ดร.สมพร จองคำ และ อารีรัตน์ คอนดวงแก้ว
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จัดเป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนชนิดหนึ่ง มีหลักการทำงาน คล้ายคลึงกับโรงไฟฟ้า ที่ใช้น้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ เป็นเชื้อเพลิง โดยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น สามารถแบ่งส่วนการทำงาน ได้ 2 ส่วน คือ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะใส่แท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไว้ในน้ำภายในโครงสร้างที่ปิดสนิท เพื่อให้ความร้อน ที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ไปต้มน้ำ ผลิตไอน้ำ แทนการผลิตไอน้ำ จากการสันดาปเชื้อเพลิง ชนิดที่ก่อให้เกิดก๊าซมลพิษ และส่วนผลิตไฟฟ้า เป็นส่วนที่รับไอน้ำ จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แล้วส่งไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า ซึ่งส่วนนี้ เป็นองค์ประกอบ ของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทุกชนิด
ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ส่วนกำเนิดพลังงาน ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ กล่าวโดยกว้างๆ จะประกอบด้วย เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ น้ำที่ใช้ระบายความร้อน และเป็นสารหน่วงความเร็วนิวตรอนด้วย ถังปฏิกรณ์ความดันสูง ระบบควบคุมปฏิกิริยา ระบบควบคุมความปลอดภัย ซึ่งช่วยป้องกันและแก้ไข กรณีเกิดเหตุฉุกเฉิน และระบบผลิตไอน้ำ เป็นต้น
เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยปกติจะมีความเข้มข้นของไอโซโทปยูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 2 (ที่เหลือเป็นยูเรเนียม-238 ซึ่งไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ ในสภาวะของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป) ในรูปออกไซด์ ของยูเรเนียม โดยได้มาจากการ ถลุงแร่ยูเรเนียม ที่มีอยู่ในธรรมชาติ (ไอโซโทปยูเรเนียม ที่มีอยู่ในธรรมชาติ ประกอบด้วยยูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 0.7 และเป็นยูเรเนียม-238 ประมาณร้อยละ 99.27 ที่เหลือเป็นยูเรเนียม-234 ปริมาณน้อยมาก) แล้วนำไปผ่าน กระบวนการเสริมสมรรถนะ ให้มีปริมาณยูเรเนียม-235 มากขึ้น และหลังจากที่ ทำให้อยู่ในรูปของออกไซด์ แล้วถูกอัดทำให้เป็นเม็ดเล็กๆ บรรจุภายในแท่งโลหะผสม ของเซอร์โคเนียม ซึ่งจะถูกนำมารวมกลุ่มกัน เป็นมัดเชื้อเพลิง ประกอบกันเป็นแกนปฏิกรณ์ บรรจุอยู่ภายในถังปฏิกรณ์ ที่ทนความดันสูง ภายในถังปฏิกรณ์ มีน้ำ ที่อยู่ภายใต้การควบคุมความกดดันบรรจุอยู่ เพื่อใช้เป็นตัวระบายความร้อน ออกจากแท่งเชื้อเพลิงโดยตรง และยังใช้ประโยชน์ เป็นตัวหน่วงความเร็วของนิวตรอนด้วย เพื่อให้นิวตรอนที่เกิดขึ้น มีความเร็วพอเหมาะ ที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันต่อไปได้
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ในเชื้อเพลิงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น ควบคุมได้โดยใช้แท่งควบคุม ซึ่งเป็นสารที่มีคุณสมบัติพิเศษ ในการดูดจับอนุภาคนิวตรอน เช่น โบรอนคาร์ไบด์ ทำหน้าที่ควบคุม ให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เพิ่มขึ้น หรือลดลง ตามที่ต้องการ โดยการเลื่อนแท่งควบคุมเข้าออก ภายในแกนปฏิกรณ์ตามแนวขึ้นลง เพื่อดูดจับอนุภาคนิวตรอนส่วนเกิน
แบบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปัจจุบันทั่วโลก ได้นิยมใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 3 แบบ ได้แก่
1. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้น้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor : PWR) โรงไฟฟ้าชนิดนี้ จะถ่ายเทความร้อน จากแท่งเชื้อเพลิงให้น้ำ จนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 320 องศาเซลเซียส ภายในถังขนาดใหญ่ จะอัดความดันสูงประมาณ 15 เมกะปาสคาล (Mpa) หรือประมาณ 150 เท่าของความดันบรรยากาศไว้ เพื่อไม่ให้น้ำเดือดกลายเป็นไอ และนำน้ำส่วนนี้ ไปถ่ายเทความร้อน ให้แก่น้ำหล่อเย็นอีกระบบหนึ่ง เพื่อให้เกิดการเดือด และกลายเป็นไอน้ำออกมา เป็นการป้องกัน ไม่ให้น้ำในถังปฏิกรณ์ ซึ่งมีสารรังสีเจือปนอยู่ แพร่กระจายไปยังอุปกรณ์ส่วนอื่นๆ ตลอดจนป้องกัน การรั่ว ของสารกัมมันตรังสี สู่สิ่งแวดล้อม
2. โรงไฟฟ้าแบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor : BWR) สามารถผลิตไอน้ำได้โดยตรง จากการต้มน้ำภายในถัง ซึ่งควบคุมความดันภายใน (ประมาณ 7 Mpa) ต่ำกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแรก (PWR) ดังนั้น ความจำเป็น ในการใช้เครื่องผลิตไอน้ำ และแลกเปลี่ยนความร้อน ปั๊ม และอุปกรณ์ช่วยอื่นๆ ก็ลดลง แต่จำเป็นต้อง มีการก่อสร้างอาคารป้องกันรังสีไว้ ในระบบอุปกรณ์ส่วนต่างๆ ของโรงไฟฟ้า เนื่องจากไอน้ำจากถังปฏิกรณ์ จะถูกส่งผ่านไปยังอุปกรณ์เหล่านั้นโดยตรง
3. โรงไฟฟ้าแบบใช้น้ำมวลหนักความดันสูง (Pressurized Heavy Water Reactor : PHWR) ซึ่งประเทศแคนาดา เป็นผู้พัฒนาขึ้นมา จึงมักเรียกชื่อย่อว่า “CANDU” ซึ่งย่อมาจากคำว่า Canadian Deuterium Uranium มีการทำงานคล้ายคลึงกับ แบบ PWR แต่แตกต่างกันที่ มีการจัดแกนปฏิกรณ์ในแนวระนาบ และเป็นการต้มน้ำ ภายในท่อขนาดเล็ก จำนวนมาก ที่มีเชื้อเพลิงบรรจุอยู่ แทนการต้มน้ำ ภายในถังปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถผลิตได้ง่ายกว่า การผลิตถังขนาดใหญ่ โดยใช้ “น้ำมวลหนัก” (Heavy Water, D2O) มาเป็นตัวระบายความร้อน จากแกนปฏิกรณ์ นอกจากนี้ ยังมีการแยกระบบใช้น้ำมวลหนัก เป็นตัวหน่วงความเร็ว ของนิวตรอนด้วย เนื่องจากน้ำมวลหนัก มีการดูดกลืนนิวตรอน น้อยกว่าน้ำธรรมดา ทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เกิดขึ้นได้ง่าย จึงสามารถใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่สกัดมาจากธรรมชาติ ซึ่งมียูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 0.7 ได้ โดยไม่จำเป็น ต้องผ่านกระบวนการปรังปรุง ให้มีความเข้มข้นสูงขึ้น ทำให้ปริมาณผลิตผล จากการแตกตัว (fission product) ที่เกิดในแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว มีน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ แบบใช้น้ำธรรมดา
ข้อดีและข้อเสียของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ข้อดี
เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถให้กำลังผลิตสูงกว่า 1,200 เมกะวัตต์
มีต้นทุนการผลิตไฟฟ้าแข่งขันได้กับโรงไฟฟ้าชนิดอื่น
เป็นโรงไฟฟ้าที่สะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ
สริมสร้างความมั่นคงของระบบผลิตไฟฟ้า เนื่องจากใช้เชื้อเพลิงน้อย ทำให้เสถียรภาพใน การจัดหาเชื้อเพลิง และราคาเชื้อเพลิง มีผลกระทบ ต่อต้นทุนการผลิตเล็กน้อย
ข้อเสีย
ใช้เงินลงทุนเริ่มต้นสูง
จำเป็นต้องเตรียมโครงสร้างพื้นฐาน และการพัฒนาบุคลากร เพื่อให้การดำเนินงาน เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
จำเป็นต้องพัฒนา และเตรียมการ เกี่ยวกับการจัดกากกัมมันตรังสี การดำเนินงาน ด้านแผนฉุกเฉินทางรังสี และมาตรการควบคุม ความปลอดภัย เพื่อป้องกันอุบัติเหตุ
การยอมรับของประชาชน
โครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ในปี พ.ศ. 2519 รัฐบาลได้อนุมัติ ให้การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ขนาด 600 เมกะวัตต์ ที่อ่าวไผ่ อำเภอศรีราชา จังหวัดชลบุรี แต่ได้มีการคัดค้าน จากประชาชน ทำให้รัฐบาลจัดสินใจ ล้มเลิกโครงการไปในที่สุด นอกจากนี้ ในช่วงเวลาที่ผ่านมาถึงปัจจุบัน กฟผ. ได้ร่วมกับหน่วยงานรัฐบาล เอกชน และ องค์กรต่างๆ จากภายใน และภายนอกประเทศ รวมทั้งผู้จำหน่ายทั่วโลก จัดกิจกรรม ให้ความรู้ ทางเทคโนโลยี โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยผ่านการประชุมวิชาการ การสัมมนา จัดนิทรรศการ และจัดทำสื่อต่างๆ กล่าวได้ว่า ขั้นตอนแรก ได้สร้างความตื่นตัว และความสนใจประชาชน (Public Awareness) ต่อมา ดำเนินการ ขั้นตอนการสร้างความเข้าใจ (Public Understand) เพื่อนำไปสู่ขั้นตอนสุดท้าย คือ การยอมรับของประชาชน (Public Acceptance) ซึ่งจะมีการ เข้าดำเนินการ ให้เกิดการยอมรับ ในหมู่ประชาชนทั่วไป และชุมชนที่คาดว่า จะเป็นบริเวณที่ตั้ง ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ต่อไป
