เทคโนโลยีนิวเคลียร์

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เทคโนโลยีนิวเคลียร์เป็นเทคโนโลยีที่นำปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับนิวเคลียสของอะตอมที่เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (nuclear reaction) มาใช้ประโยชน์นับตั้งแต่พรายน้ำนาฬิกาไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยเทคโนโลยีนิวเคลียร์มีจุดเริ่มต้นมาจากการค้นพบรังสีเอกซ์เมื่อ 112 ปีมาแล้ว

เมื่อปี ค.ศ. 1895 วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน ค้นพบรังสีเอกซ์จากการศึกษาหลอดรังสีแคโทดที่ปัจจุบันพัฒนามาเป็นหลอดเอกซเรย์หรือหลอดรังสีเอกซ์ และเพียงในระยะเวลาปีเศษก็มีการนำรังสีเอกซ์ไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางโดยเฉพาะในทางการแพทย์

รังสีเอกซ์เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ไม่ได้มีต้นกำเนิดมาจากนิวเคลียสของอะตอม กล่าวคือเกิดจากชั้นอิเล็กตรอนของอะตอมจึงไม่นับว่าเป็นพลังงานนิวเคลียร์โดยตรง แต่ปัจจุบันก็ใช้กันอย่างกว้างขวางในวงการนิวเคลียร์ และยังเป็นจุดเริ่มต้นให้นักฟิสิกส์ในยุคนั้นหันมาสนใจค้นคว้าเกี่ยวกับรังสีจากต้นกำเนิดชนิดอื่น ๆ อันทำให้เทคโนโลยีนิวเคลียร์เริ่มขึ้นได้

