บทที่17 พลังงานจากนิวเคลียส 1. อะตอมและนิวเคลียส 2. Nuclear Fission - แบบ จำลองสำหรับ Nuclear Fission - เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู

3. Thermonuclear Fusion - ในดวงดาวและดวงอาทิตย์ - การควบคุม - Tokamak - Laser Fusion

1. อะตอมและนิวเคลียส 1.1 Binding energy อะตอมของธาตุเกิดจากการรวมตัวของโปรตอน, นิวตรอนและอิเล็กตรอนในอัตราส่วน ต่าง ๆ แต่มวลอะตอมของธาตุจะน้อยกว่า ผลรวมของ, โปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอนที่มาประกอบเป็นธาตุนั้น ๆ

มวลที่หายไปส่วนหนึ่งเป็น ตามสมการ

นั่นคือ มวลเปลี่ยนไปเป็น พลังงาน เช่น มวล 1 u จะเทียบ เท่ากับพลังงาน Million = mega = 106 1u ~ 931 MeV

ดังนั้นถ้าต้องการแยกธาตุต่าง ๆ ออกเป็นโปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน จึงต้องใช้พลังงาน ในการกระทำดังกล่าว ซึ่งพลังงานส่วนนี้จะ เรียกว่า เป็น Binding Energy

บางครั้ง Binding Energy มักนิยมบอกเป็นต่อนิวคลีออนนั่นคือ

มวลที่หายไป โดยที่

= จำนวนโปรตอนคูณกับมวลโปรตอน + จำนวนนิวตรอนคูณกับมวลนิวตรอน + จำนวน อิเล็กตรอนคูณกับมวลของ อิเล็กตรอน M = มวลอะตอมของธาตุ

ตัวอย่างเรื่องพลังงานจากนิวเคลียส 1. จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ 2. จงหาพลังงานยึด เหนี่ยวต่อ นิวคลีออนของ

กำหนดให้ มวลของ อิเล็กตรอน = 0.000549 a.m.u. มวลของโปรตอน = 1.007276 a.m.u. มวลของนิวตรอน = 1.008665 a.m.u. มวลของ = 17.999160 a.m.u. มวลของ = 196.966552 a.m.u.

3. จงหาพลังงาน ที่ปลดปล่อยจากปฏิกิริยาต่อไปนี้ 4 4 1 7 H + Li He + He 3 2 2 1 กำหนดให้ 1 มวลอะตอมของ H = 1.0080 a.m.u. 1 7 Li = 7.0160 a.m.u. 3 4 He = 4.0026 a.m.u. 2

Nuclear Fission เกิดจากการใช้ นิวตรอน ยิงเข้าไป ยังธาตุหนัก แล้วทำให้เกิดการแตก ตัวของ นิวเคลียส (ทำไมต้องใช้นิวตรอน ?)

ตัวอย่างการแตกตัว

นิวเคลียสที่ถูกยิงโดยนิวตรอนจะไม่เสถียร การปรับเข้าสู่สภาวะเสถียร มี 2 วิธี 1. ปล่อยรังสีแกมมาออกมา ถ้า En- Eb < 0 E : พลังงานกระตุ้น หรือ พลังงานที่ ใช้ ในการรวมนิวตรอน เข้ากับนิวเคลียส n b E : Potential Barrier

2. แตกตัวแบบ fission เมื่อ E - E > 0 n b หรือ ถ้า E - E < 0 n b แต่นิวตรอนที่ยิงมามีพลังงานจลน์มากกว่าหรือเท่ากับผลต่างของ En กับ Eb

ตัวอย่างเกี่ยวกับการปรับเข้าสู่สภาวะเสถียร 1. เมื่อยิงนิวตรอนมีพลังงานจลน์เท่ากับ 1.0 MeV ไปยัง 235U จนไม่เสถียรเปลี่ยนเป็น 236U จงพิจารณาว่านิวเคลียสจะแตกตัวแบบ fission หรือไม่ กำหนด มวลนิวตรอน = 1.008665, E = 5.2 MeV 235U = 235.043924 U. 236U = 236.045563 U.

Nuclear Reactor เพื่อที่จะใช้ประโยชน์ของพลังงาน นิวเคลียร์ ต้องมีการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ ไม่ให้รุนแรง เกินไปจนกลายเป็นระเบิดนิวเคลียร์

1. ใช้นิวตรอนที่มีพลังงานจลน์ประมาณ 0. 04 eV 1. ใช้นิวตรอนที่มีพลังงานจลน์ประมาณ 0.04 eV. ซึ่งเรียกว่า thermal neutron 2. ใช้ moderator เป็นตัวลดพลังงานจลน์ของนิวตรอน ตัวอย่าง moderator ได้แก่ H2O, คาร์บอน เป็นต้น

3. ใช้ control rod เช่น Cadmium ในการควบคุมจำนวนนิวตรอนเนื่องจาก 113Cd, 114Cd สามารถดูดกลืนนิวตรอนได้ดี control rod นี้สามารถดึงออกจากระบบได้ หากต้องการเพิ่มอัตราการผลิต จำนวนนิวตรอน 4. ระบบระบายความร้อน

ตัวอย่างการคำนวณพลังงานจากเตาปฏิกรณ์ fission ถ้าพลังงานที่ปล่อยจาก 235U ใน fission 1 ครั้งมี ค่าเฉลี่ยเท่ากับ 200 MeV (e = 1.6 x 10-19c.) 1. จงหาพลังงานในหน่วยของจูล

2. ถ้าต้องการพลังงาน 250 Megawatt จะต้องที่ให้เ กิด fission กี่ครั้ง (watt = J/s) 3. ถ้าต้องการใช้พลังงาน 250 MW ใน1 ปีจะต้องใช้ 235U ประมาณเท่าไร

Nuclear Fusion การที่นิวเคลียสของธาตุเบา 2 หรือ มากกว่า 2 นิวเคลียส รวมตัวเข้าด้วยกัน โดยที่มวลบางส่วนเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน

ธาตุเบา ได้แก่ 1 - Hydrogen H 2 1 - Deuterium H 3 1 - Tritium H

ตัวอย่างปฏิกิริยาจงคำนวณพลังงานที่เกิดขึ้น 1. (4.0 MeV) 2. (11.3 MeV)

กำหนดมวล n = 1.008665 1 1 H = 1.007825 2 1 H = 2.014102 3 1 H = 3.016050 4 2 He = 4.002603

การเกิดปฏิกิริยา Fusion - ในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ที่มีแสงสว่าง ในตัวเอง - มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งยังอยู่ใน ระหว่างการพัฒนา ได้แก่ Tokamak Laser Fusion

ตัวอย่าง fusion ในดาวฤกษ์ ถ้าดวงอาทิตย์ให้พลังงานออกมา4.0 x 1026 J/s จงหาว่ามวลของดวงอาทิตย์ลดลงด้วยอัตรา เท่า ไร