บทเรียนที่ 2 การวิเคราะห์ไอโซโทป (Isotope Analysis)

การวิเคราะห์ไอโซโทป เป็นการหารูปแบบไอโซโทป (isotopic signature) ลักษณะการกระจายของไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ทางด้านอาหาร เพื่อหาแหล่งที่มาของอาหาร ระดับการกินอาหาร (trophic level) ว่าอยู่ส่วนใดของห่วงโซ่อาการ หรือลักษณะการดำรงชีวิตของสัตว์ในยุคโบราณ ซึ่งสามารถประยุกต์ใช้ทางด้านโบราณคดี นิเวศวิทยา นิติวิทยาศาสตร์ อุทกวิทยา หรือธรณีวิทยา โดยสัดส่วนของไอโซโทป (isotope ratio) สามารถหาได้ด้วยเทคนิคการวัดมวล (mass spectrometry) ซึ่งจะแยกไอโซโทปของธาตุที่ไม่เท่ากันออกจากกัน โดยอาศัยหลักการของสัดส่วนมวลต่อประจุ (mass-to-charge ratio)เทคนิคการวิเคราะห์ไอโซโทปของออกซิเจน (Oxygen isotopes)

ออกซิเจนธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ซึ่งมีสัดส่วนของแต่ละไอโซโทป ดังนี้

สัดส่วนของไอโซโทปออกซิเจนเหล่านี้ จะเป็นค่าระดับเดียวกันในอะตอมของออกซิเจนทั้งหมดในโมเลกุล เช่น โมเลกุลของน้ำ (H2O) ไอโซโทปของออกซิเจนทั้งหมดมีคุณสมบัติคล้ายกัน แต่ น้ำที่มีไอโซโทปเป็น16O จะระเหยได้ง่ายกว่าน้ำที่มีไอโซโทปเป็น18O

ในการวิเคราะห์ไอโซโทป จะไม่หาปริมาณของไอโซโทปของออกซิเจน แต่จะใช้วิธีหาสัดส่วนของไอโซโทป O-18 ต่อ O-16 (ใช้สัญลักษณ์ d18O) ในตัวอย่าง เปรียบเทียบกับค่ามาตรฐาน VSMOW โดยใช้สมการ

ค่าที่ได้ แสดงในหน่วยเปอร์มิลล์ (permil, %0) หรือ ส่วนในพันส่วน ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างตัวอย่างกับสารมาตรฐาน ซึ่งโดยปกติจะมีค่าน้อยมาก แต่ค่าความแตกต่าง 1 permil ก็ถือว่ามีนัยสำคัญความแปรปรวนเนื่องจากละติจูด (Variation by latitude)มวลของความชื้นในอากาศที่อยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรจะมีไอโซโทปที่เบามากกว่า

เนื่องจากไอโซโทป O-18 ที่หนักกว่าจะกลั่นตัวได้ง่ายกว่า จึงมีสัดส่วนที่ต่ำลงตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก ดังนั้น สัดส่วนของ O-16 ต่อ O-18 ในบรรยากาศ จึงสูงขึ้นตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก เนื่องจากการสูญเสีย O-18 ในไอน้ำไปกับการกลั่นตัวในรูปของฝนและหิมะความแปรปรวนเนื่องจากวัฏจักรของน้ำ (Variation occurring from the hydrological cycle) สัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจน จะมีความแตกต่างกันได้เนื่องจากผลกระทบของสภาวะอากาศและสภาพภูมิประเทศ ซึ่งมีผลต่อการเคลื่อนที่ของน้ำ พื้นที่ที่มีความชื้นต่ำจะมีการสูญเสีย O-18 ได้มากกว่าทั้งจากกระบวนการระเหยและการกลั่นตัว นอกจากนั้น O-16 สามารถระเหยไปในบรรยากาศได้ดีกว่า ขณะที่ O-18 ยังคงอยู่ในรูปของเหลวในน้ำ ในพืชและในสัตว์ 

ผลจากกระบวนการในเนื้อเยื่อ (Tissues affected)ไอโซโทปของออกซิเจนสามารถเข้าไปในร่างกายได้จากกระบวนการดื่มหรือกินเข้าไปเป็นหลัก นักธรณีวิทยาจึงศึกษาออกซิเจนที่เข้าไปในร่างกายจากกระดูกและฟัน ซึ่งอยู่ในรูปของ hydroxylcarbonic apatite กระดูกถูกสร้างขึ้นใหม่ตลอดช่วงชีวิตของแต่ละคน แม้ว่าจะยังไม่ทราบอัตราการเข้าออกของออกซิเจนใน hydroxyapatite ที่แน่ชัดทั้งหมด แต่ก็คาดว่าใกล้เคียงกับในคอลลาเจน ซึ่งใช้เวลาประมาณ 10 ปี ดังนั้น ระยะเวลาที่ออกซิเจนอยู่ในร่างกายจึงอยู่ในช่วง 10 ปี

อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในกระดูก จึงแสดงถึงอัตราส่วนออกซิเจนที่ร่างกายได้รับ ในช่วงเวลาและในพื้นที่นั้นฟันไม่ได้เป็นอวัยวะที่ถูกสร้างทดแทนแบบต่อเนื่อง ค่าของอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนจึงมีค่าคงที่ตั้งแต่ตอนที่สร้างขึ้นมา อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในฟันจึงแสดงถึงอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในพื้นที่ที่คนนั้นเกิดหรือเติบโตขึ้นมา

ฟันน้ำนมสามารถใช้หาอายุที่เด็กหย่านม เนื่องจากนมแม่ผลิตขึ้นโดยใช้น้ำจากร่างกายของแม่ ซึ่งมีระดับ O-18 สูงกว่าปกติ เนื่องจากการสูญเสีย O-16 ไปกับเหงื่อ ปัสสาวะ และการระเหยออกจากร่างกายฟันมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมี จึงสามารถใช้ในการวิเคราะห์องค์ประกอบขณะถูกสร้างขึ้นมา เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปออกซิเจนในสารประกอบกลุ่มฟอสเฟตและกลุ่มไฮดรอกซี หรือใช้วิเคราะห์ที่มาของกลุ่มคาร์บอเนต

การประยุกต์ (Applications) การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอย่างกว้างขวาง รวมถึงการประยุกต์ใช้ในทางชีววิทยา ทางธรณีวิทยา และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมอีกเป็นจำนวนมากโบราณคดี (Archaeology)การศึกษาการกินอาหารของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ (Reconstructing palaeodiet)กระดูกที่ขุดได้จากแหล่งโบราณคดี สามารถนำมาวิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อใช้เป็นข้อมูลแสดงการเคลื่อนย้ายและอาหารที่กิน สารเคลือบฟันและพื้นดินที่อาศัยอยู่ หรือวัตถุที่ติดกันอยู่ก็สามารถนำมาใช้วิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อแสดงให้เห็นภาพที่ถูกต้องของการกินอาหาร ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจกับกระบวนการเข้าแทนที่ (diagenesis) ที่อาจมีผลต่อที่มาของสัญญาณไอโซโทป องค์ประกอบของไอโซโทปคาร์บอนกับไนโตรเจน ใช้ในการวิเคระห์อาหารที่กิน ไอโซโทปของออกซิเจน ใช้หาที่มาทางภูมิศาสตร์ ส่วนไอโซโทปของาตรอนเทียม (Strontium) และตะกั่ว (teeth) ในฟันและกระดูกใช้หาการเคลื่อนย้ายของประชากรและความสัมพันธ์กันของวัฒนธรรมสัตว์ได้รับไอโซโทปคาร์บอนจากอาหารที่กินเข้าไปขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ ได้รับไอโซโทปออกซิเจนจากน้ำที่ดื่ม การหาสัดส่วนไอโซโทป12C/13C จะทำให้ทราบว่าอาหารที่สัตว์กินเข้าไปเป็นพืชแบบ C3 หรือ C4 เป็นหลัก กระบวนการนี้จะหยุดลงเมื่อสัตว์นั้นตายลง ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีการสะสมไอโซโทปในตัวของสัตว์อีก จะยังคงมีแต่กระบวนการสลายตัว การที่นักวิจัยจะทราบคำตอบที่ถูกต้องได้ จำเป็นต้องทราบค่าตั้งต้นของระดับไอโซโทป หรือสามารถประมาณค่าของไอโซโทปเมื่อเวลาที่สัตว์ตายลงได้การหาอาหารที่สัตว์ดึกดำบรรพ์กินได้ถูกต้อง นักวิจัยจำเป็นต้องเข้าใจกระบวนการเข้าแทนที่ ซึ่งอาจมีผลต่อสัญญาณเริ่มต้นของไอโซโทป นอกจากนั้น นักวิจัยจำเป็นต้องทราบความแปรปรวนของไอโซโทปในสัตว์แต่ละตัว ระหว่างสัตว์แต่ละตัว และความแปรปรวนเมื่อเวลาผ่านไป

