นิวเคลียร์ฟิชชันคืออะไร?

การแยกตัวของนิวเคลียร์คือการแยกนิวเคลียสของอะตอมเพื่อสร้างธาตุที่เบากว่าสองธาตุ (หรือมากกว่า)

แม้ว่าบางครั้งอาจเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติในไอโซโทปของธาตุหนักบางชนิด เช่น ทอเรียมและยูเรเนียม แต่มักถูกกระตุ้นโดยนิวตรอนที่กระทบนิวเคลียสด้วยแรงในปริมาณที่เหมาะสม

ความแออัดยัดเยียดอย่างกะทันหันทำให้กลุ่มของโปรตอนและนิวตรอนไม่เสถียรและมีแนวโน้มที่จะแตกสลาย ไม่เพียงแต่เหลือนิวเคลียสหรือผลิตภัณฑ์ฟิสไซล์ที่เล็กลงเท่านั้น แต่ยังปล่อยนิวตรอนอิสระออกมามากขึ้น พร้อมกับการระเบิดโฟตอนที่พลังงานสูงในรูปของรังสีแกมมา

พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการแยกอนุภาคนิวเคลียร์นี้ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20

แม้ว่ากระบวนการผลิตพลังงานจะไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่สร้างปัญหาเช่นเดียวกับการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล แต่ความกังวลเกี่ยวกับความเสี่ยงในการหลอมละลาย ของเสียอันตรายในระยะยาว และต้นทุน ส่งผลให้อนาคตปรมาณูที่หลายคนใฝ่ฝันในอดีตอาจไม่สามารถทำได้ง่าย

นิวเคลียร์ฟิชชันถูกนำมาใช้เพื่อผลิตพลังงานนิวเคลียร์อย่างไร?

การทดลองในช่วงทศวรรษที่ 1930ซึ่งเกี่ยวข้องกับการระดมยิงอะตอมด้วยอนุภาคนิวเคลียร์ทำให้เกิดแบบจำลองฟิชชันที่สัญญาว่าจะปล่อยพลังงานจำนวนมากออกจากไอโซโทปที่เหมาะสมของธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม

ทฤษฎีทำนายว่ายูเรเนียม 235 มีแนวโน้มที่จะเกิดฟิชชันมากกว่ามากเมื่อเทียบกับไอโซโทปอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้านิวตรอนที่โจมตีนิวเคลียสของมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ค่อนข้างช้า

การปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติมจากกระบวนการฟิชชันอาจทำให้อะตอม U-235 ที่อยู่ใกล้เคียงแตกตัวได้เช่นกัน เพื่อให้ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้น จะต้องมีความหนาแน่นค่อนข้างสูงของ U-235 ที่ถูกบีบเข้าด้วยกัน ซึ่งเรียกว่า 'มวลวิกฤต' ของวัสดุ

ในช่วงปลายทศวรรษปี 1930 นักฟิสิกส์ได้คิดค้นวิธีการชะลอนิวตรอนให้เพียงพอสำหรับการดักจับและเพิ่มส่วนผสมของไอโซโทปยูเรเนียมจากทรัพยากรธรรมชาติเพื่อสร้างมวลวิกฤตของ U-235 พวกเขายังคิดวิธีควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตนิวตรอนแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลจะไม่อยู่นอกเหนือการควบคุม ในกรณีนี้กระบวนการอาจระเบิดได้

ในทศวรรษต่อมา ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการแตกตัวของนิวเคลียร์จะถูกนำไปใช้กับการผลิตของสุดยอดอาวุธคลาสใหม่- เฉพาะช่วงหลังสงครามโลกครั้งที่สองเท่านั้นที่วิศวกรหันความสนใจกลับไปยังความเป็นไปได้ที่กระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชันสามารถนำไปใช้กับการผลิตความร้อนที่ยั่งยืนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้

เช่นเดียวกับไอน้ำที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลในหม้อต้มน้ำเพื่อเปลี่ยนกังหันที่เชื่อมโยงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำจาก 'หม้อต้มนิวเคลียร์' ก็สามารถนำมาใช้ผลิตพลังงานได้เช่นกัน

