วันพุธที่ 16 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2554

โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ คือ โรงไฟฟ้าแบบความร้อน ซึ่งมีแหล่งพลังงานความร้อนคือเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นโรงไฟฟ้าชนิดที่ผลิตพลังงานคงที่ โดยไม่ขึ้นกับการกำลังใช้งานที่จ่ายจริง ดังนั้นจึงจะมีประสิทธิภาพดีถ้าต้องจ่ายกำลังไฟฟ้าคงที่ (ในขณะที่โรงไฟฟ้าที่ใช้การต้มน้ำ สามารถลดการจ่ายไฟลงครึ่งหนึ่งได้เวลากลางคืน) กำลังไฟที่หน่วยผลิตจ่ายได้นั้นอาจมีตั้งแต่ 40 เมกะวัตต์ จนถึงเกือบ 2000 เมกะวัตต์ ในปัจจุบันหน่วยผลิตที่สร้างกันมีขอบเขตอยู่ที่ 600-1200 เมกะวัตต์

ในปีพ.ศ. 2548 มีเครื่องปฏิกรณ์ทำงานอยู่ 441 เครื่องทั่วโลก รวมแล้วผลิตกำลังไฟฟ้าเป็น 1 ใน 6 ส่วนของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในโลก โดยสหรัฐอเมริกามีจำนวนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ มากที่สุด ตามมาด้วย ฝรั่งเศส

อนาคตโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ประเทศไทย

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์



รูปที่ 11 แสดงเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์





 









  1. เชื้อเพลิง (Fuel) อาจใช้ยูเรเนียม พลูโตเนียม เป็นต้น     

2. มอเดอร์เรเตอร์ (Moderator) มีหน้าที่ทำให้นิวตรอนวิ่งช้าลงเพราะนิวตรอนช้ามีประสิทธิภาพในการทำให้เกิด การแบ่งแยกนิวเคลียสได้ดีกว่านิวตรอนเร็ว สารที่ใช้เป็นมอเดอร์เรเตอร์ได้แก่ คาร์บอน เมื่อนิวตรอนวิ่งผ่านคาร์บอนจะชนกับอะตอมของคาร์บอนทำให้มันวิ่งช้าลงได้ ความเร็วตามต้องการ     

3. แท่งบังคับ (Control Rods) มีหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ให้เกิดมากเกินไป ที่นิยมใช้คือ แคดเมียม หรือโบรอน แคดเมียมจะเป็นตัวดูดกลืนนิวตรอนไว้ได้ดีมาก ดังนั้นถ้าสอดแท่งแคดเมียมให้ลึกเข้าไปในเครื่องมาก ๆ ก็จะดูดกลืนนิวตรอนไว้ได้น้อยลงทุกทีและปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นตามมา     

4. ตัวทำให้เย็น (Coolant) เพื่อนำเอาความร้อนออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยอาจใช้น้ำธรรมดาหรือโลหะโซเดียมหรือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ฮีเลียม อากาศเป็นต้น     

5. เครื่องกำบัง (Shield) มีหน้าที่ป้องกันไม่ให้รังสีออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งอาจทำ อันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย เครื่องกำบังอาจทำด้วยคอนกรีตหนา ๆ หรืออาจใช้บ่อน้ำก็ได้ การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อาจอธิบายได้ดังนี้ เริ่มจากยูเรเนียมที่ใส่อยู่ในเครื่องนั้นปกติจะเป็น U-238 มีปริมาณน้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมทั้งหมดทำหน้าที่ เป็นเชื้อเพลิง ส่วนยูเรเนียมที่เหลือนอกนั้นคือ U-235 เมื่อมีนิวตรอนวิ่งผ่านเข้าไปในเครื่องจะยิงนิวเคลียสของ U-235 ทำ ให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสขึ้น นิวเคลียสที่ถูกแบ่ง แยกออกจะมีนิวตรอนเกิดขึ้น 1 หรือ 2 ตัว ซึ่งจะวิ่งผ่านเข้าเครื่องต่อไปแล้วยิงนิวเคลียสอื่นต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่และได้พลังงานเกิดขึ้นมากมาย