เพียงปีถัดมาหลังการค้นพบรังสีเอกซ์คือในปี ค.ศ. 1896 อองรี แบ็กเกอแรล ขณะศึกษาการเรืองแสงของเกลือยูเรเนียม ก็ได้ค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ที่ต่อมามีชื่อเรียกว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) โดยคู่สามีภรรยาคือ มารี กูรี (มาดามคูรี) และ ปีแอร์ กูรี ได้ศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงจังและมารีเป็นผู้ตั้งชื่อให้กับปรากฏการณ์นี้ ซึ่งพวกเขาพบว่า ยูเรเนียมมีการปล่อยรังสีหลายชนิด ที่มีการทะลุทะลวงไปในตัวกลางได้แตกต่างกัน และทำให้เกิดแผลไหม้เกรียมบนผิวหนังได้ คล้ายกับที่ถูกแดดเผา นอกจากนี้ยังมีผู้สนใจศึกษาท่านอื่น ๆ อีก จนในที่สุดพบว่า มีรังสีปล่อยออกมาอย่างน้อย 3 ชนิดคือ รังสีแอลฟา (ประกอบจากอนุภาคโปรตอน 2 อนุภาคกับอนุภาคนิวตรอนอีก 2 อนุภาค ใช้สัญลักษณ์เป็น a) รังสีบีตา (อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูง ใช้สัญลักษณ์เป็น b) และรังสีแกมมา (รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอกซ์ ใช้สัญลักษณ์เป็น g) โดยรังสีแต่ละชนิดนี้มีพลังงานไม่เท่ากัน จึงมีความสามารถในการทะลุทะลวงผ่านตัวกลางต่าง ๆ ได้แตกต่างกัน
ต่อมายังพบว่ารังสีเหล่านี้มีพลังงานสูงพอทำให้สารประกอบต่าง ๆ แตกตัวเป็นไอออนได้จึงเรียกว่า รังสีชนิดก่อไอออน (ionizing radiation) และเราสามารถใช้สมบัตินี้ของรังสีไปใช้ประโยชน์ได้หลายอย่าง เช่น การรักษาหรือวินิจฉัยในทางการแพทย์ ในอุตสาหกรรมมีการใช้รังสีแกมมาฆ่าเชื้อเครื่องมือแพทย์ หรือในทางการเกษตรจะเลือกใช้ความแรงรังสีที่เหมาะสมทำให้เกิดการกลายพันธุ์ของพืชเพื่อให้ได้พืชสายพันธุ์ที่ดีขึ้น
ขณะศึกษาปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีพวกคูรียังค้นพบธาตุใหม่อีก 2 ธาตุคือ เรเดียมและพอโลเนียมซึ่งแผ่รังสีได้แรงกว่ายูเรเนียมมาก สำหรับเรเดียมนั้นในสมัยนั้นมีการใช้ในทางการแพทย์ที่เรียกว่า การฝังแร่ และใช้ผลิตสารเรืองแสงทำเป็นพรายน้ำหน้าปัดนาฬิกา แต่เนื่องจากเรเดียมมีรังสีแรงเกินไป ปัจจุบันได้เปลี่ยนมาใช้ทริเทียมแทน (ปัจจุบันป้ายบอกทางเข้า-ออกในที่มืดก็ใช้ทริเทียม)
ในปัจจุบันธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้นี้เราเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสีหรือวัสดุกัมมันตรังสี (radioactive material) ในระยะเวลานั้นพอดีกับที่มีการค้นพบอิเล็กตรอน (ค.ศ. 1897) โดย โจเซฟ ทอมสัน ผนวกเข้ากับการค้นพบนิวเคลียส (ค.ศ. 1911) โดย เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด อันทำให้ความรู้เกี่ยวกับอะตอมเริ่มชัดเจนขึ้นว่า อะตอมมีโครงสร้างเป็นนิวเคลียสเล็ก ๆ ที่มีประจุบวกจากโปรตอนอยู่ตรงกลาง และรอบนิวเคลียสซึ่งโตกว่านิวเคลียสมากนั้นเป็นที่ว่าง ๆ ที่อิเล็กตรอนที่มีประจุลบใช้โคจรรอบ ๆ นิวเคลียส
ต่อมา เฮนรี โมสลีย์ ได้ค้นพบวิธีกำหนดลำดับธาตุลงบนตารางพีริออดิกหรือตารางธาตุจากเลขเชิงอะตอม (atomic number) ซึ่งก็คือจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสอันเป็นตัวกำหนดว่าอะตอมนั้นเป็นธาตุใด เช่น ในนิวเคลียสของไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 อนุภาค ของฮีเลียมมี 2 อนุภาค หรือของยูเรเนียมมีโปรตอนมากถึง 92 อนุภาค
การที่วัสดุกัมมันตรังสีปล่อยรังสีออกมาก็คือ เกิดการเสื่อมสลายของนิวเคลียสซึ่งไม่เสถียรของอะตอมที่เรียกว่า การสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) ซึ่งเมื่อปล่อยรังสีชนิดต่าง ๆ ออกมาแล้ว อาจทำให้จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเปลี่ยนไปได้ ทำให้อะตอมนั้นเกิดการแปรธาตุ (transmutation) จากอะตอมของธาตุเดิมที่เรียกว่านิวไคลด์แม่ (mother nuclide) ไปเป็นอะตอมของธาตุอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่านิวไคลด์ลูก (daughter nuclide) ยกตัวอย่างเมื่อนิวเคลียสของยูเรเนียมสลายโดยการปล่อยรังสีแอลฟาออกมา ก็จะสูญเสียโปรตอนไป 2 อนุภาค นิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นหลังการสลายนี้จึงมีโปรตอน 90 อนุภาค ซึ่งก็คืออะตอม ทอเรียม
ลักษณะพิเศษของการสลายกัมมันตรังสีอีกประการหนึ่งซึ่งค้นพบจากการตรวจสอบโดยละเอียดของ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ก็คือ ครึ่งชีวิต (half-life) ซึ่งหมายถึงระยะเวลาที่วัสดุกัมมันตรังสีเกิดการสลายแล้วมีปริมาณลดลงไปครึ่งหนึ่ง ความพิเศษก็คือว่า หากตอนตั้งต้นนับมีปริมาณสารกัมมันตรังสีอยู่ 1 ส่วน เมื่อเวลาผ่านไปผ่านไป 1 ครึ่งชีวิตจะมีสารกัมมันตรังสีเหลืออยู่ครึ่งหนึ่งของตอนตั้งต้น และเมื่อผ่านไปอีก 1 ครึ่งชีวิตคือถ้านับจากตั้งต้นว่าผ่านไป 2 ครึ่งชีวิต ก็จะมีสารกัมมันตรังสีเหลืออยู่เพียง 1 ใน 4 ของตอนตั้งต้น และถ้าผ่านไป 3 ครึ่งชีวิตจะเหลือ 1 ใน 8 ของตอนตั้งต้น เช่นนี้ไปเรื่อย ๆ ซึ่งถ้าผ่านไป 10 ครึ่งชีวิตก็จะเหลืออยู่เพียง 1 ใน 1,000 ของสารกัมมันตรังสีตอนตั้งต้นเท่านั้น

