ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น เกิดขึ้นได้อย่างไร?
พลังงานฟิวชั่น
พลังงานฟิวชั่น (English: Fusion power) คือพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ปฏิกิริยาชนิดนี้เกิดจากการที่นิวเคลียสของอะตอมธาตุเบาหลอมตัวเข้าด้วยกัน และได้นิวเคลียสที่หนักกว่าเดิมและมีเสถียรภาพมากขึ้น มวลของธาตุเบาที่รวมกันจะหายไปเล็กน้อยซึ่งส่วนที่หายไปนั้นเองได้เปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานตามสมการ E=mc2 กระบวนการนี้ได้ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา
พลังงานนิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมีศักยภาพที่จะปลอดภัยมากกว่าและสร้างกากกัมมันตรังสีน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชัน[280][281]. ปฏิกิริยาเหล่านี้ปรากฏว่ามีศักยภาพที่จะทำงานได้, แม้ว่าในทางเทคนิคค่อนข้างยากและยังต้องถูกสร้างขึ้นในขนาดที่สามารถถูกนำมาใช้ในโรงงานผลิตไฟฟ้าที่ทำงานได้. พลังงานฟิวชั่นได้อยู่ภายใต้การตรวจสอบในทางทฤษฎีและการทดลองตั้งแต่ปี 1950s. กากกัมมันตรังสี
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคนิวตรอนไปกระทบกับนิวเคลียสของยูเรเนียมในสภาวะที่เหมาะสม ทำให้นิวเคลียสของยูเรเนียมแตกออกเป็นธาตุใหม่สองชนิดที่เป็นธาตุกัมมันตรังสีพร้อมทั้งให้พลังงานและนิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่ด้วย ธาตุใหม่สองชนิดที่เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียมนี้เองเรียกว่า กากกัมมันตรังสี ซึ่งจะติดอยู่ในเม็ดเชื้อเพลิง พลังงานฟิวชั่น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ระเบิดนิวเคลียร์แฟตแมน เจ็ท (พลังงานฟิวชั่น) Tokamak ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ในปี 1935 นายฮิเดกิ Yukawa ได้นำเสนอทฤษฎีสำคัญของแรงที่แข็งแกร่งเป็นครั้งแรกที่จะอธิบายว่านิวเคลียสยึดเหนี่ยวอยู่ด้วยกันได้อย่างไร ในการปฏิสัมพันธ์แบบ Yukawa อนุภาคเสมือนตัวหนึ่ง ที่ต่อมาถูกเรียกว่า meson ได้ใกล่เกลี่ยแรงระหว่างนิวคลีออนทั้งหมด รวมทั้งโปรตอนและนิวตรอน แรงนี้อธิบายว่าทำไมนิวเคลียสทั้งหลายจะไม่สลายตัวแยกออกจากกันภายใต้อิทธิพลของแรงขับโปรตอน และมันยังให้คำอธิบายว่าทำไมแรงดูดที่แข็งแกร่งถึงมีขอบเขตที่จำกัดมากกว่าแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างโปรตอนด้วยกัน ต่อมา การค้นพบ pi meson แสดงให้เห็นว่ามันจะมีคุณสมบัติของอนุภาคของ Yukawa  เทคโนโลยีนิวเคลียร์
แน่นอน กระบวนการทางธรรมชาติเหล่านี้ของดาราศาสตร์ไม่ได้เป็นตัวอย่างของนิวเคลียร์ "เทคโนโลยี" เพราะแรงผลักที่แข็งแกร่งมากของนิวเคลียส ฟิวชั่นจึงเป็นเรื่องยากที่จะควบคุม ระเบิดไฮโดรเจนได้รับอำนาจการทำลายล้างของพวกมันอย่างมากจากฟิวชั่น แต่พลังงานของพวกมันไม่สามารถควบคุมได้ ฟิวชั่นจะสามารถควบคุมได้ในเครื่องเร่งอนุภาค (); นี่คือวิธีที่หลายองค์ประกอบสังเคราะห์ (ในทางเคมี, มันคือสารประกอบที่ไม่ปรากฏตามธรรมชาติ, มันถูกสร้างขึ้นโดยการประดิษฐ์เท่านั้น นับถึงปัจจุบัน มีสารดังกล่าวอยู่ 20 ตัวได้ถูกสร้างขึ้น พวกที่มีเลขอะตอม 99–118 ทุกตัวไม่เสถียร มันสลายตัวด้วยครึ่งชีวิตระหว่างหนึ่งปีถึงไม่กี่มิลลิวินาที) ได้ถูกผลิตขึ้น Fusor ยังสามารถผลิตฟิวชั่นที่ถูกควบคุมและเป็นแหล่งนิวตรอนที่มีประโยชน์ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทั้งสองเหล่านี้จะทำงานแบบการสูญเสียพลังงานสุทธิ พลังงานฟิวชั่นที่ถูกควบคุมและทำงานได้พิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยาก แม้จะมีการหลอกลวงเป็นครั้งคราว ความยุ่งยากทางเทคนิคและทางทฤษฎีได้ขัดขวางการพัฒนาของเทคโนโลยีฟิวชั่นพลเรือนที่กำลังทำงานอยู่ แม้ว่าการวิจัยยังดำเนินต่อไปในวันนี้ทั่วโลก ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว
ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว () คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อธาตุเคมีตัวหนึ่งเข้าไปแทนที่ธาตุเคมีอีกตัวหนึ่งในสารประกอบใดสารประกอบหนึ่งซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
ก + ขค → กค + ข ในสมการข้างบนธาตุ ก ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารประกอบ ขค เกิดเป็นสารประกอบ กค และธาตุ ข อธิบายว่าปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ง่ายเมื่อธาตุ ก มีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าธาตุ ข บางครั้ง ก และ ข มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันก็ได้ดังนั้นการทำให้สมการสมดุลจึงมีความจำเป็น ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาเคมีระหว่างแคลเซียมคลอไรด์(CaCl)กับโซเดียม(Na)เกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์(NaCl)และแคลเซียม(Ca)ดังสมการนี้ อาวุธนิวเคลียร์
อาวุธนิวเคลียร์ เป็นวัตถุระเบิดซึ่งมีอำนาจทำลายล้างมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาฟิชชัน(atomic bomb)อย่างเดียว หรือ ฟิชชันและฟิวชัน(hydrogen bomb)รวมกัน ปฏิกิริยาทั้งสองปลดปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลจากสสารปริมาณค่อนข้างน้อย การทดสอบระเบิดฟิชชัน ("อะตอม") ลูกแรกปลดปล่อยพลังงานออกมาเทียบเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 20,000 ตัน การทดสอบระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ ("ระเบิดไฮโดรเจน") ลูกแรก ปลดปล่อยพลังงานออกมาเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 10,000,000 ตัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธรรมชาติจะเกิดขึ้นจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีคอสมิกและสสาร และปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อให้ได้พลังงานนิวเคลียร์ในอัตราที่ปรับได้ตามความต้องการ บางทีปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่โดดเด่นมากที่สุดจะเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ในวัสดุที่แตกตัวได้ () เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นและปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันต่างๆขององค์ประกอบเบาที่ผลิตพลังงานให้กับดวงอาทิตย์และดวงดาวทั้งหลาย ทั้งสองประเภทในการเกิดปฏิกิริยานี้ถูกใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ () เกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นต่อไปอีก นำไปสู่การเพิ่มจำนวนตนเองของปฏิกิริยาเหล่านี้อย่างต่อเนื่อง ปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง ๆ อาจเป็นฟิชชันของไอโซโทปหนัก (เช่น ยูเรเนียม 235) หรือฟิวชั่นของไอโซโทปเบา (เช่น ดิวทีเรียมหรือทริเทียม) ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์จะปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าปฏิกิริยาเคมีหลายล้านเท่า การแปรนิวเคลียส
การแปรนิวเคลียส () เป็นการแปลงธาตุเคมีหรือไอโซโทปหนึ่งเป็นอีกอย่างหนึ่ง หรือกล่าวได้ว่า อะตอมของธาตุสามารถเปลี่ยนเป็นอะตอมของธาตุอื่นด้วย "การเปลี่ยนสภาพ" การแปรนิวเคลียสเกิดขึ้นโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ (ซึ่งอนุภาคภายนอกทำปฏิกิริยากับนิวเคลียส) หรือโดยการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (ซึ่งไม่ต้องอาศัยอนุภาคภายนอก) ปฏิกิริยานิวเคลียร์
การถ่ายโอนพลังงานไปให้กับนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นได้โดยการยิงด้วยกระสุนพลังงานต่ำหรือด้วยอนุภาคพลังงานสูง ทำให้เกิดพลังงานบนนิวเคลียสจำนวนมากเกินไปที่จะผูกพันอนุภาคภายในนิวเคลียสนั้นให้สามารถเกาะกลุ่มร่วมกันได้อย่างเต็มที่ ในระดับเวลาประมาณ 10 วินาที อนุภาค มักจะเป็นนิวตรอน จะถูก "ต้ม" จนแตกออก นั่นคือมันจะยังคงเกาะติดอยู่ด้วยกันจนกระทั่งพลังงานที่มากพอปรากฏขึ้นบนนิวตรอนจนมีความเข้มข้นพอที่นิวตรอนนั้นจะหลุดออกจากแรงดึงดูดที่มีร่วมกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะยากที่จะถูกต้มจนแตกออกอันเนื่องมาจากเครื่องกั้นของคูลอมบ์ () นิวเคลียสกึ่งผูกพันที่ถูกกระตุ้นจะถูกเรียกว่า นิวเคลียสผสม () พลังงานนิวเคลียร์
พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิซชั่น (Fission) ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม เมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนหรือโฟตอน พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิวชั่น (Fusion) เกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (English: Nuclear Decay) ซึ่งให้รังสีต่างๆ ออกมา เช่น อัลฟา เบตา แกมมา และนิวตรอน เป็นต้น พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการเร่งอนุภาคที่มีประจุโดยเครื่องเร่งอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน โปร ตอน ดิวทีรอน และอัลฟา เป็นต้น โซโนลูมิเนสเซนส์
ทฤษฎีการเกิดโซโนลูมิเนสเซนส์นั้นยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ บ้างก็ว่าเป็นผลจากคลื่นกระแทก (shock wave) ที่เกิดขึ้นขณะที่ฟองอากาศแหลกสลาย บ้างก็ว่าเป็นพลาสม่า (plasma) และบางส่วนที่คิดว่าเป็นปรากฏการณ์ฟิวชั่น ก็นำปรากฏการณ์นี้ไปพัฒนาต่อเพื่อให้ได้แหล่งพลังงานแบบนิวเคลียร์ฟิวชั่นในด้านของฟิวชั่นได้มีการทดลองพิสูจน์โดยการตรวจวัด
นิวตริโน ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการรวมตัวกันของไฮโดรเจนอะตอม โดยนักวิจัยของศูนย์วิจัยแห่งชาติ Oak Ridge ของสหรัฐอเมริกา ปฏิกิริยานิวเคลียร์
