ทำไมยูเรเนียมถึงใช้ทำระเบิดปรมาณู?

ทำไมยูเรเนียมถึงใช้ทำระเบิดปรมาณู?

ความสามารถในการเก็บและปล่อยพลังงานระเบิดทำให้ยูเรเนียมมีประโยชน์มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์

ยูเรเนียมเป็นธาตุธรรมชาติที่หนักที่สุดชนิดหนึ่ง ในนิวเคลียส มีโปรตอน 92 ตัวและจำนวนนิวตรอนจำนวนหนึ่งที่แปรผันได้ตั้งแต่ 140 ถึง 146 อย่างไรก็ตาม มีชุดค่าผสมเพียงไม่กี่ตัวที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ โดยมียูเรเนียม -238 มากที่สุด (โปรตอน 92 ตัวและ 146 นิวตรอน) ) และยูเรเนียม-235 (92 โปรตอนและ 146 นิวตรอน)

ยูเรเนียมสามารถก่อตัวได้เฉพาะในเหตุการณ์รุนแรงบางอย่างเท่านั้น ที่เรียกว่ากระบวนการ r ซึ่งเกิดขึ้นในการระเบิดของจักรวาลอย่างเข้มข้น เช่น ซุปเปอร์โนวาหรือการชนกันของดาวนิวตรอน จากการระเบิดเหล่านั้น มันแผ่กระจายไปทั่วจักรวาลและกลายเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของโลก แม้ว่าจะหายากก็ตาม การมีอยู่ของยูเรเนียมที่สลายตัวเป็นสาเหตุที่ทำให้โลกของเรามีความร้อนอยู่ภายใน

นั่นคือคุณสมบัติที่สำคัญของยูเรเนียม เมื่อเวลาผ่านไป มันจะปล่อยรังสีออกมาในรูปของอะตอมฮีเลียม กลายเป็นทอเรียม ไอโซโทปยูเรเนียมเกือบทั้งหมด (รุ่นที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน) มีครึ่งชีวิตที่ยาวนานมาก (เวลาที่ตัวอย่างใช้เพื่อลดปริมาณยูเรเนียมครึ่งหนึ่ง) ยูเรเนียม-238 มีครึ่งชีวิตสูงถึง 4.5 พันล้านปี

ยูเรเนียมถูกนำมาใช้ตั้งแต่สมัยโรมันในฐานะการเคลือบสีเหลืองในเซรามิกส์และแก้ว ในปี ค.ศ. 1789 นักเคมีชาวเยอรมัน Martin Heinrich Klaproth ได้ผสมกรดไนตริกกับของแข็ง จากนั้นทำให้สารละลายเป็นกลางด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดสารสีเหลืองที่จมลงสู่ก้นบ่อ

เมื่อถูกความร้อนด้วยถ่านหิน มันจะกลายเป็นผงสีดำที่ Kalproth เข้าใจผิดว่าเป็นยูเรเนียมบริสุทธิ์ แต่น่าจะเป็นออกไซด์มากที่สุด เขาตั้งชื่อธาตุใหม่นี้ตามชื่อดาวยูเรนัส ซึ่ง Willaim Herschel ค้นพบเมื่อแปดปีที่แล้ว จนกระทั่งปี 1841 นักเคมี Eugène-Melchior Péligot สามารถแยกตัวอย่างยูเรเนียมบริสุทธิ์ตัวอย่างแรกได้สำเร็จ

ทุกวันนี้ ยูเรเนียมไม่ได้ใช้ในกระจกสีและเคลือบฟันอีกต่อไป แต่การใช้งานหลักของยูเรเนียมอยู่ที่กัมมันตภาพรังสี ซึ่งค้นพบในปี 1896 โดย Henri Becquerel

สี่ทศวรรษต่อมา ในปี 1934 ทีมนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีที่นำโดย Enrico Fermi ได้ทิ้งระเบิดยูเรเนียมด้วยนิวตรอน และพบว่ายูเรเนียมปล่อยอิเล็กตรอนและโพซิตรอน (ปฏิปักษ์ของอิเล็กตรอน) งานต่อมาโดย Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner และ Otto Robert Frisch แสดงให้เห็นว่ายูเรเนียมสามารถสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่เบากว่าและตั้งชื่อกระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชัน นี่คือสิ่งที่ทำให้ยูเรเนียมเป็น "ตัวเปลี่ยนเกม"

ยูเรเนียม-235 หนึ่งกิโลกรัม หากผ่านฟิชชันอย่างสมบูรณ์ สามารถปลดปล่อยพลังงานเคมีเทียบเท่ากับการเผาไหม้ถ่านหิน 1.5 ล้านกิโลกรัม ความสามารถในการเก็บและปล่อยพลังงานระเบิดดังกล่าวทำให้ธาตุดังกล่าวสามารถใช้ในการผลิตไฟฟ้าและในอาวุธนิวเคลียร์ เช่น ระเบิดปรมาณู

ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การปล่อยกัมมันตภาพรังสีของแท่งเชื้อเพลิงที่ทำจากยูเรเนียมทำให้สารหล่อเย็นร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นจากนั้นทำให้น้ำร้อนในภาชนะอื่นร้อนและเปลี่ยนเป็นไอน้ำ ไอน้ำผลักดันกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า และที่สำคัญ กระบวนการนี้ไม่ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

ในทั้งสองกรณี ยูเรเนียมธรรมชาติไม่เหมาะในเครื่องปฏิกรณ์หลายเครื่อง ยูเรเนียมมากกว่า 99.2% ที่ขุดได้บนโลกคือยูเรเนียม -238 ในขณะที่ยูเรเนียม-235 มีเพียง 0.711% ยูเรเนียม-235 สร้างปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ดีมาก ช่วยรักษาปฏิกิริยาที่เสถียร อย่างไรก็ตาม เราจำเป็นต้องมีไอโซโทปนี้เพียงพอในแท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ นั่นคือเมื่อยูเรเนียมจำเป็นต้องได้รับการเสริมสมรรถนะ ผ่านการแยกไอโซโทปเพื่อเพิ่มเปอร์เซ็นต์ของยูเรเนียม-235

กระบวนการเสริมสมรรถนะที่เหลือจะผลิตยูเรเนียมหมด (มียูเรเนียม-235 น้อยกว่า) มันถูกใช้เป็นภาชนะสำหรับขนส่งวัสดุกัมมันตภาพรังสี อุปกรณ์ถ่ายภาพรังสีทางอุตสาหกรรม เช่นเดียวกับวัตถุประสงค์ทางการทหาร เช่น การชุบเกราะและกระสุนเจาะเกราะ