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้ปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป ในบางกรณี ทิ้งตัวหน่วงเวลาที่ทำให้นิวตรอนช้าลงเพื่อให้เกิดวัสดุฟิสไซล์เพื่อจับอนุภาคที่ 'เร็วขึ้น'- วันนี้ก็มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ประมาณ 440 แห่งในการดำเนินงานทั่วโลก โดยมีเกือบ 100 แห่งในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียวเมื่อรวมกันแล้วพืชเหล่านี้ผลิตไฟฟ้าประมาณร้อยละ 10 ของโลกลดลง 7 เปอร์เซ็นต์จากจุดสูงสุดในปี 1993

ในยุคที่การผลิตของประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ของกระแสไฟฟ้าของโลกปั่นป่วนก๊าซเรือนกระจกในอัตราที่คุกคามภัยพิบัติโลกร้อนพลังงานนิวเคลียร์นำเสนอทางเลือกที่ค่อนข้างสะอาดกว่า-

แต่มีค่าใช้จ่ายที่อาจจำกัดจำนวนเงินที่เราควรหันไปใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อความรอดจากวิกฤตสภาพภูมิอากาศ

พลังงานนิวเคลียร์มีปัญหาอะไร?

เมื่อพูดถึงการค้นหาทางเลือกพลังงานที่คุ้มค่าและปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่ำแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล เราอาจทำได้แย่กว่าพลังงานนิวเคลียร์ ที่สำคัญเรายังสามารถทำได้ดีกว่านี้ด้วยเทคโนโลยีพลังงานทดแทน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และลมมีราคาถูกลงทุกปี-

ความท้าทายของพลังงานนิวเคลียร์แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ ของเสีย ความเสี่ยง และต้นทุน นี่คือตัวอย่างของแต่ละข้อ

ของเสีย

หนึ่งในความกังวลสาธารณะที่ใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาคือ จะทำอย่างไรกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมเมื่อถูกกักขังด้วยผลิตภัณฑ์ฟิสไซล์จนไม่สามารถผลิตพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกต่อไป

ของเสียระดับสูงนี้มีไอโซโทปที่อาจใช้เวลาหลายพันปีในการลดกัมมันตภาพรังสีให้อยู่ในระดับที่ใกล้เคียงกับแร่ที่มาจากมัน ตอนนี้มากกว่ากหนึ่งในสี่ของล้านเมตริกตันของเสียที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงถูกจัดเก็บทั่วโลกเพื่อรอการกำจัดหรือแปรรูปใหม่

นี่มันแย่เหรอ? แม้ว่ากากนิวเคลียร์ที่เก็บไว้ไม่จำเป็นต้องเป็นภัยคุกคามทันทีหากมีการกักเก็บอย่างดีคำถามเกี่ยวกับการจัดการระยะยาวและความเป็นไปได้ของการจัดการที่ไม่ถูกต้องและอุบัติเหตุทำให้การจัดเก็บกองขยะนิวเคลียร์ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ กลายเป็นประเด็นที่ถกเถียงกัน

คาร์บอนยังเป็นของเสียที่ต้องพิจารณาอีกด้วย ในขณะที่กระบวนการฟิชชันและการแปลงพลังงานนิวเคลียร์เป็นไฟฟ้าค่อนข้างปราศจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนงบประมาณคาร์บอนรวมสำหรับการขุดและการแปรรูปแร่ที่จำเป็นสำหรับการแยกตัวและการก่อสร้างโรงไฟฟ้าคอนกรีตไม่เป็นศูนย์-

ตลอดอายุการใช้งาน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งใหม่สามารถปล่อยก๊าซในปริมาณที่เทียบเท่าโดยประมาณได้CO 4 กรัม₂ต่อการผลิตไฟฟ้าทุกๆ กิโลวัตต์ชั่วโมงประมาณการบางส่วนทำให้ผลผลิตสูงขึ้นมาก โดยอยู่ที่ใดก็ได้ตั้งแต่ 10 กรัมของ CO₂ถึง 130 กรัม ในบางกรณี

