พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear power)

พลังงานนิวเคลียร์

      พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ  ได้แก่ ปฏิกิริยาฟิวชัน  เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ พลังงานนิวเคลียร์ที่มนุษย์สามารถผลิตขึ้นมา ได้แก่  เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู  เครื่องเร่งอนุภาค สารไอโซโทป และระเบิดปรมาณู  พลังงานนิวเคลียร์สามารถปลดปล่อยออกมาในรูปของอนุภาคและรังสี  เช่น  รังสีแกมมา  อนุภาคเบตา อนุภาคแอลฟา  และอนุภาคนิวตรอน พร้อมกับปล่อยพลังงานอื่น ๆ ออกมาด้วย  เช่น  พลังงานความร้อน  พลังงานแสง พลังงานรังสี  พลังงานกล และพลังงานอื่น ๆ

ชนิดของพลังงานนิวเคลียร์

พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากแร่กัมมันตภาพรังสี จะปล่อยออกมาเมื่อมีการแยกหรือการรวม หรือเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสภายในอะตอม ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ แบ่งได้เป็น 4 ชนิด คือ

1.  ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission) เป็นพลังงานที่เกิดจากการแตกตัว หรือแยกตัวของธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม พลูโตเนียม เมื่อถูกชนด้วยอนุภาคนิวตรอน เช่น ระเบิดปรมาณู
2.  ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion) เป็นพลังงานที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุเบา เช่น การรวมตัวของธาตุ H กับ He บนดวงอาทิตย์
3. ปฏิกิริยาที่เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี (Redioactivity) ได้แก่ ยูเรเนียม เรเดียม พลูโตเนียม ฯลฯ ธาตุเหล่านี้จะปลดปล่อยรังสีและอนุภาคต่าง ๆ ออกมา เช่น อนุภาคแอลฟา อนุภาคเบตา รังสีแกมมา และอนุภาคนิวตรอน
4.  ปฏิกิริยาที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุ (ParticaleAccelerrator) เช่น โปรตอนอิเล็กตรอน ดิวทีเรียม และอัลฟา

รูปแบบของพลังงานนิวเคลียร์

     สามารถจัดแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ตามลักษณะวิธีการปลดปล่อยพลังงานออกมา คือ

            1.พลังงานนิวเคลียร์ที่ถูกปลดปล่อยออกมาในลักษณะเฉียบพลัน เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ควบคุมไม่ได้  (Uncontrolled nuclear reactions) พลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เป็นเหตุให้เกิดการระเบิด (Nuclear explosion) สิ่งประดิษฐ์ที่ใช้หลักการเช่นนี้ ได้แก่ ระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) หรือระเบิดไฮโดรเจน และหัวรบนิวเคลียร์แบบต่าง ๆ (ของอเมริกาเรียกว่าจรวด Pershing, ของรัสเซียเรียกว่า จรวด SS-20)

            2.พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งควบคุมได้  ในปัจจุบันปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งควบคุมได้ตลอดเวลา (Controlled nuclear reaction) ซึ่งมนุษย์ได้นำเอาหลักการมาพัฒนาขึ้นจนถึงขั้นที่นำมาใช้ประโยชน์ในระดับขั้นการค้าหรือบริการสาธารณูปโภคได้แล้ว มีอยู่แบบเดียว  คือ  ปฏิกิริยาฟิชชันห่วงโซ่ของไอโซโทปยูเรเนียม -235  และของไอโซโทปที่แตกตัวได้ (Fissile isotopes)  อื่น ๆ  อีก 2 ชนิด   (ยูเรเนียม -233 และพลูโตเนียม -239) สิ่งประดิษฐ์ซึ่งทำงานโดยหลักการของปฏิกิริยาฟิชชันห่วงโซ่ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์  ซึ่งมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู (Nuclear reactors)

