วัสดุฟิสไซล์
วัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: fissile material) ในวิศวกรรมนิวเคลียร์ หมายถึงวัสดุที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันให้ยั่งยืน โดยคำนิยาม วัสดุฟิสไซล์สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืนด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานใด ๆ พลังงานนิวตรอนที่เป็นส่วนสำคัญหลักอาจแบ่งออกเป็นหลายชนิด เช่น นิวตรอนช้า (เช่น ระบบร้อน) หรือ นิวตรอนเร็ว วัสดุฟิสไซล์สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน
"ฟิสไซล์" เปรียบเทียบกับ "ฟิชชัน"
[แก้]ตาม "กฎของฟิสไซล์" สำหรับองค์ประกอบเคมีหนักที่มี 90 ≤ Z ≤ 100 ไอโซโทปของมันที่มี 2 × Z − N = 43 ± 2 ด้วยข้อยกเว้นบางอย่าง เป็นฟิสไซล์ (เมื่อ N = จำนวนของนิวตรอน และ Z = จำนวนของโปรตอน)[1][2][note 1]
"ฟิสไซล์" ต่างจาก "ฟิชชัน" นิวไคลด์ที่สามารถเกิดฟิชชันได้ (แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ต่ำ) หลังการจับนิวตรอนพลังงานสูงจะถูกเรียกว่า "ฟิชชัน" นิวไคลด์ที่ฟิชชันได้ที่สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชันด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำที่มีความเป็นไปได้สูงจะถูกเรียกว่า "ฟิสไซล์"[3] แม้ว่าสองคำนี้แต่เดิมมีความหมายเหมือนกัน วัสดุที่ฟิชชันได้จะรวมถึงพวก (เช่น ยูเรเนียม-238) ที่สามารถถูกฟิชชันด้วยนิวตรอนพลังงานสูงเท่านั้น ผลก็คือวัสดุฟิสไซล์ (เช่น ยูเรเนียม-235) เป็นชุดย่อยของวัสดุที่ฟิสชันได้
ยูเรเนียม-235 จะ fission ด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียส (อังกฤษ: nuclear binding energy) ที่เป็นผลมาจากการดูดซับของนิวตรอนมีค่ามากกว่าพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการฟิชชัน; ดังนั้นยูเรเนียม-235 จึงเป็นวัสดุฟิสไซล์ ตรงกันข้ามพลังงานผูกพันที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม-238 ในการดูดซับนิวตรอนความร้อนมีค่าน้อยกว่าพลังงานวิกฤต ดังนั้นนิวตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมสำหรับทำให้เกิดฟิชชันได้ ดังนั้น ยูเรเนียม-238 จึงเป็นวัสดุ fissionable แต่ไม่เป็นวัสดุฟิสไซล์[4]
ความหมายอีกทางหนึ่งได้ให้คำจำกัดความของนิวไคลด์ฟิสไซล์ไว้ว่าเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิชชั่นได้ (เช่น เป็น fissionable) และยังผลิตนิวตรอนจากฟิชชันดังกล่าวที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืนในการตั้งค่าที่ถูกต้องอีกด้วย ภายใต้คำนิยามนี้ นิวไคลด์ที่ fissionable เท่านั้นจะเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกสร้างขึ้นมาเพื่อทำนิวเคลียร์ฟิชชั่นแต่ผลิตนิวตรอนไม่เพียงพอ ในด้านพลังงานหรือจำนวน เพื่อรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืน[5] เมื่อเป็นเช่นนี้ ในขณะที่ไอโซโทปฟิสไซล์ทุกตัวเป็น fissionable ไอโซโทป fissionable ทุกตัวก็ไม่ใช่ fissile ในบริบทการควบคุมอาวุธ เฉพาะอย่างยิ่งในข้อเสนอสำหรับ สนธิสัญญาตัดทิ้งวัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: Fissile Material Cutoff Treaty) คำว่า "ฟิสไซล์" มักจะใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในฟิชชันเบื้องต้นของอาวุธนิวเคลียร์[6] วัสดุเหล่านี้ใช้รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบฟิชชันเร็วสำหรับระเบิด