พลังงานจลน์อาจถูกปล่อยออกมาในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาคายความร้อน ()) หรือพลังงานจลน์อาจจะต้องมีการใส่เข้าไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา (หรือปฏิกิริยาดูดความร้อน ()) ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยการอ้างอิงไปยังตารางของ'มวลนิ่งของอนุภาค' () ที่แม่นยำมากต่อไปนี้ ตามตารางที่อ้างอิงถึง นิวเคลียสของ มีมวลอะตอมสัมพันธ์ที่ 6.015 หน่วยมวลอะตอม (ตัวย่อ u), ดิวเทอเรียมมี 2.014 u และนิวเคลียสของฮีเลียม-4 มี 4.0026 u ดังนั้น:ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง พลังงานสัมพันธ์ () รวมจะถูกอนุรักษ์ เพราะฉะนั้น มวลนิ่ง "ที่ขาดหายไป" จึงต้องเกิดขึ้นอีกครั้งในรูปของพลังงานจลน์ที่ถูกปล่อยออกไปในระหว่างปฏิกิริยา; แหล่งที่มาของมันคือพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียส () (พลังงานยึดเหนี่ยว, พลังงานยึดเหนี่ยวของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส มีค่าเท่ากับพลังงานที่น้อยที่สุดสำหรับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน นอกจากนี้ยังหมายถึง พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนด้วย ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานที่ต้องใช้เพื่อแยกอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอมหรือโมเลกุล [นิวเคลียร์]) เมื่อใช้สูตรสมดุลมวล-พลังงาน "E" = "mc"² ของ Einstein ปริมาณของพลังงานที่ปล่อยออกมาก็จะสามารถกำหนดได้ ก่อนอื่นเราต้องรู้พลังงานเทียบเท่าของหนึ่งหน่วยมวลอะตอม: พลังงานนิวเคลียร์
การก่อสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกของ'เครื่องปฏิกรณ์เทอโมนิวเคลียร์เพื่อทดลองนานาชาติ'เริ่มในปี 2007, แต่โครงการได้วิ่งเข้าสู่ความล่าช้าและงบประมาณส่วนเกินจำนวนมาก. สิ่งอำนวยความสะดวกขณะนี้ไม่คาดว่าจะเริ่มดำเนินการได้จนกว่าจะถึงปี 2027 - 11 ปีหลังจากที่คาดการณ์ไว้ในตอนแรก[282]. สถานีพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันเชิงพาณิชย์ที่ตามมา, DEMO, ได้รับนำเสนอ[10][283]. นอกจากนี้ยังมีคำแนะนำสำหรับโรงไฟฟ้​​าที่ใช้วิธีการฟิวชั่นที่แตกต่างกัน, นั่นคือของโรงไฟฟ้​​าฟิวชั่นเฉื่อย. อะตอม
ถ้ามวลของนิวเคลียสหลังจากเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นมีน้อยกว่าจำนวนมวลรวมของอนุภาคขณะที่ยังแยกกัน มวลที่แตกต่างกันระหว่างค่าทั้งสองอาจจะแพร่ออกไปในลักษณะของพลังงานบางอย่าง (เช่น รังสีแกมมา หรือพลังงานจลน์ของอนุภาคบีตา) ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายไว้ในสมการสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน E=mc2 เมื่อ m คือมวลที่สูญหายไป และ c คือความเร็วแสง จำนวนที่หายไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสใหม่ และเป็นการสูญเสียพลังงานแบบไม่มีวิธีย้อนกลับ ซึ่งทำให้อนุภาคที่หลอมรวมกันยังคงอยู่ในสถานะที่จำเป็นต้องใช้พลังงานในระดับนั้นเพื่อแยกตัวออกจากกัน[56] โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์เป็นหัวใจของโรงไฟฟ้า ในส่วนกลางของมัน ความร้อนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการควบคุม ความร้อนนี้ถูกส่งผ่านไปให้น้ำหล่อเย็นขณะที่มันถูกสูบผ่านเครื่องปฏิกรณ์และนี่เองเป็นการดึงเอาพลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์ออกมา ความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นจะถูกใช้ในการสร้างไอน้ำซึ่งจะไหลผ่านกังหันไอน้ำที่จะส่งกำลังไปที่ใบพัดของเรือหรือไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์
ปัจจุบัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ขององค์ประกอบใน actinide series[2] ของตารางธาตุได้ผลิตพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในการให้บริการโดยตรงแก่มนุษย์, กับกระบวนการสลายตัวของ นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในรูปแบบของพลังงานความร้อนใต้พิภพและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โม ไอโซโทป, สำหรับการนำไปใช้เฉพาะอย่างจะใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาที่เหลือ. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (ฟิชชัน), ไม่รวมการใช้งานในกองทัพเรือ, ให้พลังงานประมาณ 5.7% ของพลังงาน ของโลกและ 13% ของกระแสไฟฟ้าของโลกในปี 2012.[3] ในปี 2013, หน่วยงานพลังงานปรมาณูนานาชาติ (English: International Atomic Energy Agency (IAEA)) รายงานว่ามี 437 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์กำลังใช้งานอยู่[4] ใน 31 ประเทศ[5] แม้ว่าจะมีบางเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ได้ทำการผลิตไฟฟ้าอีกแล้ว[6]. นอกจากนี้ยังมีเรือประมาณ 140 ลำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนโดยเครื่องปฏิกรณ์ราว 180 เครื่อง.[7][8][9]. ขณะที่ในปี 2013, การได้รับพลังงานสุทธิจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ยั่งยืน, ไม่รวมแหล่งพลังงานฟิวชั่นตามธรรมชาติเช่นจากดวงอาทิตย์, ยังคงเป็นพื้นที่ต่อเนื่องของการวิจัยด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมระหว่างประเทศ. กว่า 60 ปีหลังจากความพยายามครั้งแรก, การผลิตพลังงานฟิวชั่นในเชิงพาณิชย์ยังคงไม่น่าจะเกิดขึ้นก่อนปี 2050[10]. ฟิชชันเกิดเอง
ฟิชชันเกิดเอง (Spontaneous fission, SF) เป็นรูปแบบของลักษณะการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีของไอโซโทปหนัก ตามหลักทฤษฎีแล้ว เป็นไปได้ที่จะเกิดกับนิวเคลียสอะตอมที่มีมวลมากกว่าหรือเท่ากับ 100 หน่วยมวลอะตอม (u) นั่นคือ ธาตุที่อยู่ใกล้กับรูทีเนียม อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติแล้ว ฟิชชันเกิดเองจะเกิดได้เมื่อมวลอะตอมมากกว่า 230 u (ธาตุที่อยู่ใกล้กับทอเรียม) ธาตุที่ไวต่อฟิชชันเกิดเองจะเป็นธาตุแอกทิไนด์เลขอะตอมสูง เช่น เมนเดลีเวียม และ ลอว์เรนเซียม, และธาตุทรานส์-แอกทิไนด์ เช่น รัทเทอร์ฟอร์เดียม  ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในขณะที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี มีหลายชนิดที่พบบ่อย หรือโดดเด่นไปเลย ตัวอย่างได้แก่ :การยิงด้วยพลังงานปานกลางจะถ่ายเทพลังงานหรือได้รับนิวคลีออนหรือสูญเสียนิวคลีออนให้กับนิวเคลียสในการกระทบกันอย่างรวดเร็วเพียงครั้งเดียว (10 วินาที) การถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่ก็เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ เพราะกลไกการเกิดปฏิกิริยามักจะง่ายพอที่จะคำนวณด้วยความถูกต้องเพียงพอที่จะตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสเป้าหมาย ระเบิดนิวเคลียร์บี 41
บี 41 มีปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน-ฟิวชั่น-ฟิชชัน ซึ่งทำให้เกิดสารกัมมันตรังสีตกค้างเป็นจำนวนมาก จึงถูกจัดเป็น "dirty bomb" เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่นสูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน. นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว. ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต. ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย. อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
ในขณะที่ความดันในระบบหลักยังคงลดลงต่อเนื่อง น้ำหล่อเย็นในเตาปฏิกรณ์ก็ยังคงไหลอยู่ แต่มันกำลังเดือดอยู่ภายในแกนกลาง ตอนแรกฟองอากาศขนาดเล็กของไอน้ำก่อตัวขึ้นและยุบตัวลงทันที เรียกว่าการเดือดแบบนิวเคลียร์ () เมื่อความดันของระบบลดลงต่อไป กระเป๋าไอน้ำเริ่มก่อตัวในน้ำหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ 'การออกจากการเดือดแบบนิวเคลียร์' (DNB) ไปเป็นรูปแบบของ "การเดือดของฟิล์ม" () นี้ทำให้เกิด'การโมฆะของไอน้ำ' () ในช่องน้ำหล่อเย็น ที่ปิดกั้นการไหลของน้ำหล่อเย็นและเพิ่มอุณหภูมิของเปลือกหุ้มเชื้อเพลิงอย่างมหาศาล ระดับน้ำโดยรวมภายในตัว pressurizer "กำลังสูงขึ้น" แม้จะมีการสูญเสียของน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านวาล์วระบายนำร่องที่เปิดค้างอยู่ เนื่องจากปริมาณของโมฆะไอน้ำเหล่านี้เพิ่มมากขึ้นอย่างรวดเร็วมากกว่าน้ำหล่อเย็นที่สูญเสียไป เพราะขาดเครื่องมือที่ใช้เฉพาะการวัดระดับของน้ำในแกนกลาง ผู้ควบคุมเครื่องตัดสินระดับของน้ำในแกนกลางด้วยระดับในตัว pressurizer แต่เพียงอย่างเดียว พอเห็นว่าระดับมันสูง พวกเขาจึงคิดว่าแกนกลางถูกปกคลุมด้วยน้ำหล่อเย็นอย่างถูกต้องแล้ว ไม่ได้ระแวงเลยว่าเป็นเพราะไอน้ำก่อตัวขึ้นในอ่างเครื่องปฏิกรณ์ ไฟบอกสถานะทำให้เข้าใจผิด การบอกสถานะว่าน้ำมีระดับสูงมีส่วนทำให้เกิดความสับสน เนื่องจากผู้ควบคุมเครื่องมีความกังวลเกี่ยวกับวงรอบน้ำหลัก "จะกลายเป็นของแข็ง" (คือไม่มีกระเป๋าไอน้ำเป็นบัฟเฟอร์อยู่ในตัว pressurizer) ซึ่งในระหว่างการฝึกอบรม พวกเขาได้รับคำสั่งที่จะไม่อนุญาตให้เกิดขึ้น ความสับสนนี้เป็นสาเหตุที่สำคัญของความล้มเหลวแต่แรกในการรับรู้ถึงอุบัติเหตุว่าเกิดจากความสูญเสียของน้ำหล่อเย็น () และนำผู้ควบคุมเครื่องไปสู่การปิดปั๊มระบายความร้อนหลักฉุกเฉิน ซึ่งได้ถูกสตาร์ตเครื่องโดยอัตโนมัติหลังจากที่วาล์วระบายนำร่องติดขัดและเปิดค้างและเริ่มต้นสูญเสียน้ำหล่อเย็น เนื่องจากกลัวว่าระบบจะถูกเติมด้วยน้ำจนล้น ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ประวัติที่มาของฟิสิกส์นิวเคลียร์แตกต่างจากฟิสิกส์ของอะตอมเริ่มต้นด้วยการค้นพบของกัมมันตภาพรังสีโดย อองรี Becquerel ในปี 1896 ขณะที่กำลังสืบสวนการเรืองแสงของฟอสฟอรัส () ในเกลือยูเรเนียม การค้นพบอิเล็กตรอนโดยนายเจ เจ ทอมสัน ในหนึ่งปีต่อมาก็บ่งชี้ว่าอะตอมมีโครงสร้างภายใน ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 รูปแบบที่ได้รับการยอมรับของอะตอมเป็นรูปแบบพลัมพุดดิ้งของเจเจทอมสันในที่ซึ่งอะตอมเป็นลูกกลมขนาดใหญ่ที่มีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนประจุลบขนาดเล็กที่ฝังอยู่ภายในของมัน ดาวฤกษ์
มีรูปแบบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แตกต่างกันมากมายเกิดขึ้นในใจกลางของดาวฤกษ์ ขึ้นกับมวลและองค์ประกอบของดาวนั้น ๆ โดยปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ มวลสุดท้ายของนิวเคลียสอะตอมที่หลอมตัวที่น้อยกว่าค่ารวมขององค์ประกอบทั้งหมด มวลที่สูญเสียไปนั้นกลายไปเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ตามสมการความสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน คือ E=mc</i>²[1] การหลอมนิวเคลียส
มันต้องใช้พลังงานอย่างมากในการที่จะบังคับให้นิวเคลียสหลอมละลาย แม้แต่ธาตุที่มีน้ำหนักเบาที่สุดเช่นไฮโดรเจน เป็นเพราะว่านิวเคลียสทุกตัวมีประจุบวกอันเนื่องมาจากโปรตอนในตัวมัน และเป็นอย่างเช่นกกแรงผลักของประจุ นิวเคลียสจะต่อต้านอย่างแรงถ้าถูกวางอยู่ใกล้กัน เมื่อถูกเร่งให้มีความเร็วสูง พวกมันสามารถเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าสถิตนี้และจะถูกบังคับให้อยู่ใกล้พอสำหรับแรงดึงดูดนิวเคลียร์จนมีความแข็งแรงพอที่จะบรรลุการหลอม การหลอมของนิวเคลียสที่เบากว่า ซึ่งจะสร้างนิวเคลียสที่หนักขึ้นและมักจะเป็นนิวตรอนอิสระหรือโปรตอน โดยทั่วไปจะปลดปล่อยพลังงานมากขึ้นกว่าที่มันได้รับเพื่อที่จะบังคับให้นิวเคลียสทั้งหลายอยู่ด้วยกัน นี้เป็นกระบวนการคายความร้อนแบบหนึ่งที่สามารถผลิตปฏิกิริยาด้วยตนเองอย่างยั่งยืน สถานีจุดระเบิดแห่งชาติของสหรัฐ ซึ่งใช้การหลอมในภาชนะปิดที่เฉื่อยแบบขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ () ได้รับการคาดการณ์ว่าจะสามารถสร้างปฏิกิริยาการหลอมที่คุ้มทุนได้ กระบวนการทริปเปิล-อัลฟา
กระบวนการทริปเปิล-อัลฟา () คือกลุ่มของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นซึ่งนิวเคลียสของฮีเลียม-4 สามตัว (อนุภาคอัลฟา) จะแปลงไปเป็นคาร์บอน การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์
การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ () คือคำที่ใช้ในความหมายถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นภายในดาวฤกษ์ ทำให้เกิดนิวเคลียสธาตุต่างๆ ที่หนักกว่าไฮโดรเจน ปฏิกิริยาในทำนองเดียวกันแต่มีขนาดเล็กกว่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่พื้นผิวดาวฤกษ์เช่นกัน ภายใต้สภาวะอันหลากหลาย สำหรับการเกิดธาตุจากเหตุการณ์ระเบิดของดาวฤกษ์ จะใช้คำเรียกว่า การสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวา การสังเคราะห์นิวเคลียสของมหานวดารา
การสังเคราะห์นิวเคลียสของมหานวดารา () คือการสร้างธาตุทางเคมีชนิดใหม่ๆ ขึ้นจากภายในมหานวดารา โดยพื้นฐานแล้วเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์นิวเคลียสที่ระเบิดขึ้นระหว่างการเผาผลาญออกซิเจนและซิลิกอน ปฏิกิริยาฟิวชันเหล่านี้ทำให้เกิดธาตุใหม่คือ ซิลิกอน ซัลเฟอร์ คลอรีน อาร์กอน โซเดียม โพแทสเซียม แคลเซียม สแกนเดียม ไททาเนียม และ ธาตุจำพวกเหล็ก เช่น วาเนเดียม โครเมียม แมงกานีส เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล เป็นต้น การระเบิดของมหานวดาราแต่ละครั้งจะส่งสสารธาตุมากมายฟุ้งกระจายออกไปในมวลสารระหว่างดาว สำหรับธาตุหนักอื่นๆ (ที่หนักกว่านิกเกิล) เชื่อว่าเกิดขึ้นจากกระบวนการจับตัวของนิวตรอนในการสังเคราะห์นิวเคลียสประเภทอื่น การแปรนิวเคลียส
การแปรนิวเคลียสทำขึ้นยังเกิดขึ้นในเครื่องจักรที่มีพลังงานมากพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนิวเคลียสของธาตุ เครื่องจักรซึ่งสามารถเกิดการแปรนิวเคลียสทำขึ้นรวมไปถึงเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องปฏิกรณ์โทมาแมค เครื่องปฏิกรณ์พลังงานฟิชชันแบบเดิมยังเกิดการแปรทำขึ้นได้ มิใช่จากกำลังของเครื่องจักร แต่โดยการให้นิวตรอน ซึ่งเกิดขึ้นจากฟิชชันจากปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ทำขึ้น ชนกับธาตุ เกออร์กี ฟลิโอรอฟ
เกออร์กี นีโคลาเยวิช ฟลิโอรอฟ (; ; 2 มีนาคม ค.ศ. 1913 – 19 พฤศจิกายน ค.ศ. 1990) เป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย/โซเวียต เกิดที่เมืองรอสตอฟ-นา-โดนู เรียนที่สถาบันสารพัดช่างเลนินกราด (ปัจจุบันคือมหาวิทยาลัยสารพัดช่างเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก) ในปี ค.ศ. 1940 ฟลิโอรอฟและคอนสตันติน เปตร์จัค ค้นพบฟิชชันเกิดเอง ต่อมาในปี ค.ศ. 1942 ฟลิโอรอฟเขียนจดหมายถึงโจเซฟ สตาลินให้จับตามองการทดลองนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และเยอรมนี และให้มีการจัดตั้งโครงการระเบิดปรมาณูโซเวียต ฟลิโอรอฟจัดตั้งห้องปฏิบัติการทางนิวเคลียร์ในสถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ที่เมืองดุบนาในปี ค.ศ. 1957 และเป็นผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการถึงปี ค.ศ. 1989 และเสียชีวิตในปีต่อมา ในปี ค.ศ. 2012 ชื่อของฟลิโอรอฟได้รับการนำไปตั้งเป็นชื่อธาตุฟลีโรเวียม (flerovium) ผลผลิตจากฟิชชัน
ผลผลิตจากฟิชชัน () หรือ ผลผลิตจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน () เป็นชิ้นส่วนที่เหลือหลังจากนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ผ่านขบวนการนิวเคลียร์ฟิชชั่น โดยปกตินิวเคลียสขนาดใหญ่เช่นของยูเรเนียมจะทำการ fission โดยแยกออกเป็นสองนิวเคลียสในขนาดที่เล็กกว่า พร้อมกับนิวตรอนไม่กี่ตัว กับการปล่อยพลังงานความร้อน (พลังงานจลน์ของนิวเคลียส) และรังสีแกมมาออกมา ทั้งสองนิวเคลียสในขนาดที่เล็กกว่าดังกล่าวเป็น"ผลผลิตจากฟิชชัน" (โปรดดูเพิ่มเติม ผลผลิตจากฟิชชัน (แบ่งตามองค์ประกอบ)) อะตอม
จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แม้จะต้องใช้พลังงานสูงมากเพราะมีแรงยึดเหนี่ยวที่เข้มมาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอะตอมหลายตัวรวมตัวกันทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่หนักกว่าเดิม เช่นจากการชนกันของนิวเคลียสสองตัว ยกตัวอย่างเช่นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนต้องการพลังงาน 3–10 keV เพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน หรือ กำแพงคูลอมบ์ (coulomb barrier) แล้วหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นนิวเคลียสเพียงอันเดียว[53] ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะเกิดขึ้นในทางตรงกันข้าม คือการที่นิวเคลียสหนึ่งแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กกว่า 2 ตัว โดยมากเกิดขึ้นจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี นิวเคลียสยังอาจเปลี่ยนแปลงได้จากการยิงด้วยอนุภาคขนาดเล็กพลังงานสูง หรือโฟตอน ถ้าสามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสได้ อะตอมก็จะเปลี่ยนคุณลักษณะไปเป็นธาตุชนิดอื่น[54][55] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ในเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ตัวหล่อเย็นทำหน้าที่เป็น poison โดยการดูดซับนิวตรอนในลักษณะเดียวกับที่แท่งควบคุมทำ. ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ พลังงานส่งออกจะสามารถเพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนตัวหล่อเย็น, ซึ่งทำให้มันมีความหนาแน่นของ poison น้อย. [อ้างจำเป็น] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมีระบบอัตโนมัติและระบบใช้มือในการ scram เครื่องปฏิกรณ์ในกรณีปิดตัวลงฉุกเฉิน. ระบบเหล่านี้จะใส่ poison จำนวนมาก (มักจะเป็นโบรอนในรูปแบบของกรดบอริก) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบหรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย[9]. กระบวนการเผาไหม้นีออน
การเผาไหม้นีออนเกิดขึ้นหลังจากที่กระบวนการเผาไหม้คาร์บอนได้เผาผลาญคาร์บอนทั้งหมดในแกนกลางไปแล้ว และสร้างแกนกลางที่ประกอบด้วยออกซิเจน/นีออน/แมกนีเซียมขึ้นมา แกนกลางจะหยุดการสร้างพลังงานฟิวชั่นและหดตัวลง การหดตัวทำให้ความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงจุดที่ทำให้เริ่มเกิดการเผาไหม้นีออนได้ ภัยพิบัตินิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง
ในขณะที่คนงานกำลังดิ้นรนเพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์และคืนพลังงานไฟฟ้าให้กับห้องควบคุม การระเบิดทางเคมีระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศ () ก็เกิดขึ้นหลายครั้ง ครั้งแรกเกิดในเครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 1 ในวันที่ 12 มีนาคม ครั้งสุดท้ายเกิดในเครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 4 ในวันที่ 15 มีนาคม มีการประมาณการว่าปฏิกิริยาของน้ำกับปลอกเชื้อเพลิงเวอร์โคเนียม () ที่ร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ 1 ถึง 3 แต่ละตัวได้สร้างก๊าซไฮโดรเจน 800 ถึง 1000 กก.ที่ถูกระบายออกากอ่างความดันของเครื่องปฏิกรณ์ () ผสมเข้ากับบรรยากาศแวดล้อม จนในที่สุดเข้าสู่ขีดจำกัดความเข้มข้นการระเบิด () ในหน่วยที่ 1 และหน่วยที่ 3 และเนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างหน่วยที่ 3 และ 4 เป็นแบบท่อ หรืออีกทางหนึ่งคือเกิดจากปฏิกิริยาเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในบ่อเชื้อเพลิงใช้แล้วในหน่วยที่ 4 เอง หน่วยที่ 4 ก็เต็มไปด้วยไฮโดรเจนที่มีการระเบิดแบบไฮโดรเจนกับอากาศเกิดขึ้นที่ยอดของแต่ละหน่วยที่อยู่ในชั้นบนของอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ ()หลังที่สอง ยานไร้คนบังคับ (Drone) ที่บินเหนือที่เกิดเหตุในวันที่ 20 มีนาคม ได้จับภาพอย่างชัดเจนของผลกระทบจากการระเบิดแต่ละครั้งที่อยู่นอกโครงสร้าง ในขณะที่ภาพด้านในถูกบดบังด้วยเงาและเศษซาก ดาวเคราะห์