กัมมันตภาพรังสี

ในปี ค.ศ. 1896 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) ได้ค้นพบการแผ่รังสีของนิวเคลียสขึ้น จากการศึกษาเกี่ยวกับการแผ่รังสีฟิสิกส์นิวเคลียร์ต่อมาทำให้ทราบถึง ธรรมชาติของธาตุ และสามารถนำเอาไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้มาก เช่น นำไปใช้เพื่อการบำบัดรักษามะเร็ง การทำ CT SCANNERS เป็นต้น
                                                               


7.1 การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุ กัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึงนิวไคลด์หรือธาตุที่มีสภาพไม่เสถียร ซึ่งจะมีการสลายตัวของนิวเคลียสอยู่ตลอดเวลาทำให้กลายเป็น นิวไคลด์ ใหม่หรือธาตุ ในขณะเดียวกันก็สามารถปลดปล่อยรังสีได้ กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา            โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสี ออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็ก หรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา ดังรูปที่ 4



 
ก. รังสีแอลฟา (Alpha Ray)
เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวล มากเพื่อเปลี่ยนแปลงให้เป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น ซึ่งรังสีนี้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสด้วยพลังงานต่าง ๆ กัน รังสีแอลฟาก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม แทนด้วย ฮีเลียม มี ประจุบวกมีขนาดเป็น 2 เท่าของประจุอิเล็กตรอน คือเท่ากับ +2e และมีนิวตรอน อีก 2 นิวตรอน (2n) มีมวลเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียมหรือประมาณ 7000 เท่าของอิเล็กตรอน เนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ค่อยเกิดการเบี่ยงเบนง่ายนัก เมื่อวิ่งไปชนสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ผิวหนัง แผ่นกระดาษ จะไม่สามารถผ่านทะลุไปได้ แต่จะถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็วแล้วจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกรังสีแอลฟาชนหลุดออกไป ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน 


รูปที่ 5 แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีแอลฟา 

ข. รังสีเบตา (Beta Ray)
เกิดจากการสลายตัวของนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไป โดยรังสีเบตาแบ่งได้ 2 แบบคือ
1. เบตาลบหรือหรืออิเล็กตรอน เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนนิวตรอน ลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ

รูปที่ 6 แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาลบ 

2. เบตาบวกหรือหรือโพสิตรอน เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีโปรตอนมากเกินกว่านิวตรอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนโปรตอนลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ 


รูปที่ 7 แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาบวก

ค. รังสีแกมมา(Gamma Ray)  
ใช้สัญลักษณ์ y เกิดจากการที่นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้นกลับสู่สถานะพื้นฐานโดยการปลดปล่อย รังสีแกมมาออกมา รังสีแกมมา ก็คือโฟตอนของการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอ็กซ์ แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและมีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงมากกว่ารังสีเอ็กซ์ ไม่มีประจุไฟฟ้าและมวล ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็กและ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าแสง  
 