อนึ่ง วัสดุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากัน เช่น ไอโอดีน-121 มีครึ่งชีวิตประมาณ 2.1 ชั่วโมง เรเดียม-224 ประมาณ 37 วัน โคบอลต์-60 ประมาณ 5.26 ปี ทริเทียมประมาณ 12 ปี หรือของยูเรเนียม-238 ก็ประมาณ 4,500 ล้านปี ดังนั้น เราจึงสามารถเลือกใช้สารกัมมันตรังสีให้เหมาะสมได้ว่าต้องการรังสีชนิดใด และใช้ได้นานเท่าใด ดังเช่นการใช้ทริเทียมทำพรายน้ำนาฬิกาก็จะอยู่ได้ทนถึง 12 ปี เป็นต้น

ถึงตรงนี้เป็นอันสรุปได้ว่าปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติก็คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ของการสลายกัมมันตรังสีของธาตุหรือวัสดุกัมมันตรังสีที่ปล่อยรังสีชนิดต่าง ๆ ออกมา

ภายหลังการค้นพบนิวเคลียสแล้ว ต่อมาในปี ค.ศ. 1932 ก็มีการค้นพบอนุภาคที่ไม่มีประจุและมีมวลเท่า ๆ กันกับโปรตอน เรียกว่า นิวตรอน โดย เจมส์ แชดวิก ว่าเป็นอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่เกาะอยู่กับอนุภาคโปรตอนภายในนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งช่วยสร้างความกระจ่างเกี่ยวกับการค้นพบก่อนหน้านี้ของ เฟรเดอริก ซ็อดดี ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับธาตุกัมมันตรังสีว่าธาตุเดียวกันแท้ ๆ (มีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน) แต่มีได้หลายชนิด กล่าวคือมีน้ำหนักเชิงอะตอม (atomic weight) ไม่เท่ากันทำให้มีสมบัติทางฟิสิกส์ต่างกันไป ซึ่งที่แท้ก็คือมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสไม่เท่ากัน เช่น ในธรรมชาติพบว่ายูเรเนียมชนิดที่ในนิวเคลียสมีนิวตรอนอยู่ 146 อนุภาคมีมากถึง 99.27 เปอร์เซ็นต์ และชนิดที่มีมากรองลงมามีนิวตรอน 143 อนุภาค มีเพียง 0.72 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งคำที่ใช้เรียกธาตุเดียวกันที่มีน้ำหนักเชิงอะตอมต่างกันนี้ก็คือ ไอโซโทป (isotope) โดยที่โปรตอนและนิวตรอนมีมวลเท่า ๆ กัน จึงนำจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสรวมกันได้ เรียกว่า เลขมวล (mass number) และนำมาใช้เรียกให้เห็นความแตกต่างของไอโซโทป เช่น ไอโซโทป 2 ชนิดของยูเรเนียมในตัวอย่างข้างต้นก็จะเรียกว่า ยูเรเนียม-238 (92+146=238) และยูเรเนียม-235 (92+143=235) ตามลำดับ

