส์นิวเคลียร์ในอดีต นั่นคือ Np-237

ฟิสไซล์ นิวไคลด์[แก้]

ฟิสไซล์ นิวไคลด์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้แก่:

โดยทั่วไปไอโซโทปแอกทิไนด์ส่วนมากมีเลขนิวตรอนเป็นเลขคี่จะเป็นวัสดุฟิสไซล์ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนมากมีเลขมวลอะตอมเป็นเลขคี่ (N = ผลรวมของโปรตอนและนิวตรอน) และเลขอะตอมเป็นเลขคู่ (Z = เลขโปรตอน) ซึ่งบอกถึงเลขนิวตรอนเป็นเลขคี่

ทั่วไปโดยมากธาตุที่มีเลขโปรตอนเป็นเลขคู่และเลขนิวตรอนเป็นเลขคู่และอยู่ใกล้กับกราฟเส้นโค้งในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอม vs. เลขมวลอะตอมจะเสถียรมากกว่าธาตุอื่น - และเนื่องจากเหตุนี้ จึงมีแนวโน้มว่าจะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมน้อยมาก โดยมากจะ "ละเลย" นิวตรอนและปล่อยมันผ่านไปถ้าไม่รับนิวตรอนเข้ามา มันมีการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมตามธรรมชาติน้อยมากเช่นกัน และมีครึ่งชีวิตที่ยาวสำหรับการสลายให้รังสีแกมมาหรือรังสีเบต้า ตัวอย่างธาตุเหล่านี้คือ U-238 และ ทอเรียม-232 ส่วนธาตุอื่นไอโซโทปที่เลขนิวตรอนเป็นคี่และเลขโปรตอนเป็นคี่ (Z คี่, N คู่) มีชีวิตสั้นเพราะมีการสลายปล่อยอนุภาคเบต้าอย่างรวดเร็วเพื่อกลายไปเป็นไอโซโทปที่เลขนิวตรอนเป็นคู่และเลขโปรตอนเป็นคู่ - (Z คู่, N คู่) - ซึ่งเสถียรมากกว่า

ฟิสไซล์ นิวไคลด์โอกาสเกิด 100% ในการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมจากการได้รับนิวตรอน โอกาสขึ้นกับนิวไคลด์ และพลังงานนิวตรอน สำหรับนิวตรอนพลังต่ำ-ปานกลาง, พื้นที่หน้าตัดการจับยึดนิวตรอน (\sigma) สำหรับการแตกตัว, กลุ่มตัวอย่างสำหรับการจับยึดนิวตรอนพร้อมปลดปล่อยรังสีแกมมา และอัตราร้อยละของการไม่เกิดการแตกตัวเป็น:

นิวตรอนความร้อน นิวตรอนความร้อนสูง
σF σγ % σF σγ %
585 99 14.5% 235U 275 140 34%
750 271 26.5% 239Pu 300 200 40%
1010 361 26.3% 241Pu 570 160 22%
531 46 8.0% 233U 760 140 16%

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์[แก้]

วัสดุที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่นต่อเนื่องได้ จะต้องมีคุณสมบัติ ดังนี้:

  • มีพลังงานยึดเหนี่ยวอยู่ในช่วงที่สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นต่อเนื่องได้ (เช่น อยู่เหนือเรเดียมขึ้นไป)
  • มีโอกาสในการเกิดการแตกตัวของนิวเครียสอะตอมได้สูงเมื่อได้รับนิวตรอน
  • ให้นิวตรอนออกมา 2 นิวตรอนหรือมากกว่าโดยการเฉลี่ยต่อจับยึดนิวตรอน (ซึ่งหมายความว่าสามาชิกของนิวตรอนที่ปล่อยออกมามีค่าเฉลี่ยสูงกว่าในการแตกตัวของนิวเครียสอะตอมแต่ละครั้ง เพื่อชดเชยสำหรับเมื่อมีการไม่แตกตัวและดูดซึมในตัวกลาง)
  • มีครึ่งชีวิตที่นานพอควร
  • มีปริมาณมากพอที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้

กฎหมายควบคุม[แก้]

สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง:[2][3]

  • ฟิสไซล์ ระดับ I: ไม่มีการควบคุม
  • ฟิสไซล์ ระดับ II: จำกัดปริมาณของวัสดุในการขนส่ง
  • ฟิสไซล์ ระดับ III: ต้องมีข้อกำหนดพิเศษในการขนส่ง

อ้างอิง[แก้]

  1. Fissile Materials and Nuclear Weapons, International Panel on Fissile Materials
  2. Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
  3. 10CFR71, 49CFR173.403