นิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear fission)

รูปด้านล่าง แสดงการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน โดยนิวตรอน (n) เข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม ทำให้แตกออกเป็นสองส่วน (Fission Product) มีพลังงานปลดปล่อยออกมาในรูปของรังสีแกมมาและรังสีชนิดอื่นๆ และให้นิวตรอนออกมาจำนวนมากขึ้น ทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นอีก เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่อง

ในทางฟิสิกส์ ฟิชชันเป็นกระบวนการทางนิวเคลียร์ หมายถึงมีการเกิดขึ้นที่นิวเคลียสของอะตอม ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสแบ่งออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กลง 2 หรือ 3 นิวเคลียส โดยทำให้เกิดผลพลอยได้ (by-product ) ในรูปอนุภาคหรือรังสีออกมาด้วย ฟิชชันจะมีการปลดปล่อยพลังงานปริมาณมากออกมา โดยได้มาจากพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ซึ่งเป็นแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force)

ฟิชชันสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดได้หลายวิธี รวมทั้งการยิงนิวเคลียสของธาตุที่เป็นวัสดุ fissile ด้วยอนุภาคที่มีพลังงานพอดี อนุภาคที่ใช้ยิงส่วนใหญ่จะเป็นนิวตรอนอิสระที่มีพลังงานพอเหมาะ นิวตรอนอิสระจะถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียส ทำให้เกิดความไม่เสถียร และจะแตกออกเป็น 2 เสี่ยงหรือมากกว่า แต่ละเสี่ยงที่เกิดจากการแตกออกของนิวเคลียส เรียกว่า ผลผลิตฟิชชัน (fission product) โดยมีนิวตรอนอิสระ 2-3 นิวตรอนและโฟตอนให้ออกมาด้วย กระบวนการนี้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาสูงมาก เมื่อเทียบกับปฏิกิริยาเคมี โดยให้ออกมาในรูปของรังสีโฟตอน (photon radiation) เช่น รังสีแกมมา พลังงานจลน์ หรือพลังงานในการเคลื่อนที่ของนิวตรอนและนิวเคลียสของผลผลิตฟิชชัน โดยทั่วไปปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละปฏิกิริยา จะให้พลังงานออกมาประมาณ 200 MeV

นิวเคลียสของอะตอมที่เป็นผลผลิตฟิชชันจะเป็นนิวเคลียสของธาตุได้หลายชนิด ซึ่งจะเกิดขึ้นแบบสุ่ม โดยมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสที่เกิดการฟิชชัน ผลผลิตฟิชชันส่วนใหญ่จะมีกัมมันตภาพรังสีสูง เนื่องจากเป็นนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร ไอโซโทปเหล่านี้มีการสลายตัว (decay) โดยคายรังสีบีตาและรังสีแกมมาออกมา ผลผลิตฟิชชันที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงเหล่านี้ จะกลายเป็นกากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นจากการผลิตพลังงานนิวเคลียร์

การเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชัน (Inducing fission)

แม้ว่าฟิชชันสามารถทำให้เกิดขึ้นได้ง่ายโดยวิธีการดูดกลืนนิวตรอนอิสระ แต่ก็สามารถเหนี่ยวให้เกิดขึ้นได้ โดยการยิงอนุภาคชนิดอื่นเข้าใส่นิวเคลียสที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable nucleus ) อนุภาคชนิดอื่นที่สามารถใช้ได้ ได้แก่ นิวเคลียสพลังงานสูง อนุภาคโปรตอน หรือรังสีแกมมาความเข้มสูง
นิวเคลียสที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable nucleus) สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้เอง (spontaneous nuclear fission) อย่างช้าๆ โดยไม่มีนิวตรอนจากภายนอกมาเหนี่ยวนำ
การเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน จะทำได้ง่ายในธาตุหนัก (heavy elements) โดยธาตุที่ยิ่งหนักมากก็ยิ่งเกิดฟิชชันได้ ธาตุที่หนักกว่าเหล็กจะปฏิกิริยาฟิชชันโดยให้พลังงานออกมา ส่วนธาตุที่เบากว่าต้องใช้พลังงานในการทำให้เกิดฟิชชัน ซึ่งจะมีลักษณะตรงข้ามกับปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) ที่ธาตุเบากว่าเหล็กเกิดฟิวชันแล้วให้พลังงานออกมา และธาตุที่หนักกว่าเหล็กต้องใช้พลังงานเข้าไปเพ่อให้เกิดฟิวชัน สังเกตได้ที่รูปของกราฟพลังงานยึดเหนี่ยว
ธาตุที่มักจะใช้ในการทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน คือ ยูเรเนียม (uranium) กับพลูโตเนียม (plutonium) ยูเรเนียมเป็นธาตุที่หนักที่สุดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ส่วนพลูโตเนียมเป็นธาตุที่เกิดปฏิกิริยาฟิชชันเองได้ (spontaneous fission) และมีครึ่งชีวิตสั้น แม้ว่าจะมีธาตุที่สามารถทำให้เกิดฟิชชันได้อีก แต่สองธาตุนี้ใช้ได้ดีที่สุด เนื่องจากมีปริมาณมากพอและเกิดฟิชชันได้ง่าย

