ดวงอาทิตย์ซึ่งบริเวณใจกลางเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และปลดปล่อยพลังงานออกมาโดยรอบ ธาตุทุกธาตุในเอกภพนอกจากไฮโดรเจนและฮีเลียมถูกสร้างขึ้นภายในดาวฤกษ์โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน
เมื่อดาวฤกษ์หมดอายุขัยธาตุเหล่านั้นจะถูกกระจายกลับเข้าสู่อวกาศหรือเนบิวลาซึ่งทำให้เกิดดาวฤกษ์ดวงใหม่ในอนาคต ธาตุทุกธาตุที่อยู่รอบตัวเราล้วนแต่เคยเป็นส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์มาก่อน ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พยายามทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลีย์ฟิวชันเนื่องจากผลิตพลังงานได้มากกว่าและสะอาดกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน อย่างไรก็ตามแนวคิดดังกล่างยังทำให้เกิดขึ้นจริงได้ยากเนื่องจากการจะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบนโลกได้จำเป็นต้องทำให้เชื้อเพลิงต้นกำเนิด (fuel)
มีอุณหภูมิสูงมากและถูกบีดอัดจนเหลือขนาดเล็กมาก นิวเคลียร์ฟิวชัน
Credit:
ESA/NASA/SOHOแสงและความร้อนจากดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสองอะตอมรวมเข้าด้วยกัน เมื่ออะตอมรวมกันก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมา อย่างไรก็ตามปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะเกิดขึ้นได้เฉพาะบริเวณใจกลางของดาวฤกษ์ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงเท่านั้น
ปฏิกิริยาฟิวชัน
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ ในตอนเริ่มต้นที่แกนกลางนี้มีองค์ประกอบเหมือนส่วนอื่น ๆ ของดวงอาทิตย์ คือ ไฮโดรเจน 72% ฮีเลียม 26% และธาตุหนักอื่น ๆ (คาร์บอน,ไนโตรเจน,ออกซิเจน, ...) รวม 2% ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันนี้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบของดวงอาทิตย์อย่างช้าๆ
ซึ่งในปัจจุบันองค์ประกอบที่แกนกลางของดวงอาทิตย์กลายเป็น ไฮโดรเจน 35%, ฮีเลียม 63%, และธาตุอื่น ๆ (คาร์บอน,ไนโตรเจน,ออกซิเจน, ...) 2% โดยมวล
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันภายในดวงอาทิตย์ สามารถเกิดขึ้นได้เพราะที่แกนกลางดวงอาทิตย์นั้นมีอุณหภูมิสูงและมีความหนา แน่นมาก ปกติแล้วนิวเคลียส 2 นิวเคลียสจะผลักกันตามแรงคูลอมบ์ (Coulomb’s force) เนื่องจากมีประจุบวกเหมือนกัน แต่ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงมากพอและมีความหนาแน่นมากจนกระทั่ง นิวเคลียสทั้งสองอยู่ใกล้กันมากจนกระทั่งสามารถเอาชนะแรงคูลอมบ์และเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นมากที่สุดคือ ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน (p-p reaction) กระบวนการนี้เกิดจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนซึ่งก็คือโปรตอน 2 นิวเคลียสรวมกัน ปฏิกิริยานี้ยังให้นิวตริโนออกมาอีกด้วย
โฟตอนพลังงานสูง (high energy photons) หรือรังสีแกมมา (gamma rays) และรังสีเอ็กซ์ (X-rays) ที่ถูกปลดปล่อยจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันนี้ใช้เวลานานมากกว่าจะเดินทางมาถึงผิวของดวงอาทิตย์ เนื่องจากแต่ละครั้งที่โฟตอนถูกชนจะเปลี่ยนทิศทางไปเรื่อย ๆ และพลังงานลดลง ทำให้โฟตอนที่ออกจากผิวดวงอาทิตย์จะอยู่ในช่วงแสงที่มนุษย์เราสามารถมองเห็นได้ รังสีแกมมาแต่ละความยาวคลื่นในแกนของดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนเป็นโฟตอนของแสงที่ตามนุษย์มองเห็น (visible light) หลายล้านตัว โฟตอนเหล่านี้ผ่านการถ่ายเทหลายชั้นจนถึงชั้น โฟโตสเฟียร์ และในที่สุดก็จะออกมาเป็นแสง