ที่กล่าวว่าการเปลี่ยนโรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สามารถรักษาบรรยากาศของ CO2 ได้มากกว่าหนึ่งล้านตัน₂ในแต่ละปีไม่ต้องพูดถึงอนุภาคและมลพิษอื่นๆ ด้วยเหตุผลเดียวกัน พลังงานหมุนเวียนที่สะอาด เช่น กังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์ จะไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์เนื่องจากการผลิตและการติดตั้ง รอยเท้าคาร์บอนสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเปรียบเทียบได้ไม่มากก็น้อยโดยมีส่วนล่างสุดสำหรับนิวเคลียร์

โดยรวมแล้ว พลังงานจากพลังงานนิวเคลียร์ (อย่างดีที่สุด) ปราศจากคาร์บอนพอๆ กับพลังงานจากแสงอาทิตย์และลม แม้ว่าจะเป็นปัญหาขยะที่ไม่เป็นที่นิยมซึ่งมีเพียงไม่กี่คนที่ต้องการในสวนหลังบ้านก็ตาม

เสี่ยง

เป็นเวลากว่าสามทศวรรษแล้วที่ยูเครนในยุคโซเวียตทำให้โลกได้สัมผัสถึงสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสำหรับอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ หลังจากการล่มสลายระหว่างการทดสอบทางเทคนิคในปี 1986เชอร์โนบิลโรงไฟฟ้านิวเคลียร์พังทลายลงจนกลายเป็นซากกัมมันตภาพรังสีท่ามกลางภูมิทัศน์ได้รับพิษจากผลของมัน

ในปี 2011 เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟูกูชิมะของญี่ปุ่นก็พังทลายลงหลังจากแผ่นดินไหวสั่นสะเทือน

เหตุการณ์ร้ายแรงเช่นนี้ไม่ธรรมดาพอที่จะพาดหัวข่าวที่น่าตกใจ แต่การประมาณการบางส่วนชี้ให้เห็นว่าการล่มสลายดังกล่าวอาจเกิดขึ้นได้ทุกๆ 10 ถึง 20 ปีเสี่ยงต่อการแพร่กระจายของสารกัมมันตรังสีไปทั่วภูมิประเทศหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตร

เรื่องนี้จะแย่ขนาดไหน? เป็นการยากที่จะพูด ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของประชากร ขอบเขตของการสัมผัส และความเข้มข้นของไอโซโทปตามที่องค์การอนามัยโลก, "ประชากรฟูกูชิมะผู้พลัดถิ่นกำลังทุกข์ทรมานจากผลกระทบทางจิตสังคมและสุขภาพจิตภายหลังการย้ายที่อยู่ ความเชื่อมโยงทางสังคมที่ขาดหายของผู้ที่สูญเสียบ้านและการจ้างงาน ความสัมพันธ์ในครอบครัวที่ขาดการเชื่อมต่อ และการตีตรา"

กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันไม่ใช่แค่ความเสี่ยงของกัมมันตภาพรังสีที่เราต้องกังวล

ถึงกระนั้น เนื่องจากเราคุ้นเคยกับผลกระทบต่อสุขภาพจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลแล้ว เราจึงแทบไม่ได้สนใจเรื่องนี้เลยผลกระทบต่อสุขภาพของอนุภาคพองตัวด้วยการเผาถ่านหินซึ่งนั่นเองไม่ได้ปราศจากสารกัมมันตภาพรังสีอย่างแน่นอน

ค่าใช้จ่าย

เพื่อเปรียบเทียบต้นทุนการผลิตไฟฟ้า นักวิจัยใช้สิ่งที่เรียกว่าต้นทุนพลังงานแบบปรับระดับหรือ LCOE นี่คือการวัดต้นทุนสุทธิเฉลี่ยในการสร้างที่คาดการณ์ไว้ตลอดอายุการใช้งานของไซต์

