การค้นพบ

บทความหลัก: ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ปรากฏการณ์ธรรมชาติส่วนใหญ่ที่พบบนโลกมีส่วนเกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น, ไม่ใช่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์. ทั้งนี้เป็นเพราะนิวเคลียสของอะตอมโดยทั่วไปจะอยู่ห่างจากกันเพราะพวกมันมีประจุไฟฟ้าบวก ดังนั้นมันจึงผลักกันและกัน.

ในปี 1896 นายอองรี Becquerel ในขณะที่ทำการทดสอบการเรืองแสง (อังกฤษ: phosphorescence)[1] ในเกลือยูเรเนียม เขาก็ได้ค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ซึ่งเรียกมันว่ากัมมันตภาพรังสี[2] นายปิแอร์ กูรีและนางมารี กูรีเริ่มทดสอบปรากฏการณ์นี้ ในกระบวนการนี้ พวกเขาแยกองค์ประกอบเรเดียมซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีสูง พวกเขาค้นพบว่าสารกัมมันตรังสีจะผลิตรังสีที่สามารถทะลุทะลวงได้อย่างรุนแรง, รังสีเหล่านี้มีสามประเภทที่แตกต่างกัน, ซึ่งพวกเขาตั้งชื่อพวกมันว่ารังสีแอลฟา, บีตา, และแกมมาตามอักษรกรีก บางส่วนของชนิดของรังสีเหล่านี้จะสามารถเจาะผ่านสารธรรมดาได้ และทุกชนิดของพวกมันอาจเป็นอันตรายถ้าสัมผัสในปริมาณมาก ทั้งหมดของนักวิจัยในช่วงต้นต่างก็ถูกเผาไหม้จากรังสีเหล่านั้นทั้งนั้น มันรุนแรงมากเหมือนถูกแดดเผา แต่พวกเขาก็คิดว่ามันเป็นเรื่องเล็กน้อย

ปรากฏการณ์ใหม่ของกัมมันตภาพรังสีถูกนำมาใช้โดยผู้ผลิตของยาต้มตุ๋น (เหมือนอย่างที่มีการค้นพบไฟฟ้าและแม่เหล็กก่อนหน้านี้) และสิทธิบัตรยาและการรักษาจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับกัมมันตภาพรังสีก็ถูกผลักดันให้ก้าวหน้าขึ้นไปอีก

ค่อยๆตระหนักว่ารังสีที่ผลิตโดยการสลายกัมมันตรังสีเป็นรังสีที่เกิดจากการแตกตัวไอออน (อังกฤษ: ionizing radiation), และค่อยๆตระหนักว่าแม้ปริมาณจะมีขนาดเล็กเกินไปที่จะเผาไหม้แต่ก็อาจก่อให้เกิดอันตรายในระยะยาวได้อย่างรุนแรง นักวิทยาศาสตร์หลายคนที่ทำงานเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีได้เสียชีวิตจากโรคมะเร็งซึ่งเป็นผลมาจากการสัมผัสกับรังสีของพวกเขา. ยาที่มีสิทธิบัตรกัมมันตรังสีส่วนใหญ่เริ่มหายไป, แต่การประยุกต์ใช้งานอื่นๆของวัสดุกัมมันตรังสียังคงยืนกราน, เช่นการใช้เกลือเรเดียมในการผลิตหน้าปัดเรืองแสงในมิเตอร์เครื่องวัด.

เมื่ออะตอมเป็นที่เข้าใจกันมากขึ้น, ธรรมชาติของกัมมันตภาพรังสีก็ชัดเจนขึ้น. บางนิวเคลียสขนาดใหญ่ของอะตอมจะไม่เสถียร, จึงสลายตัว (ปลดปล่อยสารหรือพลังงาน) หลังจากการสุ่มตามช่วงเวลา. สามรูปแบบของรังสีที่ Becquerel และ Curies ค้นพบก็เข้าใจกันมากขึ้นอย่างเต็มที่ด้วย การสลายให้อนุภาคแอลฟาเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปลดปล่อยอนุภาคแอลฟา ซึ่งมีสองโปรตอนและสองนิวตรอน เทียบเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียม การสลายให้อนุภาคบีตาเกิดขึ้นเมื่อมีการปลดปล่อยอนุภาคบีตา ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนพลังงานสูง การสลายให้อนุภาคแอลฟาจะปลดปล่อยรังสีแกมมา ซึ่ง แตกต่างจากรังสีแอลฟาและบีตา ไม่ได้เป็นสารแต่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงมาก และนั่นก็คือพลังงาน รังสีเหล่านี้เป็นอันตรายมากที่สุดและยากที่สุดในการสกัดกั้น ทั้งสามประเภทของรังสีจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติในองค์ประกอบบางอย่าง