แหล่งที่มาขอโบราณวัตถุ (Sourcing archaeological materials)การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถใช้ประโยขน์ในทางโบราณคดีได้อย่างมากจากการนำมาใช้ในการวิเคราะห์คุณสมบัติ เช่น หาไอโซโทปในวัสดุที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น เช่น แร่โลหะของวัสดุนั้นเปรียบเทียบกับองค์ประกอบของไอโซโทปในฐานข้อมูล มีการใช้คุณสมบัติทางไอโซโทปในการระบุแหล่งที่มาของโบราณวัตถุหลายชนิด เช่น โลหะ แก้ว และสีที่ผสมด้วยตะกั่ว เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว (Lead Isotope Analysis)

ในโบราณวัตถุยุคโลหะ ของเมดิเตอเรเนียน (Bronze Age Mediterranean) และใช้เป็นดัชนีที่สำคัญในการศึกษารูปแบบการค้ายุคโบราณ การแปรผลของการวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว มักจะมีข้อโต้แย้งและความท้าทายเนื่องมาจากทั้งวิธีการและอุปกรณ์ที่ใช้ ซึ่งปัญหาอาจจะมาจากการใช้โลหะผสมที่มาจากหลายแหล่งหรือใช้โลหะที่นำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งข้อจำกัดอาจมาจากความถูกต้องของข้อมูลหรือการปนเปื้อนของตัวอย่าง ทำให้เกิดปัญหาในการแปรผลที่ยุ่งยากมากขึ้นนิเวศวิทยา (Ecology) ธาตุองค์ประกอบทางชีววิทยาประกอบไอโซโทปที่แตกต่างกันในหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนที่ส่วนใหญ่เป็น คาร์บอน-12 (12C) และมีคาร์บอน-13 (13C) ประมาณ 1% สัดส่วนของ 2 ไอโซโทปนี้แปรผันไปตามกระบวนการทางชีววิทยาและสภาพทางภูมิศาสตร์ ความแตกต่างกันนี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ทางนิเวศวิทยา ซึ่งธาตุหลักที่นำมาใช้ในทางไอโซโทปทางนิเวศวิทยา ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และซัลเฟอร์

การวิเคราะห์สัดส่วนของออกซิเจน-18 (18O) ต่อ ออกซิเจน-16 (16O) ในเปลือกหอยกาบโคโลราโด (Colorado Delta clam) สามารถใช้ในการประเมินความกว้างของปากแม่น้ำในบริเวณสามเหลี่ยมปากแม่น้ำโคโลราโด ก่อนที่จะทำการก่อสร้างเขื่อนทางตอนบนของแม่น้ำนิติเวชวิทยา (Forensics) พัฒนาการของนิติวิทยาศาสตร์ (forensic science) เมื่อไม่นานมานี้คือการวิเคราะห์ไอโซโทปในเส้นผม เส้นผมมีอัตราการงอกประมาณ 9-11 มิลลิเมตรต่อเดือน หรือ 15 เซนติเมตรต่อปี ผมที่งอกยาวขึ้นจะมีส่วนสัมพันธ์กับอาหารและน้ำดื่ม สัดส่วนของไอโซโทปเสถียรในน้ำดื่มจะเป็นไปตามสถานที่แต่ละแห่งและสภาพทางธรณีวิทยาที่น้ำนั้นไหลผ่านมา

ไอโซโทปของ 87Sr,88Sr และ ออกซิเจนจะแปรผัน และแตกต่างกันไปในแต่ละแห่งของโลก ความแตกต่างในสัดส่วนของไอโซโทปเหล่านี้ จึงอยู่ในแต่ละส่วนของเส้นผมที่งอกขึ้นมา และใช้ในการระบุได้ว่ามีประวัติเคยอยู่ในสถานที่ใดมาก่อนจากการวิเคราะห์เส้นผม ตัวอย่างเช่น การใช้เพื่อยืนยันว่าผู้ก่อการร้ายเคยอยู่ที่ใดมาก่อนโดยการวิเคราะห์เส้นผม วิธีการนี้ได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากไม่ต้องเจาะเลือดเพื่อนำมาตรวจ โดยเฉพาะเมื่อการวิเคราะห์ดีเอนเอหรือวิธีปกติไม่ได้ผล

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถนำมาใช้ในการทดสอบทางนิติเวชเพื่อแสดงให้เห็นว่าวัตถุระเบิด 2 ตัวอย่าง หรือมากว่านั้น ผลิตจากแหล่งเดียวกันหรือไม่ วัตถุระเบิดแรงสูงส่วนใหญ่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอน ไฮโรเจน ไนโตรเจนและออกซิเจน การเปรียบเทียบสัดส่วนของไอโซโทปเหล่านี้สามารถใช้บอกที่มาของวัสดุได้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นด้วยว่า การวิเคราะห์สัดส่วนของ12C/13C สามารถใช้บอกประเทศที่เป็นแหล่งที่มาของวัตถุระเบิดนั้นได้มีการใช้การวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียรในการติดตามเส้นทางของยาเสพติด ปริมาณไอโซโทปในมอร์ฟีนที่สกัดจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ มีค่าที่แตกต่างจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันตกเฉียงใต้ เทคนิคเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้กับการแยกความแตกต่างของโคเคนที่ผลิตจากโบลิเวียกับโคลัมเบียได้เช่นกัน

ธรณีวิทยา (Geology)สาขาไอโซโทปทางธรณีเคมี (isotope geochemistry) ซึ่งเน้นด้านธรณีวิทยา เป็นการศึกษาสัดส่วนหรือความเข้มข้นของธาตุและไอโซโทปที่เป็นองค์ประกอบโลก ความผันแปรของปริมาณไอโซโทปที่วัดได้ด้วยเครื่องวัดสัดส่วนมวลของไอโซโทป (isotope ratio mass spectrometer) หรือ การวัดมวลด้วยเครื่องเร่งอนุภาค (accelerator mass spectrometer) สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของหินหรือแหล่งที่มาของน้ำหรืออากาศ สัดส่วนของไอโซโทปสามารถแสดงให้เห็นกระบวนการทางเคมีในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่วตะกัวประกอบด้วย 4 ไอโซโทปเสถียร ได้แก่204Pb,206Pb,207Pb,208Pb และอีก 1 ไอโซโทปรังสี ได้แก่202Pb ซึ่งมีครึ่งชีวิต ~53,000 ปี ตะกั่วบนโลกเกิดขึ้นจากการสลายตัวของของกลุ่มยูเรเนียม โดยเฉพาะยูเรเนียมกับทอเรียม