มวลวิกฤต (Critical mass)

เมื่อเกิดปฏิกิริยาในก้อนมวลของยูเรเนียมหรือวัสดุฟิสไซล์อื่นก็ตาม จะมีนิวตรอนเกิดขึ้นมา นิวตรอนบางส่วนจะจับกับนิวเคลียสอื่นของยูเรเนียมทำให้เกิดฟิชชันขึ้นอีก ขณะที่นิวตรอนอีกบางส่วนจะหลุดออกไปจากก้อนมวล หรือถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสของธาตุอื่นที่ไม่ทำให้เกิดฟิชชัน ถ้าจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันชุดใหม่ต่อจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันชุดเดิม มีค่าน้อยกว่า 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันจะเกิดลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียล และถ้าสัดส่วนนี้มากกว่า 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันจะเกิดเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล สภาวะที่สัดส่วนจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชัน เท่ากับ 1 เรียกว่า สภาวะวิกฤต (criticality) มวลที่ทำให้เกิดสภาวะนี้ได้ เรียกว่า มวลวิกฤต (critical mass) ซึ่งในความเป็นจริง ทั้งมวลและรูปร่างของวัสดุฟิสไซล์ ต่างก็มีผลต่อการเกิดภาวะวิกฤตได้

การทำให้มวลที่มากพอจะเกิดภาวะวิกฤต สามารถเพิ่มปฏิกิริยาแบบเอกซโปเนนเชียลได้ จะมีหลายปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา เช่น มวลที่มีปริมาณเหนือวิกฤต (supercritical) ถ้าจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันถูกหน่วงให้ช้าลง ก็จะทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นสามารถควบคุมได้ แต่ถ้าเกิดฟิชชันในเวลาพร้อมกัน จะทำให้อัตราการปฏิกิริยาสูงขึ้นอย่างรวดเร็วแบบเอกซ์โปเนนเชียล เรียกว่า วิกฤตทันใด (prompt critical) ซึ่งจะทำให้การควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาทำได้ยาก

อาวุธนิวเคลียร์จะมีการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาแบบเอกซ์โปเนนเชียล โดยต้องมีปริมาณของวัสดุฟิสไซล์ที่มากพอ และต้องทำให้อยู่ในภาวะที่ไม่เพียงแต่เป็นวิกฤตทันใด (prompt critical) เท่านั้น แต่ต้องทำให้เป็น เหนือวิกฤตทันใดแบบสูงมาก (highly prompt critical ) ด้วย นอกจากนั้น การจัดรูปของก้อนมวล ต้องทำให้เปลี่ยนจากภาวะใต้วิกฤต (subcritical) ให้เป็นเหนือวิกฤตทันใดแบบสูงมากในทันที จึงจะเกิดการระเบิดได้ ซึ่งกระบวนการนี้ทำให้เกิดขึ้นได้ยาก