ขอยกตัวอย่างไอโซโทปของอีกธาตุหนึ่งคือ ธาตุไฮโดรเจน ซึ่งมีทั้งสิ้น 3 ไอโซโทป คือ โปรเทียมซึ่งก็คือไฮโดรเจนธรรมดาที่นิวเคลียสมีแต่โปรตอนอนุภาคเดียว ดิวเทอเรียมซึ่งในนิวเคลียสมีนิวตรอนเพิ่มมาอีก 1 อนุภาค และทริเทียมที่กล่าวถึงหลายครั้งแล้วข้างต้นที่ในนิวเคลียสมีนิวตรอนด้วยอีก 2 อนุภาค

ประโยชน์ของนิวตรอนอีกประการหนึ่งก็คือ การนำมาระดมยิง (bombard) เข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมชนิดต่าง ๆ อันเป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้หลายรูปแบบ เช่น

ถ้านิวเคลียสจับยึดนิวตรอนที่ระดมยิงเข้าไปเอาไว้เฉย ๆ อะตอมนั้นก็จะมีมวลมากขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือ เกิดเป็นอีกไอโซโทปหนึ่ง

แต่ถ้านิวตรอนที่ระดมยิงเข้าไปในนิวเคลียส แล้วไปแทนที่โปรตอน อะตอมนั้นก็จะมีนิวตรอนเพิ่มขึ้น และมีโปรตอนลดลงอันทำให้แปรธาตุไป เช่น ฮีเลียม-3 ที่ในนิวเคลียสมีโปรตอน 2 อนุภาคกับนิวตรอนอีก 1 อนุภาค ในกรณีนี้ก็จะแปรธาตุไปเป็น ทริเทียม นั่นเอง

ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ทำนองดังกล่าวนี้มีมากขึ้นในช่วงต้นของคริสต์ศตวรรษที่ 20 นี้ มนุษย์จึงเริ่มรู้จักประดิษฐ์วัสดุกัมมันตรังสีใหม่ ๆ ที่ไม่เคยมีในธรรมชาติ ขึ้นมาใช้ประโยชน์ได้เอง ตามความต้องการว่าต้องการรังสีชนิดใด และความแรงรังสีมากน้อยเท่าใดด้วย เช่น การผลิตโคบอลต์-60 จากโคบอลต์-59 ( ) ซึ่งสลายและแปรธาตุเป็น นิกเกิล-60 ที่ไม่เสถียร ( ) และเพื่อให้เสถียรก็จะคายพลังงานออกมาเป็นรังสีแกมมา ( ) ที่ปัจจุบันนำมาใช้ในเครื่องฉายรังสีผลิตผลการเกษตรเพื่อยืดอายุการเก็บ หรือฉายรังสีเพื่อฆ่าเชื้อเครื่องมือแพทย์ด้วยรังสีแกมมา เรียกเทคโนโลยีนี้ว่า การฉายรังสีแกมมา (Gamma Irradiation)

ปัจจุบันการใช้ประโยชน์วัสดุกัมมันตรังสีมีความหลากหลายมาก ในทางการแพทย์ใช้สารเภสัชรังสี เทคนีเชียม-99เอ็ม ซึ่งมีหลายชนิดสำหรับช่วยตรวจพยาธิสภาพของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย เช่น กระดูก ปอด ไต สมอง ในทางอุตสาหกรรมใช้นิวตรอนหรือรังสีแกมมาสำรวจหาบ่อน้ำมัน หรือใช้รังสีจาก ซีเซียม-137 ตรวจวัดความชื้น/ความหนาแน่นของดิน ยางมะตอย หรือคอนกรีตในงานก่อสร้างถนน นอกจากนี้ก็ยังมีการใช้รังสีแอลฟาจาก อะเมริเซียม-241 มาใช้ในเครื่องตรวจจับควันไฟไหม้ที่ใช้ติดที่เพดานห้อง หรือใช้ทำสายล่อฟ้า