ในทางธรณีเคมี มีการใช้ไอโซโทปของตะกั่วในการหาอายุของวัตถุหลายชนิด เนื่องจากตะกั่วเกิดจากการสลายตัวของธาตุกลุ่มยูเรเนียม สัดส่วนของแต่ละไอโซโทปจึงสามารถนำมาใช้ในการตรวจสอบแหล่งที่มาว่าเกิดจากการหลอมตัวในหินแกรนิต หรือเกิดจากการตกตะกอนมีการนำไปใช้ในการหาอายุของแกนน้ำแข็งจากชั้นน้ำแข็งในอาร์กติก การให้ข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งที่มาของมลภาวะจากตะกั่วในบรรยากาศไอโซโทปของตะกั่วยังนำไปใช้ในทางนิติวิทยาศาสตร์ เพื่อบอกที่มาของกระสุนปืน เนื่องจากลูกกระสุนแต่ละชุด จะมีสัดส่วนของ204Pb/206Pb ต่อ207Pb/208Pb ที่เป็นค่าจำเพาะ

อุทกวิทยา (Hydrology)ไอโซโทปอุทกวิทยา (Isotope hydrology ) เป็นการใช้ไอโซโทปเพื่อหาอายุและแหล่งที่มาของน้ำ และทิศทางการเคลื่อนตัวในวัฏจักรของน้ำ เทคนิคนี้ทำให้ได้ข้อมุลไปใช้ในการกำหนดนโยบายการใช้น้ำ การทำแผนภูมิชั้นน้ำ (mapping aquifer) การบริหารจัดการน้ำ และการควบคุมมลภาวะ โดยนำมาใช้แทนที่หรือสับสนุนวิธีการเดิมที่ใช้การวัดน้ำฝน การวัดระดับของแม่น้ำ และแหล่งน้ำต่างๆโมเลกุลของน้ำแต่ละแห่งจะมีลักษณะจำเพาะ เนื่องจากมีสัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจนกับไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน

อากาศ ดินและน้ำ มีออกซิเจนที่ส่วนใหญ่เป็นออกซิเจน-16 (16O) และมีออกซิเจน-18 (18O) อยู่ประมาณ 1/500 ของอะตอมของออกซิเจนทั้งหมด ออกซิเจน-18 นิวตรอนมากกว่าออกซิเจน 2 นิวตรอนและมีมวลมากกว่าเล็กน้อย ดังนั้น เมื่อเกิดการระเหย ออกซิเจน-16 ที่เบากว่าจึงระเหยได้ง่ายกว่า น้ำที่เหลืออยู่ จึงมีสัดส่วนของออกซิเจน-18 มากกว่าเดิม ดังนั้น น้ำในทะเลจึงมีแนวโน้มที่จะมีออกซิเจน-18 มากกว่าน้ำฝนหรือหิมะ

คาร์บอน-14 ก็สามารถนำมาใช้ในทางไอโซโทปอุทกวิทยาได้เช่นกัน เนื่องจากน้ำธรรมชาติประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายปะปนอยู่การประยุกต์ใช้ไอโซโทปอุทกวิทยา ได้แก่ การหาอายุของหิมะหรือน้ำแข็ง และช่วยแสดงสภาวะของบรรยากาศในอดีต ในสภาวะที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าเฉลี่ย ออกซิเจน-18 จะได้รับพลังงานมากขึ้น ทำให้มีออกซิเจนในบรรยากาศมากขึ้น ขณะเดียวกัน การที่มีออกซิเจน-18 ต่ำกว่าปกติในน้ำใต้ดินและในชั้นน้ำแข็ง ก็แสดงว่าน้ำหรือน้ำแข็งนั้นเกิดจากการระเหยของน้ำในยุคที่บรรยากาศเย็นลงหรือในยุคน้ำแข็งการประยุกต์เพื่อใช้ศึกษาการไหลของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดินที่มาจากน้ำในลำธารเพื่อใช้ในการทำแผนภูมิอุทกวิทยา น้ำที่เกิดจากจากฝนหรือหิมะที่ตกลงมานั้นมีสัดส่วนของไอโซโทปที่เป็นค่าจำเพาะ ซึ่งไอโซโทปของน้ำใต้ดินสามารถหาได้จากการเก็บตัวอย่างจากหลุมเจาะ ขณะที่การหาสัดส่วนของไอโซโทปจากลำธารในแต่ละแห่ง แต่ละช่วงเวลา จะแสดงให้เห็นว่าส่วนใดของน้ำในลำธารมาจากน้ำผิวดินหรือน้ำใต้ดิน

ภูมิกาศบรรพกาลวิทยา (Paleoclimatology)สัดส่วนของไอโซโทป18O กับ16O ในแกนน้ำแข็งและที่ก้นทะเลมีค่าแปรตามอุณหภูมิ ซึ่งสามารถใช้แทนค่าเพื่อหาการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ จากการที่ไอโซโทป16O เบากว่า18O ในช่วงที่โลกอยู่ในภาวะที่เย็นลง (เกิดธารน้ำแข็ง) เช่นในยุคน้ำแข็ง ไอโซโทปของ16O มีแนวโน้มที่จะระเหยจากมหาสมุทรที่เย็นตัวลง ทำให้มีไอโซโทปของ18O มากกว่าเล็กน้อย สิ่งมีชีวิต เช่น foraminifera จะดูดซึมออกซิเจน คาร์บอนและแคลเซียม ที่ละลายอยู่ในน้ำรอบตัวเอง เพื่อนำมาใช้สร้างเปลือกหุ้ม จึงทำให้สัดส่วน18O กับ16O ในเปลือกหุ้มนั้นมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิด้วย

เมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นตายลงและทับถมอยู่ที่พื้นทะเล จึงเป็นการเก็บรักษาบันทึกข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศที่เกิดขึ้นสูงมากในยุคควอเทอร์นารี (Quaternary) ในทำนองเดียวกัน แกนน้ำแข็งบนแผ่นดินจะมีสัดส่วนของไอโซโทป18O ที่หนักมากกว่า16O ในช่วงที่อากาศอบอุ่น ที่อยู่ระหว่างแต่ละยุคน้ำแข็ง (interglacials) ซึ่งไอโซโทป18O ได้รับพลังงานในการระเหยมากขึ้น ไอโซโทปของออกซิเจนที่เก็บรักษาไว้ในแกนน้ำแข็งจึงเหมือนเงาสะท้อนของบันทึกที่เก็บข้อมูลของตะกอนในมหาสมุทรไอโซโทปของออกซิเจนจะเก็บบันทึกผลกระทบของวัฏจักรมิลานโควิตช์ (Milankovitch cycles) ซึ่งเป็นวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนของโลก กับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกในยุค Quaternary ที่แสดงให้เห็นว่าวัฏจักรนี้จะมีผลต่อภูมิอากาศโลก โดยมีวงรอบประมาณ 100,000 ปี

ถอดความจาก Isotope analysis
เวบไซต์ www.wikipedia.com

บทเรียนที่ 3 การวัดกัมมันตภาพรังสีของแกนโลกเป็นครั้งแรก

กัมมันตภาพรังสีธรรมชาติของโลกได้รับการวัดเป็นครั้งแรก การวัดนี้จะช่วยให้นักธรณีวิทยาทราบถึงการสลายตัวทางนิวเคลียร์ ที่ส่งผลต่อปริมาณความร้ออนที่เกิดขึ้นภายในโลก

ความร้อนภายในโลกทำให้เหล็กที่หลอมเหลว อยู่ที่ชั้นนอกของแกนโลกเกิดการเคลื่อนที่ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก มีคำถามว่า ความร้อนนี้มาจากไหน จากการวัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ของชั้นหินในเหมืองและหลุมเจาะ ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถประมาณได้ว่า ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในโลกมีค่าระหว่าง 30-44 terawattsความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ บางส่วนมาจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี จากการศึกษาอุกกาบาตรุ่นแรก เช่น carbonaceous chondrites นักธรณีวิทยาคำนวณโดยประมาณได้ว่า ปริมาณธาตุยูเรเนียมและทอเรียม ทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสีที่ให้ความร้อนประมาณ 19 terawatts แต่ก็ยังไม่ทราบว่าในโลกมีปริมาณยูเรเนียมที่แน่นอนอยู่เท่าใด Bill McDonough นักธรณีวิทยาจากมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ (Maryland in College Park) กล่าวว่า ยังมีความไม่แน่นอนอยู่