            3.พลังงานนิวเคลียร์จากสารกัมมันตรังสี สารกัมมันตรังสีหรือสารรังสี (Radioactive material) คือ สารที่องค์ประกอบส่วนหนึ่งมีลักษณะเป็นไอโซโทปที่มีโครงสร้างปรมาณูไม่คงตัว (Unstable isotipe) และจะสลายตัวโดยการปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีแอลฟา รังสีบีตา รังสีแกมมา หรือรังสีเอกซ์รูปใดรูปหนึ่ง หรือมากกว่าหนึ่งรูปพร้อม ๆ กัน ไอโซโทปที่มีคุณสมบัติดังกล่าวนี้เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือไอโซโทปรังสี (Radioisotope)

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์”
ประกอบด้วย
– เชื้อเพลิงยูเรเนียม (Uranium fuel)
– แท่งควบคุม (Control rod)
สิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนนี้คือ อนุภาคนิวตรอนจะวิ่งไปชนกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมเกิดเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดความร้อนสูงถึง 320 องศาเซลเซียส
ผลลัพธ์จากชนกัน คือ จะเกิดพลังงานความร้อนพร้อมทั้งอนุภาคนิวตรอนอีก 2-3 ตัว นิวตรอนที่ได้นั้น มันจะวิ่งไปชนกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมแท่งอื่นต่อกันไปเรื่อย ๆ ปฏิกิริยาแบบนี้ เราเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction)

ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นนี้มีความอันตรายมาก เพราะความร้อนที่ได้จากการชนกันจะพุ่งขึ้นเรื่อยๆหากปราศจากการควบคุม
แล้วเราจะควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างไรหล่ะ ?
เนื่องจากต้นเหตุของปฏิกิริยาลูกโซ่ เกิดจากอนุภาคนิวตรอนที่ทวีคูณออกมาเรื่อยๆ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์เลยหาวิธีการจำกัดนิวตรอนพวกนั้นด้วยการสร้างแท่งควบคุม (Control rod) ที่ทำจากวัสดุดูดซับนิวตรอนขึ้นมา
แท่งควบคุมจะถูกติดตั้งไว้ในเตาปฏิกรณ์อยู่แล้ว เมื่อเราค่อยๆเลื่อนแท่งควบคุมเข้าไป ปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะเกิดขึ้นน้อยลง ทำให้เราสามารถควบคุมปฏิกิริยานี้ได้

[ส่วนที่ 2] “ผลิตไฟฟ้า”
ประกอบด้วย
– กังหันไอน้ำ (Steam turbine)
– เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator)
ในส่วนนี้จะมีแรงดันมหาศาลของไอน้ำที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ของส่วนที่ 1 ดันให้กังหันขนาดมหึมาหมุน

ไอน้ำที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์

จากนั้น นักวิทยาศาสตร์จะอาศัยกฎการอนุรักษ์พลังงาน ที่ว่า “พลังงานบนโลกนี้จะไม่หายไปไหนเพียงแต่เราสามารถแปรเปลี่ยนรูปแบบของพลังงานได้”
โดยเราจะเปลี่ยนพลังงานกลที่ได้จากการหมุนของกังหันไอน้ำไปเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) และจากนั้นก็ส่งไปยังบ้านเรือนต่างๆต่อไป

[ส่วนที่ 3] “ระบายความร้อน”
ประกอบด้วย
– ระบบหล่อเย็น (Cooling system)
– หอระบายความร้อน (Cooling tower)
จำได้ไหมว่าอุณหภูมิที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นประมาณ 320 องศาเซลเซียส ดังนั้นเราจึงต้องมีระบบหล่อเย็นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ด้วย
ระบบนี้จะสูบน้ำจากแม่น้ำผ่านท่อขึ้นมาเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้น และวนออกไป เกิดซ้ำๆแบบนี้ไปเรื่อยๆเพื่อรักษาอุณหภูมิไม่ให้ร้อนเกินไป

กลุ่มไอน้ำที่เกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนความร้อนของน้ำจะถูกระบายออกทางหอระบายความร้อนแบบที่ทุกคนเคยเห็นในโรงไฟฟ้าต่าง ๆ
เกร็ดความรู้ :
วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทำจากคอนกรีตเสริมเหล็กหนาถึง 2 เมตร เพื่อกำบังรังสีที่เกิดจากปฏิริยานิวเคลียร์

  แหล่งที่มา : ลิงค์ http://www.baanjomyut.com/library_2/energy_and_quality_of_life/13.html