Table of Contents
แกน (Core) : บริเวณที่ผลิตพลังงาน
ปฏิกิริยาฟิวชัน ณ ศูนย์กลางของดวงอาทิตย์
แกน (Core) : บริเวณที่ผลิตพลังงาน
แกนกลาง ของดวงอาทิตย์ เป็นบริเวณตั้งแต่ใจกลางของดวงอาทิตย์จนกระทั่งถึงหนึ่งในสี่ของระยะทางสู่ ผิวของดวงอาทิตย์ แกนกลางมีปริมาตรประมาณ 2% ของดวงอาทิตย์ แต่มีมวลถึงประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ อุณหภูมิที่สูงที่สุดมีค่าประมาณ 15 ล้านเคลวิน มีความหนาแน่นประมาณ 150 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร หรือประมาณเกือบ 15 เท่าของความหนาแน่นของตะกั่ว สาเหตุ ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงมาก
และมีความหนาแน่นสูงมากเป็นเพราะว่าแกนกลางนี้มีความดันสูงมาก ๆ สูงในระดับที่มากกว่าความดันของบรรยากาศโลกประมาณสองแสนล้านเท่าของบรรยากาศ ของโลกที่ระดับน้ำทะเล ความดันที่สูงมากของแกนกลางนี้เองทำให้แก๊สไม่สามารถยุบตัวและดวงอาทิตย์ สามารถคงรูปอยู่ได้===
ปฏิกิริยาฟิวชัน ณ ศูนย์กลางของดวงอาทิตย์
ที่ศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 อะตอม หรือ โปรตอน (สัญลักษณ์ P ในภาพ) 4 อนุภาค เกิดปฏิกิริยารวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเรียม 1 อะตอม อันประกอบด้วย โปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน(สัญลักษณ์ N ในภาพ) 2 อนุภาค และปลดปล่อยพลังงานตามสมการE =
mc2 ปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจนนี้ จะเกิดขึ้นได้ในสภาวะที่พิเศษมากเท่านั้น คือ ต้องมีอุณหภูมิสูงกว่า 10 ล้านเคลวินขึ้นไป ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน ปฏิกิริยาฟิวชันจึงจะเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่อง
ทุกๆนาที ดวงอาทิตย์จุดระเบิดไฮโดรเจนมวล 610 ล้านตัน ให้รวมตัวกันเป็นฮีเลียมจำนวน 606 ล้านตัน โดยมวลสาร 4 ล้านตัน
ที่หายไปจะสลายตัวเป็นพลังงานตามสมการ E = mc2
นั้นคือ ทุกๆ วินาทีดวงอาทิตผลิตพลังงานประมาณ360,000,000,000,000,000,000,000,000 จูล ซึ่งคิดเป็นพลังงานเท่ากับพลังงานไฟฟ้าที่สามารถจ่ายให้กับประเทศไทยทั้งประเทศในปัจุบันได้เป็นเวลาถึง 97 ล้านปี
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 |
|
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-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 |
Moderatorsเทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutrons) ซึ่งเป็นนิวตรอนช้า (slow neutrons) เป็นนิวตรอนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับ U-235 ได้ดีที่สุด แต่นิวตรอนที่ได้จากฟิชชันเอง เป็นนิวตรอนที่มีความเร็วสูง และสามารถทำปฏิกิริยาแบบไม่เกิดฟิชชัน (non-fission) ได้
|
การลดปฏิกิริยาที่ไม่เกิดฟิชชันโดยการแยกไอโซโทป |
อ้างอิง : //thanapat53a25.wikispaces.com/ปฏิกิริยาฟิวชัน
//www.nst.or.th/article/article493/article49302.html