รูปที่ 8 แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีแกมมา 


ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน

จากกราฟ พบว่า
1. ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออ นค่อย ๆ เพิ่มมากขึ้น เมื่อเลขมวลมากขึ้นตั้งแต่ 0 ถึง 26 เนื่องจากว่าเมื่อจำนวนนิวคลีออนมากขึ้นจะต้องใช้พลังงานในการยึดเหนี่ยว ซึ่งกันและกันเพิ่มขึ้น
2.
ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมีค่ามากแสดงว่า นิวคลีออนที่อยู่ในนิวเคลียสยึดกันแน่นมากทำให้ยากต่อการสลายตัวของ นิวเคลียสนั้น ๆ หรือกล่าวได้ว่านิวเคลียสมีเสถียร ภาพมาก
3.
ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเริ่มมีค่าลดลง เมื่อเลขมวลของนิวไคล์มีค่ามากกว่า 60 แสดงว่านิวคลีออนที่อยู่ในนิวเคลียสยึดกันไม่แน่นมากนัก ถ้าพิจารณาจำนวนโปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียสเหล่านี้จะพบว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนมีค่าไม่เท่ากัน ซึ่งทำให้พลังงานในการยึดเหนี่ยวน้อยลง เมื่อนิวไคลด์หรือธาตุใดที่มีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนน้อย แสดงว่านิวไคลด์นั้นจะสลายตัวได้ง่าย ซึ่งเราเรียกนิวไคลด์เหล่านี้ว่าสารกัมมันตรังสี

โครงสร้างของนิวเคลียส




โดยอนุภาคทั้งสามในอะตอมเป็นดังนี้
2.1 โปรตอน มีประจุบวก โดยขนาดของประจุเท่ากับ 1.6x10-19 C และโดยมีมวลนิ่ง 1.67252 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ 1.007277 u 
2.2 นิวตรอน มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่มีประจุ และโดยมีมวลนิ่ง 1.67482 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ 1.008665 u สัญลักษณ์ของนิวตรอนแทนด้วย 
2.3 อิเล็กตรอน มีประจุลบ โดยขนาดของประจุเท่ากับ 1.6x10--1919 C และโดยมีมวลนิ่ง 9.1x10-31 kg หรือมีค่าเท่ากับ 0.000548 u สัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนแทนด้วย 
     3. คำจำกัดความต่างๆ ที่ควรรู้
3.1 นิวคลีออน (Nucleon) หมายถึง อนุภาคที่รวมกันกันเป็นนิวเคลียส เพราะว่าในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ดังนั้นอนุภาคทั้งสองต่างก็เป็นนิวคลีออน
3.2 เลขมวล (Atom mass number) หมายถึงจำนวนนิวคลีออนทั้งหมดที่อยู่ในนิวเคลียส สัญลักษณ์ของเลขมวลแทนด้วย A
3.3 เลขอะตอม (Atomic number) หมายถึงจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียส แต่เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นจำนวนโปรตอนจึงเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน สัญลักษณ์ของเลขอะตอมแทนด้วย Z
3.4 นิวไคลด์ (Nuclide) หรือธาตุ หมายถึงนิวเคลียสที่มีสมบัติบางอย่างเหมือนกัน สัญลักษณ์ของนิวไคลด์แทนด้วย โดยที่ X แทนนิวไคลด์ใด ๆ A แทนเลขมวล Z แทนเลขอะตอม
3.5 ไอโซโทป (Isotope) หมายถึงนิวไคลด์หรือธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขมวลต่างกัน

ฟิสิกส์นิวเคลียร์คืออะไร ?

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (Nuclear Physics) เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ ซึ่งเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอม มีเนื้อหาใจความหลัก 3 ประการ คือ
  • ศึกษาอนุภาคพื้นฐาน (โปรตอน และนิวตรอน) และปฏิกิริยาของอนุภาคเหล่านี้
  • จัดกลุ่มและอธิบายคุณลักษณะของนิวคลีไอ
  • ค้นหาแนวทางพัฒนาเทคโนโลยี
นิวคลีไอเป็นสิ่งที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจทางทฤษฏี เพราะมันประกอบไปด้วยอนุภาคจำนวนมาก (เช่น โปรตอน และนิวตรอน) แต่ไม่มีขนาดใหญ่พอที่จะอธิบายลักษณะได้ถูกต้องเหมือนอย่างผลึก จึงมีการใช้แบบจำลองนิวเคลียร์ซึ่งใช้ศึกษาพฤติกรรมทางนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ได้ โดยอาจใช้เป็นวิธีการเดียวหรือร่วมกับวิธีการอื่นๆ