วัสดุฟิสไซล์

วัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: fissile material) ในวิศวกรรมนิวเคลียร์, หมายถึงวัสดุที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันให้ยั่งยืน. โดยคำนิยาม วัสดุฟิสไซล์สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืนด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานใดๆ. พลังงานนิวตรอนที่เป็นส่วนสำคัญหลักอาจแบ่งออกเป็นหลายชนิดเช่น นิวตรอนช้า(เช่นระบบร้อน) หรือ นิวตรอนเร็ว. วัสดุฟิสไซล์สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน

• เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน (อังกฤษ: thermal-neutron reactor)
• เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว (อังกฤษ: fast-neutron reactor)
• ระเบิดนิวเคลียร์

"ฟิสไซล์"เปรียบเทียบกับ"ฟิชชันได้"

ตาม "กฏของฟิสไซล์", สำหรับองค์ประกอบเคมีหนักที่มี 90 ≤ Z ≤ 100, ไอโซโทปของมันที่มี 2 × Z − N = 43 ± 2, ด้วยข้อยกเว้นบางอย่าง, เป็นฟิสไซล์ (เมื่อ N = จำนวนของนิวตรอน และ Z = จำนวนของโปรตอน)[1][2][note 1].

"ฟิสไซล์"ต่างจาก"ฟิชชั่นได้". นิวไคลด์ที่สามารถเกิดฟิชชั่นได้(แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ต่ำ)หลังการจับนิวตรอนพลังงานสูงจะถูกเรียกว่า "ฟิชชั่นได้". นิวไคลด์ที่ฟิชชั่นได้ที่สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชั่นด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำที่มีความเป็นไปได้สูงจะถูกเรียกว่า "ฟิสไซล์"[3]. แม้ว่าสองคำนี้แต่เดิมมีความหมายเหมือนกัน, วัสดุที่ฟิชชั่นได้จะรวมถึงพวก(เช่นยูเรเนียม-238)ที่สามารถถูกฟิชชั่นด้วยนิวตรอนพลังงานสูงเท่านั้น. ผลก็คือ, วัสดุฟิสไซล์(เช่นยูเรเนียม-235)เป็นชุดย่อยของวัสดุที่ฟิสชั่นได้.

ยูเรเนียม-235 จะ fission ด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียส (อังกฤษ: nuclear binding energy) ที่เป็นผลมาจากการดูดซับของนิวตรอนมีค่ามากกว่าพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการฟิชชัน; ดังนั้นยูเรเนียม-235 จึงเป็นวัสดุฟิสไซล์. ตรงกันข้าม, พลังงานผูกพันที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม-238 ในการดูดซับนิวตรอนความร้อนมีค่าน้อยกว่าพลังงานวิกฤต, ดังนั้นนิวตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมสำหรับทำให้เกิดฟิชชันได้. ดังนั้นยูเรเนียม-238 จึงเป็นวัสดุ fissionable แต่ไม่เป็นวัสดุฟิสไซล์[4].

ความหมายอีกทางหนึ่งได้ให้คำจำกัดความของนิวไคลด์ฟิสไซล์ไว้ว่าเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิชชั่นได้ (เช่น  เป็น fissionable) และยังผลิตนิวตรอนจากฟิชชันดังกล่าวที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืนในการตั้งค่าที่ถูกต้องอีกด้วย. ภายใต้คำนิยามนี้, นิวไคลด์ที่ fissionable เท่านั้นจะเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกสร้างขึ้นมาเพื่อทำนิวเคลียร์ฟิชชั่นแต่ผลิตนิวตรอนไม่เพียงพอ, ในด้านพลังงานหรือจำนวน, เพื่อรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืน[5]. เมื่อเป็นเช่นนี้, ในขณะที่ไอโซโทปฟิสไซล์ทุกตัวเป็น fissionable, ไอโซโทป fissionable ทุกตัวก็ไม่ใช่ fissile. ในบริบทการควบคุมอาวุธ, เฉพาะอย่างยิ่งในข้อเสนอสำหรับ สนธิสัญญาตัดทิ้งวัสดุฟิสไซล์ (อังกฤษ: Fissile Material Cutoff Treaty), คำว่า "ฟิสไซล์" มักจะใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในฟิชชันเบื้องต้นของอาวุธนิวเคลียร์[6]. วัสดุเหล่านี้ใช้รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบฟิชชันเร็วสำหรับระเบิด.