เป็นที่ชัดเจนแล้วว่าแหล่งของพลังงานที่สุดยอดบนพื้นดินมากที่สุดคือนิวเคลียร์โดยผ่านการฉายรังสีจากดวงอาทิตย์ที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ของดวงดาว หรือโดยการสลายกัมมันตรังสีของยูเรเนียมภายในโลกซึ่งเป็นแหล่งที่มาหลักของพลังงานความร้อนใต้พิภพ

ฟิชชั่น

บทความหลัก: ฟิชชั่น

ในการแผ่รังสีนิวเคลียร์ตามธรรมชาติ ผลพลอยได้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสที่พวกมันก่อกำเนิดขึ้น นิวเคลียร์ฟิชชั่นเป็นกระบวนการของการแยกนิวเคลียสออกเป็นส่วนๆเกือบเท่าๆกันและปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอนในระหว่างกระบวนการนั้น ถ้านิวตรอนเหล่านี้ถูกจับโดยนิวเคลียสอื่นที่ไม่เสถียร นิวเคลียสนั้นก็สามารถแตกตัวหรือฟืชชันได้เช่นกัน ซึ่งนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ค่าเฉลี่ยของจำนวนนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาต่อนิวเคลียสที่ไปฟิชชั่นนิวเคลียสอื่นจะเรียกว่าค่า "k" ค่า k มากกว่า 1 หมายความว่าปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนมากกว่ามันดูดซับไว้และดังนั้นจึงจะเรียกว่าเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตัวเอง มวลของวัสดุฟิสไซล์ที่มีขนาดใหญ่พอ (และในคอนฟิคฯที่เหมาะสม) ที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตนเองเรียกว่ามวลวิกฤต (อังกฤษ: critical mass).

เมื่อนิวตรอนถูกจับโดยนิวเคลียสที่เหมาะสม ฟิชชันอาจเกิดขึ้นทันที หรือนิวเคลียสอาจจะยังคงยืนหยัดอยู่ในสภาพที่ไม่เสถียรในช่วงเวลาสั้นๆ หากมีการสลายตัวทันทีมากพอที่จะดำเนินการให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อไปเรื่อยๆ มวลจะถูกเรียกว่า วิกฤตฉับพลัน (อังกฤษ: prompt critical) และการปล่อยพลังงานจะขยายตัวอย่างรวดเร็วและไม่สามารถควบคุมได้ มักจะนำไปสู่การระเบิด

เมื่อมีการค้นพบก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ความเข้าใจนี้ทำให้หลายประเทศเริ่มต้นโครงการที่จะตรวจสอบความเป็นไปได้ของการสร้างระเบิดปรมาณู - อาวุธที่ใช้ปฏิกิริยาฟิชชันในการสร้างพลังงานมากเกินกว่าที่จะสร้างขึ้นด้วยวัตถุระเบิดแบบสารเคมี โครงการแมนฮัตตัน ดำเนินการโดยประเทศสหรัฐอเมริกาด้วยความช่วยเหลือของสหราชอาณาจักรและแคนาดา ได้พัฒนาอาวุธที่ฟิชชันเป็นทวีคูณซึ่งถูกนำมาใช้กับญี่ปุ่นในปี 1945 ที่ฮิโรชิมาและนางาซากิ ในระหว่างโครงการ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูครั้งแรกได้รับการพัฒนาเช่นกัน แม้ว่าพวกมันจะเป็นหลักในการผลิตอาวุธในเบื้องแรกและไม่ได้ผลิตกระแสไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ถ้ามวลจะวิกฤตได้ก็ต่อเมื่อนิวตรอนที่ถูกหน่วงความเร็วถูกป้อนเข้าไป ดังนั้นปฏิกิริยาก็สามารถควบคุมได้ เช่นโดยการใส่เข้าไปหรือการดึงออกมาโดยตัวดูดซับนิวตรอน (อังกฤษ: neutron absorber) นี่คือสิ่งที่ช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถที่จะถูกสร้างได้ นิวตรอนเร็วไม่สามารถถูกจับโดยนิวเคลียสได้โดยง่าย พวกมันจะต้องถูกชะลอความเร็ว (ให้เป็นนิวตรอนช้า) โดยทั่วไปโดยการชนกับนิวเคลียสของตัวหน่วงนิวตรอน (อังกฤษ: neutron moderator) ก่อนที่พวกมันจะถูกจับได้อย่างง่ายดาย ในวันนี้ ประเภทนี้ของการฟิชชันเป็นที่นิยมใช้ในการผลิตไฟฟ้า