ต่อมาเมื่อปี ค.ศ. 1938 ก็มีการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์อีกแบบหนึ่ง อันเป็นจุดเริ่มต้นของการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ ได้แก่ ปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส หรือ ฟิชชัน (nuclear fission) โดย ออทโท ฮาน และ ฟริทซ์ ชตราสส์มันน์ จากการระดมยิงอะตอมธาตุยูเรเนียมด้วยนิวตรอน ผลของปฏิกิริยาคือ นิวเคลียสยูเรเนียม-235 แบ่งแยกออกเป็นนิวเคลียสของอะตอม 2 ชนิด คือ คริปทอน-36 และ แบเรียม-56 ทั้งยังปล่อยพลังงานออกมาด้วย 166 MeV และที่สำคัญคือ ปฏิกิริยานี้ยังให้นิวตรอนออกมาด้วย 2-3 อนุภาค

นิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชันอีก 2 หรือ 3 อนุภาคนี้เอง หากไปทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ไปเป็นทอดได้เรื่อย ๆ ก็จะกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ได้ พลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาลูกโซ่เมื่อรวม ๆ กันแล้วก็จะมากมหาศาลในเวลาสั้น ๆ จึงเกิดความคิดที่จะควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียสไม่ให้รุนแรงเกินไป นี่คือที่มาของการประดิษฐ์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor) ได้สำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1945 ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก โดยคณะนักวิทยาศาสตร์ที่นำทีมประดิษฐ์และทดลองโดย เอนรีโก แฟร์มี
พลังงานความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แบ่งแยกนิวเคลียสนี้สามารถนำไปผลิตไอน้ำสำหรับไปหมุนกังหันไอน้ำ และพลังงานกลจากการหมุนของกังหันไอน้ำนี้ก็ไปปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกทอดหนึ่ง โดยตอนต้นคริสต์ทศวรรษ 1950 ก็เริ่มมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์แบบนี้ในเชิงพาณิชย์ที่เรียกว่า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (nuclear power plant) เริ่มมีก่อนในประเทศสหรัฐอเมริกา อังกฤษ และรัสเซีย โดยแห่งแรกในสหรัฐอเมริกามีชื่อว่า ชิปปิงพอร์ต ตั้งอยู่ที่รัฐเพนซิลเวเนีย

ในปัจจุบันโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลกมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รวมกัน 439 เครื่องใน 30 ประเทศ มีกำลังผลิตกระแสไฟฟ้ารวมกัน 372,000 เมกะวัตต์ คิดเป็นราว 16 เปอร์เซ็นต์ของกำลังผลิตกระแสไฟฟ้าทั้งโลก นอกจากนี้ยังมีการนำพลังงานนิวเคลียร์ไปขับเคลื่อนเรือตัดน้ำแข็งใช้ที่แถบขั้วโลกเหนือ และขับเคลื่อนเรือเดินทะเลและเรือดำน้ำรวมทั่วโลกประมาณ 220 ลำ

นอกจากนี้ก็มีการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยด้วยเช่นกันใน 56 ประเทศทั่วโลกรวม 284 เครื่อง ซึ่งรวมถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยในประเทศไทยด้วย 1 เครื่อง อยู่ภายใต้การดำเนินการวิจัยของสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ สำหรับการผลิตสารไอโซโทปรังสีที่ให้บริการในทางการแพทย์ การฉายรังสีเพื่อเพิ่มมูลค่าอัญมณี และการวิเคราะห์องค์ประกอบของแร่ เป็นต้น