จำนวนนิวตรอนที่หลุดรอดออกไปจากก้อนมวลยูเรเนียม สามารถที่จะทำให้ลดลงได้โดยการปรับเปลี่ยนรูปร่างและขนาด ในกรณีของรูปร่างทรงกลม พื้นที่ผิวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของรัศมี และมีปริมาตรแปรผันกับกำลังสามของรัศมี เนื่องจากจำนวนนิวตรอนที่หลุดออกไป ขึ้นกับขนาดของพื้นที่ผิว ขณะที่จำนวนของปฏิกิริยาฟิชชันขึ้นกับปริมาตร ดังนั้น การเพิ่มปริมาณยูเรเนียมจึงอาจทำให้นิวตรอนหลุดออกไปจากก้อนมวลได้น้อยลง และทำให้เกิดฟิชชันได้เพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้สูญเสียนิวตรอนไปบางส่วนจากการเกิดปฏิกิริยาอื่นที่ไม่ใช่ฟิชชัน (non-fission) การเพิ่มขนาดมวลยูเรเนียมให้ใหญ่มากขึ้นจึงอาจไม่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเสมอไป

ผลของไอโซโทป (Effects of isotopes)

ยูเรเนียมธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ได้แก่ U-234 (0.006%), U-235 (0.7%)และ U-238 (99.3%) อัตราการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ฟิชชัน มีค่าแตกต่างกัน เมื่อมีไอโซโทปที่แตกต่างกัน
U-238 จะเกิดฟิชชันได้กับนิวตรอนที่มีพลังงาน >1 MeV ซึ่งเป็นนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชัน แต่ปฏิกิริยาฟิชชัน ไม่ได้ให้นิวตรอนออกมามีพลังงานสูงถึงระดับนั้น U-238 จึงจับนิวตรอนที่เกิดจากฟิชชัน โดยไม่ทำให้เกิดฟิชชันต่อเนื่อง ดังที่เกิดกับ U-235 U-238 ไม่มีค่าของมวลวิกฤต เมื่อ U-238 ดูดกลืนนิวตรอน จะกลายเป็น U-239 ซึ่งไม่เสถียร โดยสลายตัวเป็น Np-239 และต่อมาเป็น Pu-239 ซึ่ง Pu-239 นี้สามารถเกิดฟิชชันเมื่อได้รับนิวตรอนช้า (slow neutron) เช่นเดียวกับ U-235 ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม จึงปฏิกิริยาฟิชชันบางส่วนมาจากพลูโตเนียม (plutonium)

U-235 เกิดฟิชชันได้กับนิวตรอนที่มีช่วงพลังงานกว้างกว่า U-238 และมี cross section ในการเกิดฟิชชันกับได้สูงที่สุดกับนิวตรอนที่มีพลังงานต่ำมาก เรียกว่า เทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutron) ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่านิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันของ U-235 การทำให้นิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันมีพลังงานต่ำลง จะใช้ moderator เช่น น้ำ หรือกราไฟท์ ทำให้นิวตรอนมีความเร็วลดลง และเกิดฟิชชันกับ U-235 ได้ดีขึ้น การทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ จึงต้องมีการเสริมสรรถนะ (enrich) ยูเรเนียม โดยการเพิ่มความเข้มข้นหรือสัดส่วนของ U-235 ให้สูงขึ้น

U-235 มีเพียง 1/140 ของยูเรเนียมธรรมชาติเท่านั้น การที่แต่ละไอโซโทปของยูเรเนียมมีมวลแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย ทำให้การแยกแต่ละไอโซโทปออกจากทำได้ยาก การที่โครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) สามารถแยก U-235 ออกมาได้ จึงถือเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้โครงการนี้ประสบความสำเร็จ