มีทางหนึ่งที่จะลดค่าความไม่แน่นอนนี้ โดยการหาอนุภาค antineutrino อนุภาคเหล่านี้เป็นปฏิอนุภาค (antimatter) กับอนุภาคนิวตริโน (neutrino) ซึ่งไม่มีประจุ และเกือบจะไม่มีมวล มีการปลดปล่อยออกมาในกระบวนการสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรีมไปเป็นตะกั่ว ถ้าสามารถวัดแอนตินิวตริโนเกิดขึ้นที่ระดับความลึกลงในภายในโลก เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านวัตถุได้เกือบทุกชนิด

ปัจจุบัน เครื่องวัด KamLAND antineutrino detector ที่ Kamioka ประเทศญี่ปุ่น นับวัดอนุภาคแอนตินิวตริโนได้แล้ว ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ ได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลแล้วพบว่า มีกระแสอนุภาคแอนตินิวตริโน ประมาณ 16.2 ล้านอนุภาคต่อตารางเซนติเมตรต่อวินาที เคลื่อนที่ออกมาจากแกนกลางของโลก และคำนวณได้ว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่ทำใหเเกิดอนุภาคเหล่านี้ จะให้พลังงาน 60 terawatt แต่ดูเหมือนว่าจะมีความร้อนออกมาเพียง 24 terawatts (Nature, vol 436, p 499) John Learned ซึ่งเป็นหัวหน้าทีมวิจัย KamLAND ที่ University of Hawaii in Manoa กล่าวว่า “เราวัดกัมมันตภาพรังสีของทั้งโลกได้เป็นครั้งแรก McDonough เสริมว่า สิ่งที่กลุ่มนักวิจัย KamLAND ค้นพบ เหมือนกับเป็นการแกะห่อของขวัญวันเกิด”การตรวจพบแอนตินิวตริโนที่เพิ่มขึ้นตามเวลา อาจจะทำให้ทีมวิจัย KamLAND สามารถหากัมมันตภาพรังสี ที่ทำให้เกิดความร้อนภายในโลก และกรณีอื่น เช่น การตกผลึกของเหล็กและนิเกิลหลอมเหลว ที่เปลือกของแกนโลกจำนวนแอนตินิวตริโนแสดงให้เห็นว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ อาจจะทำให้เกิดความร้อนประมาณ 24 terawatts แก่โลก แอนตินิวตริโนอาจจะเป็นสิ่งที่เปิดเผย สัดส่วนของสารกัมมันตรังสีในผิวโลก (crust) และเปลือกโลก (mantle) ซึ่งจะเป็นร่องรอยที่ทำให้นักธรณีวิทยาทราบว่า มีการเกิดขึ้นเมื่อใดและอย่างไร แต่การจะทำอย่างนั้นได้ ก็ต้องหาตำแหน่งได้อย่างแน่นอน ว่าแอนตินิวตริโนมาจากไหน ซึ่งต้องพึ่งเครือข่ายของเครื่องวัด ที่ติดตั้งอยู่ทั้งหมด Learned กล่าวว่า “เรากำลังมุ่งไปที่การทำแผนภาพสามมิติของนิวตริโน (neutrino tomography) ของทั้งโลก ตอนนี้ยังเป็นเพียงขั้นเริ่มต้น”

ถอดความจาก First measurements of Earth's core radioactivity
เว็บไซต์ http://www.newscientist.com

บทเรียนที่ 4 นิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear fission)

รูปด้านล่าง แสดงการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน โดยนิวตรอน (n) เข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม ทำให้แตกออกเป็นสองส่วน (Fission Product) มีพลังงานปลดปล่อยออกมาในรูปของรังสีแกมมาและรังสีชนิดอื่นๆ และให้นิวตรอนออกมาจำนวนมากขึ้น ทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นอีก เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่อง

ในทางฟิสิกส์ ฟิชชันเป็นกระบวนการทางนิวเคลียร์ หมายถึงมีการเกิดขึ้นที่นิวเคลียสของอะตอม ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสแบ่งออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กลง 2 หรือ 3 นิวเคลียส โดยทำให้เกิดผลพลอยได้ (by-product ) ในรูปอนุภาคหรือรังสีออกมาด้วย ฟิชชันจะมีการปลดปล่อยพลังงานปริมาณมากออกมา โดยได้มาจากพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ซึ่งเป็นแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force)ฟิชชันสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดได้หลายวิธี รวมทั้งการยิงนิวเคลียสของธาตุที่เป็นวัสดุ fissile ด้วยอนุภาคที่มีพลังงานพอดี อนุภาคที่ใช้ยิงส่วนใหญ่จะเป็นนิวตรอนอิสระที่มีพลังงานพอเหมาะ

นิวตรอนอิสระจะถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียส ทำให้เกิดความไม่เสถียร และจะแตกออกเป็น 2 เสี่ยงหรือมากกว่า แต่ละเสี่ยงที่เกิดจากการแตกออกของนิวเคลียส เรียกว่า ผลผลิตฟิชชัน (fission product) โดยมีนิวตรอนอิสระ 2-3 นิวตรอนและโฟตอนให้ออกมาด้วย กระบวนการนี้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาสูงมาก เมื่อเทียบกับปฏิกิริยาเคมี โดยให้ออกมาในรูปของรังสีโฟตอน (photon radiation) เช่น รังสีแกมมา พลังงานจลน์ หรือพลังงานในการเคลื่อนที่ของนิวตรอนและนิวเคลียสของผลผลิตฟิชชัน โดยทั่วไปปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละปฏิกิริยา จะให้พลังงานออกมาประมาณ 200 MeV

นิวเคลียสของอะตอมที่เป็นผลผลิตฟิชชันจะเป็นนิวเคลียสของธาตุได้หลายชนิด ซึ่งจะเกิดขึ้นแบบสุ่ม โดยมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสที่เกิดการฟิชชัน ผลผลิตฟิชชันส่วนใหญ่จะมีกัมมันตภาพรังสีสูง เนื่องจากเป็นนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร ไอโซโทปเหล่านี้มีการสลายตัว (decay) โดยคายรังสีบีตาและรังสีแกมมาออกมา ผลผลิตฟิชชันที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงเหล่านี้ จะกลายเป็นกากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นจากการผลิตพลังงานนิวเคลียร์

การเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชัน (Inducing fission)

• แม้ว่าฟิชชันสามารถทำให้เกิดขึ้นได้ง่ายโดยวิธีการดูดกลืนนิวตรอนอิสระ แต่ก็สามารถเหนี่ยวให้เกิดขึ้นได้ โดยการยิงอนุภาคชนิดอื่นเข้าใส่นิวเคลียสที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable nucleus ) อนุภาคชนิดอื่นที่สามารถใช้ได้ ได้แก่ นิวเคลียสพลังงานสูง อนุภาคโปรตอน หรือรังสีแกมมาความเข้มสูง

• นิวเคลียสที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable nucleus) สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้เอง (spontaneous nuclear fission) อย่างช้าๆ โดยไม่มีนิวตรอนจากภายนอกมาเหนี่ยวนำ

• การเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน จะทำได้ง่ายในธาตุหนัก (heavy elements) โดยธาตุที่ยิ่งหนักมากก็ยิ่งเกิดฟิชชันได้ ธาตุที่หนักกว่าเหล็กจะปฏิกิริยาฟิชชันโดยให้พลังงานออกมา ส่วนธาตุที่เบากว่าต้องใช้พลังงานในการทำให้เกิดฟิชชัน ซึ่งจะมีลักษณะตรงข้ามกับปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) ที่ธาตุเบากว่าเหล็กเกิดฟิวชันแล้วให้พลังงานออกมา และธาตุที่หนักกว่าเหล็กต้องใช้พลังงานเข้าไปเพ่อให้เกิดฟิวชัน สังเกตได้ที่รูปของกราฟพลังงานยึดเหนี่ยว

