วัสดุฟิสไซล์
วัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: fissile material) คือวัสดุที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันอย่างต่อเนื่องได้ง่าย ทั้งในกรณีที่มีความร้อน หรือ นิวตรอนช้า หรือ นิวตรอนเร็วซึ่งเหนือกว่า จึงสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบความร้อน (thermal reactor) ที่มีนิวตรอนตัวกลาง
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเร็ว (fast reactor) ที่ไม่มีตัวกลาง
- ระเบิดนิวเคลียร์
เนื้อหา |
[แก้] วัสดุฟิสไซล์เปรียบเทียบกับวัสดุที่เกิดฟิชชันได้
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
[แก้] ฟิสไซล์ นิวไคลด์
ฟิสไซล์ นิวไคลด์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้แก่:
- ยูเรเนียม-235 มีอยู่ใน ยูเรเนียมตามธรรมชาติและยูเรเนียมปรุงแต่ง
- พลูโทเนียม-239 สร้างจาก ยูเรเนียม-238 โดยการจับยึดนิวตรอน
- พลูโทเนียม-241 สร้างจาก พลูโทเนียม-240 โดยการจับยึดนิวตรอน Pu-240 มาจาก Pu-239 ด้วยกระบวนการเดียวกัน
- ยูเรเนียม-233 สร้างจาก ทอเรียม-232 โดยการจับยึดนิวตรอน
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 (
) 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% |
[แก้] เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
วัสดุที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่นต่อเนื่องได้ จะต้องมีคุณสมบัติ ดังนี้:
- มีพลังงานยึดเหนี่ยวอยู่ในช่วงที่สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นต่อเนื่องได้ (เช่น อยู่เหนือเรเดียมขึ้นไป)
- มีโอกาสในการเกิดการแตกตัวของนิวเครียสอะตอมได้สูงเมื่อได้รับนิวตรอน
- ให้นิวตรอนออกมา 2 นิวตรอนหรือมากกว่าโดยการเฉลี่ยต่อจับยึดนิวตรอน (ซึ่งหมายความว่าสามาชิกของนิวตรอนที่ปล่อยออกมามีค่าเฉลี่ยสูงกว่าในการแตกตัวของนิวเครียสอะตอมแต่ละครั้ง เพื่อชดเชยสำหรับเมื่อมีการไม่แตกตัวและดูดซึมในตัวกลาง)
- มีครึ่งชีวิตที่นานพอควร
- มีปริมาณมากพอที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้
[แก้] กฎหมายควบคุม
สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง:[2][3]
- ฟิสไซล์ ระดับ I: ไม่มีการควบคุม
- ฟิสไซล์ ระดับ II: จำกัดปริมาณของวัสดุในการขนส่ง
- ฟิสไซล์ ระดับ III: ต้องมีข้อกำหนดพิเศษในการขนส่ง
[แก้] อ้างอิง
- ^ Fissile Materials and Nuclear Weapons, International Panel on Fissile Materials
- ^ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
- ^ 10CFR71, 49CFR173.403