มีมวลมากพอที่จะรักษาทรงกลมไว้ได้ด้วยแรงโน้มถ่วงของตนเอง ต้องไม่มีมวลมากจนถึงขนาดก่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลีย์ฟิวชั่น หรือปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียร์ ต้องไม่มีดาวเคราะห์อื่นร่วมใช้วงโคจร ซึ่งรวมไปถึงว่าต้องไม่มีดาวเคราะห์แรกเกิด (Planeticimal) อื่นกำลังก่อตัวอยู่ในวงโคจร[1][2] ดิวเทอเรียม
การมีอยู่ของดิวเทอเรียมในดาวฤกษ์เป็นข้อมูลสำคัญในวิชาจักรวาลวิทยา โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดาวฤกษ์จะทำลายดิวเทอเรียม ยังไม่พบกระบวนการในธรรมชาติใดๆที่ทำให้เกิดดิวเทอเรียมนอกจากปรากฏการณ์บิ๊กแบง นิวคลีออน
ก่อนจะถึงทศวรรษ 1960 เคยเชื่อกันว่านิวคลีออนเป็นอนุภาคมูลฐาน ซึ่งไม่อาจประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนอื่นใดที่เล็กไปกว่านั้นอีกแล้ว แต่ปัจจุบันเราทราบกันแล้วว่ามันเป็นอนุภาคประกอบ ซึ่งเกิดจากควาร์กสามตัวเกาะเข้าด้วยกันด้วยสิ่งที่เรียกว่าอันตรกิริยาอย่างเข้ม อันตรกิริยาระหว่างนิวคลีออนตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปเรียกว่า internucleon interaction หรือแรงนิวเคลียร์ ซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาอย่างเข้มนั่นเอง (แต่เดิมก่อนมีการค้นพบควาร์ก คำว่า "อันตรกิริยาอย่างเข้ม" มีความหมายถึงเพียง internucleon interaction เท่านั้น) เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
นิวเคลียร์ฟิชชั่น. เครื่องปฏิกรณ์พลังงานเชิงพาณิชย์ทั้งหมดจะใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น. โดยทั่วไปจะใช้ยูเรเนียมและผลิตผลของมันซึ่งได้แก่พลูโตเนียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แม้ว่าวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมก็สามารถนำมาใช้ได้. เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชั่นสามารถแบ่งออกหยาบๆเป็นสองระดับชั้น, ขึ้นอยู่กับพลังงานของนิวตรอนที่รักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชั่น: 'เครื่องปฏิกรณ์ความร้อน' (เป็นชนิดที่พบมากที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) ใช้นิวตรอนที่วิ่งช้าหรือนิวตรอนความร้อนเพื่อรักษาสภาวะการฟิชชั่นของเชื้อเพลิงของพวกมัน. เครื่องปฏิกรณ์เกือบทั้งหมดในปัจจุบันเป็นประเภทนี้. เครื่องเหล่านี้จะติดตั้งวัสดุที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน (English: neutron moderator) ที่จะทำให้นิวตรอนช้าลงจนกระทั่ง'อุณหภูมินิวตรอน'ของพวกมันจะ thermalized, นั่นคือ, จนกระทั่งพลังงานจลน์ของพวกมันเคลื่อนเข้าสู่พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคโดยรอบ. นิวตรอนร้อนมีหน้าตัดนิวเคลียร์ (ความน่าจะเป็น)ที่ใหญ่กว่ามากๆ ของการเกิดฟิชชั่นบนนิวเคลียสที่มีคุณสมบัติทำฟิชชั่นได้ เช่นยูเรเนียม-235, พลูโตเนียม-239, และพลูโตเนียม-241, และความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำกว่าของ'การจับนิวตรอน'โดยยูเรเนียม-238 (U-238) เมื่อเทียบกับนิวตรอนที่เร็วกว่าที่มาเป็นผลแต่เดิมมาจากการฟิชชั่น, เป็นการยอมให้สามารถใช้ยูเรเนียมสมรรถนะต่ำหรือเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติด้วยซ้ำ. ตัวหน่วงนิวตรอนมักจะเป็นตัวหล่อเย็นอีกด้วย, ปกติจะเป็นน้ำความดันสูงเพื่อเพิ่มจุดเดือด. อุปกรณ์เหล่านี้จะถูกล้อมรอบด้วยอ่างปฏิกรณ์ (English: reactor vessel), เครื่องมือเฝ้าดูและควบคุมเครื่องปฏิกรณ์, โลห์ป้องกันรังสี, และอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 'เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว'ใช้'นิวตรอนเร็ว'เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันในเชื้อเพลิงของพวกมัน. พวกมันไม่ได้มีตัวหน่วงนิวตรอน, แต่ใช้สารหล่อเย็นที่มีตัวหน่วงน้อย. การรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้คงไว้ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เป็นวัสดุฟิชชั่นมีสมรรถนะสูงมาก (ประมาณ 20% หรือมากกว่า) อันเนื่องมาจากความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำของการฟิชชั่นเมื่อเทียบกับการจับนิวตรอนโดย U-238. เครื่องปฏิกรณ์เร็วมีศักยภาพในการผลิตของเสียแบบ transuranic น้อยเพราะ actinides ทุกตัวจะสามารถทำฟิชชั่นได้ด้วยนิวตรอนเร็ว[22], แต่พวกมันจะสร้างยากกว่าและการดำเนินงานมีราคาแพงกว่า. โดยรวม เครื่องปฏิกรณ์เร็วจะถูกใช้น้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนในการใช้งานส่วนใหญ่. สถานีพลังงานช่วงต้นบางสถานีเป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วเช่นเดียวกับบางหน่วยเรือลากจูงรัสเซีย. การสร้างต้นแบบเป็นไปอย่างต่อเนื่อง (ดู fast breeder หรือเครื่องปฏิกรณ์ generation IV) นิวเคลียร์ฟิวชัน. พลังงานฟิวชั่นเป็นเทคโนโลยีการทดลอง, โดยทั่วไปมีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง. ในขณะที่มันไม่เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้า, ตัวทำปฏิกิริยาฟิวชั่นแบบ Farnsworth-Hirsch ถูกใช้ในการผลิตรังสีนิวตรอน. กระบวนการเผาไหม้นีออน
กระบวนการเผาไหม้นีออน () เป็นชุดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นซึ่งเกิดขึ้นในดาวฤกษ์มวลมาก (อย่างน้อย 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) การเผาไหม้นีออนต้องใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงมาก (ประมาณ 1.2 x 10 K หรือ 100 KeV และ 4 x 10 kg/m) มหานวดาราประเภท 1เอ
เมื่อการฟิวชั่นเริ่มต้นขึ้น อุณหภูมิของดาวแคระขาวจะเริ่มสูงขึ้น ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักซึ่งมีแรงดันความร้อนจะขยายตัวและเย็นตัวลงเพื่อชดเชยและปรับสมดุลกับพลังงานความร้อนที่เพิ่มสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม แรงดันที่เสื่อมลงจะไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดาวแคระขาวไม่สามารถควบคุมกระบวนการเผาไหม้เหมือนกับดาวฤกษ์ทั่วไป และไม่มั่นคงต่อปฏิกิริยาฟิวชั่นเฉียบพลันได้ ไฟจะถูกเร่งให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นส่วนที่เกิดขึ้นจากความไม่เสถียรเรย์ลี-เทย์เลอร์ และปฏิกิริยากับความปั่นป่วน ปัจจุบันนี้ ยังคงเป็นที่โต้เถียงกันว่าไฟดังกล่าวเปลี่ยนไปเป็นการระเบิดเหนือเสียง (detonation) จากการเผาไหม้ใต้เสียง (deflagration) หรือไม่ เทคโนโลยีนิวเคลียร์
เมื่อมีการค้นพบก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ความเข้าใจนี้ทำให้หลายประเทศเริ่มต้นโครงการที่จะตรวจสอบความเป็นไปได้ของการสร้างระเบิดปรมาณู - อาวุธที่ใช้ปฏิกิริยาฟิชชันในการสร้างพลังงานมากเกินกว่าที่จะสร้างขึ้นด้วยวัตถุระเบิดแบบสารเคมี โครงการแมนฮัตตัน ดำเนินการโดยประเทศสหรัฐอเมริกาด้วยความช่วยเหลือของสหราชอาณาจักรและแคนาดา ได้พัฒนาอาวุธที่ฟิชชันเป็นทวีคูณซึ่งถูกนำมาใช้กับญี่ปุ่นในปี 1945 ที่ฮิโรชิมาและนางาซากิ ในระหว่างโครงการ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูครั้งแรกได้รับการพัฒนาเช่นกัน แม้ว่าพวกมันจะเป็นหลักในการผลิตอาวุธในเบื้องแรกและไม่ได้ผลิตกระแสไฟฟ้า นิวเคลียสของอะตอม
นิวเคลียสของอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนและอนุภาตโปรตอน ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นชัดถึงอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ที่เรียกว่าควาร์ก ที่จะถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง ในการผสมกันของอนุภาคที่เสถียรและแน่นอนชุดหนึ่งของแฮดรอนที่เรียกว่าแบริออน แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งจะขยายออกไปจนไกลพอจากแบริออนแต่ละตัวเพื่อที่จะหลอมรวมนิวตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันต้านกับแรงไฟฟ้​​าที่ผลักออกระหว่างโปรตอนด้วยกันที่มีประจุบวก แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมีระยะทำการที่สั้นมากและเป็นลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็วเพียงแค่เลยขอบของนิวเคลียส การปฏิบัติการร่วมกันของนิวเคลียสประจุบวกก็คือเพื่อที่จะยึดอิเล็กตรอนประจุไฟฟ้าลบให้อยู่ในวงโคจรของพวกมันรอบนิวเคลียส การสะสมของอิเล็กตรอนประจุลบที่โคจรรอบนิวเคลียสจะแสดงความเป็นพี่น้องกันเพื่อการกำหนดรูปแบบการทำงานบางอย่างและจำนวนของอิเล็กตรอนที่จะทำให้วงโคจรของพวกมันมีเสถียรภาพ องค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมจะแสดงออกมาแบบไหนจะถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสนั้น โดยที่อะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสเท่ากันกับจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียส องค์ประกอบทางเคมีของแต่ละอะตอมจะสามารถสร้างรูปแบบการทำงานของอิเล็กตรอนที่มีเสถียรมากยิ่งขึ้นโดยการทำงานร่วมกันเพื่อแบ่งปันอิเล็กตรอนของพวกมัน การแบ่งปันของอิเล็กตรอนเพื่อสร้างวงโคจรรอบนิวเคลียสที่เสถียรทำให้เกิดวิชาการด้านเคมีของโลกแมคโครของเรา โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นสร้างกัมมันตภาพรังสีออกมาด้วย แกนของเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องถูกล้อมรอบด้วยเกราะป้องกัน อ่างบรรจุนี้จะดูดซับรังสีและป้องกันไม่ให้วัสดุกัมมันตรังสีถูกปล่อยออกมาสู่สิ่งแวดล้อม นอกจากนี้เครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากมีการติดตั้งโดมคอนกรีตเพื่อป้องกันเครื่องปฏิกรณ์ไม่ให้เกิดการเสียหายภายในและไม่ให้เกิดผลกระทบกับภายนอก[9]. ธาตุ