• ธาตุที่มักจะใช้ในการทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน คือ ยูเรเนียม (uranium) กับพลูโตเนียม (plutonium) ยูเรเนียมเป็นธาตุที่หนักที่สุดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ส่วนพลูโตเนียมเป็นธาตุที่เกิดปฏิกิริยาฟิชชันเองได้ (spontaneous fission) และมีครึ่งชีวิตสั้น แม้ว่าจะมีธาตุที่สามารถทำให้เกิดฟิชชันได้อีก แต่สองธาตุนี้ใช้ได้ดีที่สุด เนื่องจากมีปริมาณมากพอและเกิดฟิชชันได้ง่าย

มวลวิกฤต (Critical mass)

เมื่อเกิดปฏิกิริยาในก้อนมวลของยูเรเนียมหรือวัสดุฟิสไซล์อื่นก็ตาม จะมีนิวตรอนเกิดขึ้นมา นิวตรอนบางส่วนจะจับกับนิวเคลียสอื่นของยูเรเนียมทำให้เกิดฟิชชันขึ้นอีก ขณะที่นิวตรอนอีกบางส่วนจะหลุดออกไปจากก้อนมวล หรือถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสของธาตุอื่นที่ไม่ทำให้เกิดฟิชชัน ถ้าจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันชุดใหม่ต่อจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันชุดเดิม มีค่าน้อยกว่า 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันจะเกิดลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียล และถ้าสัดส่วนนี้มากกว่า 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันจะเกิดเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล สภาวะที่สัดส่วนจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชัน เท่ากับ 1 เรียกว่า สภาวะวิกฤต (criticality)

มวลที่ทำให้เกิดสภาวะนี้ได้ เรียกว่า มวลวิกฤต (critical mass) ซึ่งในความเป็นจริง ทั้งมวลและรูปร่างของวัสดุฟิสไซล์ ต่างก็มีผลต่อการเกิดภาวะวิกฤตได้การทำให้มวลที่มากพอจะเกิดภาวะวิกฤต สามารถเพิ่มปฏิกิริยาแบบเอกซโปเนนเชียลได้ จะมีหลายปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา เช่น มวลที่มีปริมาณเหนือวิกฤต (supercritical) ถ้าจำนวนนิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันถูกหน่วงให้ช้าลง ก็จะทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นสามารถควบคุมได้ แต่ถ้าเกิดฟิชชันในเวลาพร้อมกัน จะทำให้อัตราการปฏิกิริยาสูงขึ้นอย่างรวดเร็วแบบเอกซ์โปเนนเชียล เรียกว่า วิกฤตทันใด (prompt critical) ซึ่งจะทำให้การควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาทำได้ยากอาวุธนิวเคลียร์จะมีการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาแบบเอกซ์โปเนนเชียล โดยต้องมีปริมาณของวัสดุฟิสไซล์ที่มากพอ และต้องทำให้อยู่ในภาวะที่ไม่เพียงแต่เป็นวิกฤตทันใด (prompt critical) เท่านั้น แต่ต้องทำให้เป็น เหนือวิกฤตทันใดแบบสูงมาก (highly prompt critical ) ด้วย

นอกจากนั้น การจัดรูปของก้อนมวล ต้องทำให้เปลี่ยนจากภาวะใต้วิกฤต (subcritical) ให้เป็นเหนือวิกฤตทันใดแบบสูงมากในทันที จึงจะเกิดการระเบิดได้ ซึ่งกระบวนการนี้ทำให้เกิดขึ้นได้ยากจำนวนนิวตรอนที่หลุดรอดออกไปจากก้อนมวลยูเรเนียม สามารถที่จะทำให้ลดลงได้โดยการปรับเปลี่ยนรูปร่างและขนาด ในกรณีของรูปร่างทรงกลม พื้นที่ผิวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของรัศมี และมีปริมาตรแปรผันกับกำลังสามของรัศมี เนื่องจากจำนวนนิวตรอนที่หลุดออกไป ขึ้นกับขนาดของพื้นที่ผิว ขณะที่จำนวนของปฏิกิริยาฟิชชันขึ้นกับปริมาตร ดังนั้น การเพิ่มปริมาณยูเรเนียมจึงอาจทำให้นิวตรอนหลุดออกไปจากก้อนมวลได้น้อยลง และทำให้เกิดฟิชชันได้เพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้สูญเสียนิวตรอนไปบางส่วนจากการเกิดปฏิกิริยาอื่นที่ไม่ใช่ฟิชชัน (non-fission) การเพิ่มขนาดมวลยูเรเนียมให้ใหญ่มากขึ้นจึงอาจไม่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเสมอไป

ผลของไอโซโทป (Effects of isotopes)

ยูเรเนียมธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ได้แก่ U-234 (0.006%), U-235 (0.7%)และ U-238 (99.3%) อัตราการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ฟิชชัน มีค่าแตกต่างกัน เมื่อมีไอโซโทปที่แตกต่างกัน
U-238 จะเกิดฟิชชันได้กับนิวตรอนที่มีพลังงาน >1 MeV ซึ่งเป็นนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชัน แต่ปฏิกิริยาฟิชชัน ไม่ได้ให้นิวตรอนออกมามีพลังงานสูงถึงระดับนั้น U-238 จึงจับนิวตรอนที่เกิดจากฟิชชัน โดยไม่ทำให้เกิดฟิชชันต่อเนื่อง ดังที่เกิดกับ U-235 U-238 ไม่มีค่าของมวลวิกฤต เมื่อ U-238 ดูดกลืนนิวตรอน จะกลายเป็น U-239 ซึ่งไม่เสถียร โดยสลายตัวเป็น Np-239 และต่อมาเป็น Pu-239 ซึ่ง Pu-239 นี้ สามารถเกิดฟิชชันเมื่อได้รับนิวตรอนช้า (slow neutron) เช่นเดียวกับ U-235 ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม จึงปฏิกิริยาฟิชชันบางส่วนมาจากพลูโตเนียม (plutonium)U-235 เกิดฟิชชันได้กับนิวตรอนที่มีช่วงพลังงานกว้างกว่า U-238 และมี cross section

ในการเกิดฟิชชันกับได้สูงที่สุดกับนิวตรอนที่มีพลังงานต่ำมาก เรียกว่า เทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutron) ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่านิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันของ U-235 การทำให้นิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันมีพลังงานต่ำลง จะใช้ moderator เช่น น้ำ หรือกราไฟท์ ทำให้นิวตรอนมีความเร็วลดลง และเกิดฟิชชันกับ U-235 ได้ดีขึ้น การทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ จึงต้องมีการเสริมสรรถนะ (enrich) ยูเรเนียม โดยการเพิ่มความเข้มข้นหรือสัดส่วนของ U-235 ให้สูงขึ้นU-235 มีเพียง 1/140 ของยูเรเนียมธรรมชาติเท่านั้น การที่แต่ละไอโซโทปของยูเรเนียมมีมวลแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย ทำให้การแยกแต่ละไอโซโทปออกจากทำได้ยาก การที่โครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) สามารถแยก U-235 ออกมาได้ จึงถือเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้โครงการนี้ประสบความสำเร็จ