ตัวเลขนี้จะขึ้นอยู่กับสิ่งต่างๆ มากมายที่เกี่ยวข้องกับสถานที่ตั้งและความผันผวนของทรัพยากร แต่ก็ยังเป็นไปได้ที่จะเข้าใจ LCOE ทั่วโลกเพื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยี-

ตามรายงานของอุตสาหกรรมนิวเคลียร์โลกรายงานสถานะประจำปี 2563LCOE สำหรับพลังงานนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น 26 เปอร์เซ็นต์ในช่วงทศวรรษระหว่างปี 2552 ถึง 2562 เป็น 155 ดอลลาร์สหรัฐต่อเมกะวัตต์ชั่วโมง ในเวลาเดียวกัน ถ่านหินลดลง 2 เปอร์เซ็นต์ เหลือ 109 ดอลลาร์สหรัฐฯ

ในทางกลับกัน แผงเซลล์แสงอาทิตย์มีราคาลดลงเกือบ 90 เปอร์เซ็นต์ เหลือเพียง 41 ดอลลาร์สหรัฐฯ ลมก็ลดลงเช่นกันโดยมีต้นทุนเท่ากัน

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชันสามารถช่วยโลกได้หรือไม่?

แน่นอนว่าเทคโนโลยีใหม่สามารถสร้างความแตกต่างได้เสมอ การค้นหาวิธีดักจับที่ดีกว่ากากนิวเคลียร์อาจทำให้ปลอดภัยยิ่งขึ้น หรืออย่างน้อยก็ทำให้สาธารณชนมั่นใจว่าจะเป็นภัยคุกคามน้อยลงในอนาคตทางเลือกแทนไอโซโทปยูเรเนียมสามารถขจัดความวิตกกังวลจากการล่มสลายและศักยภาพในการติดตั้งอาวุธนิวเคลียร์ได้ การเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีสามารถทำได้ส่งผลกระทบต่อขนาดของเครื่องปฏิกรณ์หรือแม้แต่ปรับปรุง LCOE ของพวกเขาไปเลย

แต่มันก็น่าจะเป็นสายเกินไปเล็กน้อย-

การวิเคราะห์การนำการผลิตพลังงานนิวเคลียร์และพลังงานหมุนเวียนมาใช้ในกว่าร้อยประเทศในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา พบว่าพลังงานนิวเคลียร์ไม่ได้บรรลุผลลัพธ์ในการลดคาร์บอนเช่นเดียวกับพลังงานหมุนเวียน

ยิ่งไปกว่านั้น การลงทุนในพลังงานนิวเคลียร์เป็นต้นทุนที่จมซึ่งทำให้ยากต่อการก้าวไปสู่อนาคตของพลังงานหมุนเวียนในภายหลัง

ทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่าพลังงานนิวเคลียร์ไม่มีที่สำหรับการผลิตพลังงานในอนาคตการสำรวจอวกาศตัวอย่างเช่น อาจได้รับประโยชน์จากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการแยกตัวของนิวเคลียร์ นอกเหนือจากการผลิตพลังงานแล้ว การผลิตไอโซโทปเฉพาะสำหรับการแพทย์และการวิจัย ผ่านการใช้ฟิชชัน ถือเป็นอุตสาหกรรมที่ทรงคุณค่า

มันอาจจะไม่ได้ช่วยให้เรารอดพ้นจากวิกฤตสภาพภูมิอากาศ แต่ยุคนิวเคลียร์ยังให้ประโยชน์ทางเทคโนโลยีอื่นๆ ที่จะอยู่กับเราไปอีกนาน

ผู้อธิบายทั้งหมดจะถูกกำหนดโดยผู้ตรวจสอบข้อเท็จจริงว่ามีความถูกต้องและเกี่ยวข้อง ณ เวลาที่เผยแพร่ ข้อความและรูปภาพอาจมีการเปลี่ยนแปลง ลบ หรือเพิ่มเป็นการตัดสินใจของบรรณาธิการเพื่อให้ข้อมูลเป็นปัจจุบัน