ภายใต้คำจำกัดความทั้งหมดข้างต้น ยูเรเนียม-238 เป็น fissionable แต่เพราะมันไม่สามารถรักษาความยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอน มันจึงไม่ได้เป็น fissile นิวตรอนที่ผลิตโดยฟิชชันของ ยูเรเนียม-238 มีพลังงานจลน์ต่ำกว่านิวตรอนเดิม (พวกมันประพฤติตัวแบบใน การกระจัดกระจายไม่ยืดหยุ่น (อังกฤษ: inelastic scattering) มักจะต่ำกว่า 1 MeV (เช่น ความเร็วประมาณ 14,000 กิโลเมตร/วินาที) เกณฑ์ของฟิชชันที่จะทำให้เกิดฟิชชันตามมาของยูเรเนียม-238 ดังนั้น ฟิชชันของยูเรเนียม-238 จะไม่รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ในขั้นตอนที่สองของอาวุธนิวเคลียร์มีส่วนช่วยอย่างมากใน ผลผลิตอาวุธนิวเคลียร์และในผลร้ายที่ตามมาของนิวเคลียร์ ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ยังทำให้มีส่วนร่วมอย่างมีนัยสำคัญในการส่งออกพลังงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วอีกด้วย
นิวไคลด์ (ที่เป็น) ฟิสไซล์
[แก้]โดยทั่วไป ไอโซโทป actinide ส่วนใหญ่ที่มี หมายเลขนิวตรอน เป็นเลขคี่จะเป็นฟิสไซล์ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมี หมายเลขมวลอะตอม เป็นเลขคี่ (A = Z + N = จำนวนรวมของ นิวคลีออน) และ หมายเลขอะตอม เป็นเลขคู่ Z นี่ก็หมายถึงจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่ ไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่จะได้รับพลังงานเพิ่มเป็นพิเศษอีก 1-2 MeV จากการดูดซับหนึ่งนิวตรอนที่เกิน จากผลกระทบการจับคู่ซึ่งชอบพอจำนวนคู่ของทั้งนิวตรอนและโปรตอน พลังงานนี้ก็เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานที่จำเป็นพิเศษสำหรับฟิชชันโดยนิวตรอนที่ช้ากว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำไอโซโทปที่ fissionable ให้เป็น fissile ได้ด้วย
มากกว่าปกติ นิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ และอยู่ใกล้กับเส้นโค้งที่รู้จักกันดีในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอมเทียบกับจำนวนมวลอะตอมจะมีเสถียรภาพมากกว่าตัวอื่น ๆ ด้วยเหตุนี้ พวกมันมีโอกาสน้อยที่จะทำการฟิชชัน พวกมันมีแนวโน้มที่จะ "เพิกเฉย" นิวตรอนและปล่อยให้มันไปในทางของมัน หรือถ้าไม่ พวกมันจะดูดซับนิวตรอนแต่โดยไม่ได้รับพลังงานที่เพียงพอจากกระบวนการที่จะเปลี่ยนรูปนิวเคลียสพอสำหรับมันในการฟิชชัน ไอโซโทปที่เป็น "เลขคู่-เลขคู่" เหล่านี้ยังมีโอกาสน้อยที่จะทำการ ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง (อังกฤษ: spontaneous fission) และพวกมันยังมีครึ่งชีวิตบางส่วน (อังกฤษ: partial half-lives) ค่อนข้างยาวมากสำหรับการสลายตัวของอัลฟาหรือเบต้า ตัวอย่างของไอโซโทปเหล่านี้คือยูเรเนียม-238 และ ทอเรียม-232
ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคี่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ (Z คี่, N คี่) มักจะอายุสั้น (ยกเว้นที่น่าสังเกตคือ เนปทูเนียม-236 ที่มีครึ่งชีวิต 154,000 ปี) เพราะพวกมัน 'สลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคเบต้า' ได้อย่างง่ายดายกลายเป็น isobars ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ (Z คู่, N คู่), กลายเป็นเสถียรมากขึ้น พื้นฐานทางกายภาพสำหรับปรากฏการณ์นี้ยังมาจาก 'ผลการจับคู่' ในพลังงานผูกพันนิวเคลียร์ แต่คราวนี้จากการจับคู่ทั้งโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอน ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้นของไอโซโทปหนักแบบคี่-คี่เช่นนั้นหมายความว่าพวกมันจะมีปริมาณไม่พร้อมให้ใช้ได้ในและพวกมันมีกัมมันตภาพรังสีสูง
เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
[แก้]เพื่อที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์, วัสดุจะต้อง:
- อยู่ในพื้นที่ของเส้นโค้งพลังงานผูกพัน ในที่ซึ่งการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันมีความเป็นไปได้ (เช่น เหนือเรเดียม)
- มีความน่าจะเป็นของฟิชชันในการจับนิวตรอนที่สูง