Moderators

เทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutrons) ซึ่งเป็นนิวตรอนช้า (slow neutrons) เป็นนิวตรอนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับ U-235 ได้ดีที่สุด แต่นิวตรอนที่ได้จากฟิชชันเอง เป็นนิวตรอนที่มีความเร็วสูง และสามารถทำปฏิกิริยาแบบไม่เกิดฟิชชัน (non-fission) ได้ไม่กี่ปีก่อนที่จะค้นพบปฏิกิริยาฟิชชัน มีการทำให้นิวตรอนลดความเร็วลง โดยการเคลื่อนที่ผ่านวัสดุที่มีน้ำหนักอะตอมต่ำ เช่น วัสดุที่เป็นสารประกอบของไฮโดรเจน กระบวนการลดความเร็วลงนี้ เกิดจากการชนแบบยืดหยุ่น (elastic collision) ของอนุภาคที่มีความเร็วสูงกับอนุภาคที่อยู่กับที่ นิวตรอนจะสูญเสียพลังงานจลน์ไปมากกว่า ถ้าอนุภาคที่ถูกชนมีมวลใกล้เคียงกัน ดังนั้น วัสดุที่เป็นธาตุเบาจึงใช้เป็น neutron moderator ได้ดีที่สุด

มีนักฟิสิกส์หลายท่านเสนอให้ผสมยูเรเนียมกับ moderator เพื่อให้นิวตรอนความเร็วสูงที่เกิดจากฟิชชัน ลดความเร็วลงก่อนที่จะทำปฏิกิริยากับยูเรเนียมอะตอมอื่น คุณสมบัติของ moderator ที่ดี คือมีน้ำหนักอะตอมต่ำและไม่ดูดกลืนนิวตรอน ลิเทียม (lithium) กับโบรอน (boron) ใช้ไม่ได้เนื่องจากดูดกลืนนิวตรอนได้สูง ฮีเลียมเป็นก๊าซจึงใช้งานไม่สะดวก ตัวเลือกของ moderator จึงเหลือเพียง hydrogen, deuterium, beryllium และ carbon Enrico Fermi และ Le? Szil?rd เป็นบุคคลแรกที่เลือกใช้กราไฟท์ ซึ่งเป็นคาร์บอนชนิดหนึ่ง ในการทำ moderator เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

การลดปฏิกิริยาที่ไม่เกิดฟิชชันโดยการแยกไอโซโทป
(Reduction of non-fission capture by isotope separation)

ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ได้แก่ U-234, U-235 และ U-238 โดยมีสัดส่วนของแต่ละไอโซโทป ร้อยละ 0.006, 0.7 และ 99.3 ตามลำดับ แต่ละไอโซโทปจะเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอนที่มีพลังงานแตกต่างกันได้เท่ากัน

นิวตรอนความเร็วปานกลาง โดยมีพลังงานตั้งแต่ระดับ electron volts จะมี cross section ในการทำปฏิกิริยากับ U-238 สูง ทำให้ได้ U-239 โดยไม่เกิดการฟิชชัน การสกัดเพื่อแยก U-238 ทิ้งไป จะทำให้ได้ U-235 เพิ่มขึ้นและทำให้ปฏิกิริยาต่อเนื่องเกิดได้ดีขึ้น แต่ U-235 ในธรรมชาติมีน้อยกว่าประมาณ 140 เท่า รวมทั้งมวลของแต่ละไอโซโทปใกล้เคียงกัน จึงทำให้การสกัดแยก U-235 ทำได้ยาก

ประวัติ (History)

กระบวนการของนิวเคลียร์ฟิชชันได้รับการค้นพบในปี 1939 โดย Otto Hahn, Lise Meitner และเพื่อร่วมงาน ที่ Kaiser-Wilhelm-Institute for Chemistry ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมันนีEnrico Fermi และเพื่อนร่วมงาน ได้ทดสอบการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอน ในปี 1934 และพบว่ามีความแปลกประหลาดและน่าสนใจเกิดขึ้น พวกเขาใช้เวลาหลายปีจึงแปลผลการทดลองนี้ออกมาได้ในวันที่ 16 มกราคม 1939 Niels Bohr จากกรุง Copenhagen ประเทศเดนมาร์ก ได้เดินทางไปสหรัฐอเมริกา และใช้เวลาหลายเดือนที่ Princeton รัฐนิวเจอร์ซี่ ในการถกปัญหาที่เขากังวลอยู่กับ Albert Einstein

สี่ปีหลังจากนั้น นาซีเข้ายึดเดนมาร์ก Bohr ได้หลบไปอยู่ที่ Sweden ด้วยเรือลำเล็ก พร้อมกับชาวเดนมาร์กเชื้อสายยิว (Danish Jews) หลายพันคนก่อนที่ Bohr จะหลบออกจากเดนมาร์กไม่นาน เพื่อนร่วมงานของเขาสองคน Otto Robert Frisch และ Lise Meitner ซึ่งทั้งคู่ลี้ภัยมาจากเยอรมันนี ได้บอกเขาว่า พวกเขาคาดว่าการดูดกลืนนิวตรอนของนิวเคลียสของยูเรเนียม อาจจะทำให้นิวเคลียสนั้นแตกออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน และปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา กระบวนการนี้ พวกเขาตั้งชื่อว่า นิวเคลียร์ฟิชชัน (fission)

ในเวลาเดียวกัน สมมติฐานนี้กลายเป็นการค้นพบที่สำคัญ เมื่อ Otto Hahn และ Fritz Strassmann จาก Germany ได้ตีพิมพ์ใน Naturwissenschaften เมื่อเดือนมกราคม ปี 1939 โดยทดสอบให้เห็นว่ามีไอโซโทปของแบเรียม (barium) เกิดขึ้นจากการยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอน Bohr สัญญากับว่าจะเก็บรักษาคำอธิบายของ Meitner/Frisch ไว้เป็นความลับจนกว่าพวกเขาจะตีพิมพ์ผลงาน เพื่อให้ได้ชื่อว่าเป็นผู้ค้นพบเรื่องนี้

แต่ตอนที่อยู่บนเรือ เขาได้คุยเรื่องนี้กับ Leon Rosenfeld และลืมบอกให้เขาเก็บไว้เป็นความลับ Rosenfeld ได้นำเรื่องนี้ไปบอกกับทุกคน ทันทีที่ไปถึง Princeton University จากนั้นข่าวนี้ได้ถูกส่งออกไปแบบปากต่อปากของนักฟิสิกส์ รวมถึง Enrico Fermi ที่ Columbia University ด้วย จากการปรึกษากันระหว่าง John R. Dunning และ G. B. Pegram ได้มีการทดลองที่ Columbia เพื่อหาสัญญาณการไอออไนซ์ ของอนุภาคมวลหนักที่เกิดจากการแตกของนิวเคลียสของยูเรเนียม เมื่อวันที่ 26 มกราคม ปี 1939 ได้มีการประชุมวิชาการของทฤษฎีฟิสิกส์ ที่กรุง Washington, D. C. โดยการสนับสนุนของ George Washington University ร่วมกับสถาบันคาร์เนกี (Carnegie Institution) ที่กรุง WashingtonFermi ออกจากนิวยอร์กไปร่วมประชุมครั้งนี้ก่อนที่ จะทำการทดลองฟิชชันที่ Columbia

ในที่ประชุม Bohr กับ Fermi ได้ถกกันถึงปัญหาการเกิดฟิชชัน โดย Fermi กล่าวว่า มีโอกาสที่จะมีนิวตรอนออกมาจากกระบวนการนี้ แม้ว่าจะเป็นเพียงการคาดคะเน แต่ก็เห็นได้ชัดว่ามีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้ และได้มีบทความที่แสดงความรู้สึกเกี่ยวกับเรื่องนี้ตีพิมพ์ออกมาจำนวนมาก ก่อนที่การประชุมที่ Washington จะสิ้นสุดลง ได้มีการทดลองขึ้นอีกหลายครั้งเพื่อยืนยันการเกิดฟิชชัน โดยมีรายงานผลการทดลองยืนยันเรื่องนี้มาจาก 4 ห้องปฏิบัติการ (Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, University of California) ตีพิมพ์ลงใน Physical Review เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ 1939