เชื่อกันว่าธาตุเคมีเกิดขึ้นจากกระบวนการของเอกภพหลายอย่าง รวมทั้งไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียม เบริลเลียมและโบรอนปริมาณน้อยกว่า เกิดขึ้นระหว่างบิกแบงและปฏิกิริยาการแตกเป็นเสี่ยงของรังสีคอสมิก (cosmic-ray spallation) การเกิดขึ้นของธาตุที่หนักขึ้นตั้งแต่คาร์บอนไปจนถึงธาตุที่หนักที่สุดนั้นเป็นผลจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ และมหานวดาราได้ทำให้ธาตุเหล่านี้มีสำหรับระบบสุริยะเนบิวลาและการก่อตัวของดาวเคราะห์ และเหตุการณ์ของเอกภพซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ซึ่งระเบิดธาตุที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้จากดาวฤกษ์ออกสู่อวกาศ ขณะที่ธาตุส่วนใหญ่มักถูกมองว่าเสถียร แต่การแปรนิวเคลียส (nuclear transformation) ตามธรรมชาติของธาตุหนึ่งเป็นอีกธาตุหนึ่งนั้นยังดำเนินอยู่ในปัจจุบัน โดยการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เช่นเดียวกับกระบวนการนิวเคลียร์อื่น ๆ เช่น การยิงรังสีคอสมิกและนิวเคลียร์ฟิชชันตามธรรมชาติของนิวเคลียสธาตุหนักหลายชนิด การแบ่งแยกนิวเคลียส
การแบ่งแยกนิวเคลียส หรือ นิวเคลียร์ฟิชชัน () ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์และเคมีนิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือกระบวนการการสลายกัมมันตรังสีอย่างหนึ่งที่นิวเคลียสของอะตอม แตกออกเป็นชิ้นขนาดเล็ก (นิวเคลียสที่เบากว่า) กระบวนการฟิชชันมักจะผลิตนิวตรอนและโปรตอนอิสระ (ในรูปของรังสีแกมมา) พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมาก แม้ว่าจะเป็นการปลดปล่อยจากการสลายกัมมันตรังสีก็ตาม ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ในปี 1905, Albert Einstein จัดรูปแบบความคิดของการสมดุลมวล-พลังงาน ในขณะที่งานด้านกัมมันตภาพรังสีของ Becquerel และมารี กูรี ได้ถือกำเนิดมาก่อน คำอธิบายของแหล่งที่มาของการใช้พลังงานของกัมมันตภาพรังสีจะต้องรอการค้นพบที่ว่าตัวนิวเคลียสเองก็ประกอบด้วยองค์ประกอบขนาดเล็กกว่า ที่เรียกว่า นิวคลีออน รังสีแกมมา
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือปฏิกิริยาที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสของอะตอม ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มหรือการลด โปรตอนหรือนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม เช่นปฏิกิริยานี้ สมดุลเคมี
การเกิดปฏิกิริยา เทคโนโลยีนิวเคลียร์
นิวเคลียร์ฟิวชันถูกไล่ล่าหาความจริงในตอนต้นในขั้นตอนทางทฤษฎีเท่านั้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อนักวิทยาศาสตร์ในโครงการแมนฮัตตัน (นำโดยเอ็ดเวิร์ด Teller) ตรวจสอบว่ามันเพื่อการสร้างระเบิด โครงการได้ละทิ้งฟิวชั่นหลังจากที่มีการสรุปว่ามันต้องการปฏิกิริยาฟิชชันเพื่อจุดระเบิด มันต้องใช้เวลาจนถึงปี 1952 สำหรับระเบิดไฮโดรเจนเต็มรูปแบบลูกแรกที่จะถูกจุดชนวน, ที่เรียกอย่างนั้นเพราะว่ามันใช้ปฏิกิริยาระหว่าง ดิวเทอเรียม และ ทริเทียม ปฏิกิริยาฟิวชั่นอื่นๆมีพลังมากมายต่อหน่วยมวลของเชื้อเพลิงมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชัน แต่การเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิวชั่นเป็นเรื่องยากกว่ามาก. มหานวดารา
จากที่ได้กล่าวไปข้างต้นว่าดาวฤกษ์ซึ่งเต็มไปด้วยไฮโดรเจนจะถูกจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเมื่อมีอุณหภูมิและความดันสูงพอ แต่จะมีความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนคอยดันไม่ให้ดาวยุบตัวต่อไปได้ หลังจากที่ดาวสะสมธาตุคาร์บอนไว้ที่แกนกลาง ดาวมวลน้อยจะไม่สามารถยุบตัวลงมากพอที่อุณหภูมิที่จะมีอุณหภูมิภายในเพียงพอสำหรับการจุดฟิวชันคาร์บอนและจบชีวิตลง ถ้าเป็นดาวมวลปานกลางก็จะจุดได้ ยุบตัวลงไปอีกชั้นหนึ่ง ประมาณ 600 ล้านเคลวิน แกนกลางเปลี่ยนจากคาร์บอนเป็นออกซิเจนและนีออน แต่ไม่สามารถลงไปถึง 1500 เคลวินสำหรับจุดฟิวชันนีออนได้ และมีความดันอิเล็กตรอนดีเจนเนอเรซียับยั้งการยุบตัวเอาไว้ เทคโนโลยีนิวเคลียร์
อุบัติเหตุนิวเคลียร์, เพราะกองกำลังที่มีประสิทธิภาพมาเกี่ยวข้อง, มักจะมีอันตรายมาก. ในอดีต, เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นครั้งแรกเกี่ยวข้องกับการรับรังสีอย่างร้ายแรง. มารี กูรีเสียชีวิตจากโรคโลหิตจางซึ่งเป็นผลมาจากระดับสูงจากการสัมผัสรังสีของเธอ. นักวิทยาศาสตร์สองคน, ชาวอเมริกันและแคนาดาตามลำดับ, แฮร์รี่ Daghlian และหลุยส์ SlotIn, เสียชีวิตหลังจากการจัดการที่ผิดพลาดของมวลพลูโตเนียมเดียวกัน. ซึ่งแตกต่างจากอาวุธธรรมดา, แสงที่รุนแรง, ความร้อน, และแรงระเบิดไม่ได้เป็นเพียงส่วนประกอบอันตรายเท่านั้นของอาวุธนิวเคลียร์. ประมาณครึ่งหนึ่งของการตายที่ฮิโรชิมาและนางาซากิเสียชีวิต 2-5 ปีหลังจากนั้นเนื่องจากการสัมผัสกับรังสี. ปฏิกิริยานิวเคลียร์
แทนที่จะใช้สมการเต็มรูปแบบดังกล่าวข้างต้น ในหลาย ๆ สถานการณ์ สัญญลักษณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดจะถูกใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ รูปแบบของแบบฟอร์มนี้คือ A(b,c)D เทียบเท่ากับ A + b ได้ c + D. อนุภาคเบาทั่วไปมักจะถูกย่อให้สั้นแบบนี้ โดย p สำหรับโปรตอน n สำหรับนิวตรอน d สำหรับ ดิวเทอเรียม, α แทนอนุภาคแอลฟา หรือฮีเลียม-4, β สำหรับอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอน, γ สำหรับรังสีแกมมา ฯลฯ ปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้นจะถูกเขียนเป็น Li-6(d,α)α การแผ่รังสีจากนิวตรอน
การแผ่รังสีจากนิวตรอน () เป็น การแผ่รังสีโดยการแตกตัวเป็นไอออน ชนิดหนึ่งซึ่งประกอบด้วยกลุ่มนิวตรอนอิสระที่เป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันหรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ปฏิกิริยาดังกล่าวจะทำให้มีการปลดปล่อยนิวตรอนอิสระจากอะตอม นิวตรอนอิสระเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมอื่น ๆ เพื่อก่อตัวเป็นไอโซโทปใหม่ซึ่งอาจเป็นผลให้มีการผลิตรังสี ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยาทั้งหลายที่เกิดกับนิวตรอนต่างๆมีความสำคัญในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ ในขณะที่ปฏิกิริยานิวตรอนที่รู้จักกันดีคือการกระเจิงของนิวตรอน (), การจับยึดนิวตรอนและนิวเคลียร์ฟิชชั่น สำหรับบางนิวเคลียสเบา (โดยเฉพาะ'นิวเคลียสแปลกแปลก') ปฏิกิริยากับนิวตรอนความร้อนส่วนใหญ่จะเป็นปฏิกิริยาแบบถ่ายโอน ดังนี้: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burnoff (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล[10]. การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์
กระบวนการวิวัฒนาการนี้เริ่มเป็นที่เข้าใจกันในราวช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ซึ่งในตอนแรกนั้นคิดกันว่าความร้อนและแสงสว่างจากดวงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ตัวกำเนิดพลังงานหลักในดวงอาทิตย์ คือการเกิดฟิวชันของไฮโดรเจนทำให้กลายไปเป็นฮีเลียม ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิอย่างน้อยที่สุด 3 ล้านเคลวิน เนบิวลาดาวเคราะห์
ปฏิกิริยาฟิวชันของฮีเลียมจัดเป็นปฏิกิริยาที่ไวต่ออุณหภูมิมาก นั่นคือ หากอัตราการเพิ่มของอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมากกว่าสองเท่าของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพียงร้อยละสอง ก็จะเกิดการปลดปล่อยพลังงานมาก ทำให้แกนของดาวเกิดการหดตัวและขยายตัวสลับกัน จนในที่สุดพลังงานที่ได้นี้ก็จะทำให้ผิวนอกของดาวหลุดออกไปในอวกาศ และรังสีอัลตราไวโอเลตที่ปลดปล่อยออกมาจากแกนดาว ก็จะทำให้แก๊สที่หลุดไปนั้นแตกตัวเป็นพลาสมาและเปล่งแสงสีสันสวยงามออกมา ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นอกจากนี้จำนวนเล็กน้อยของพลังงานยังอาจเกิดขึ้นในรูปแบบของรังสีเอกซ์ โดยทั่วไปนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ที่มีเลขอะตอมที่แตกต่างกัน และทำให้รูปแบบของเปลือกของอิเล็กตรอนผิดไป ในขณะที่อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวมันเองและลดระดับพลังงานลง รังสีเอกซ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงภายใน (รังสีเอกซ์ที่มีเส้นการแผ่ () ที่ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน) อาจจะถูกปลดปล่อยออกมา กระบวนการเผาไหม้ออกซิเจน
กระบวนการเผาไหม้ออกซิเจน เป็นชุดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นซึ่งเกิดขึ้นในดาวมวลมากที่ใช้ธาตุที่เบากว่าในแกนกลางจนหมด กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 1.5 × 10 เคลวิน / 130 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ และความหนาแน่น 10 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในการกระทบกันครั้งแรกซึ่งจะเริ่มปฏิกิริยา อนุภาคต้องวิ่งเข้าหากันอย่างใกล้ชิดพอเพื่อให้แรงช่วงสั้นสามารถจะส่งผลต่อกัน เนื่องจากอนุภาคนิวเคลียร์ที่พบมากที่สุดจะมีประจุเป็นบวก ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าสถิตแรงสูงก่อนที่ปฏิกิริยาจะสามารถเริ่มต้นขึ้น แม้ว่านิวเคลียสเป้าหมายเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมที่เป็นกลาง อนุภาคอื่น ๆ จะต้องเจาะลึกไปไกลกว่าเมฆอิเล็กตรอนและเข้าไปใกล้กับนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวก ดังนั้นอนุภาคดังกล่าวจะต้องถูกเร่งความเร็วตั้งแต่แรกให้มีพลังงานที่สูง ตัวอย่างเช่น โดย: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน (English: neutron poison หรือ neutron absorber)[3] และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (English: Neutron moderator) สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง[4] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงหากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย[5]. พลังงานนิวเคลียร์