ภายใต้คำจำกัดความทั้งหมดข้างต้น, ยูเรเนียม-238 เป็น fissionable, แต่เพราะมันไม่สามารถรักษาความยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอน, มันจึงไม่ได้เป็น fissile. นิวตรอนที่ผลิตโดยฟิชชันของ ยูเรเนียม-238 มีพลังงานจลน์ต่ำกว่านิวตรอนเดิม (พวกมันประพฤติตัวแบบใน การกระจัดกระจายไม่ยืดหยุ่น (อังกฤษ: inelastic scattering), มักจะต่ำกว่า 1 MeV (เช่น  ความเร็วประมาณ 14,000 กิโลเมตร/วินาที), เกณฑ์ของฟิชชันที่จะทำให้เกิดฟิชชันตามมาของยูเรเนียม-238, ดังนั้นฟิชชันของยูเรเนียม-238 จะไม่รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์.

ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ในขั้นตอนที่สองของอาวุธนิวเคลียร์มีส่วนช่วยอย่างมากใน ผลผลิตอาวุธนิวเคลียร์และในผลร้ายที่ตามมาของนิวเคลียร์. ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ยังทำให้มีส่วนร่วมอย่างมีนัยสำคัญในการส่งออกพลังงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วอีกด้วย.

นิวไคลด์(ที่เป็น)ฟิสไซล์

โดยทั่วไป, ไอโซโทป actinide ส่วนใหญ่ที่มี หมายเลขนิวตรอน เป็นเลขคี่จะเป็นฟิสไซล์. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมี หมายเลขมวลอะตอม เป็นเลขคี่ (A = Z + N = จำนวนรวมของ นิวคลีออน), และ หมายเลขอะตอม เป็นเลขคู่ Z. นี่ก็หมายถึงจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่. ไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่จะได้รับพลังงานเพิ่มเป็นพิเศษอีก 1-2 MeV จากการดูดซับหนึ่งนิวตรอนที่เกิน, จากผลกระทบการจับคู่ซึ่งชอบพอจำนวนคู่ของทั้งนิวตรอนและโปรตอน. พลังงานนี้ก็เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานที่จำเป็นพิเศษสำหรับฟิชชันโดยนิวตรอนที่ช้ากว่า, ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำไอโซโทปที่ fissionable ให้เป็น fissile ได้ด้วย.

มากกว่าปกติ, นิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่, และอยู่ใกล้กับเส้นโค้งที่รู้จักกันดีในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอมเทียบกับจำนวนมวลอะตอมจะมีเสถียรภาพมากกว่าตัวอื่นๆ; ด้วยเหตุนี้, พวกมันมีโอกาสน้อยที่จะทำการฟิชชั่น. พวกมันมีแนวโน้มที่จะ "เพิกเฉย" นิวตรอนและปล่อยให้มันไปในทางของมัน, หรือถ้าไม่, พวกมันจะดูดซับนิวตรอนแต่โดยไม่ได้รับพลังงานที่เพียงพอจากกระบวนการที่จะเปลี่ยนรูปนิวเคลียสพอสำหรับมันในการฟิชชั่น. ไอโซโทปที่เป็น "เลขคู่-เลขคู่" เหล่านี้ยังมีโอกาสน้อยที่จะทำการ ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง (อังกฤษ: spontaneous fission) และพวกมันยังมีครึ่งชีวิตบางส่วน (อังกฤษ: partial half-lives) ค่อนข้างยาวมากสำหรับการสลายตัวของอัลฟาหรือเบต้า. ตัวอย่างของไอโซโทปเหล่านี้คือยูเรเนียม-238 และ ทอเรียม-232. ในทางตรงกันข้าม, นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคี่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ (Zคี่, Nคี่) มักจะอายุสั้น (ยกเว้นที่น่าสังเกตคือ เนปทูเนียม-236 ที่มีครึ่งชีวิต 154,000 ปี) เพราะพวกมัน'สลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคเบต้า'ได้อย่างง่ายดายกลายเป็น isobars ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ (Zคู่, Nคู่), กลายเป็นเสถียรมากขึ้น. พื้นฐานทางกายภาพสำหรับปรากฏการณ์นี้ยังมาจาก'ผลการจับคู่'ในพลังงานผูกพันนิวเคลียร์, แต่คราวนี้จากการจับคู่ทั้งโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอน. ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้นของไอโซโทปหนักแบบคี่-คี่เช่นนั้นหมายความว่าพวกมันจะมีปริมาณไม่พร้อมให้ใช้ได้ในและพวกมันมีกัมมันตภาพรังสีสูง