วันจันทร์ที่ 8 เมษายน พ.ศ. 2556
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ดร.สมพร จองคำ และ อารีรัตน์ คอนดวงแก้ว
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จัดเป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนชนิดหนึ่ง มีหลักการทำงาน คล้ายคลึงกับโรงไฟฟ้า ที่ใช้น้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ เป็นเชื้อเพลิง โดยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น สามารถแบ่งส่วนการทำงาน ได้ 2 ส่วน คือ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะใส่แท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไว้ในน้ำภายในโครงสร้างที่ปิดสนิท เพื่อให้ความร้อน ที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ไปต้มน้ำ ผลิตไอน้ำ แทนการผลิตไอน้ำ จากการสันดาปเชื้อเพลิง ชนิดที่ก่อให้เกิดก๊าซมลพิษ และส่วนผลิตไฟฟ้า เป็นส่วนที่รับไอน้ำ จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แล้วส่งไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า ซึ่งส่วนนี้ เป็นองค์ประกอบ ของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทุกชนิด
ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ส่วนกำเนิดพลังงาน ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ กล่าวโดยกว้างๆ จะประกอบด้วย เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ น้ำที่ใช้ระบายความร้อน และเป็นสารหน่วงความเร็วนิวตรอนด้วย ถังปฏิกรณ์ความดันสูง ระบบควบคุมปฏิกิริยา ระบบควบคุมความปลอดภัย ซึ่งช่วยป้องกันและแก้ไข กรณีเกิดเหตุฉุกเฉิน และระบบผลิตไอน้ำ เป็นต้น
เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยปกติจะมีความเข้มข้นของไอโซโทปยูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 2 (ที่เหลือเป็นยูเรเนียม-238 ซึ่งไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ ในสภาวะของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป) ในรูปออกไซด์ ของยูเรเนียม โดยได้มาจากการ ถลุงแร่ยูเรเนียม ที่มีอยู่ในธรรมชาติ (ไอโซโทปยูเรเนียม ที่มีอยู่ในธรรมชาติ ประกอบด้วยยูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 0.7 และเป็นยูเรเนียม-238 ประมาณร้อยละ 99.27 ที่เหลือเป็นยูเรเนียม-234 ปริมาณน้อยมาก) แล้วนำไปผ่าน กระบวนการเสริมสมรรถนะ ให้มีปริมาณยูเรเนียม-235 มากขึ้น และหลังจากที่ ทำให้อยู่ในรูปของออกไซด์ แล้วถูกอัดทำให้เป็นเม็ดเล็กๆ บรรจุภายในแท่งโลหะผสม ของเซอร์โคเนียม ซึ่งจะถูกนำมารวมกลุ่มกัน เป็นมัดเชื้อเพลิง ประกอบกันเป็นแกนปฏิกรณ์ บรรจุอยู่ภายในถังปฏิกรณ์ ที่ทนความดันสูง ภายในถังปฏิกรณ์ มีน้ำ ที่อยู่ภายใต้การควบคุมความกดดันบรรจุอยู่ เพื่อใช้เป็นตัวระบายความร้อน ออกจากแท่งเชื้อเพลิงโดยตรง และยังใช้ประโยชน์ เป็นตัวหน่วงความเร็วของนิวตรอนด้วย เพื่อให้นิวตรอนที่เกิดขึ้น มีความเร็วพอเหมาะ ที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันต่อไปได้
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ในเชื้อเพลิงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น ควบคุมได้โดยใช้แท่งควบคุม ซึ่งเป็นสารที่มีคุณสมบัติพิเศษ ในการดูดจับอนุภาคนิวตรอน เช่น โบรอนคาร์ไบด์ ทำหน้าที่ควบคุม ให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เพิ่มขึ้น หรือลดลง ตามที่ต้องการ โดยการเลื่อนแท่งควบคุมเข้าออก ภายในแกนปฏิกรณ์ตามแนวขึ้นลง เพื่อดูดจับอนุภาคนิวตรอนส่วนเกิน
แบบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปัจจุบันทั่วโลก ได้นิยมใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 3 แบบ ได้แก่
1. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้น้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor : PWR) โรงไฟฟ้าชนิดนี้ จะถ่ายเทความร้อน จากแท่งเชื้อเพลิงให้น้ำ จนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 320 องศาเซลเซียส ภายในถังขนาดใหญ่ จะอัดความดันสูงประมาณ 15 เมกะปาสคาล (Mpa) หรือประมาณ 150 เท่าของความดันบรรยากาศไว้ เพื่อไม่ให้น้ำเดือดกลายเป็นไอ และนำน้ำส่วนนี้ ไปถ่ายเทความร้อน ให้แก่น้ำหล่อเย็นอีกระบบหนึ่ง เพื่อให้เกิดการเดือด และกลายเป็นไอน้ำออกมา เป็นการป้องกัน ไม่ให้น้ำในถังปฏิกรณ์ ซึ่งมีสารรังสีเจือปนอยู่ แพร่กระจายไปยังอุปกรณ์ส่วนอื่นๆ ตลอดจนป้องกัน การรั่ว ของสารกัมมันตรังสี สู่สิ่งแวดล้อม
2. โรงไฟฟ้าแบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor : BWR) สามารถผลิตไอน้ำได้โดยตรง จากการต้มน้ำภายในถัง ซึ่งควบคุมความดันภายใน (ประมาณ 7 Mpa) ต่ำกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแรก (PWR) ดังนั้น ความจำเป็น ในการใช้เครื่องผลิตไอน้ำ และแลกเปลี่ยนความร้อน ปั๊ม และอุปกรณ์ช่วยอื่นๆ ก็ลดลง แต่จำเป็นต้อง มีการก่อสร้างอาคารป้องกันรังสีไว้ ในระบบอุปกรณ์ส่วนต่างๆ ของโรงไฟฟ้า เนื่องจากไอน้ำจากถังปฏิกรณ์ จะถูกส่งผ่านไปยังอุปกรณ์เหล่านั้นโดยตรง
3. โรงไฟฟ้าแบบใช้น้ำมวลหนักความดันสูง (Pressurized Heavy Water Reactor : PHWR) ซึ่งประเทศแคนาดา เป็นผู้พัฒนาขึ้นมา จึงมักเรียกชื่อย่อว่า “CANDU” ซึ่งย่อมาจากคำว่า Canadian Deuterium Uranium มีการทำงานคล้ายคลึงกับ แบบ PWR แต่แตกต่างกันที่ มีการจัดแกนปฏิกรณ์ในแนวระนาบ และเป็นการต้มน้ำ ภายในท่อขนาดเล็ก จำนวนมาก ที่มีเชื้อเพลิงบรรจุอยู่ แทนการต้มน้ำ ภายในถังปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถผลิตได้ง่ายกว่า การผลิตถังขนาดใหญ่ โดยใช้ “น้ำมวลหนัก” (Heavy Water, D2O) มาเป็นตัวระบายความร้อน จากแกนปฏิกรณ์ นอกจากนี้ ยังมีการแยกระบบใช้น้ำมวลหนัก เป็นตัวหน่วงความเร็ว ของนิวตรอนด้วย เนื่องจากน้ำมวลหนัก มีการดูดกลืนนิวตรอน น้อยกว่าน้ำธรรมดา ทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เกิดขึ้นได้ง่าย จึงสามารถใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่สกัดมาจากธรรมชาติ ซึ่งมียูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 0.7 ได้ โดยไม่จำเป็น ต้องผ่านกระบวนการปรังปรุง ให้มีความเข้มข้นสูงขึ้น ทำให้ปริมาณผลิตผล จากการแตกตัว (fission product) ที่เกิดในแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว มีน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ แบบใช้น้ำธรรมดา
ข้อดีและข้อเสียของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ข้อดี
เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถให้กำลังผลิตสูงกว่า 1,200 เมกะวัตต์
มีต้นทุนการผลิตไฟฟ้าแข่งขันได้กับโรงไฟฟ้าชนิดอื่น
เป็นโรงไฟฟ้าที่สะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ
สริมสร้างความมั่นคงของระบบผลิตไฟฟ้า เนื่องจากใช้เชื้อเพลิงน้อย ทำให้เสถียรภาพใน การจัดหาเชื้อเพลิง และราคาเชื้อเพลิง มีผลกระทบ ต่อต้นทุนการผลิตเล็กน้อย
ข้อเสีย
ใช้เงินลงทุนเริ่มต้นสูง
จำเป็นต้องเตรียมโครงสร้างพื้นฐาน และการพัฒนาบุคลากร เพื่อให้การดำเนินงาน เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
จำเป็นต้องพัฒนา และเตรียมการ เกี่ยวกับการจัดกากกัมมันตรังสี การดำเนินงาน ด้านแผนฉุกเฉินทางรังสี และมาตรการควบคุม ความปลอดภัย เพื่อป้องกันอุบัติเหตุ
การยอมรับของประชาชน
โครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ในปี พ.ศ. 2519 รัฐบาลได้อนุมัติ ให้การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ขนาด 600 เมกะวัตต์ ที่อ่าวไผ่ อำเภอศรีราชา จังหวัดชลบุรี แต่ได้มีการคัดค้าน จากประชาชน ทำให้รัฐบาลจัดสินใจ ล้มเลิกโครงการไปในที่สุด นอกจากนี้ ในช่วงเวลาที่ผ่านมาถึงปัจจุบัน กฟผ. ได้ร่วมกับหน่วยงานรัฐบาล เอกชน และ องค์กรต่างๆ จากภายใน และภายนอกประเทศ รวมทั้งผู้จำหน่ายทั่วโลก จัดกิจกรรม ให้ความรู้ ทางเทคโนโลยี โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยผ่านการประชุมวิชาการ การสัมมนา จัดนิทรรศการ และจัดทำสื่อต่างๆ กล่าวได้ว่า ขั้นตอนแรก ได้สร้างความตื่นตัว และความสนใจประชาชน (Public Awareness) ต่อมา ดำเนินการ ขั้นตอนการสร้างความเข้าใจ (Public Understand) เพื่อนำไปสู่ขั้นตอนสุดท้าย คือ การยอมรับของประชาชน (Public Acceptance) ซึ่งจะมีการ เข้าดำเนินการ ให้เกิดการยอมรับ ในหมู่ประชาชนทั่วไป และชุมชนที่คาดว่า จะเป็นบริเวณที่ตั้ง ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ต่อไป
ทฤษฎีและหลักการพื้นฐานพลังงานนิวเคลียร์
ทฤษฎีและหลักการพื้นฐานพลังงานนิวเคลียร์
......ในการที่จะเรียนรู้เรื่องราวเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ จะต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม เลขอะตอม เลขมวลและไอโซโทป
สัญลักษณ์ทางนิวเคลียร์สารกัมมันตรังสี ปฏิกิริยนิวเคลียร์ฟิชชั่น
....... โครงสร้างอะตอม ในชีวิตประจำวันของคนเราเกี่ยวข้องกับธาตุอยู่ตลอดเวลา ธาตุในโลกปัจจุบันนี้มีจำนวนไม่น้อยกว่า 105 ธาตุ
ธาตุที่เรารู้จักกันดีเช่น คาร์บอน โซเดียม อะลูมิเนียม คลอรีน สังกะสี ฯลฯ จากการค้นคว้าสมบัติและรายละเอียดของธาตุแต่ละธาตุ จะพบว่าธาตุ
แต่ละธาตุจะมีสมบัติเฉพาะตัวที่ต่างกันออกไป ธาตุมีอนุภาคเล็ก ๆ ประกอบด้วยอะตอม ในภาวะปกติ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีคุณสมบัติ
เหมือนกัน อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีคุณสมบัติต่างกัน ภายในอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญ 3 ชนิดคือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน
โปรตอนและนิวตรอนจะอยู่รวมกันตรงกลางเป็นนิวเคลียส โปรตอนมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก นิวตรอนจะมีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วน
อิเล็กตรอนจะมีน้ำหนักน้อยมากวิ่งรอบ ๆ นิวเคลียส และมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ความเป็นธาตุจะอยู่ในสภาวะปกติ คือจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับ
จำนวนอิเล็กตรอน และจะมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า
เลขอะตอมเลขมวลและไอโซโทป
เลขอะตอม เป็นจำนวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอน
เลขมวล เป็นผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะ
มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนไม่เท่ากันก็ได้ธาตุบางชนิดจึงมีค่าเลขมวลหลายค่า
.......นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดสัญลักษณ์ต่างๆเพื่อความสะดวกในการศึกษาชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุ
ต่าง ๆ ดังตัวอย่างต่อไปนี้คือ
อิเล็กตรอน มีสัญลักษณ์ e มีประจุ - 1
โปรตอน มีสัญลักษณ์ p มีประจุ +1
นิวตรอน มีสัญลักษณ์ n มีประจุ 0
ชื่อธาตุ โดยปกติใช้สัญลักษณ์เป็นภาษาอังกฤษตัวแรกเป็นตัวใหญ่ 1 ตัว เช่น C เป็น
สัญลักษณ์ของอะตอมคาร์บอน หากชื่อตัวแรกซ้ำกันเช่น แคลเซี่ยม จะเติมอักษรตัวเล็ก
ที่แสดงสัญลักษณ์ธาตุแคลเซี่ยม เป็น Ca ซึ่งเป็นสัญลักษณ์อะตอมของแคลเซี่ยม
............สารกัมมันตรังสี......สารกัมมันตรังสีคือสารที่นิวเคลียสสลายให้พลังงานออกมาซึ่งมีทั้งสารกัมมันตรังสีธรรมชาติเช่นธาตุเรเนียมนิวเคลียส
จะแตกตัวโดยธรรมชาติหรือเรียกง่ายๆว่ามีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร เมื่อนิวเคลียส
แตกตัวจะได้พลังงานออกมา ขณะที่สลายตัวปริมาณมันจะน้อยลง ช่วงเวลาที่ใช้ในการสลายตัวนี้เรียกว่าครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีนั้น สารกัมมันตรังสี
อาจจะทำได้โดยยิงพลังงานที่สูงกว่าเข้าไปในนิวเคลียส เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัวและให้พลังงานออกมา อาจกล่าวได้ว่าสารทุกชนิดเป็นสารกัมมันตรังสีหมด
แต่ไม่เป็นเช่นนั้นเพราะมีก๊าซบางชนิดที่เราเรียกว่าก๊าซเฉื่อย เช่น นีออน ฮีเลียม อาร์กอน ซีนอน ฯลฯ ที่มีคุณสมบัติคือมีพลังยึดเหนียวแน่นมากหากจะใช้พลังงาน
ที่จะยิงให้นิวเคลียสแตกตัวต้องใช้พลังงานระดับสูงมาก
............ พลังงานนิวเคลียร์และปฏิกิริยานิวเคลียร์
..........พลังงานนิวเคลียร์ .....คือ พลังงานที่ได้จากการที่นิวเคลียสแตกตัวนั่นเอง พลังงานนิวเคลียร์จะมีค่ามากมายมหาศาล และขณะที่นิวเคลียสแตกตัว
ปล่อยอนุภาคออกมานั้น เป็นกฎการสลายตัว จะเกิดนิวเคลียสธาตุใหม่พร้อมทั้งพลังงานนิวเคลียร์นั่นเอง ส่วนกัมมันตภาพ (Ratio activity) คือ อัตราการสลายตัว
ของสารกัมมันตรังสี
............ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ .....ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์มี 2 ปฏิกิริยา คือ ปฏิกิริยาฟิชชั่น และปฏิกิริยาฟิวชั่น
............ ปฏิกิริยาฟิชชั่น (Fission) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการใช้อนุภาคนิวตรอนหรืออนุภาคอื่นยิงไปที่นิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียส
แตกตัวเป็นนิวเคลียสใหม่สองนิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกันและมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่านิวเคลียสของธาตุเดิม ขบวนการฟิชชั่นที่เกิดขึ้นนี้จะมี
นิวตรอนอิสระเกิดขึ้นด้วย นิวตรอนอิสระนี้จะไปชนนิวเคลียสอื่นของยูเรเนียมก็จะเกิดฟิชชั่นต่อไปเรียกว่า “ปฏิกิริยาลูกโซ่” ซึ่งเกิดต่อเนื่องกันไปไม่หยุดยั้งและ
จะเกิดพลังงานมหาศาล แนวความคิดนี้ถูกนำไปใช้ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์
............ ปฏิกิริยาฟิวชั่น (Fusion) ฟิวชั่นคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งเกิดจากนิวเคลียสธาตุเบามา หลอมรวมกันเป็นนิวเคลียร์ที่หนักกว่า พร้อมกับมีพลังงาน
ปล่อยออกมา ปฏิกิริยาฟิวชั่นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ จะมีพลังงานออกมาไม่สิ้นสุด เพราะการรวมตัวของไฮโดรเจน 4 อะตอม เกิดฮีเลียมและพลังงาน
ปฏิกิริยาเช่นนี้เกิดขึ้นมากมายบนดวงอาทิตย์ จึงไม่น่าประหลาดใจว่าเหตุใดใจกลางดวงอาทิตย์จึงมีอุณหภูมิถึง 20,000,000 K (เคลวิน) การสร้างปฏิกิริยา
ในห้องปฏิบัติการสามารถทำได้ เช่นระเบิดไฮโดรเจนเป็นผลของปฏิกิริยาฟิวชั่น มีพลังงานสูงกว่าระเบิดนิวเคลียร์มาก แต่เรายังไม่สามารถควบคุมบังคับให้
เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้
การนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์
.....การนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์จะใช้อยู่ 2 ทาง คือ ใช้ในการทำลายและได้จากฟิวชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้คือ
1. ใช้ในการทำลาย ซึ่งมีอำนาจมหาศาล เช่น การขุดคลอง การระเบิดหิน การทหาร
2. ได้จากฟิวชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งจะใช้ประโยชน์ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า
.....เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิง คือยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม จะผสมอยู่ในมอเดอเรเตอร์และมีแท่งควบคุม ซึ่งทำหน้าที่ควบคุม
อัตราการเกิดฟิชชั่น โดยให้เกิดภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปความร้อน และเราถ่ายความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์
นิวเคลียร์ โดยใช้ของเหลว ของเหลวนี้จะนำความร้อนไปยังเครื่องถ่ายความร้อน ณ ที่นั้นจะทำให้น้ำกลายเป็นไอ ไอน้ำจะไปหมุนกังหันซึ่งมีเพลาต่อกับ
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนและผลิตไฟฟ้าออกจำหน่ายไปตามบ้าน การผลิตไฟฟ้าแบบนี้ต้นทุนจะสูง แต่เมื่อมองในระยะยาวจะ
คุ้มทุน เพราะเมื่อเทียบกับพลังงานเชื้อเพลิงปิโตรเลียมแล้ว เชื้อเพลิงปิโตรเลียมจะสิ้นเปลืองมากกว่า