Moderators

เทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutrons) ซึ่งเป็นนิวตรอนช้า (slow neutrons) เป็นนิวตรอนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับ U-235 ได้ดีที่สุด แต่นิวตรอนที่ได้จากฟิชชันเอง เป็นนิวตรอนที่มีความเร็วสูง และสามารถทำปฏิกิริยาแบบไม่เกิดฟิชชัน (non-fission) ได้
ไม่กี่ปีก่อนที่จะค้นพบปฏิกิริยาฟิชชัน มีการทำให้นิวตรอนลดความเร็วลง โดยการเคลื่อนที่ผ่านวัสดุที่มีน้ำหนักอะตอมต่ำ เช่น วัสดุที่เป็นสารประกอบของไฮโดรเจน กระบวนการลดความเร็วลงนี้ เกิดจากการชนแบบยืดหยุ่น (elastic collision) ของอนุภาคที่มีความเร็วสูงกับอนุภาคที่อยู่กับที่ นิวตรอนจะสูญเสียพลังงานจลน์ไปมากกว่า ถ้าอนุภาคที่ถูกชนมีมวลใกล้เคียงกัน ดังนั้น วัสดุที่เป็นธาตุเบาจึงใช้เป็น neutron moderator ได้ดีที่สุด
มีนักฟิสิกส์หลายท่านเสนอให้ผสมยูเรเนียมกับ moderator เพื่อให้นิวตรอนความเร็วสูงที่เกิดจากฟิชชัน ลดความเร็วลงก่อนที่จะทำปฏิกิริยากับยูเรเนียมอะตอมอื่น คุณสมบัติของ moderator ที่ดี คือมีน้ำหนักอะตอมต่ำและไม่ดูดกลืนนิวตรอน ลิเทียม (lithium) กับโบรอน (boron) ใช้ไม่ได้เนื่องจากดูดกลืนนิวตรอนได้สูง ฮีเลียมเป็นก๊าซจึงใช้งานไม่สะดวก ตัวเลือกของ moderator จึงเหลือเพียง hydrogen, deuterium, beryllium และ carbon Enrico Fermi และ Le? Szil?rd เป็นบุคคลแรกที่เลือกใช้กราไฟท์ ซึ่งเป็นคาร์บอนชนิดหนึ่ง ในการทำ moderator เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

การลดปฏิกิริยาที่ไม่เกิดฟิชชันโดยการแยกไอโซโทป
(Reduction of non-fission capture by isotope separation)

ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ได้แก่ U-234, U-235 และ U-238 โดยมีสัดส่วนของแต่ละไอโซโทป ร้อยละ 0.006, 0.7 และ 99.3 ตามลำดับ แต่ละไอโซโทปจะเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอนที่มีพลังงานแตกต่างกันได้เท่ากัน
นิวตรอนความเร็วปานกลาง โดยมีพลังงานตั้งแต่ระดับ electron volts จะมี cross section ในการทำปฏิกิริยากับ U-238 สูง ทำให้ได้ U-239 โดยไม่เกิดการฟิชชัน การสกัดเพื่อแยก U-238 ทิ้งไป จะทำให้ได้ U-235 เพิ่มขึ้นและทำให้ปฏิกิริยาต่อเนื่องเกิดได้ดีขึ้น แต่ U-235 ในธรรมชาติมีน้อยกว่าประมาณ 140 เท่า รวมทั้งมวลของแต่ละไอโซโทปใกล้เคียงกัน จึงทำให้การสกัดแยก U-235 ทำได้ยาก

ประวัติ (History)


Niels Bohr	Lise Meitner	Otto Robert Frisch

กระบวนการของนิวเคลียร์ฟิชชันได้รับการค้นพบในปี 1939 โดย Otto Hahn, Lise Meitner และเพื่อร่วมงาน ที่ Kaiser-Wilhelm-Institute for Chemistry ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมันนี

Enrico Fermi และเพื่อนร่วมงาน ได้ทดสอบการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอน ในปี 1934 และพบว่ามีความแปลกประหลาดและน่าสนใจเกิดขึ้น พวกเขาใช้เวลาหลายปีจึงแปลผลการทดลองนี้ออกมาได้

ในวันที่ 16 มกราคม 1939 Niels Bohr จากกรุง Copenhagen ประเทศเดนมาร์ก ได้เดินทางไปสหรัฐอเมริกา และใช้เวลาหลายเดือนที่ Princeton รัฐนิวเจอร์ซี่ ในการถกปัญหาที่เขากังวลอยู่กับ Albert Einstein สี่ปีหลังจากนั้น นาซีเข้ายึดเดนมาร์ก Bohr ได้หลบไปอยู่ที่ Sweden ด้วยเรือลำเล็ก พร้อมกับชาวเดนมาร์กเชื้อสายยิว (Danish Jews) หลายพันคน

ก่อนที่ Bohr จะหลบออกจากเดนมาร์กไม่นาน เพื่อนร่วมงานของเขาสองคน Otto Robert Frisch และ Lise Meitner ซึ่งทั้งคู่ลี้ภัยมาจากเยอรมันนี ได้บอกเขาว่า พวกเขาคาดว่าการดูดกลืนนิวตรอนของนิวเคลียสของยูเรเนียม อาจจะทำให้นิวเคลียสนั้นแตกออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน และปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา กระบวนการนี้ พวกเขาตั้งชื่อว่า นิวเคลียร์ฟิชชัน (fission)