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เพื่อที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์, วัสดุจะต้อง:

• อยู่ในพื้นที่ของเส้นโค้งพลังงานผูกพัน ในที่ซึ่งการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันมีความเป็นไปได้ (เช่น  เหนือเรเดียม)
• มีความน่าจะเป็นของฟิชชันในการจับนิวตรอนที่สูง
• ปลดปล่อยสองนิวตรอนหรือมากกว่าโดยเฉลี่ยต่อการจับนิวตรอน (ซึ่งหมายความว่าจำนวนเฉลี่ยที่สูงขึ้นของพวกมันในแต่ละฟิชชั่น, เพื่อชดเชย nonfissions และการดูดซึมในตัวถ่วงปฏิกิริยา (อังกฤษ: moderator)
• มีครึ่งชีวิตที่ยาวพอสมควร
• มีปริมาณที่เหมาะสม

อัตราส่วนระหว่างการจับต่อฟิชชั่นของนิวไคลด์ฟิสไซล์[7]

นิวตรอนความร้อน				Epithermal neutrons[8]
σF	σγ	%		σF	σγ	%
531	46	8.0%	^233U	760	140	16%
585	99	14.5%	^235U	275	140	34%
750	271	26.5%	^239Pu	300	200	40%
1010	361	26.3%	^241Pu	570	160	22%

นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:

• ยูเรเนียม-235 ซึ่งเกิดขึ้นใน ยูเรเนียมธรรมชาติ และ ยูเรเนียมสมรรถนะสูง
• พลูโทเนียม-239 เพาะพันธุ์จาก ยูเรเนียม-238 โดย การจับนิวตรอน
• พลูโทเนียม-241 เพาะพันธุ์จาก พลูโตเนียม-240 โดยการจับนิวตรอน. พลูโตเนียม-240 มาจาก พลูโตเนียม-239 โดยกระบวนการเดียวกัน
• ยูเรเนียม-233 เพาะพันธุ์จาก ทอเรียม-232 โดยการจับนิวตรอน

นิวไคลด์ฟิสไซล์ไม่ได้มีโอกาส 100% ของการทำฟิชชันในการดูดซึมของนิวตรอน. โอกาสจะขึ้นอยู่กับนิวไคลด์เช่นเดียวกับพลังงานนิวตรอน. สำหรับนิวตรอนพลังงานระดับต่ำและระดับกลาง, ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนสำหรับการฟิชชัน (σ_F), ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนด้วยการปล่อยรังสีแกมมา(σ_γ), และร้อยละของ non-fissions อยู่ในตารางด้านขวา.

กฎหมายควบคุม

สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง:[9][10]

• ฟิสไซล์ ระดับ I: ไม่มีการควบคุม
• ฟิสไซล์ ระดับ II: จำกัดปริมาณของวัสดุในการขนส่ง
• ฟิสไซล์ ระดับ III: ต้องมีข้อกำหนดพิเศษในการขนส่ง

ดูเพิ่ม

• Fertile material
• Fission product
• Special nuclear material

อ้างอิง

1. Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. [1]
2. doi:10.1016/j.anucene.2010.07.006
   This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
3. "Slides-Part one: Kinetics". UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. สืบค้นเมื่อ 3 January 2013.
4. James J. Duderstadt and Louis J. Hamilton (1976). Nuclear Reactor Analysis. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8.
5. John R. Lamarsh and Anthony John Baratta (Third Edition) (2001). Introduction to Nuclear Engineering. Prentice Hall. ISBN 0-201-82498-1.
6. Fissile Materials and Nuclear Weapons เก็บถาวร 2012-02-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, International Panel on Fissile Materials
7. "Interactive Chart of Nuclides". Brookhaven National Laboratory. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2017-01-24. สืบค้นเมื่อ 2013-08-12.
8. เอพิเทอร์มัลนิวตรอน, นิวตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าเทอร์มัลนิวตรอนแต่ต่ำกว่านิวตรอนเร็ว มีพลังงานในช่วง 0.5 อิเล็กตรอนโวลต์ ถึง 1 แสนอิเล็กตรอนโวลต์ คำนี้มีความหมายเหมือนกับ intermediate neutron [นิวเคลียร์]
9. Safe Transport of Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 1964
10. 10CFR71, 49CFR173.403

อ้างอิงผิดพลาด: มีป้ายระบุ <ref> สำหรับกลุ่มชื่อ "note" แต่ไม่พบป้ายระบุ <references group="note"/> ที่สอดคล้องกัน