เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เกิดขึ้นได้อย่างไร

   เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เกิดขึ้นได้อย่างไร  เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่ได้มีแค่มนุษย์ที่สร้างขึ้นหลายคนอาจคิดว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มนุษย์สร้างขึ้นเท่านั้น แต่ความจริงแล้ว ธรรมชาติเคยสร้างสภาวะที่ทำหน้าที่คล้ายเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขึ้นมาเองเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน

เรื่องราวนี้แบ่งออกได้เป็น 2 ส่วน คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ และ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มนุษย์สร้างขึ้น

1. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ — Oklo ประเทศกาบอง

เมื่อประมาณ 1.7–2 พันล้านปีก่อน บริเวณเหมืองยูเรเนียมที่โอกโล ประเทศกาบอง เกิดปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เรียกว่า Oklo Natural Nuclear Reactors

ในบริเวณนั้นเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแบบลูกโซ่ขึ้นเอง โดยมีเงื่อนไขสำคัญหลายอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน

ทำไมธรรมชาติจึงสร้างเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นมาได้?

1. ยูเรเนียม-235 มีสัดส่วนสูงกว่าในปัจจุบัน

ในอดีต ยูเรเนียมตามธรรมชาติมีสัดส่วนของยูเรเนียม-235 สูงกว่าปัจจุบันมาก ทำให้มีโอกาสเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ง่ายกว่า

2. มีน้ำใต้ดินทำหน้าที่ชะลอนิวตรอน

น้ำที่ไหลผ่านชั้นแร่ยูเรเนียมช่วยชะลอความเร็วของนิวตรอน ทำให้นิวตรอนสามารถกระตุ้นอะตอมยูเรเนียมอื่น ๆ และทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อเนื่อง

3. น้ำทำหน้าที่คล้ายระบบควบคุมตามธรรมชาติ

เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้น ความร้อนจะทำให้น้ำระเหยออกไป เมื่อไม่มีน้ำ ปฏิกิริยาจะลดลงหรือหยุดลง

เมื่อบริเวณนั้นเย็นลง น้ำใต้ดินก็สามารถไหลกลับเข้ามา ทำให้ปฏิกิริยาเริ่มขึ้นอีกครั้ง

จึงเกิดลักษณะคล้าย ระบบเปิด–ปิดตามธรรมชาติ เป็นระยะ ๆ

2. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มนุษย์สร้างขึ้น

มนุษย์เริ่มเข้าใจพลังงานจากนิวเคลียร์อย่างจริงจังในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลังจากนักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า นิวเคลียสของอะตอมสามารถแตกตัวและปล่อยพลังงานออกมาได้

ค.ศ. 1938–1939 — การค้นพบฟิชชัน

Otto Hahn และ Fritz Strassmann พบหลักฐานว่าการยิงนิวตรอนไปยังยูเรเนียมสามารถทำให้นิวเคลียสแตกตัวออกเป็นส่วนเล็กลง พร้อมปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอนเพิ่มเติม

Lise Meitner และ Otto Frisch ช่วยอธิบายปรากฏการณ์นี้ทางฟิสิกส์ และตั้งชื่อกระบวนการว่า Nuclear Fission หรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน

แนวคิดปฏิกิริยาลูกโซ่

นักวิทยาศาสตร์อย่าง Leo Szilard และ Enrico Fermi พัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิกิริยาลูกโซ่ หากนิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันสามารถไปกระตุ้นยูเรเนียมอะตอมอื่นต่อได้ ปฏิกิริยาก็สามารถดำเนินต่อเนื่องได้

ค.ศ. 1942 — Chicago Pile-1

วันที่ 2 ธันวาคม ค.ศ. 1942 ทีมของ Enrico Fermi ประสบความสำเร็จในการทำให้ Chicago Pile-1 เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบควบคุมได้เป็นครั้งแรก

เครื่องปฏิกรณ์นี้ใช้ กราไฟต์เป็นตัวชะลอนิวตรอน และใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิง ส่วนแท่งควบคุมที่ดูดซับนิวตรอนใช้สำหรับควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยา

เหตุการณ์นี้ถือเป็นหนึ่งในจุดเปลี่ยนสำคัญของประวัติศาสตร์พลังงานนิวเคลียร์

แล้วเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงานอย่างไร?

ไม่ว่าจะเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือเครื่องที่มนุษย์สร้างขึ้น หลักการสำคัญเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบหลัก ๆ ได้แก่

1. เชื้อเพลิง
เช่น ยูเรเนียม-235 ซึ่งสามารถเกิดฟิชชันและปล่อยพลังงานออกมา

2. ตัวชะลอนิวตรอน
เช่น น้ำหรือกราไฟต์ ทำหน้าที่ลดความเร็วของนิวตรอน เพื่อเพิ่มโอกาสที่นิวตรอนจะทำให้เกิดฟิชชันต่อ

3. ระบบควบคุมและระบายความร้อน
แท่งควบคุมใช้ดูดซับนิวตรอนเพื่อควบคุมปฏิกิริยา ส่วนระบบหล่อเย็นทำหน้าที่นำความร้อนออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์

ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ความร้อนจากปฏิกิริยาฟิชชันจะถูกนำไปใช้ผลิตไอน้ำ จากนั้นไอน้ำจะหมุนกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

สรุปง่าย ๆ

ธรรมชาติเคยสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขึ้นเองที่โอกโลเมื่อเกือบ 2 พันล้านปีก่อน ขณะที่มนุษย์เพิ่งสามารถสร้างและควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1942

สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดคือ หลักการพื้นฐานของปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นที่โอกโล มีความคล้ายคลึงกับหลักการที่มนุษย์นำมาศึกษาและพัฒนาเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเวลาต่อมา