ในเวลาเดียวกัน Bohr ก็ได้ทราบมาว่า ที่ห้องปฏิบัติการของเขา ที่กรุง Copenhagen ก็มีการทดลองที่คล้ายกัน (จดหมายจาก Frisch ส่งไปที่วารสาร Nature เมื่อวันที่ 16 มกราคม 1939 และตีพิมพ์วันที่ 18กุมภาพันธ์ ) Fr?d?ric Joliot ที่ปารีส ได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่องนี้ของเขาเป็นครั้งแรก ลงใน Comptes Rendus เมื่อวันที่ 30 มกรา 1939 หลังจากนั้นได้มีบทความเรื่องฟิชชันหลั่งไหลออกมาจำนวนมาก ในวันที่ 6 ธันวาคม 1939 L. A. Turner จาก Princeton ได้เขียนบทวิจารณ์ในเรื่อง the Reviews of Modern Physics ว่ามีผลงานเกือบหนึ่งร้อยเรื่องลงตีพิมพ์ โดยมีบทวิเคราะห์และข้อสังเกตผลงานเหล่านั้นอยู่ในบทความของ Turner และที่อื่นอีกหลายแห่งถอดความจาก Nuclear Fission

เวบไซต์ www.wikipedia.com

บทเรียนที่ 5 นิวเคลียร์ฟิวชัน (1) 

ฟิวชันคืออะไร?

นิวเคลียร์ฟิวชัน เป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดพลังงานในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 10-15 ล้านเคลวิน ทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นฮีเลียมจากปฏิกิริยาฟิวชัน และทำให้ดวงอาทิตย์มีพลังงานสูงมากพอ ที่จะทำให้เกิดการเผาไหม้ได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งส่งผลทำให้สิ่งมีชีวิตบนโลกดำรงอยู่ได้มีโครงการวิจัยที่กำลังดำเนินการในเรื่องฟิวชันนี้อยู่หลายแห่งทั่วโลก โดยมีวัตถุประสงค์ที่จะนำพลังงานฟิวชันมาใช้ในการผลิตไฟฟ้า ถ้าประสบความสำเร็จ จะกลายเป็นแหล่งพลังงานใน 30-40 ปีข้างหน้า ซึ่งไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และมีความปลอดภัยมากกว่าพลังงานที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน

การที่จะทำให้ไอออนที่มีประจุบวกหลอมรวมกันได้ ต้องใช้อุณหภูมิหรือพลังงานสูงมากพอที่จะเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าได้ ในการควบคุมพลังงานของฟิวชัน นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องหาวิธีที่จะควบคุมพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงมากนี้ให้ได้ก่อน ในปัจจุบัน มีการนำพลาสมาที่มีอุณหภูมิต่ำกว่านี้มาใช้งานอย่างแพร่หลายแล้วในด้านอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการผลิตสารกึ่งตัวนำ แต่การควบคุมพลาสมาอุณหภูมิสูงในระดับของฟิวชัน ยังเป็นงานท้าทายความสามารถทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ในการที่จะทำความร้อนให้พลาสมามีอุณหภูมิสูงเกิน 100 ล้านเคลวิน รวมทั้งการหาวิธีบีบลำพลาสมา ให้มีความหนาแน่นมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้อย่างต่อเนื่องพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ให้ออกมากมากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยาเคมีมาก เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส สูงกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนมาก

บทเรียนที่ 6 นิวเคลียร์ฟิวชันด้วยแสง

นิวเคลียร์ฟิวชันด้วยเสียง (Sonofusion)

มีรายงานในวารสาร Physical Review Letters เมื่อวันที่ 27 มกราคม 2005 ว่าทีมนักวิจัยจากสถาบัน Rensselaer Polytechnic มหาวิทยาลัย Purdue ประเทศสหรัฐอเมริกา และ Russian Academy of Sciences ได้ใช้คลื่นเสียงในการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน โดยไม่ต้องใช้รังสีนิวตรอนเข้าไปช่วยเหนี่ยวนำ

ในการทดลองครั้งใหม่ ผู้วิจัยได้ละลายยูเรเนียม ทำให้เกิดฟองจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี Robert Block ศาสตราจารย์ที่เกษียณแล้วทางด้านวิศวกรรมนิวเคลียร์ แห่งสถาบัน Rensselaer และเป็นผู้ร่วมเขียนรายงานเช่นกัน กล่าวว่า “การหลีกเลี่ยงไม่ใช้ต้นกำเนิดรังสีนิวตรอนจากภายนอก ช่วยแก้ปัญหาความสับสนของการวัดนิวตรอนที่อาจจะมาจากภายนอก”Block กล่าวว่า “การทดลองนี้ออกแบบขึ้นมา เพื่อตอบคำถามทางด้านการวิจัยพื้นฐาน ไม่ใช่เครื่องมือในการผลิตพลังงาน ในขั้นนี้ อุปกรณ์ที่ใช้ยังให้พลังงานออกมา น้อยกว่าพลังงานที่ป้อนเข้าไป แต่ก็พิสูจน์ได้ว่า เราสามารถทำอุปกรณ์ผลิตนิวตรอน ที่เคลื่อนย้ายได้ ราคาไม่แพง สำหรับใช้ในงานด้านการตรวจวิเคราะห์และด้านการถ่ายภาพด้วยรังสีได้”

เรื่อง sonofusion เริ่มมีการอภิปรายกันเมื่อปี 2002 เมื่อทีมผู้วิจัยได้ตีพิมพ์ผลงานในวารสาร Science โดยแสดงให้เห็นว่า สามารถตรวจวัดรังสีนิวตรอน ที่ออกมาจากการระเบิดของฟองไอ ของส่วนผสมดิวทีเรียมกับอะซีโตน (deuterated-acetone vapor) ข้อมูลเหล่านี้ ทำให้เกิดคำถาม เนื่องจากมีผู้สงสัยว่าทีมผู้วิจัยอาจจะใช้เครื่องมือที่ยังไม่พร้อมทีมผู้วิจัยจึงได้ใช้เวลาที่ค่อนข้างนาน ในการปรับปรุงการทดลองและเครื่องมือ และตีพิมพ์ผลงานลงในวารสาร Physical Review E เมื่อต้นปี 2004 ซึ่งยังคงทำให้เกิดข้อวิจารณ์ตามมา เนื่องจากยังใช้ต้นกำเนิดรังสีนิวตรอนจากภายนอก ในการทำให้เกิดฟองขึ้น จึงนำมาสู่ผลงานชิ้นนี้ที่ตีพิมพ์ใน Physical Review Letters

ถอดความจาก Sonofusion Experiment Produces Results Without External Neutron Source
เวบไซต์ http://www.physorg.com/news10336.html

บทเรียนที่ 7 นิวเคลียร์ฟิวชันแหล่งพลังงานในอนาคต   

Fusion : แหล่งพลังงานในอนาคต

สุทัศน์ ยกส้าน

บทเรียนที่ 8 อนุภาคมูลฐาน

อนุภาคมูลฐาน (Elementary Paticles)

องค์ประกอบเบื้องต้นของวัตถุโมเลกุล ประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานทางเคมีของธาตุ อะตอมประกอบด้วยอนุภาคย่อยลงไปอีก คือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน และโปรตอนกับนิวตรอน ก็ยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กลงไปอีก เรียกว่า คว้าก (quark) ปัจจุบัน เชื่อกันว่าวัตถุประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 2 อย่าง คือ คว้าก กับเลปตอน (lepton) ซึ่งอิเล็กตรอน ก็เป็นเลปตอนชนิดหนึ่ง