ข้อควรระวังในการใช้พลังงานนิวเคลียร์
พลังงานนิวเคลียร์เมื่อไม่ระมัดระวังในการใช้จะเกิดโทษดังต่อไปนี้คือ
1. รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี เมื่อผ่านสิ่งมีชีวิตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนั้นจะมีผลถึงพันธุกรรมของ
สิ่งมีชีวิต ตัวอย่างคือความพิการของคนในเมืองฮิโรชิมาและนางาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ที่ประเทศสหรัฐอเมริกาทิ้งระเบิดปรมาณูในสงครามโลก
ครั้งที่ 2
2. การทิ้งกากสารที่มีกัมมันตรังสี ถ้าทำไม่ระมัดระวังจะทำให้เกิดผลกระทบต่อชีวิตในบริเวณนั้น
การป้องกันในการใช้พลังงานนิวเคลียร์
1. ให้ใช้ในระยะเวลาสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้
2. ให้อยู่ห่างแหล่งกำเนิดหรือบริเวณธาตุกัมมันตรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้
3. เนื่องจากขณะที่เกิดพลังงานนิวเคลียร์ จะมีรังสีออกมาด้วย รังสีนี้จะมีอำนาจในการผ่านวัตถุต่างกัน จึงควรใช้วัตถุที่รังสีทะลุผ่านได้น้อยมาเป็น
เครื่องกำบัง โดยมากมักใช้ตะกั่ว คอนกรีต การทำงานเกี่ยวกับนิวเคลียร์ต้องมีเครื่องมือวัดรังสีเพื่อรู้ปริมาณรังสี เพื่อป้องกันอันตรายจากรังสี
..........โดยปกติแล้วในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตจะได้รับรังสีโดยธรรมชาติอยู่เสมอ แต่ได้รับน้อยจึงไม่มีอันตราย แนวโน้มการใช้พลังงานนิวเคลียร์
จะมีมากขึ้นในอนาคต เพราะความเจริญทางเทคโนโลยี จึงควรใช้ด้วยความระมัดระวังเพราะพลังงานนิวเคลียร์มีทั้งคุณและโทษ
กำเนิดนิวเคลียร์
คอลัมน์ : นิวเคลียร์น่ารู้กับปรมาณูเพื่อสันติ
ชื่อเรื่อง : กำเนิดนิวเคลียร์
ปัจจุบันนี้หลาย ๆ ประเทศทั่วโลก ได้หันมาให้ความสนใจกับการศึกษาและพัฒนาการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในทางสันติ เพื่อสร้างประโยชน์ให้กับโลกของเรา จนทุกวันนี้ พลังงานนิวเคลียร์ได้ก้าวเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันของเราอย่างใกล้ชิด
ที่ผ่านมาเราได้ทราบกันไปบ้างแล้วว่า มีการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ ในหลาย ๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็น ใช้ถนอมอาหาร ใช้ฆ่าเชื้อในผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ ใช้ตรวจวินิจฉัยและรักษาโรค ใช้ในการควบคุมแมลงศัตรูพืช หรือใช้ในการตรวจสอบหอกลั่นน้ำมัน ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม จะเห็นได้ว่าพลังงานนิวเคลียร์เมื่อนำมาใช้เพื่อสันติก็จะมีคุณอย่าง อเนกอนันต์ แต่ท่านผู้อ่านทราบหรือไม่ว่า พลังงานนิวเคลียร์ แท้จริงแล้วคืออะไร และเกิดขึ้น ได้อย่างไร
พลังงานนิวเคลียร์ ก็คือ พลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส หลายคนคงงงว่า แล้วนิวเคลียสคืออะไร ? ก่อนอื่นต้องขออธิบายก่อนว่า ในสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่รอบตัวเราไม่ว่าจะเป็น ต้นไม้ใบหญ้าตามธรรมชาติ หรือตึกรามบ้านช่องที่มนุษย์สร้างขึ้น ล้วนประกอบไปด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เกาะตัวกันอยู่จนเกิดเป็นรูปร่างของสิ่งต่าง ๆ ขึ้นมา ซึ่งเราเรียกอนุภาคขนาดเล็กเหล่านั้นว่า “อะตอม” หรือก็คือ “ปรมาณู”ในภาษาไทยนั่นเอง ในอะตอมเอง ยังประกอบไปด้วยอนุภาคอีก 3 ชนิด นั่นคือ “โปรตอน” “นิวตรอน” และ “อิเล็กตรอน” โปรตอนและนิวตรอนนั้น จะรวมตัวกันอยู่เป็นศูนย์กลางของอะตอม ซึ่งก็คือ “นิวเคลียส” ในขณะที่อิเล็กตรอนจะวิ่งวนอยู่ รอบ ๆ นิวเคลียส ในส่วนของนิวเคลียสนี่เอง ที่เป็นส่วนสำคัญของการเกิดพลังงานนิวเคลียร์
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่า พลังงานนิวเคลียร์ คือ พลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส ซึ่งเราเรียกการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้ว่า “ปฏิกิริยานิวเคลียร์” โดยแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ “ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น” และ”ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น” ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการแตกตัวของโปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียสของธาตุหนัก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้อาศัยหลักการดังกล่าว มาใช้ในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ทั้งในการผลิตกระแสไฟฟ้า หรือในการศึกษาวิจัยต่าง ๆ ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น จะตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาชนิดแรก เพราะปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น จะเกิดจากการรวมตัวกันของนิวเคลียสของธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน ซึ่งปฏิกิริยาที่ว่านี้ ก็เป็นแบบเดียวกันกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์นั่นเอง
อย่างไรก็ตามสิ่งที่เหมือนกันของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้ง 2 ชนิดนี้ก็คือ เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นในนิวเคลียสแล้ว จะเกิดการปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลออกมา ซึ่งพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากกระบวนการดังกล่าวนั้นก็มีอยู่ด้วยกันหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น พลังงานความร้อน รังสี หรืออนุภาคชนิดต่าง ๆ ซึ่งการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ ก็หมายถึงการนำพลังงานรูปแบบต่าง ๆ เหล่านี้มาใช้นั่นเอง
แทบไม่น่าเชื่อเลยว่า อนุภาคขนาดเล็ก ๆ อย่างอะตอม จะเป็นต้นกำเนิดของพลังงานที่มีอานุภาพมหาศาลอย่างพลังงานนิวเคลียร์ได้ ซึ่งพลังงานดังกล่าวนี้ หากนำมาใช้เพื่อสันติ ในทางสร้างสรรค์แล้วหล่ะก็ จะนำมาซึ่งคุณประโยชน์นานับประการ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับจิตสำนึกของพวกเราทุกคนที่จะต้องรู้จักเลือกนำพลังงานที่ว่านี้มาใช้ในทางที่เหมาะที่ควร ในส่วนของประเทศไทย ก็มีหน่วยงานที่ทำหน้าที่ศึกษาวิจัย และกำกับควบคุมการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในประเทศ ให้เป็นไปอย่างถูกต้อง ปลอดภัย นั่นคือ “สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ” หรือ “ปส.” ซึ่งปัจจุบัน ได้จัดตั้ง “ศูนย์บริการประชาชน” ขึ้น เพื่อให้บริการตอบคำถามและข้อสงสัยเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ โดยให้บริการผ่านหมายเลขโทรศัพท์ 0-2579-1824, 0-2579-1834 และ 0-2579-1849 นอกจากนี้ยังมีการรับแจ้งเหตุฉุกเฉินทางรังสี ทางหมายเลขโทรศัพท์ 0-2579-2888 ตามวันและ เวลาราชการ
ศูนย์บริการประชาชน สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ โทร. 0-2579-1824, 0-2579-1834, 0-2579-1849
แจ้งเหตุฉุกเฉินทางรังสี โทร. 0-2579-2888 ตามวันและเวลาราชการ
วันพุธที่ 3 เมษายน พ.ศ. 2556
ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี
ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี
1. ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดำบรรพ์ซึ่งหาได้ดังนี้ ในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจน รวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิกจนเกิดปฏิกิริยา แล้ว C-14 ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน แล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และสัตว์กินพืช คนกินสัตว์และพืช ในขณะที่พืชหรือสัตว์ยังมีชีวิตอยู่ C-14 จะถูกรับเข้าไปและขับออกตลอดเวลา เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง การรับ C-14 ก็จะสิ้นสุดลงและมีการสลายตัวทำให้ปริมาณลดลงเรื่อยๆ ตามครึ่งชีวิตของ C-14 ซึ่งเท่ากับ 5730 ปี
ดังนั้น ถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวในขณะที่ต้องการคำนวณอายุวัตถุนั้น ก็สามารถทำนายอายุได้ เช่น ซากสัตว์โบราณชนิดหนึ่งมีอัตราการสลายตัวของ C-14 ลดลงไปครึ่งหนึ่งจากของเดิมขณะที่ยังมีชีวิตอยู่เนื่องจาก C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี จึงอาจสรุปได้ว่าซากสัตว์โบราณชนิดนั้นมีอายุประมาณ 5730 ปี
2. ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยู่ในรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่
3. ด้านเกษตรกรรม มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีติดตามระยะเวลาการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนกระทั่งถึงการคายออกที่ใบ หรือใช้ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช
4. ด้านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ จะใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสีในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอตลอดแผ่น โดยใช้รังสีบีตายิงผ่านแนวตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่รีดแล้ว แล้ววัดปริมาณรังสีที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะออกมาด้วยเครื่องวัดรังสี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะที่รีดแล้วผิดไปจากความหนาที่ตั้งไว้ เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไปควบคุมความหนา โดยสั่งให้มอเตอร์กดหรือผ่อนลูกกลิ้ง เพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการ
ในอุตสาหกรรมการผลิตถังแก๊ส อุตสาหกรรมก่อสร้าง การเชื่อมต่อท่อส่งน้ำมันหรือแก๊สจำเป็นต้องตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อต่อโลหะ เพื่อต้องการดูว่าการเชื่อมต่อนั้นเหนียวแน่นดีหรือไม่ วิธีการตรวจสอบทำได้โดยใช้รังสีแกมมายิงผ่านบริเวณการเชื่อมต่อ ซึ่งอีกด้านหนึ่งจะมีฟิล์มมารับรังสีแกมมาที่ทะลุผ่านออกมา ภาพการเชื่อมต่อที่ปรากฏบนฟิล์ม จะสามารถบอกได้ว่าการเชื่อมต่อนั้นเรียบร้อยหรือไม่
ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์
ด้านเกษตรกรรม งานในด้านนี้ที่ประสบความสำเร็จมากคือ การวิจัยด้านการฉายรังสีอาหารโดยใช้รังสีแกมมาช่วยยืดอายุการเก็บของอาหาร ทั้งพืชผัก ผลไม้ และเนื้อสัตว์ต่างๆ ได้เป็นอย่างดี โดยจะช่วยยับยั้งการงอกของพืชผัก ชะลอการสุกของผลไม้และช่วยทำลายแมลง พยาธิ หรือจุลินทรีย์ ในอาหารและผลิตผลทางการเกษตร ซึ่งอำนวยประโยชน์ให้ประชาชนได้บริโภคอาหารที่ถูกอนามัยปราศจากเชื้อโรคและ พยาธิ ช่วยการถนอมอาหารและเก็บรักษาอาหารและพืชผลไว้บริโภคในช่วงฤดูกาลที่ขาดแคลน ลดการนำเข้าจากต่างประเทศและเพิ่มรายได้ของประเทศโดยส่งเสริมการส่งออกของ อาหารและผลิตผลการเกษตรจากการฉายรังสี
นอกจากนี้ยังนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในงานอื่นอีก เช่น ใช้วิเคราะห์ดินเพื่อการจำแนกพื้นที่เพาะปลูกหรือการใช้เทคนิคทางรังสีเพื่อ ศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุและปุ๋ยโดยต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ ส่งเสริมการใช้ปุ๋ยให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น หรือการนำเทคนิคดังกล่าวมาปรับปรุงพันธ์พืช และสัตว์ เป็นต้น
ด้านการแพทย์ ปัจจุบันมีการนำเทคนิคด้านนิวเคลียร์มาใช้ในทางการแพทย์หลายด้าน เช่น ด้านการตรวจและวินิจฉัย โดยการใช้เทคนิค Radioimmunoassay (RIA) สำหรับตรวจวัดสารที่มีประมาณน้อยในร่างกาย หรือเทคนิคฉีดสารกัมมันตรังสีเข้าร่างกาย เพื่อหาตำแหน่งของอวัยวะที่เสียหน้าที่ และปัจจุบันสามารถตรวจดูรูปร่างและการทำงานของอวัยวะด้วยเครื่องมือที่เรียก ว่า เครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ซึ่งทันสมัยที่สุด ในด้านการบำบัดรักษาโดยเฉพาะโรคมะเร็งได้มีการใช้สารกัมมันตรังสีร่วมกับการ ใช้ยาหรือสารเคมีและการผ่าตัด นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีในการทำให้ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อ หรือใช้รังสีในการเตรียมวัคซีนและแอนติเจนโดยยังคุณสมบัติของวัคซีนเอาไว้ และใช้รังสีหยุดยั้งการเจริญเติบโตของเม็ดเลือดขาวในผลิตภัณฑ์เลือด เพื่อทำให้ผู้ป่วยมีความปลอดภัยในการรับและถ่ายเลือด เป็นต้น
ด้านอุตสาหกรรม ปัจจัยหลักที่จะทำให้อุตสาหกรรมก้าวหน้าไปได้ในสภาวะเศรษฐกิจของโลก ในขณะนี้ คือ การเพิ่มผลผลิต การควบคุมคุณภาพ และการลดต้นทุนการผลิต เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวในปัจจุบันไทยได้นำเทคโนโลยีนิวเคลียร์มา ใช้ในการประกอบอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้น เช่น การผลิตเส้นใยสังเคราะห์สำหรับทอผ้า การผลิตปูนซีเมนต์ ไม้อัดแผ่นเรียบ กระเบื้อง กระดาษ ผลิตภัณฑ์แก้ว เหล็ก หรือโลหะอุตสาหกรรมปิโตรเลียม และ ปิโตรเคมี การผลิตยางรถยนต์ การผลิตน้ำอัดลม การเปลี่ยนสีอัญมณี การควบคุมคุณภาพในการก่อสร้างถนน เป็นต้น โดยการใช้เทคนิคที่สำคัญคือ การตรวจสอบโดยไม่ทำลาย หรือการใช้รังสีเป็นสารติดตามและใช้เป็นระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น
ด้านการศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เช่น การวิเคราะห์ธาตุปริมาณน้อยและสารพิษในสิ่งแวดล้อม การศึกษาอายุของวัตถุโบราณ ศึกษาวัฏจักรหรือวงชีวิตของพืชและสัตว์บางชนิด การศึกษาการเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดิน ศึกษาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ศึกษาการสะสมการเคลื่อนที่ของตะกอนในเขื่อน แม่น้ำ ลำคลอง และแหล่งน้ำต่างๆ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีเพื่อการกำจัดน้ำเสีย การผลิตปุ๋ยธรรมชาติ การพัฒนาที่ดินทางการเกษตร กิจกรรมทางป่าไม้และอุทกวิทยา เป็นต้น
1. ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดำบรรพ์ซึ่งหาได้ดังนี้ ในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจน รวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิกจนเกิดปฏิกิริยา แล้ว C-14 ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน แล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และสัตว์กินพืช คนกินสัตว์และพืช ในขณะที่พืชหรือสัตว์ยังมีชีวิตอยู่ C-14 จะถูกรับเข้าไปและขับออกตลอดเวลา เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง การรับ C-14 ก็จะสิ้นสุดลงและมีการสลายตัวทำให้ปริมาณลดลงเรื่อยๆ ตามครึ่งชีวิตของ C-14 ซึ่งเท่ากับ 5730 ปี
ดังนั้น ถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวในขณะที่ต้องการคำนวณอายุวัตถุนั้น ก็สามารถทำนายอายุได้ เช่น ซากสัตว์โบราณชนิดหนึ่งมีอัตราการสลายตัวของ C-14 ลดลงไปครึ่งหนึ่งจากของเดิมขณะที่ยังมีชีวิตอยู่เนื่องจาก C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี จึงอาจสรุปได้ว่าซากสัตว์โบราณชนิดนั้นมีอายุประมาณ 5730 ปี
2. ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยู่ในรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่
3. ด้านเกษตรกรรม มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีติดตามระยะเวลาการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนกระทั่งถึงการคายออกที่ใบ หรือใช้ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช
4. ด้านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ จะใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสีในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอตลอดแผ่น โดยใช้รังสีบีตายิงผ่านแนวตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่รีดแล้ว แล้ววัดปริมาณรังสีที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะออกมาด้วยเครื่องวัดรังสี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะที่รีดแล้วผิดไปจากความหนาที่ตั้งไว้ เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไปควบคุมความหนา โดยสั่งให้มอเตอร์กดหรือผ่อนลูกกลิ้ง เพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการ
ในอุตสาหกรรมการผลิตถังแก๊ส อุตสาหกรรมก่อสร้าง การเชื่อมต่อท่อส่งน้ำมันหรือแก๊สจำเป็นต้องตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อต่อโลหะ เพื่อต้องการดูว่าการเชื่อมต่อนั้นเหนียวแน่นดีหรือไม่ วิธีการตรวจสอบทำได้โดยใช้รังสีแกมมายิงผ่านบริเวณการเชื่อมต่อ ซึ่งอีกด้านหนึ่งจะมีฟิล์มมารับรังสีแกมมาที่ทะลุผ่านออกมา ภาพการเชื่อมต่อที่ปรากฏบนฟิล์ม จะสามารถบอกได้ว่าการเชื่อมต่อนั้นเรียบร้อยหรือไม่
ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์
ด้านเกษตรกรรม งานในด้านนี้ที่ประสบความสำเร็จมากคือ การวิจัยด้านการฉายรังสีอาหารโดยใช้รังสีแกมมาช่วยยืดอายุการเก็บของอาหาร ทั้งพืชผัก ผลไม้ และเนื้อสัตว์ต่างๆ ได้เป็นอย่างดี โดยจะช่วยยับยั้งการงอกของพืชผัก ชะลอการสุกของผลไม้และช่วยทำลายแมลง พยาธิ หรือจุลินทรีย์ ในอาหารและผลิตผลทางการเกษตร ซึ่งอำนวยประโยชน์ให้ประชาชนได้บริโภคอาหารที่ถูกอนามัยปราศจากเชื้อโรคและ พยาธิ ช่วยการถนอมอาหารและเก็บรักษาอาหารและพืชผลไว้บริโภคในช่วงฤดูกาลที่ขาดแคลน ลดการนำเข้าจากต่างประเทศและเพิ่มรายได้ของประเทศโดยส่งเสริมการส่งออกของ อาหารและผลิตผลการเกษตรจากการฉายรังสี
นอกจากนี้ยังนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในงานอื่นอีก เช่น ใช้วิเคราะห์ดินเพื่อการจำแนกพื้นที่เพาะปลูกหรือการใช้เทคนิคทางรังสีเพื่อ ศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุและปุ๋ยโดยต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ ส่งเสริมการใช้ปุ๋ยให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น หรือการนำเทคนิคดังกล่าวมาปรับปรุงพันธ์พืช และสัตว์ เป็นต้น
ด้านการแพทย์ ปัจจุบันมีการนำเทคนิคด้านนิวเคลียร์มาใช้ในทางการแพทย์หลายด้าน เช่น ด้านการตรวจและวินิจฉัย โดยการใช้เทคนิค Radioimmunoassay (RIA) สำหรับตรวจวัดสารที่มีประมาณน้อยในร่างกาย หรือเทคนิคฉีดสารกัมมันตรังสีเข้าร่างกาย เพื่อหาตำแหน่งของอวัยวะที่เสียหน้าที่ และปัจจุบันสามารถตรวจดูรูปร่างและการทำงานของอวัยวะด้วยเครื่องมือที่เรียก ว่า เครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ซึ่งทันสมัยที่สุด ในด้านการบำบัดรักษาโดยเฉพาะโรคมะเร็งได้มีการใช้สารกัมมันตรังสีร่วมกับการ ใช้ยาหรือสารเคมีและการผ่าตัด นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีในการทำให้ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อ หรือใช้รังสีในการเตรียมวัคซีนและแอนติเจนโดยยังคุณสมบัติของวัคซีนเอาไว้ และใช้รังสีหยุดยั้งการเจริญเติบโตของเม็ดเลือดขาวในผลิตภัณฑ์เลือด เพื่อทำให้ผู้ป่วยมีความปลอดภัยในการรับและถ่ายเลือด เป็นต้น
ด้านอุตสาหกรรม ปัจจัยหลักที่จะทำให้อุตสาหกรรมก้าวหน้าไปได้ในสภาวะเศรษฐกิจของโลก ในขณะนี้ คือ การเพิ่มผลผลิต การควบคุมคุณภาพ และการลดต้นทุนการผลิต เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวในปัจจุบันไทยได้นำเทคโนโลยีนิวเคลียร์มา ใช้ในการประกอบอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้น เช่น การผลิตเส้นใยสังเคราะห์สำหรับทอผ้า การผลิตปูนซีเมนต์ ไม้อัดแผ่นเรียบ กระเบื้อง กระดาษ ผลิตภัณฑ์แก้ว เหล็ก หรือโลหะอุตสาหกรรมปิโตรเลียม และ ปิโตรเคมี การผลิตยางรถยนต์ การผลิตน้ำอัดลม การเปลี่ยนสีอัญมณี การควบคุมคุณภาพในการก่อสร้างถนน เป็นต้น โดยการใช้เทคนิคที่สำคัญคือ การตรวจสอบโดยไม่ทำลาย หรือการใช้รังสีเป็นสารติดตามและใช้เป็นระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น
ด้านการศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เช่น การวิเคราะห์ธาตุปริมาณน้อยและสารพิษในสิ่งแวดล้อม การศึกษาอายุของวัตถุโบราณ ศึกษาวัฏจักรหรือวงชีวิตของพืชและสัตว์บางชนิด การศึกษาการเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดิน ศึกษาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ศึกษาการสะสมการเคลื่อนที่ของตะกอนในเขื่อน แม่น้ำ ลำคลอง และแหล่งน้ำต่างๆ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีเพื่อการกำจัดน้ำเสีย การผลิตปุ๋ยธรรมชาติ การพัฒนาที่ดินทางการเกษตร กิจกรรมทางป่าไม้และอุทกวิทยา เป็นต้น
กัมมันตรังสี เรื่องน่ากลัวหรือเรื่องน่าค้นหา
กัมมันตรังสี (radioactivity) หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุสามารถแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง ปรากฏการณ์นี้เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร
ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่มีสมบัติในการแผรังสี สามารถแผ่รังสีและกลายเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้
ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antcine Henri Bacquerel) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษดำห่อหุ้มอยู่ และเก็บรวมกันไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม มีลักษณะเหมือนถูกแสง จึงทำการทดสอบกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ ก็พบว่าให้ผลการทดลองเช่นเดียวกัน แบ็คเกอเรลจึงสรุปเป็นเบื้องต้นว่า มีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรีเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) และมารี กูรี (marie Curie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ก็ได้พบว่าธาตุอื่น ๆ เช่น พลอโลเนียม (Po) เรเดียม (Ra) และทอเรียม (Th) ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน และลอรืด เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Lord Ernest Rutherford) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ก็ได้ค้นพบเพิ่มเติมอีก และได้แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสีอาจเป็น รังสีแอลฟา ( - ray ) รังสีเบตา (-ray) หรือรังสีแกรมมา (-ray)
รังสีดังกล่าวมีสมบัติต่างๆ กันดังนี้
• รังสีแอลฟา มีสัญลักษณ์นิวเคลียร์เป็น บางครั้งอาจเรียกว่า อนุภาคแอลฟา และใช้สัญลักษณ์เป็น
รังสีแอลฟาเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ซึ่งประกอบด้วย 2 โปรตอน และ 2 นิวตรอนจึงมีประจุไฟฟ้าเป็น +2 มีมวล 4.00276 amu รังสีแอลฟาอำนาจทะลุทะลวงต่ำ ไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษ หรือโลหะบางๆ ได้ และเนื่องจากมีประจุบวก เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าจึงเบี่ยงเบนไปทางขั้วลบ เมื่อวิ่งผ่านอากาศอาจจะทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้
• รังสีบีตา บางครั้งเรียกว่าอนุภาคบีตา ใช้สัญลักษณ์เป็น หรือ
รังสีบีตา มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ มีประจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากับ 0.000540 amu เท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตามีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า มีความเร็วในการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับแสง เนื่องจากมีประจุลบจึงเบี่ยงเบนไปทางขั้วบวก เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า
• รังสีแกมมา ใช้สัญลักษณ์
รังสีแกมมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก คือประมาณ 0.001-1.5 pm ไม่มีมวลและไม่มีประจุ มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางได้เป้นอย่างดี ดังนั้นวัตุที่จะกั้นรังสีแกรมมาได้ จะต้องมีความหนาแน่นและความหนามากพอที่จะกั้นรังสีได้ เนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้า จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า
นอกจากรังสี 3 ชนิดดังกล่าวแล้ว ยังอาจจะพบอนุภาคอื่น ๆ แผ่รังสีออกมาจากนิวเคลียสได้เช่น โพสิตรอน นิวตรอน และโปรตอน ซึ่งมีประจุและมวลเปรียบเทียบกับรังสีทั้ง 3 ชนิดดังในตารางต่อไปนี้
ตารางที่ 7.52 แสดงประจุและมวลของอนุภาคชนิดต่างๆ ที่เกิดจากการแผ่รังสี
อนุภาค สัญลักษณ์ ชนิดของประจุ มวล(amu)*
แอลฟา
บีตา
แกรมมา
โพซิตรอน
นิวตรอน
โปรตอน ,
,
,
, n
, P
+2
-1
0
+1
0
+1 4.00276
0.000540
0
0.000540
1.0087
1.0073
* 1 amu = 1 atomic mass unit = 1.66 x 10-24 g.
ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ
ธาตุต่างๆ ที่พบในธรรมชาตินั้น ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่แผ่รังสีได้ทั้งสิ้น ตัวอย่างเช่น , , , และ ซึ่งอาจเขียนใหม่เป็น U-238, U-235, Th-232, Rn-222 และ Ra-226
นอกจาก ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นมาได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้มากมาย
วิธีการสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสี
วิธีการสังเคราะห์วิธีหนึ่งคือ การยิงนิงเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรด้วยอนุภาคที่เหมาะสมและมีความเร็วสูง
รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบวิธีการดังกล่าว โดยยิงอนุภาคแอลฟาที่มีความเร็วสูงซึ่งได้จากธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ คือ เข้าไปที่นิวเคลียสนิวเคลียสของ ผลที่ได้คือ อนุภาคโปรตอน และ ซึ่งเขียนสมการแสดงได้ดังนี้
* +
+ * +
ในบางกรณีไอโซโทปที่สังเคราะห์ขึ้น อาจจะสลายตัวต่อไปได้อีก ตัวอย่างเช่น การยิงนิวเคลียสของ Mg-24 ด้วยอนุภาคแอลฟา จะได้ Al-28 ซึ่งไม่เสถียร จะสลายตัวต่อไปเป็น Si-28 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เสถียรดังนี้
+ * +
* +
อีกตัวอย่างหนึ่งคือการยิงอนุภาคแอลฟาไปที่นิวเคลียสของ B-10 จะได้ N-13 ซึ่งสลายตัวต่อไปจนเป็น 13C
+ * +
* +
ธาตุกัมมันตรังสีสังเคราะห์นำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น ใช้รักษาโรคมะเร็ง ใช้ปรับปรุงพันธุ์พืช และ ใช้ในการศึกษาความผิดปกติของต่อมไธรอยด์ เป็นต้น
7.6.1. การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
การที่ธาตุกัมมันตรังสีออกมาก็เพราะว่า นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงานส่วนเกินอยู่ภายใน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องถ่ายเทพลังงานส่วนเกินนี้ออกไปเพื่อให้นิวเคลียส เสถียรในที่สุด พลังงานส่วนที่เกิน ที่ปล่อยออกมานี้จะอยู่ในรูปของอนุภาคหรือรังสีต่างๆ เช่น รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา
จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุต่างๆ จำนวนมากพบว่า ไอโซโทปที่นิวเคลียสมีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนไม่เหมาะสม คือ มีนิวตรอนมากกว่าหรือน้อยกว่าโปรตอน มักจะไม่เสถียร ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสเป็นนิวเคลียสใหม่ที่เสถียรกว่า โดยการแผ่รังสีออกมาดังที่กล่าวแล้ว นอกจากนี้ยังพบว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นจำนวนคู่หรือคี่ในนิวเคลียสนั้น มีความสัมพันธ์กับเสถียรภาพของนิวเคลียสด้วย กล่าวคือ ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่จะเสถียรกว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่
การแผ่รังสีแอลฟา
การแผ่รังสีแอลฟา เกิดขึ้นในกรณีที่ไอโซโทปนั้นมีเลขอะตอมมากกว่า 82 และนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนไม่เหมาะสม ทำให้เกิดแรงผลักกันในนิวเคลียสมากกว่าแรงยึดกัน นิวเคลียสจึงพยายามลดจำนวนอนุภาคลงให้มากที่สุด เพื่อให้ได้นิวเคลียสที่เสถียร ดังนั้นหลังจากการแผ่รังสีแอลฟา นิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่จะมีเลขอะตอมลดลง 2 และเลขมวลลดลง 4 ดังตัวอย่างต่อไปนี้
* +
* +
* +
การแผ่รังสีบีตา
การแผ่รังสีบีตาเกิดขึ้นในกรณีที่นิงเคลียสมีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน จึงพยายามลดอัตราส่วนระหว่างนิวตรอนต่อโปรตอน โดยนิวตรอนจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ทำให้เลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 แต่เลขมวลคงเดิม ดังตัวอย่างเช่น
* +
* +
การแผ่รังสีแกมมา
การแผ่รังสีแกมมา มักจะเกิดขึ้น ในกรณีที่ไอโซโทปมีการสลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตาแล้ว ยังได้นิวเคลียสใหม่ไม่เสถียร ยังอยู่ในสภาวะกระตุ้น มีพลังงานเกินกว่าปกติ เมื่อกลับสู่สภาวะปกติจึงปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีแกมมา ดังนั้นการแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้เลขมวลและเลขอะตอมเปลี่ยนแปลง ดังตัวอย่างเช่น
* +
+
* +
+
(* หมายถึง อะตอมที่ไม่เสถียร)
นอกจากนี้ยังมีการแผ่รังสีให้โพซิตรอน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีโปรตอนมากกว่านิวตรอน ทำให้ได้นิวเคลียสใหม่ที่มีโปรตอนลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดิม ดังในตัวอย่างต่อไปนี้
* +
* +
การแผ่รังสีที่กล่าวมาแล้ว สรุปการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสได้ดังนี้
ตารางที่ 7.53 สรุปการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี
การแผ่รังสี การเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียส
ชนิด เลขมวล ประจุ เลขมวล เลขอะตอม
แอลฟา ()
บีตา ()
แกมมา ()
โพซิตรอน ( )
4
0
0
0 +2
-1
0
+1 ลดลง 4
ไม่เปลี่ยน
ไม่เปลี่ยน
ไม่เปลี่ยน ลดลง 2
เพิ่มขึ้น 1
ไม่เปลี่ยน
ลดลง 1
สมการนิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ ปฏิกิริยาที่มีการสลายตัวในนิวเคลียสให้รังสีแอลฟา บีตา หรือแกมมาดังที่กล่าวมาแล้ว
สมการนิวเคลียร์ คือ สมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งการดุลสมการนั้นต้องพิจารณาทั้งเลขมวลและเลขอะตอมของสารทุกตัวในปฏิกิริยา กล่าวคือ ผลรวมของเลขมวลและเลขอะตอมของสารตั้งต้นจะต้องเท่ากับผลิตภัณฑ์ดังตัวอย่างต่อไปนี้
* +
* +
* +
+ * +
เครื่องมือตรวจการแผ่รังสี
วิธีตรวจการแผ่รังสีทำได้ง่ายๆ โดยนำฟิล์มถ่ายรูปมาหุ้มสารที่คิดว่ามีสารกัมมันตรังสีปนอยู่ เก็บในที่มืด เมื่อนำฟิล์มไปล้าง ถ้าปรากฏว่าเป็นสีดำแสดงว่ามีการแผ่รังสี หรืออาจจะทำได้โดยนำสารที่จะทดสอบไปวางใกล้สารเรืองแสง ถ้ามีการเรืองแสงเกิดขึ้นแสดงว่ามีการแผ่รังสีเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามการตรวจอย่างง่ายๆ ดังกล่าวไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ จึงต้องใช้เครื่องมือตรวจสอบโดยเฉพาะเรียกว่า “ไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์” (Geiger-Muller counter) ซึ่งประกอบด้วยกระบอกรับรังสี และมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีได้
รูปที่ 7.27 แสดงเครื่องไกเกอร์มูลลอร์เคาน์เตอร์
ลักษณะของไกเกอร์ประกอบด้วยกระบอกซึ่งบรรจุก๊าซอาร์กอนไว้ เมื่อนำไปวางไว้ในบริเวณที่มีการแผ่รังสี รังสีจะผ่านเข้าทางช่องด้านหน้าของกระบอก กระทบกับอะตอมของอาร์กอน ทำให้อิเล็กตรอนของอาร์กอนหลุดออกไป กลายเป็น Ar+ ก่อให้เกิดความต่างศักย์ระหว่าง Ar+ กับ e- ในหลอด ซึ่งจะแปลงค่าความต่างศักย์ออกมาเป็นตัวเลขบนหน้าปัด ค่าที่ได้นี้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสี และความเข้มข้นของรังสีที่จะทำให้ Ar กลายเป็น Ar+ ได้มากหรือน้อย
7.6.2 ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life)
ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี หมายถึง ระยะเวลาที่สารกัมมันตรังสีสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2
นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิต โดยครึ่งชีวิติเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป
ตัวอย่างเช่น C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี หมายความว่า ถ้ามี C-14 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลือ C-14 อยู่ 0.5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ 5730 ปี จะเหลือ C-14 เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
ตารางที่ 7.54 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด
ธาตุกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต รังสีที่แผ่ออก
1.6 x 10-4 วินาที
1 วินาที
1.4 วินาที
118 วินาที
40 ชั่วโมง
8.1 วัน
12.5 วัน
5.3 ปี
5730 ปี
4.5 x 109 ปี
ครึ่งชีวิต อาจจะหาได้จากการทดลองโดยการตรวจวัดรังสีในช่วงเวลาที่เหมาะสม แล้วเขียนกราฟระหว่างปริมาณของรังสีกับเวลา
รูปที่ 7.28 การหาครึ่งชีวิตจากกราฟแสดงการสลายตัว
ช่วงเวลาที่ปริมาณรังสีเปลี่ยนจาก 50% เหลือครึ่งหนึ่งคือ 25 % คือ 2 -1 = 1 หน่วย-เวลา ดังนั้นครึ่งชีวิตจากกราฟคือ 1 หน่วยเวลา
หรืออาจจะหาครึ่งชีวิตได้จากความสัมพันธ์
= - t
และ t1/2 =
=
= ค่าคงที่ของการสลายตัว
N, N0 = จำนวนอะตอมของธาตุเมื่อเวลา t และเวลา 0 (เวลาเริ่มต้น)
ตัวอย่าง Rn-222 จำนวน 10 ไมโครกรัม เมื่อปล่อยให้สลายตัวไป พบว่าในเวลา 7 วันจะเหลือเพียง 2.82 ไมโครกรัม จงคำนวณครึ่งชีวิตของ Rn-222
วิธีทำ
จาก =
N0 = 10, N = 2.82, และ t = 7
=
t1/2 = 3.82 วัน
ครึ่งชีวิตของ R-222 เท่ากับ 3.82 วัน
ประโยชน์ของครึ่งชีวิต
ครึ่งชีวิตสามารถใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เรียกว่าวิธี Radiocarbon Dating ซึ่งคำว่า dating หมายถึง การหาอายุจึงมักใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคุณค่าทางประวิติศาสตร์
หลักการที่สำคัญของการหาอายุวัตถุโบราณโดยวิธี Radiocarbon Dating เป็นหลักการที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับกัมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองในอากาศ ตัวการที่สำคัญคือ รังสีคอสมิก ซึงอยู่ในบรรยากาศเหนือพื้นโลก มีความเข้มสูงจนทำให้นิวเคลียสขององค์ประกอบของอากาศแตกตัวออก ให้อนุภาคนิวตรอน แล้วอนุภาคนิวตรอนชนกับไนโตรเจนในอากาศ ทำให้เกิดไอโซโทปของ C-14 ดังนี้
+ * +
C-14 เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี ให้รังสีบีตามีครึ่งชีวิต 5730 ปีในบรรยากาศ คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ได้เป็น CO2 ซึ่งทำให้มีทั้ง 12CO2 และ 14CO2 ปนกัน เมื่อพืชนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง C-14 จะอยู่ในพืชและเมื่อสัตว์กินพืชเป็นอาหาร C-14 ก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกาย ในขณะที่พืชและสัตว์มีชีวิต 14CO2 จะเข้าไปและขับออกมาอยู่ตลอดเวลา ทำให้มี C-14 ด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงการรับ C-14 ก็จะหยุดลง ปริมาณ C-14 ก็จะลดลงเพราะเกิดการสลายตัวตัวตลอดเวลา ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวขณะนั้น ก็สามารถคำนวณอายุได้
ตัวอย่างการคำนวณ 1. จากการวัดปริมาณรังสีของกระดูกสัตว์ที่ตายแล้วชนิดหนึ่งได้ 2.80 ครั้ง/นาที/กรัมของคาร์บอน ถ้าอัตราเฉลี่ยของปริมาณรังสีที่เกิดจาก C-14 เมื่อมีชีวิตอยู่เท่ากับ 15.3 ครั้ง/นาที/กรัมของคาร์บอน กระดูดสัตว์นั้นมีอายุกี่ปี
กำหนดครึ่งชีวิตของ C-14 เท่ากับ 5730 ปี
วิธีทำ จาก t1/2 =
5730 =
= 1.21 x 10-4 ต่อปี
จาก = - t
= - 1.21 x 10-4 t
t = 1.40 x 104 ปี
กระดูกสัตว์ดังกล่าวมีอายุ 1.40 x 104 ปี
ตัวอย่าง 2 จากการศึกษาอายุของวัตถุโบราณชนิดหนึ่งพบว่าอัตราส่วนของ 14C : 12C ของวัตถุนั้นมีค่าเป็น 0.617 เท่าของอัตราส่วนของ 14C : 12C ในพืชที่มีชีวิต จงคำนวณอายุของวัตถุโบราณนั้น
วิธีทำ
จาก = - t
= 0.617
และ = =
เพราะฉะนั้น ln0.617 =
t = 3992 ปี
วัตถุโบราณมีอายุ 3992 ปี
วันนี้จะขอพูดถึงธาตุกัมมันตรังสี นะค่ะ
ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียร เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82
กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง รังสีที่ได้จากการสลายตัว มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมา
ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่ง มีประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอนไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น
(ธาตุยูเรเนียม) (ธาตุทอเลียม) (อนุภาคแอลฟา)
จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้ หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน เรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ
กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เกิดจากการเสื่อมสลายโดยตัวเองของนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียร เป็นผลให้ได้อนุภาคอัลฟา อนุภาคเบต้า และรังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงคลื่นสั้นมากและมีพลังงาน สูง ทั้งหมดนี้พุ่งออกมาด้วยความเร็วสูงมาก ในบางกรณีอาจมีพลังงานความร้อนและพลังงานแสงเกิดตามมาด้วย เช่น การเสื่อมสลายของนิวเคลียสของธาตุเรเดียมไปเป็นธาตุเรดอน
คำว่ากัมมันตภาพรังสีนี้ มีหลายคนใช้ผิด โดยสับสนกับคำว่า กัมมันตรังสี ซึ่งจะขออธิบายดังนี้
กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นคำนาม หมายถึง สภาพการแผ่รังสีของธาตุหนึ่ง ๆ ที่ไม่เสถียร เช่น O-18 เป็นต้น
กัมมันตรังสี (Radioactive) เป็นคำคุณศัพท์ ส่วนใหญ่ใช้ขยายคำว่าธาตุ คือ ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ตัวธาตุที่ปล่อยรังสี (อนุภาคอัลฟา อนุภาคเบต้า และรังสีแกมมา) ออกมา
กัมมันตภาพรังสี...คืออะไร?
กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นคุณสมบัติของธาตุและไอโซโทปบางส่วน ที่สามารถเปลี่ยนแปลงตัวเองเป็นธาตุหรือไอโซโทปอื่น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้จะมีการปลดปล่อยหรือส่งรังสีออกมาด้วย ปรากฏการณ์นี้ได้พบครั้งแรกโดย เบคเคอเรล เมื่อปี พ.ศ. 2439 ต่อ มาได้มีการพิสูจน์ทราบว่า รังสีที่แผ่ออกมาในขบวนการสลายตัวของธาตุหรือไอโซโทปนั้นประกอบด้วย รังสีแอลฟา, รังสีเบต้า และรังสีแกมมา
รังสีแอลฟา
รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวล 4 amu มีประจุ +2 อนุภาคชนิดนี้จะถูกกั้นไว้ด้วยแผ่นกระดาษหรือเพียงแค่ผิวหนังชั้นนอกของคนเราเท่านั้น
การสลายตัวให้รังสีแอลฟา
90Th 232----->88Ra 228 + 2a 4
รังสีเบต้า
รังสี ที่ประกอบด้วยอนุภาคอิเลคตรอนหรือโพสิตรอน รังสีนี้มีคุณสมบัติทะลุทะลวงตัวกลางได้ดีกว่ารังสีแอลฟา สามารถทะลุผ่านน้ำที่ลึกประมาณ 1 นิ้วหรือประมาณความหนาของผิวเนื้อที่ฝ่ามือได้ รังสีเบต้าจะถูกกั้นได้โดยใช้แผ่นอะลูมิเนียมชนิดบาง
การสลายตัวให้รังสีบีตา
79Au 198----->80Hg 198 + -1b 0
7N 13----->6C 13 + +1b 0
รังสีแกมมา
รังสี ที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง มีคุณสมบัติเช่นเดียวกันกับรังสีเอกซ์ที่สามารถทะลุผ่านร่างกายได้ การกำบังรังสีแกมมาต้องใช้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูงเช่น ตะกั่วหรือยูเรเนียม เป็นต้น
การสลายตัวให้รังสีแกมมา
27Co 60----->-1b 0 + 28Ni 60----->28Ni60 + g
สมัครสมาชิก:
บทความ (Atom)