การผลิตไฟฟ้าพลังงานฟิวชันมีความเชื่อในตอนแรกว่าจะประสบความสำเร็จได้อย่างง่ายดายเหมือนกับพลังงานฟิวชั่นที่เคยประสบ. อย่างไรก็ตาม ความต้องการอย่างมากสำหรับปฏิกิริยาต่อเนื่องและการเก็บกักพลาสม่านำไปสู่​​การคาดการณ์ที่ถูกขยายออกไปหลายทศวรรษ. ในปี 2010, มากกว่า 60 ปีหลังจากที่ความพยายามครั้งแรก, การผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ก็ยังคงเชื่อว่าจะไม่น่าก่อนปี 2050[10]. เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ถ้านิวเคลียสมากกว่าหนึ่งตัวถูกบังคับให้ชนกัน พวกมันก็สามารถทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันได้ กระบวนการนี้อาจปล่อยหรือดูดซับพลังงาน ถ้านิวเคลียสที่เกิดจากการชนมีน้ำหนักเบากว่านิวเคลียสของเหล็ก พลังงานจะถูกปล่อยออกมาตามปกติ แต่เมื่อนิวเคลียสนั้นหนักกว่าของเหล็ก โดยทั่วไปพลังงานจะถูกดูดซับ กระบวนการของการฟิวชั่นนี้เกิดขึ้นในดวงดาว ซึ่งได้รับพลังงานของพวกมันจากไฮโดรเจนและฮีเลียม พวกมันก่อตัวขึ้นผ่าน'การสังเคราะนิวเคลียสแบบกลุ่มดาว' () และองค์ประกอบเบา (ลิเธียมจนถึงแคลเซียม) เช่นเดียวกับบางส่วนขององค์ประกอบหนัก (เกินกว่าเหล็กและนิกเกิลผ่านทาง S-process) ความอุดมสมบูรณ์ที่เหลืออยู่ขององค์ประกอบหนัก จากนิกเกิลจนถึงยูเรเนียมและไกลกว่านั้น เป็นเพราะกระบวนการการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบซูเปอร์โนวา () หรือที่เรียกว่า R-process. อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
หลังจากผ่านไปเกือบ 80 นาทีของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ ปั๊มน้ำหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์หลักสี่เครื่องของวงน้ำหลักเริ่มที่จะเป็นโพรงอากาศ () เนื่องจากการผสมกันของฟองไอน้ำกับน้ำ แทนที่จะเป็นน้ำอย่างเดียวที่ไหลผ่านพวกมันไป เครื่องสูบน้ำถูกปิดลง และก็เชื่อว่าการไหลเวียนโดยธรรมชาติจะทำให้น้ำยังคงหมุนเวียนต่อไป ไอน้ำที่อยู่ในระบบป้องกันไม่ให้น้ำไหลผ่านแกนกลางและเมื่อน้ำหยุดการไหลเวียน มันขะถูกแปลงให้เป็นไอน้ำในปริมาณที่เพิ่มขึ้น ประมาณ 130 นาทีหลังจากการทำงานที่ผิดพลาดครั้งแรก ด้านบนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ได้เปิดออกและความร้อนเข้มข้นได้ทำให้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของไอน้ำในแกนเครื่องปฏิกรณ์กับปลอกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เป็นสาร Zircaloy ได้ผลผลิตออกมาก๊าซเซอร์โคเนียมไดอ๊อกไซด์, ไฮโดรเจนและความร้อนเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยานี้ได้ละลายปลอกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และทำความเสียหายให้กับเม็ดเชื้อเพลิง ซึ่งได้ปล่อยไอโซโทปกัมมันตรังสีออกมาให้กับสารหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ และผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่เชื่อว่าได้ทำให้เกิดการระเบิดขนาดเล็กในอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ต่อมาในบ่ายวันนั้น ฟิชชันเกิดเอง
ฟิชชันเกิดเองให้ผลคล้ายกับนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งเกิดจากการถูกชน อย่างไรก็ตามฟิชชันเกิดเองก็เหมือนกับรูปแบบอื่นของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่เกิดจาก quantum tunneling โดยปราศจากการปะทะอะตอมโดยนิวตรอนหรืออนุภาคอื่นในนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งเกิดจากการถูกชน ฟิชชันเกิดเองจะปลดปล่อยนิวตรอนเหมือนกับฟิชชันทั่วไป ดังนั้นเมื่อเกิดมวลวิกฤติ ฟิชชันเกิดเองก็จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ยิ่งไปกว่านั้น ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีสำหรับฟิชชันเกิดเองเป็นรูปแบบการสลายที่สำคัญที่อาจเป็นต้นกำเนิดนิวตรอน แคลิฟอร์เนียม-252 (ครึ่งชีวิต 2.645 ปี, SF branch ratio 3.09%) ถูกนำมาใช้ในจุดประสงค์นี้บ่อยๆ อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่อปลอกหุ้มได้รับความเสียหายในขณะที่วาล์วระบายที่ทำงานด้วยนำร่องยังคงติดขัดและเปิดค้างอยู่ ผลผลิตจากฟิชชั่นได้ถูกปลดปล่อยลงไปในน้ำหล่อเย็นของเตาปฏิกรณ์ เนื่องจากวาล์วระบายดังกล่าวยังติดขัดอยู่และอุบัติเหตุการสูญเสียน้ำหล่อเย็นยังคงคืบหน้าต่อไป น้ำหล่อเย็นในวงจรหลักที่มีผลผลิตจากฟิชชันและ/หรือเชื้อเพลิงได้ถูกปล่อยออกมาและในที่สุดก็จบลงในอาคารเสริม ซึ่งอาคารเสริมนี้อยู่นอกขอบเขตอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ การหลอมนิวเคลียส
พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่กว่าในปฏิกิริยาเคมีอย่างมาก เพราะพลังงานยึดเหนี่ยวที่ยึดนิวเคลียสเอาไว้จะมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส ยกตัวอย่างเช่นพลังงานจากการแตกตัวเป็นไอออน () ที่ได้รับโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกับนิวเคลียสไฮโดรเจนหนึ่งตัวเป็น 13.6 eV -น้อยกว่าหนึ่งในล้านของ 17.6 MeV ที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-ไอโซโทป (D-T) ที่ได้แสดงในแผนภาพทางขวา (หนึ่งกรัมของสารจะปล่อย 339 GJ ของพลังงาน) ปฏิกิริยาการหลอมมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันหลายเท่า; ปฏิกิริยาการหลอมจะผลิตพลังงานต่อหน่วยของมวลมากกว่าอย่างมากแม้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งโดยทั่วไปจะมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาการหลอมแต่ละครั้ง และปฏิกิริยาทั้งสองแบบยังมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาทางเคมีหลายล้านเท่า มีแต่การแปลงโดยตรงของมวลไปเป็นพลังงานเท่านั้นที่มีพลังต่อหน่วยของมวลมากกว่าการหลอมนิวเคลียส เช่นที่เกิดจากการชนกันแบบทำลายล้างของสสารและปฏิสสาร ฟิสิกส์นิวเคลียร์
กับการค้นพบนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์ในที่สุดก็สามารถคำนวณสิ่งที่เป็นส่วนย่อยของพลังงานยึดเหนี่ยวที่แต่ละนิวเคลียสมีอยู่ จากการเปรียบเทียบมวลของนิวเคลียสกับมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสขึ้นมา ความแตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสจะถูกคำนวณในลักษณะนี้และ เมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกวัด ถูกพบว่าเป็นไปตามการคำนวณของ Einstein ของความเท่าเทียมกันของมวลและพลังงานภายใน 1% ณ ปี 1934 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
การดำเนินงานกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประกอบด้วยปริมาณขนาดใหญ่ของผลิตภัณฑ์ฟิชชันที่ปนเปื้อนกัมมันตรังสีซึ่ง ถ้ากระจายออกไป สามารถก่อให้เกิดอันตรายจากรังสีโดยตรง ปนเปื้อนในดินและพืชผัก และถูกบริโภคโดยมนุษย์และสัตว์ การสัมผัสของมนุษย์ในระดับที่สูงพอสามารถทำให้เกิดทั้งการเจ็บป่วยและความตายในระยะสั้นและการเสียชีวิตในระยะยาวจากโรคมะเร็งและโรคอื่นๆ[28]. ผลผลิตจากฟิชชัน
หลายไอโซโทป (ธาตุที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน) เหล่านี้มีครึ่งชีวิตที่สั้นมาก ดังนั้นพวกมันจึงปลดปล่อยรังสีออกมาเป็นจำนวนมาก ยกตัวอย่างเช่น strontium-90, strontium-89 และstrontium-94 ทั้งหมดนี้เป็นผลผลิตจากปฏิกิริยาฟิชชั่น พวกมันถูกผลิตออกมาในปริมาณที่คล้ายกัน และแต่ละนิวเคลียสจะสลายตัวโดยการยิงหนึ่งอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอน) ออกมา แต่ Sr-90 มีครึ่งชีวิตที่ 30 ปี, SR-89 มีครึ่งชีวิตที่ 50.5 วันและ Sr-94 มีครึ่งชีวิตที่ 75 วินาที เมื่อถูกสร้างเสร็จใหม่ ๆ Sr-89 จะพ่นอนุภาคบีตาเร็วกว่า Sr-90 ถึง 10,600 เท่าและ Sr-94 จะพ่นอนุภาคบีตาเร็วกว่า Sr-90 ถึง 915 ล้านเท่า เป็นเพราะไอโซโทปครึ่งชีวิตสั้นเหล่านี้ที่ทำให้เชื้อเพลิงใช้แล้วเป็นอันตรายอย่างมาก (นอกเหนือไปจากความร้อนที่ถูกสร้างขึ้นอย่างมาก) ทันทีหลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์ได้ถูกปิดลง. ข่าวดีก็คือสิ่งอันตรายที่สุดจะจางหายไปอย่างรวดเร็ว หลังจาก 50 วัน Sr-94 มีครึ่งชีวิตที่ 75 วินาที ดังนั้นมันจึงหายหมด 100%; Sr-89 เหลืออยู่ครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม แต่ Sr-90 ยังคงมีอยู่ 99.99% เนื่องจากมีหลายร้อยไอโซโทปที่แตกต่างกันได้ถูกสร้างขึ้น การแผ่รังสีที่สูงในช่วงเริ่มต้นจางหายไปอย่างรวดเร็ว แต่ไม่ได้จางหายหมดไปอย่างสมบูรณ์ โอกาเนสซอน
โอกาสการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันน้อยมาก เพราะภาคตัดขวางพื้นที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์เท่ากับ 0.5 pb (5×10 m) มากกว่า อิออนของแคลเซียมซึ่งเท่ากับ 4×10 m จึงเกิดปฏิกิริยาฟิวชันเพียง 3 ครั้งเท่านั้น  วัสดุฟิสไซล์
เพื่อที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์, วัสดุจะต้อง:นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:นิวไคลด์ฟิสไซล์ไม่ได้มีโอกาส 100% ของการทำฟิชชันในการดูดซึมของนิวตรอน. โอกาสจะขึ้นอยู่กับนิวไคลด์เช่นเดียวกับพลังงานนิวตรอน. สำหรับนิวตรอนพลังงานระดับต่ำและระดับกลาง, ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนสำหรับการฟิชชัน (σ), ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนด้วยการปล่อยรังสีแกมมา(σ), และร้อยละของ non-fissions อยู่ในตารางด้านขวา. การแบ่งแยกนิวเคลียส