- ปลดปล่อยสองนิวตรอนหรือมากกว่าโดยเฉลี่ยต่อการจับนิวตรอน (ซึ่งหมายความว่าจำนวนเฉลี่ยที่สูงขึ้นของพวกมันในแต่ละฟิชชัน เพื่อชดเชย nonfissions และการดูดซึมในตัวถ่วงปฏิกิริยา (อังกฤษ: moderator)
- มีครึ่งชีวิตที่ยาวพอสมควร
- มีปริมาณที่เหมาะสม
| นิวตรอนความร้อน | Epithermal neutrons[8] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σF | σγ | % | σF | σγ | % | |
| 531 | 46 | 8.0% | 233U | 760 | 140 | 16% |
| 585 | 99 | 14.5% | 235U | 275 | 140 | 34% |
| 750 | 271 | 26.5% | 239Pu | 300 | 200 | 40% |
| 1010 | 361 | 26.3% | 241Pu | 570 | 160 | 22% |
นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:
- ยูเรเนียม-235 ซึ่งเกิดขึ้นใน ยูเรเนียมธรรมชาติ และ ยูเรเนียมสมรรถนะสูง
- พลูโทเนียม-239 เพาะพันธุ์จาก ยูเรเนียม-238 โดย การจับนิวตรอน
- พลูโทเนียม-241 เพาะพันธุ์จาก พลูโตเนียม-240 โดยการจับนิวตรอน พลูโตเนียม-240 มาจาก พลูโตเนียม-239 โดยกระบวนการเดียวกัน
- ยูเรเนียม-233 เพาะพันธุ์จาก ทอเรียม-232 โดยการจับนิวตรอน
นิวไคลด์ฟิสไซล์ไม่ได้มีโอกาส 100% ของการทำฟิชชันในการดูดซึมของนิวตรอน โอกาสจะขึ้นอยู่กับนิวไคลด์เช่นเดียวกับพลังงานนิวตรอน สำหรับนิวตรอนพลังงานระดับต่ำและระดับกลาง, ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนสำหรับการฟิชชัน (σF), ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนด้วยการปล่อยรังสีแกมมา(σγ), และร้อยละของ non-fissions อยู่ในตารางด้านขวา
กฎหมายควบคุม
[แก้]สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง:[9][10]
- ฟิสไซล์ ระดับ I: ไม่มีการควบคุม
- ฟิสไซล์ ระดับ II: จำกัดปริมาณของวัสดุในการขนส่ง
- ฟิสไซล์ ระดับ III: ต้องมีข้อกำหนดพิเศษในการขนส่ง
ดูเพิ่ม
[แก้]อ้างอิง
[แก้]- ↑ Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335.
- ↑ doi:10.1016/j.anucene.2010.07.006
This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand - ↑ "Slides-Part one: Kinetics". UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. สืบค้นเมื่อ 3 January 2013.
- ↑ James J. Duderstadt and Louis J. Hamilton (1976). Nuclear Reactor Analysis. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8.
- ↑ John R. Lamarsh and Anthony John Baratta (Third Edition) (2001). Introduction to Nuclear Engineering. Prentice Hall. ISBN 0-201-82498-1.
- ↑ Fissile Materials and Nuclear Weapons เก็บถาวร 2012-02-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, International Panel on Fissile Materials
- ↑ "Interactive Chart of Nuclides". Brookhaven National Laboratory. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2017-01-24. สืบค้นเมื่อ 2013-08-12.
- ↑ เอพิเทอร์มัลนิวตรอน, นิวตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าเทอร์มัลนิวตรอนแต่ต่ำกว่านิวตรอนเร็ว มีพลังงานในช่วง 0.5 อิเล็กตรอนโวลต์ ถึง 1 แสนอิเล็กตรอนโวลต์ คำนี้มีความหมายเหมือนกับ intermediate neutron [นิวเคลียร์]
- ↑ Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
- ↑ 10CFR71, 49CFR173.403
- ↑ The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only thirteen (including a long-lived metastable nuclear isomer) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is naturally occurring. It is possible to breed U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single neutron capture. The others are typically produced in smaller quantities through.
<ref> สำหรับกลุ่มชื่อ "note" แต่ไม่พบป้ายระบุ <references group="note"/> ที่สอดคล้องกัน