วัสดุฟิชไซล์และวัสดุเฟอร์ไทล์

วัสดุฟิชไซล์ (fissile material)

ในทางวิศวกรรมนิวเคลียร์ วัสดุฟิชไซล์ คือวัสดุที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อเนื่องได้
วัสดุฟิชไซล์ทุกชนิดสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ ทั้งในกรณีที่มีเทอร์มัลนิวตรอน (thermal neurton) นิวตรอนช้า (slow neutrons) และนิวตรอนเร็ว (fast neutrons) จึงสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน

วัสดุฟิชไซล์ (fissile) ต่างจาก วัสดุที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable) เนื่องจาก fissionable หมายถึงวัสดุที่อะตอมของธาตุนั้นสามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ส่วนฟิชไซล์ใช้กับวัสดุที่เกิดฟิชชันได้เฉพาะกับนิวตรอนช้า (slow neutrons ) หรือนิวตรอนพลังงานต่ำ คำว่าฟิชไซล์จึงมีความหมายที่แคบกว่า fissionable วัสดุฟิชไซล์ทุกชนิดเป็นวัสดุ fissionable แต่วัสดุ fissionable บางชนิดเท่านั้นที่เป็นฟิชไซล์ หน่วยงานบางแห่งจำกัดในการใช้คำว่า fissionable ให้หมายถึงวัสดุทีเกิดฟิชชันได้และไม่ใช่วัสดุฟิชไซล์

ยูเรเนียม-238 เป็นตัวอย่างของวัสดุ fissionable แต่ไม่ใช่ฟิชไซล์ ยูเรเนียม-238 เกิดฟิชชันได้แบบ fast fission โดยเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอนเร็ว (fast neutron) เช่นในระเบิดนิวเคลียร์แบบ fission-fusion-fission ทำให้มีอานุภาพสูงขึ้นและทำให้เกิด fallout หรือฝุ่นกัมมันตรังสีตามมา ปฏิกิริยา fast fission ของยูเรเนียม-238 ทำให้มีกำลังสูงขึ้นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder reactors แต่ยูเรเนียม-238 เองไม่สามารถจะทำให้เกิดสภาวะวิกฤต (criticality) ในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องเองได้ จึงต้องอาศัยวัสดุฟิชไซล์ในการรักษาสภาวะให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง

วัสดุฟิชไซล์ที่สำคัญ ได้แก่

ทั้งหมดนี้สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel) แบบฟิชชันได้ นอกจากนั้น Plutonium-241 และ Neptunium-237 ก็เป็นวัสดุฟิชไซล์เช่นกัน แต่ไม่ได้ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไอโซโทปของธาตุในกลุ่ม transuranic หลายชนิดก็เป็นวัสดุฟิชไซล์ ซึ่งทุกชนิดมีเลขอะตอมเป็นเลขคู่และเลขมวลเป็นเลขคี่ ตัวอย่างวัสดุฟิชไซล์ที่ไม่ได้ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่

วัสดุที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้ จะต้องมีคุณสมบัติ ดังนี้:

วัสดุฟิชไซล์แบ่งออกได้หลายประเภท:

วัสดุเฟอร์ไทล์ (Fertile material)

วัสดุเฟอร์ไทล์ (Fertile material) เป็นชื่อที่ใช้เรียกนิวไคลด์ของวัสดุที่ไม่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อถูกเหนี่ยวนำด้วยนิวตรอน แต่เมื่อดูดกลืนนิวตรอน นิวเคลียสจะเกิดการเปลี่ยนแปลงและกลายเป็นวัสดุฟิชไซล์ (fissile material) วัสดุเฟอร์ไทล์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและสามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุฟิชไซล์ เมื่อได้รับนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์ ได้แก่ ทอเรียม-232 (Th-232) ซึ่งจะเปลี่ยนเป็น ยูเรเนยีม-233 (U-233) ยูเรเนียม-234 สามารถเปลี่ยนเป็น ยูเรเนียม-235 (U-235) และยูเรเนียม-238 (U-238) เปลี่ยนเป็น พลูโตเนียม-239 (Pu-239) ไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ (artificial isotopes) ซึ่งผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์และสามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุฟิชไซล์ ได้แก่ พลูโตเนียม-238 ซึ่งเปลี่ยนเป็น พลูโตเนียม-239 และพลูโตเนียม-240 ซึ่งเปลี่ยนเป็นพลูโตเนียม-241

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ Fast breeder ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่มีวัสดุหน่วงนิวตรอนหรือมีเพียงเล็กน้อย เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้นิวตรอนเร็ว (fast neutrons) ในการผลิตวัสดุฟิชไซล์ให้เกิดขึ้นมามากกว่าที่ใช้ไป โดยมีวัสดุเฟอร์ไทล์ติดตั้งไว้โดยรอบแกนเครื่องปฏิกรณ์ฯ หรือใช้แท่งเชื้อเพลิงแบบพิเศษ เนื่องจากนิวตรอนเร็วซึ่งสามารถทำให้เกิดฟิชชันได้ในพลูโตเนียม-238 (Pu-238) พลูโตเนียม-239 (Pu-239) และพลูโตเนียม-240 (Pu-240)

ถ้าเกิดปฏิกิริยาการดูดกลืนนิวตรอนแล้วไม่ได้ทำให้เกิดฟิชชัน แต่ทำให้เกิดนิวไคลด์ของธาตุใหม่ กระบวนการนี้ เรียกว่า transmutation นิวไคลด์ที่เกิดขึ้นใหม่อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงอีกครั้ง โดยการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า transmutation products มีวัสดุฟิชไซล์หลายชนิดที่ไม่มีในธรรมชาติ แต่ผลิตขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ด้วยกระบวนการ transmutation นี้ นิวไคลด์หรือนิวเคลียสของธาตุที่สามารถเปลี่ยนไปเป็นวัสดุฟิชไซล์ได้ เรียกว่า วัสดุเฟอร์ไทล์ (fertile materials) ในรูป แสดงกระบวนการเปลี่ยนแปลงของวัสดุเฟอร์ไทล์ไปเป็นวัสดุฟิชไซล์ 2 ชนิด ได้แก่ ทอเรียม-232 (Th-232) เปลี่ยนเป็น ยูเรเนียม-233 (U-233) และ ยูเรเนียม-238 (U-238) เปลี่ยนเป็น พลูโตเนียม-239 (Pu-239)

การเปลี่ยนนิวไคลด์แบบเฟอร์ไทล์ไปเป็นฟิชไซล์

ถ้าใส่วัสดุเฟอร์ไทล์ลงไปในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รวมกับฟิชไซล์ เมื่อเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยเชื้อเพลิงแบบฟิชไซล์เกิดการเผาไหม้และให้นิวตรอนออกมา จะทำให้วัสดุเฟอร์ไทล์เปลี่ยนเป็นวัสดุฟิชไซล์เพิ่มขึ้นด้วย เครื่องปฏิกรณ์ฯ ที่ออกแบบมาให้สามารถผลิตเชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดฟิชชันเพิ่มขึ้น เรียกว่า breeder reactors โดยเชื้อเพลิงที่เกิดฟิชชันได้มีปริมาณที่ผลิตได้มากกว่าเชื้อเพลิงที่ใช้ไป แต่ถ้าเชือ้เพลิงที่ผลิตได้น้อยกว่าส่วนที่ใช้ไป เรียกว่า conversion และเรียกเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ว่า converter