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น

บทความหลัก: ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น

ถ้านิวเคลียสมากกว่าหนึ่งตัวถูกบังคับให้ชนกัน พวกมันก็สามารถทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันได้ กระบวนการนี้อาจปล่อยหรือดูดซับพลังงาน ถ้านิวเคลียสที่เกิดจากการชนมีน้ำหนักเบากว่านิวเคลียสของเหล็ก พลังงานจะถูกปล่อยออกมาตามปกติ แต่เมื่อนิวเคลียสนั้นหนักกว่าของเหล็ก โดยทั่วไปพลังงานจะถูกดูดซับ กระบวนการของการฟิวชั่นนี้เกิดขึ้นในดวงดาว ซึ่งได้รับพลังงานของพวกมันจากไฮโดรเจนและฮีเลียม พวกมันก่อตัวขึ้นผ่าน'การสังเคราะนิวเคลียสแบบกลุ่มดาว' (อังกฤษ: stellar nucleosynthesis) และองค์ประกอบเบา (ลิเธียมจนถึงแคลเซียม) เช่นเดียวกับบางส่วนขององค์ประกอบหนัก (เกินกว่าเหล็กและนิกเกิลผ่านทาง S-process) ความอุดมสมบูรณ์ที่เหลืออยู่ขององค์ประกอบหนัก จากนิกเกิลจนถึงยูเรเนียมและไกลกว่านั้น เป็นเพราะกระบวนการการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบซูเปอร์โนวา (อังกฤษ: supernova nucleosynthesis) หรือที่เรียกว่า R-process.

แน่นอน กระบวนการทางธรรมชาติเหล่านี้ของดาราศาสตร์ไม่ได้เป็นตัวอย่างของนิวเคลียร์ "เทคโนโลยี" เพราะแรงผลักที่แข็งแกร่งมากของนิวเคลียส ฟิวชั่นจึงเป็นเรื่องยากที่จะควบคุม ระเบิดไฮโดรเจนได้รับอำนาจการทำลายล้างของพวกมันอย่างมากจากฟิวชั่น แต่พลังงานของพวกมันไม่สามารถควบคุมได้ ฟิวชั่นจะสามารถควบคุมได้ในเครื่องเร่งอนุภาค (อังกฤษ: particle accelerator); นี่คือวิธีที่หลายองค์ประกอบสังเคราะห์ (ในทางเคมี, มันคือสารประกอบที่ไม่ปรากฏตามธรรมชาติ, มันถูกสร้างขึ้นโดยการประดิษฐ์เท่านั้น นับถึงปัจจุบัน มีสารดังกล่าวอยู่ 20 ตัวได้ถูกสร้างขึ้น พวกที่มีเลขอะตอม 99–118 ทุกตัวไม่เสถียร มันสลายตัวด้วยครึ่งชีวิตระหว่างหนึ่งปีถึงไม่กี่มิลลิวินาที) ได้ถูกผลิตขึ้น Fusor ยังสามารถผลิตฟิวชั่นที่ถูกควบคุมและเป็นแหล่งนิวตรอนที่มีประโยชน์ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทั้งสองเหล่านี้จะทำงานแบบการสูญเสียพลังงานสุทธิ พลังงานฟิวชั่นที่ถูกควบคุมและทำงานได้พิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยาก แม้จะมีการหลอกลวงเป็นครั้งคราว ความยุ่งยากทางเทคนิคและทางทฤษฎีได้ขัดขวางการพัฒนาของเทคโนโลยีฟิวชั่นพลเรือนที่กำลังทำงานอยู่ แม้ว่าการวิจัยยังดำเนินต่อไปในวันนี้ทั่วโลก

นิวเคลียร์ฟิวชันถูกไล่ล่าหาความจริงในตอนต้นในขั้นตอนทางทฤษฎีเท่านั้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อนักวิทยาศาสตร์ในโครงการแมนฮัตตัน (นำโดยเอ็ดเวิร์ด Teller) ตรวจสอบว่ามันเพื่อการสร้างระเบิด โครงการได้ละทิ้งฟิวชั่นหลังจากที่มีการสรุปว่ามันต้องการปฏิกิริยาฟิชชันเพื่อจุดระเบิด มันต้องใช้เวลาจนถึงปี 1952 สำหรับระเบิดไฮโดรเจนเต็มรูปแบบลูกแรกที่จะถูกจุดชนวน, ที่เรียกอย่างนั้นเพราะว่ามันใช้ปฏิกิริยาระหว่าง ดิวเทอเรียม และ ทริเทียม ปฏิกิริยาฟิวชั่นอื่นๆมีพลังมากมายต่อหน่วยมวลของเชื้อเพลิงมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชัน แต่การเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิวชั่นเป็นเรื่องยากกว่ามาก.