ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คืออะไร?

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของธาตุที่ไม่เสถียรถูกทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอน โดยแยกนิวเคลียสของแต่ละอะตอมออกเป็นส่วนเล็กๆ ถ้าการแตกแยกของนิวเคลียสแต่ละนิวเคลียสปล่อยนิวตรอนความเร็วสูงออกมาหลายตัว ซึ่งสามารถแยกนิวเคลียสของธาตุได้มากขึ้น จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ขึ้น เมื่อนิวตรอนส่วนเกินแยกนิวเคลียสมากขึ้น พลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมามากขึ้นและปฏิกิริยาลูกโซ่อาจส่งผลให้เกิดการระเบิด เช่น ระเบิดนิวเคลียร์ ถ้าปฏิกิริยาลูกโซ่ถูกควบคุมโดยการกำจัดนิวตรอนส่วนเกินออกไป พลังงานจะยังคงถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของความร้อน แต่สามารถหลีกเลี่ยงการระเบิดได้ ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เป็นหนึ่งในสามประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีลักษณะแตกต่างกันและสามารถนำมาใช้ในรูปแบบต่างๆ

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาฟิชชันที่ปล่อยนิวตรอนส่วนเกินออกมา นิวตรอนแยกอะตอมเพิ่มเติมโดยปล่อยนิวตรอนออกมามากขึ้น เมื่อจำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาและจำนวนของอะตอมที่แยกออกเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ อาจส่งผลให้เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ได้

นิวเคลียสของอะตอมเก็บพลังงานไว้มากมายซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามประเภทที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ ได้แก่ รังสี ฟิชชัน และฟิวชัน เครื่องเอ็กซ์เรย์ทางการแพทย์และอุตสาหกรรมใช้รังสีจากธาตุกัมมันตภาพรังสีเพื่อสร้างภาพร่างกายหรือในวัสดุทดสอบ โรงไฟฟ้าและอาวุธนิวเคลียร์ใช้นิวเคลียร์ฟิชชันเพื่อผลิตพลังงาน นิวเคลียร์ฟิวชันให้พลังงานกับดวงอาทิตย์ แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันระยะยาวบนโลกได้ แม้ว่าความพยายามจะดำเนินต่อไป จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งสามประเภทนี้ ฟิชชันเท่านั้นที่สามารถสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ได้

กุญแจสู่ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คือการทำให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาจะสร้างนิวตรอนพิเศษและนิวตรอนแยกอะตอมมากขึ้น เนื่องจากธาตุยูเรเนียม-235 ผลิตนิวตรอนหลายนิวตรอนสำหรับทุกอะตอมที่แตกแยก ไอโซโทปของยูเรเนียมนี้จึงถูกใช้ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์และในอาวุธนิวเคลียร์

รูปร่างและมวลของยูเรเนียมมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่หรือไม่ ถ้ามวลของยูเรเนียมมีขนาดเล็กเกินไป นิวตรอนจำนวนมากเกินไปจะถูกปล่อยออกมานอกยูเรเนียมและสูญเสียไปกับปฏิกิริยา ถ้ายูเรเนียมมีรูปร่างผิดปกติ เช่น แผ่นแบน นิวตรอนจำนวนมากก็จะสูญเสียไปด้วย รูปร่างในอุดมคติคือมวลของแข็งที่ใหญ่พอที่จะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ในกรณีนี้ นิวตรอนที่เกินมากระทบกับอะตอมอื่น และการคูณจะนำไปสู่ปฏิกิริยาลูกโซ่

วิธีเดียวที่จะควบคุมหรือหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คือการหยุดนิวตรอนจากการแตกตัวของอะตอมมากขึ้น แท่งควบคุมที่ทำจากองค์ประกอบดูดซับนิวตรอน เช่น โบรอน จะลดจำนวนนิวตรอนอิสระและดึงพวกมันออกจากปฏิกิริยา วิธีนี้ใช้เพื่อควบคุมปริมาณพลังงานที่ผลิตโดยเครื่องปฏิกรณ์และเพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ยังคงอยู่ภายใต้การควบคุม

ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แท่งควบคุมจะถูกยกและลดระดับลงในเชื้อเพลิงยูเรเนียม เมื่อลดระดับลงจนสุด แท่งทั้งหมดจะถูกล้อมรอบด้วยเชื้อเพลิงและดูดซับนิวตรอนส่วนใหญ่ ในกรณีนั้น ปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดลง เมื่อยกแท่งไม้ขึ้น แท่งแต่ละอันดูดซับนิวตรอนน้อยลง และปฏิกิริยาลูกโซ่จะเร็วขึ้น ด้วยวิธีนี้ ผู้ปฏิบัติงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สามารถควบคุมและหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้

แม้ว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในโรงไฟฟ้าทั่วโลกจะส่งพลังงานไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก แต่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีปัญหาหลักสองประการ ประการแรก มีความเสี่ยงอยู่เสมอที่ระบบควบคุมที่ใช้แท่งควบคุมจะไม่ทำงานเนื่องจากความล้มเหลวทางเทคนิค ความผิดพลาดของมนุษย์ หรือการก่อวินาศกรรม ในกรณีนั้นอาจมีการระเบิดหรือการปล่อยรังสี ประการที่สอง เชื้อเพลิงใช้แล้วมีกัมมันตภาพรังสีสูงและต้องเก็บไว้อย่างปลอดภัยเป็นเวลาหลายพันปี ปัญหานี้ยังไม่ได้รับการแก้ไข และเชื้อเพลิงใช้แล้วยังคงอยู่ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์หลายแห่งโดยส่วนใหญ่ เป็นผลให้การใช้งานจริงสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลงในหลายประเทศรวมถึงในสหรัฐอเมริกา