Enrico Fermi	Otto Hahn	Fritz Strassmann

ในเวลาเดียวกัน สมมติฐานนี้กลายเป็นการค้นพบที่สำคัญ เมื่อ Otto Hahn และ Fritz Strassmann จาก Germany ได้ตีพิมพ์ใน Naturwissenschaften เมื่อเดือนมกราคม ปี 1939 โดยทดสอบให้เห็นว่ามีไอโซโทปของแบเรียม (barium) เกิดขึ้นจากการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอน Bohr สัญญากับว่าจะเก็บรักษาคำอธิบายของ Meitner/Frisch ไว้เป็นความลับจนกว่าพวกเขาจะตีพิมพ์ผลงาน เพื่อให้ได้ชื่อว่าเป็นผู้ค้นพบเรื่องนี้ แต่ตอนที่อยู่บนเรือ เขาได้คุยเรื่องนี้กับ Leon Rosenfeld และลืมบอกให้เขาเก็บไว้เป็นความลับ Rosenfeld ได้นำเรื่องนี้ไปบอกกับทุกคน ทันทีที่ไปถึง Princeton University จากนั้นข่าวนี้ได้ถูกส่งออกไปแบบปากต่อปากของนักฟิสิกส์ รวมถึง Enrico Fermi ที่ Columbia University ด้วย จากการปรึกษากันระหว่าง John R. Dunning และ G. B. Pegram ได้มีการทดลองที่ Columbia เพื่อหาสัญญาณการไอออไนซ์ ของอนุภาคมวลหนักที่เกิดจากการแตกของนิวเคลียสของยูเรเนียม เมื่อวันที่ 26 มกราคม ปี 1939 ได้มีการประชุมวิชาการของทฤษฎีฟิสิกส์ ที่กรุง Washington, D. C. โดยการสนับสนุนของ George Washington University ร่วมกับสถาบันคาร์เนกี (Carnegie Institution) ที่กรุง Washington

Fermi ออกจากนิวยอร์กไปร่วมประชุมครั้งนี้ก่อนที่ จะทำการทดลองฟิชชันที่ Columbia ในที่ประชุม Bohr กับ Fermi ได้ถกกันถึงปัญหาการเกิดฟิชชัน โดย Fermi กล่าวว่า มีโอกาสที่จะมีนิวตรอนออกมาจากกระบวนการนี้ แม้ว่าจะเป็นเพียงการคาดคะเน แต่ก็เห็นได้ชัดว่ามีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้ และได้มีบทความที่แสดงความรู้สึกเกี่ยวกับเรื่องนี้ตีพิมพ์ออกมาจำนวนมาก ก่อนที่การประชุมที่ Washington จะสิ้นสุดลง ได้มีการทดลองขึ้นอีกหลายครั้งเพื่อยืนยันการเกิดฟิชชัน โดยมีรายงานผลการทดลองยืนยันเรื่องนี้มาจาก 4 ห้องปฏิบัติการ (Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, University of California) ตีพิมพ์ลงใน Physical Review เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ 1939 ในเวลาเดียวกัน Bohr ก็ได้ทราบมาว่า ที่ห้องปฏิบัติการของเขา ที่กรุง Copenhagen ก็มีการทดลองที่คล้ายกัน (จดหมายจาก Frisch ส่งไปที่วารสาร Nature เมื่อวันที่ 16 มกราคม 1939 และตีพิมพ์วันที่ 18กุมภาพันธ์ ) Fr?d?ric Joliot ที่ปารีส ได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่องนี้ของเขาเป็นครั้งแรก ลงใน Comptes Rendus เมื่อวันที่ 30 มกรา 1939 หลังจากนั้นได้มีบทความเรื่องฟิชชันหลั่งไหลออกมาจำนวนมาก ในวันที่ 6 ธันวาคม 1939 L. A. Turner จาก Princeton ได้เขียนบทวิจารณ์ในเรื่อง the Reviews of Modern Physics ว่ามีผลงานเกือบหนึ่งร้อยเรื่องลงตีพิมพ์ โดยมีบทวิเคราะห์และข้อสังเกตผลงานเหล่านั้นอยู่ในบทความของ Turner และที่อื่นอีกหลายแห่ง

ถอดความจาก Nuclear Fission
เว็บไซต์ www.wikipedia.com

สมาคมนิวเคลียร์แห่งประเทศไทย
Nuclear Society of Thailand