ฟิชชันเป็นรูปแบบหนึ่งของการแปลงพันธ์นิวเคลียส () เพราะชิ้นส่วนที่แตกออกไม่ได้มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันกับอะตอมเดิม ทั้งสองนิวเคลียสที่ถูกผลิตส่วนใหญ่มักจะมีขนาดเทียบเคียงกันแต่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไปมักจะมีอัตราส่วนมวลของผลิตภัณฑ์อยู่ที่ประมาณ 3 ต่อ 2 สำหรับไอโซโทปของวัสดุฟิสไซล์ธรรมดา ฟิชชันส่วนใหญ่จะเป็นฟิชชันแบบไบนารี (ผลิตชิ้นแตกที่มีประจุสองชิ้น) แต่ในบางครั้ง (2-4 ครั้งต่อหนึ่งพันเหตุการณ์) ชิ้นแตกที่มีประจุบวก 3 ชิ้นถูกผลิตออกมาในการหลอมที่เรียกว่าฟิชชันสามชิ้น () ชิ้นแตกที่เล็กที่สุดในกระบวนการฟิชชันสามชิ้นเหล่านี้มีขนาดในช่วงตั้งแต่โปรตอนจนถึงนิวเคลียสของอาร์กอน ลำดับสิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐ (ค.ศ. 1946–91)
fusor เป็นอุปกรณ์ที่ประดิษฐ์คิดค้นโดย Philo T. Farnsworth ในปี 1959 เพื่อสร้าง นิวเคลียร์ฟิวชัน. ซึ่งแตกต่างจากระบบการควบคุมฟิวชั่นส่วนใหญ่ซึ่งให้ความร้อนช้าๆกับพลาสม่าที่ถูกจำกัดโดยสนามแม่เหล็ก, เครื่อง fusor จะฉีดไอออน"อุณหภูมิสูง"โดยตรงเข้าไปในห้องปฏิกิริยา, เป็นการหลีกเลี่ยงความซับซ้อนจำนวนมาก. วิธีการนี้ถูกเรียกว่า การเก็บตัวไฟฟ้าสถิตเฉื่อย (English: inertial electrostatic confinement).[123] ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นิวตรอน ในทางตรงกันข้าม ไม่มีประจุไฟฟ้าที่จะทำให้เกิดแรงผลัก และสามารถที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่พลังงานต่ำมาก ในความเป็นจริง ที่พลังงานอนุภาคที่ต่ำอย่างมาก (ที่สอดคล้องกับการสมดุลความร้อนที่อุณหภูมิห้อง) ความยาวคลื่นแบบ de Broglie ของนิวตรอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจจะเพิ่มภาคตัดขวางการดักจับของมันให้สูงขี้นอย่างมาก ที่ระดับพลังงานใกล้กับค่า resonances ของนิวเคลียสที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นนิวตรอนพลังงานต่ำ"อาจจะ"ทำให้เกิดปฏิกิริยามากกว่านิวตรอนพลังงานสูงด้วยซ้ำ การสังเคราะห์นิวเคลียส
การสังเคราะห์นิวเคลียส () คือกระบวนการในการสร้างนิวเคลียสของอะตอมใหม่ขึ้นจากนิวคลีออนเดิมที่มีอยู่ก่อนแล้ว (โปรตอนและนิวตรอน) เชื่อว่านิวคลีออนดั้งเดิมเองนั้นกำเนิดขึ้นจากการรวมตัวของควาร์ก-กลูออนพลาสมาในเหตุการณ์บิกแบงขณะที่มันมีอุณหภูมิเย็นลง 2 ล้านล้านองศา ไม่กี่นาทีหลังจากนั้น จากเพียงโปรตอนและนิวตรอนจึงได้เกิดเป็นนิวเคลียสของลิเทียมและเบอริลเลียม (ที่เลขมวล 7) แต่ก็มีเพียงจำนวนน้อยมาก จากนั้นกระบวนการฟิวชั่นจึงหยุดลงเมื่ออุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงอย่างรวดเร็วจากการที่เอกภพขยายตัวออก กระบวนการแรกสุดของการสังเคราะห์นิวเคลียสดั้งเดิมนี้อาจเรียกชื่อว่า นิวคลีโอเจเนซิส ก็ได้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น ภัยพิบัติเชียร์โนบีล
ในการทำงานในระยะคงที่ (English: steady state operation) ส่วนที่สำคัญ (ประมาณ 7%) ของพลังงานที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่ได้มาจากปฏิกิริยาฟิชชัน แต่มาจากความร้อนที่เกิดจากการสลายตัว (English: Decay heat) ของผลผลิตจากฟิชชั่น (English: Fission product) ที่สะสม ความร้อนนี้ยังคงเกิดในช่วงระยะเวลาหนึ่งหลังจากปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดการทำงาน (เช่น หลังการปิดเครื่องปฏิกรณ์ฉุกเฉินด้วยการกดปุ่ม Scram (English: Safety Control Rods Activator Mechanism)) และมักจะต้องทำการระบายความร้อนที่ค้างอยู่เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของแกนกลาง เครื่องปฏิกรณ์แบบ RBMK เช่นที่เชียร์โนบีล ใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น[27][28] ​​เครื่องปฏิกรณ์ตัวที่ 4 ที่เชียร์โนบีลประกอบด้วยช่องเชื้อเพลิงประมาณ 1,600 ช่อง แต่ละช่องต้องการน้ำหล่อเย็นไหลผ่าน 28 ตัน (28,000 ลิตรหรือ 7,400 แกลลอน) ต่อชั่วโมง[26] การผลิตคู่
formula_1
ในฟิสิกส์นิวเคลียร์, สิ่งที่จะเกิดขึ้นตามสมการนี้เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนพลังงานสูงได้มีปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอม พลังงานของโฟตอนนี้สามารถแปลงให้เป็นมวลได้โดยผ่านทางสมการไอน์สไตน์,; เมื่อ E เป็นพลังงาน m คือ มวลและ c คือ ความเร็วของแสง อะตอม
การสลายปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา คือนิวเคลียสฮีเลียมที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้จะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขอะตอมน้อยลง การสลายปลดปล่อยอนุภาคบีตา เกิดขึ้นเนื่องจากแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน หรือโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน แบบแรกคือการแผ่อิเล็กตรอน 1 ตัวกับแอนตินิวตริโน 1 ตัว ส่วนแบบที่สองเป็นการแผ่โพสิตรอน 1 ตัวกับ นิวตริโน 1 ตัว การแผ่อนุภาคของอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนนั้นเรียกว่าอนุภาคบีตา ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้อาจทำให้เลขอะตอมของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างละ 1 หน่วย การสลายปลดปล่อยอนุภาคแกมมา เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของนิวเคลียสไปยังระดับที่ต่ำกว่า ทำให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อาจเกิดขึ้นหลังจากมีการปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาหรือบีตาในการสลายตัวของกัมมันตรังสีแล้วก็ได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ถ้าสมการของการเกิดปฏิกิริยามีความสมดุล มันไม่ได้หมายความว่าปฏิกิริยาได้เกิดขึ้นจริง อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคและฟลักซ์ของอนุภาคและภาคตัดขวางของปฏิกิริยา ตัวอย่างหนึ่งของพื้นที่เก็บขนาดใหญ่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือฐานข้อมูล REACLIB ที่ได้รับการดูแลรักษาโดยสถาบันร่วมสำหรับดาราศาสตร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์ แรงนิวเคลียร์
แรงนิวเคลียร์ () คือแรงระหว่างนิวคลีออนสองตัวหรือมากกว่านั้น เป็นเหตุของการยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนให้อยู่ด้วยกันเป็นนิวเคลียสอะตอมได้ พลังงานนิวเคลียร์ยึดเหนี่ยวที่ปลดปล่อยออกมาทำให้มวลของนิวเคลียสน้อยกว่ามวลรวมของโปรตอนและนิวตรอนรวมกัน แรงนี้เป็นแรงดูดที่มีกำลังแรงระหว่างนิวคลอนที่อยู่ห่างกันประมาณ 1 เฟมโตเมตร (fm) วัดจากจุดศูนย์กลาง แต่จะอ่อนกำลังลงอย่างรวดเร็วที่ระยะห่างมากกว่า 2.5 fm ที่ระยะใกล้กว่า 0.7 fm แรงนี้จะกลายเป็นแรงผลัก และเป็นตัวการสำหรับรูปร่างทางกายภาพของนิวเคลียส เพราะนิวคลีออนจะไม่สามารถเข้าใกล้กันมากกว่าที่แรงนี้ยอมให้เป็นไปได้ กระบวนการเผาไหม้ซิลิกอน
ในการศึกษาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ กระบวนการเผาไหม้ซิลิกอน () คือขั้นตอนสั้นๆ หลังจากการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่เกิดขึ้นในดาวฤกษ์มวลมาก (ขนาดอย่างน้อย 8-11 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) เป็นกระบวนการสุดท้ายในวงจรชีวิตดาวฤกษ์ซึ่งใช้เชื้อเพลิงจนหมดแล้ว ทำให้ดาวฤกษ์ยังคงอยู่ในแถบลำดับหลักบนไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ไปได้อีกระยะหนึ่ง การเผาไหม้ซิลิกอนเริ่มต้นขึ้นเมื่อเกิดการยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่อุณหภูมิแกนกลางประมาณ 2.7–3.5 พันล้านเคลวินขึ้นกับขนาดมวล เมื่อดาวฤกษ์สิ้นสุดช่วงเวลาของกระบวนการเผาไหม้ซิลิกอนแล้ว มันก็จะระเบิดออกกลายไปเป็นซูเปอร์โนวาชนิด II เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือจะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า[9]. แรงนิวเคลียร์
ปัจจุบันนี้เข้าใจกันว่า แรงนิวเคลียร์เป็นปรากฏการณ์ตกค้างจากแรงที่มีกำลังมากกว่า คืออันตรกิริยาอย่างเข้ม ซึ่งเป็นแรงดูดที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคที่เรียกว่า ควาร์ก เอาไว้ด้วยกัน เพื่อก่อให้เกิดเป็นนิวคลีออน แรงซึ่งมีกำลังมากกว่านี้มีอนุภาคพาหะที่เรียกว่า กลูออน กลูออนยึดเหนี่ยวควาร์กเอาไว้ด้วยกันด้วยแรงเหมือนกับประจุไฟฟ้า แต่มีกำลังมากกว่า  การสังเคราะห์นิวเคลียส
สำหรับการเกิดการสังเคราะห์นิวเคลียสในลำดับถัดมาของอะตอมธาตุหนัก เกิดขึ้นได้หลังจากการระเบิดของดาวฤกษ์มวลมากและซูเปอร์โนวาในช่วงเวลาเดียวกัน ตามหลักการของทฤษฎีนี้ ไฮโดรเจนและฮีเลียมจากบิกแบง (รวมถึงอิทธิพลจากความหนาแน่นของสสารมืด) ควบรวมกันกลายเป็นดาวฤกษ์ยุคแรกในราว 500 ล้านปีหลังจากบิกแบง ธาตุที่เกิดในช่วงการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์มีเลขอะตอมตั้งแต่ 6 (คาร์บอน) ไปจนถึงอย่างน้อย 98 (แคลิฟอร์เนียม) ซึ่งสามารถตรวจจับได้ในเส้นสเปกตรัมของซูเปอร์โนวา การเกิดซินทีสิสของธาตุหนักเหล่านี้เกิดได้ทั้งจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น หรือจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น และบางครั้งก็มีการสลายปลดปล่อยอนุภาคเบตาเกิดขึ้นด้วย เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933. เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมาขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน[12]. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ. ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้. เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ในการแผ่รังสีนิวเคลียร์ตามธรรมชาติ ผลพลอยได้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสที่พวกมันก่อกำเนิดขึ้น นิวเคลียร์ฟิชชั่นเป็นกระบวนการของการแยกนิวเคลียสออกเป็นส่วนๆเกือบเท่าๆกันและปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอนในระหว่างกระบวนการนั้น ถ้านิวตรอนเหล่านี้ถูกจับโดยนิวเคลียสอื่นที่ไม่เสถียร นิวเคลียสนั้นก็สามารถแตกตัวหรือฟืชชันได้เช่นกัน ซึ่งนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ค่าเฉลี่ยของจำนวนนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาต่อนิวเคลียสที่ไปฟิชชั่นนิวเคลียสอื่นจะเรียกว่าค่า "k" ค่า k มากกว่า 1 หมายความว่าปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนมากกว่ามันดูดซับไว้และดังนั้นจึงจะเรียกว่าเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตัวเอง มวลของวัสดุฟิสไซล์ที่มีขนาดใหญ่พอ (และในคอนฟิคฯที่เหมาะสม) ที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตนเองเรียกว่ามวลวิกฤต (). เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ตั้งแต่การระเบิดที่สองเมืองนั้น, ไม่มีอาวุธนิวเคลียร์ได้ถูกนำไปใช้อย่างก้าวร้าว. อย่างไรก็ตาม, พวกมันกระตุ้นให้เกิดการแข่งขันด้านอาวุธเพื่อพัฒนาระเบิดที่ทำลายล้างได้มากขึ้นเพื่อยับยั้งนิวเคลียร์. เพียงสี่ปีต่อมาเมื่อวันที่ 29 สิงหาคม 1949, สหภาพโซเวียตได้จุดระเบิดอาวุธฟิชชัน RDS-1 เป็นครั้งแรก. สหราชอาณาจักรทำตามเมื่อ 2 ตุลาคม 1952; ฝรั่งเศสเมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ 1960; และประเทศจีน. ประมาณครึ่งหนึ่งของผู้รอดชีวิตจากฮิโรชิมาและนางาซากิเสียชีวิต 2-5 ปีหลังจากนั้นเนื่องจากการสัมผัสรังสี. อาวุธรังสี () เป็นชนิดหนึ่งของอาวุธนิวเคลียร์ที่ออกแบบมาเพื่อแจกจ่ายวัสดุนิวเคลียร์ที่เป็นอันตรายในพื้นที่ของศัตรู. อาวุธดังกล่าวจะไม่ได้มีความสามารถในการระเบิดของฟิชชันหรือฟิวชั่น, แต่จะฆ่าคนจำนวนมากและปนเปื้อนพื้นที่ขนาดใหญ่. อาวุธรังสีไม่เคยถูกนำไปใช้. ในขณะที่มีการพิจารณาว่าไร้ประโยชน์โดยกองทัพธรรมดา, อาวุธดังกล่าวเพิ่มความกังวลเกี่ยวกับการก่อการร้ายนิวเคลียร์. เอนรีโก แฟร์มี
ในช่วงประมาณคริสต์ทศวรรษ 1930 แฟร์มีและกลุ่มนักวิจัยของเขาค้นพบว่านิวเคลียสภายในอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อถูกระดมยิงด้วยอนุภาคนิวตรอน ซึ่งต่อมาภายหลังเรารู้กันว่าสิ่งที่แฟร์มี (และ Otto Hahn กลุ่มนักวิจัยชาวเยอรมัน) ค้นพบ ก็คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแตกตัว (นิวเคลียร์ฟิชชั่น) นั่นเอง แฟร์มียังมีส่วนสำคัญในการสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขึ้นครั้งแรกในโลก ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก (University of Chicago) สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นครั้งแรกที่มนุษย์สามารถสร้างและควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ นับเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้สหรัฐอเมริกา
สามารถพัฒนาระเบิดปรมาณูได้สำเร็จ จึงนับได้ว่าเขาเป็นบิดา (คนหนึ่ง) ของวิชานิวเคลียร์ฟิสิกส์ ฟิสิกส์ของอนุภาค
ในคริสตศวรรษที่ 19 จอห์น ดาลตัน ช่วงที่เขากำลังทำงานเกี่ยวกับ stoichiometry (การศึกษาเกี่ยวกับปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นในวิชาเคมี) ได้ตัดสินใจว่า ธาตุต่างๆนั้นที่มีอยู่ในธรรมชาติประกอบขึ้นมาจากอนุภาคอย่างเดียว ดาลตันและคนสมัยนั้นเชื่อว่าสิ่งนั้นเป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติจึงตั้งชื่อว่าอะตอม มาจากคำว่า "Atomos" แปลว่า แบ่งแยกอีกไม่ได้ อย่างไรก็ดีช่วงปลายศตวรรษนั้น นักฟิสิกส์พบว่า อะตอมไม่ได้แบ่งแยกอีกไม่ได้ อะตอมเป็นการรวมกันเป็นกลุ่มเป็นก้อนของอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า ช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่20การสำรวจของนิวเคลียร์ฟิสกส์และควอนตัมฟิสิกส์ได้ถึงจุดสูงสุด ด้วยการพิสูจน์ของนิวเคลียร์ฟิชชั่นในปี 1939 โดย ลีเซอ ไมท์เนอร์ (อยู่บนการทดลองของ ออทโท ฮาน) และ นิวเคลียร์ฟิวชั่นโดย ฮันส์ เบเทอ ในปีเดียวกัน การค้นพบดังกล่าวสร้างความตื่นตัวทางอุตสาหกรรมของการสร้างอะตอมหนึ่งไปเป็นอีกอะตอมหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้นเป็นการช่วยทำให้การแปลงตะกั่วกลายเป็นทองเกิดขึ้นได้จริง ยังนำไปสู่การสร้างอาวุธนิวเคลียร์ โดยตลอดปี 1950 ถึงปี 1960 ได้พบความงุนงงจากการค้นพบอนุภาคที่พบในการทดลองการกระเจิง (Scattering Experiments) สิ่งนี้ได้อ้างถึง particle zoo และได้ถูกคัดค้าน ภายหลังจาก สูตรของแบบจำลองมาตรฐานในช่วงปี 1970 ที่ซึ่งอนุภาคขนาดใหญ่ถูกอธิบายว่าเป็นการประกอบกันของอนุภาคพื้นฐานที่มีขนาดเล็ก อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
เมื่อแถวแรกของการจำกัดวงปัญหาถูกทำลายในช่วงที่เกิดอุบัติเหตุโรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ มีความเป็นไปว่าเชื้อเพลิงหรือผลผลิตจากฟิชชัน () ที่อยู่ภายในอาจจะหลุดลอดเข้าไปในสิ่งแวดล้อม แม้ว่าปลอกหุ้มเชื้อเพลิงเซอร์โคเนียมได้ถูกทำลายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อื่นโดยไม่ได้ปลดปล่อยกัมมันตรังสีออกสู่สิ่งแวดล้อมก็ตาม ที่ TMI-2 (Three Miles Island 2) ผู้ควบคุมเครื่องได้อนุญาตให้ปล่อยผลผลิตจากฟิชชั่นออกจากอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ที่มีเครื่องกั้นอื่น ๆ นอกจากนั้นยังค้นพบในภายหลังด้วยว่าไม่เพียงแต่ผู้ที่อาศัยอยู่ในบริเวณใกล้เคียงเท่านั้นที่ได้รับผลกระทบ แต่ผู้ควบคุมเครื่องเกาะสามไมล์ยังสั่งทิ้งน้ำกัมมันตรังสีลงไปในแม่น้ำ Susquehanna จึงส่งผลกระทบต่อผู้ที่อยู่ปลายน้ำอีกด้วย อะตอม
ปี ค.ศ. 1938 นักเคมีชาวเยอรมัน ออตโต ฮาห์น ผู้เป็นศิษย์ของรัทเทอร์ฟอร์ด ยิงนิวตรอนใส่อะตอมยูเรเนียมด้วยสมมุติฐานจะได้ธาตุหลังยูเรเนียมออกมา แต่การทดลองทางเคมีของเขากลับให้ผลลัพธ์ออกมาเป็นแบเรียม[38] หนึ่งปีต่อมา ไลซ์ ไมต์เนอร์ กับออตโต ฟริสช์ผู้เป็นหลาน สามารถพิสูจน์ว่าผลลัพธ์ของฮาห์นเป็นการทดลอง นิวเคลียร์ฟิชชัน เป็นครั้งแรก[39][40] ปี ค.ศ. 1944 ฮาห์นได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี แต่ไมต์เนอร์กับฟริสช์กลับไม่มีชื่อได้รับร่วมทั้งที่ฮาห์นได้พยายามเสนอแล้ว[41] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อแหล่งสะสมแร่ที่อุดมด้วยยูเรเนียมถูกน้ำท่วม เนื่องจากน้ำบาดาลที่ทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน, และปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แข็งแกร่งเกิดขึ้น. น้ำที่เป็นตัวหน่วงจะเดือดเมื่อปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น, ทำให้เกิดการชะลอตัวหดตัวกลับลงอีกครั้งและป้องกันการหลอมสลาย. ปฏิกิริยาฟิชชันได้รับการรักษาให้ยั่งยืนมาหลายแสนปี. การหลอมนิวเคลียส
การหลอมนิวเคลียส () ในทางฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างหนึ่งที่นิวเคลียสของอะตอมหนึ่งตัวหรือมากกว่าเข้ามาอยู่ใกล้กัน แล้วชนกันที่ความเร็วสูง รวมตัวกันกลายเป็นนิวเคลียสของอะตอมใหม่ที่หนักขึ้น ในระหว่างกระบวนการนี้ มวลของมันจะไม่เท่าเดิมเพราะมวลบางส่วนของนิวเคลียสที่รวมต้วจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานโปรตอน  พลังงานฟิวชั่น
มนุษย์พยายามที่จะสร้างพลังงานนี้โดยการรวมไฮโดรเจน 2 อะตอม (ดิวเทอเรียมกับทริเทียม)เป็นฮีเลียม 1 อะตอม โดยพลังงานต่อมวลของปฏิกิริยานี้มากกว่ากระบวนการฟิชชันมาก อีกทั้งผลิตผลจากปฏิกิริยานี้จะไม่เป็นสารกัมมันตรังสี การแผ่รังสีจากนิวตรอน
เพื่อให้บรรลุปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิวชั่นที่มีประสิทธิภาพ นิวตรอนที่ถูกผลิตในระหว่างฟิชชันจะต้องถูกจับยึดโดยนิวเคลียสที่ทำฟิชชันได้ จากนั้นก็ทำการแยกนิวเคลียสออก แล้วก็ปลดปล่อยนิวตรอนมากขึ้นไปอีก ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบฟิชชันส่วนมาก เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะไม่ถูกกลั่นให้ดีพอที่จะสามารถที่จะดูดซับนิวตรอนเร็วที่จะยืดยาวปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันให้ดำเนินการต่อไป และเนื่องจากมีการลดลงของ ภาคตัดขวาง ของนิวตรอนพลังงานสูง ดังนั้น ตัวหน่วงนิวตรอน จะต้องถูกนำมาใช้เพื่อชะลอความเร็วของนิวตรอนเร็วลงไปที่ความเร็วของนิวตรอนความร้อนเพื่อที่จะเปิดให้มีการดูดซึมที่เพียงพอ ตัวหน่วงนิวตรอนที่พบบ่อยได้แก่ แกรไฟท์, น้ำเบา (น้ำทั่วไป), และน้ำหนัก เครื่องปฏิกรณ์ไม่กี่ตัว (เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็ว) และ อาวุธนิวเคลียร์ ทั้งหมดจะต้องพึ่งพานิวตรอนเร็ว ซึ่งจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในการออกแบบและในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ องค์ประกอบของสาร เบริลเลียม จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งเนื่องจากความสามารถของมันในการทำหน้าที่เป็นตัวเบี่ยงเบนนิวตรอนหรือเลนส์ มันยอมให้มีการใช้วัสดุฟิสไซล์ในปริมาณที่น้อยกว่าและเป็นเบื้องต้นของการพัฒนาทางเทคนิคที่นำไปสู่​​การสร้าง ระเบิดนิวตรอน การแบ่งแยกนิวเคลียส
ปริมาณของ'พลังงานอิสระ'ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีเป็นล้านเท่าของปริมาณพลังงานอิสระที่มีอยู่ในมวลที่คล้ายกันของเชื้อเพลิงสารเคมีเช่นน้ำมันก๊าซโซลีน ทำให้นิวเคลียร์ฟิชชนเป็นแหล่งพลังงานที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์ที่ได้จากนิวเคลียร์ฟิชชันโดยค่าเฉลี่ยจะมีกัมมันตรังสีมากกว่าธาตุหนักทั้งหลายที่ถูกฟิชชันตามปกติเพื่อทำให้เป็นเชื้อเพลิง และยังคงอยู่อย่างนั้นเป็นเวลานานมากอย่างมีนัยสำคัญซึ่งทำให้เกิดปัญหากากนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น ความกังวลทั้งหลายเกี่ยวกับการสะสมของกากนิวเคลียร์และเกี่ยวกับศักยภาพในการทำลายล้างของอาวุธนิวเคลียร์อาจถ่วงดุลกับคุณภาพที่พึงประสงค์ของนิวเคลียร์ฟิชชันว่าเป็นแหล่งพลังงานแหล่งหนึ่ง และเพิ่มการอภิปรายทางการเมืองอย่างต่อเนื่องด้านพลังงานนิวเคลียร์