ปัจจุบันเชื่อว่า ทั้งคว้ากและเลปตอน แบ่งออกเป็น 6 ชนิด แต่ละชนิด ยังมีปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งเป็นอนุภาคแบบเดียวกัน มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้า และโมเมนต์แม่เหล็กตรงข้ามกันปัจจุบันยังไม่พบคว้ากที่เป็นอิสระ แต่จะพบรวมกันเป็น 2 หรือ 3 อนุภาค กับ quark หรือ antiquark อื่น เป็นอนุภาคที่เรียกว่า hadrons ซึ่งพบแล้วมากกว่า 200 ชนิด มี 2 ทฤษฎี ที่ทำนายถึงการมีอนุภาคที่มี 5 quark เรียกว่า pentaquark ซึ่งสามารถผลิตขึ้นได้แล้ว ในห้องปฏิบัติการ ส่วนอนุภาคที่ประกอบด้วย 4 และ 6 quark มีทฤษฎีที่ทำนายไว้เช่นกัน แต่ยังไม่มีการตรวจพบlepton ที่รู้จักกันมากที่สุด คือ อิเล็กตรอน ส่วนอีก 5 ชนิด ได้แก่ muon, อนุภาค tau, และนิวตริโน (neutrino) อีก 3 ชนิด คือ electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrinoquark 6 ชนิด

มีการตั้งชื่อกันไว้แปลกๆ คือ up, down, charm, strange, top (truth), และ bottom (beauty)top quark เป็นอนุภาคที่มีมวลมากกว่าอะตอมของทอง และมีน้ำหนัก มากกว่าอนุภาคตัวถัดมาประมาณ 35 เท่า ซึ่งอาจเป็นอนุภาคที่หนักที่สุด ที่มีในธรรมชาติ quark ที่พบในวัตถุทั่วๆ ไป คือ quark นิด up และ down ซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตอนกับนิวตรอน โดยโปรตอนประกอบด้วย 2 up quark กับ 1 down quark ส่วนนิวตรอนประกอบด้วย 1 up quark กับ 2 down quark pentaquark ประกอบด้วย 2 up quark 2 down quark กับ 1 strange quark (quark มีประจุเป็น 1/3 หรือ 2/3 ของประจุมูลฐานของอิเล็กตรอน หรือโปรตอน)

ตัวส่งผ่านแรง (Carrier of the Basic Forces) อนุภาคมูลฐานภายในวัตถุจะเกิดอันตรกิริยากันด้วยแรงที่แตกต่างกัน 4 ชนิด คือ แรงโน้มถ่วง (gravitation) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism) แรงนิวเคลียร์ชนิดแรง (strong interaction) และแรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อน (weak interaction)แรงบางอย่างเกิดจากการกระทำต่อกันของอนุภาคทุกชนิด ขณะที่แรงบางอย่างจะเกิดกับอนุภาคบางชนิด เช่น แรงโน้มถ่วง (gravitational force) เป็นแรงกระทำที่เกิดกับอนุภาคทุกชนิด แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) จะกระทำเฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน และ muon ส่วน strong force จะเกิดขึ้นภายในโครงสร้างของนิวเคลียส และเกิดเฉพาะกับอนุภาคที่ประกอบด้วย quark อนุภาคชนิดอื่น เช่น อิเล็กตรอน muon และ neutrino 3 ชนิด จะไม่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear interaction) แต่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบอ่อน (weak nuclear interaction)

ในกระบวนการสลายตัว ที่ให้อนุภาคออกมา (particle decay)แรงแต่ละชนิดจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแรง เป็นอนุภาคมูลฐาน โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า มี โฟตอน (photon) เป็นตัวกลาง ซึ่งเป็นควอนตัมพื้นฐาน ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า strong force มี gluon เป็นตัวกลาง weak force มีอนุภาค W และอนุภาค Z เป็นตัวกลาง และคาดกันว่า แรงโน้มถ่วงมี graviton เป็นตัวกลาง ทฤษฎีสนามควอนตัม (quantum field theory) ที่ใช้อธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า quantum electrodynamics และทฤษฎีที่ใช้อธิบาย แรงนิวเคลียร์ชนิดแรง เรียกว่า quantum chromodynamicsในปี 1979 Sheldon Glashow, Steven Weinberg และ Abdus Salam ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในผลงานที่แสดงให้เห็นว่า electromagnetic force กับ weak force นั้น ความจริงแสดงออกมาเป็นแรงเดียว เรียกว่า electroweak force ขณะนี้ กำลังมีความพยายามที่จะหาทฤษฎี ที่จะอธิบายการรวมแรงทั้งหมดเป็นแรงเดียว ซึ่งเรียกว่า unified theory

รูปแบบพื้นฐานของฟิสิกส์อนุภาค (Standard Model of Particle Physics) ลักษณะของอนุภาคทุกชนิดภายในอะตอม สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีเดียว เรียกว่า Standard Model ซึ่ง Model นี้ เป็นการรวม quark และ lepton รวมทั้แรงกระทำแบบ strong force, weak force และ electromagnetic force ยกเว้นเฉพาะ gravity force ที่ยังไม่อยู่ใน Standard Model อนุภาคที่ใช้ส่งผ่านแรง เรียกว่า gauge boson ซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว แตกต่างจาก quark และ lepton ในวัตถุปกติ แรงมูลฐานจะแสดงแรงกระทำด้วยลักษณะที่ต่างกัน แต่ Standard Model แสดงให้เห็นว่า ทั้งหมดมีพื้นฐานที่คล้ายกันในสภาวะที่พลังงานสูงแม้ว่า Standard Model จะสามารถอธิบายแรงกระทำระหว่าง quark lepton และ boson แต่ทฤษฎีนี้ไม่ได้อธิบายรวมไปถึง คุณสมบัติที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของอนุภาค คือ มวล อนุภาคที่เบาที่สุด คือ อิเล็กตรอน และอนุภาคที่หนักที่สุด ซึ่งเชื่อว่าเป็น top quark มีมวลอย่างน้อย 200,000 เท่าของอิเล็กตรอน

ในปี 1964 Peter W. Higgs นักฟิสิกส์ชาวสกอตต์ จากมหาวิทยาลัย Edinburg ได้เสนอกลไกในการอธิบายว่า อนุภาคมูลฐานมีมวลได้อย่างไร ทฤษฎี Higgs กล่าวว่า ทั่วทุกพื้นที่ปกคลุมด้วยสนาม ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า สนามฮิกก์ (Higgs field) คล้ายกับกรณีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic field) เมื่ออนุภาคมีการเคลื่อนที่ จะเคลื่อนผ่านสนามนี้ และเกิดปฏิกิริยากับสนาม ทำให้ปรากฏเป็นมวลออกมา พื้นฐานของทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) คือสภาวะคู่ของ คลื่น-อนุภาค (wave-particle duality) ทุกสนามจะมีส่วนที่เป็นอนุภาคด้วย อนุภาคของ Higgs filed คือ Higgs boson เป็นอนุภาคที่ไม่มีสปิน หรือประจุไฟฟ้า แม้ว่าจะเรียก boson แต่ไม่ได้เป็นตัวกลางของแรงอย่างเช่น boson ชนิดอื่น ขณะนี้ ยังไม่มีการตรวจพบ Higgs boson การค้นพบ Higgs boson จึจะเป็นการยืนยันถึง Higgs field และสมมติฐานของ Higg เรื่องมวลนั้นถูกต้อง และทำให้ Standard Model ยังคงใช้อยู่ได้การจำแนกชนิดของอนุภาคมูลฐาน (Classification of Elementary Particles)อนุภาคมูลฐาน แบ่งประเภทโดยใช้ ทฤษฎีทางสถิติ 2 ทฤษฎี ได้แก่ Fermi-Dirac Statistic ซึ่งใช้สำหรับอนุภาคที่เป็นไปตาม Pauli exclusion principle

อนุภาคที่ใช้ Fermi-Dirac Statistic เรียกว่า fermion ได้แก่ lepton และ quark ซึ่งตามทฤษฎีนี้ 2 fermion จะอยู่ที่ quantum state เดียวกันไม่ได้ อีกสถิติหนึ่ง คือ Bose-Einstein statistics ใช้กับอนุภาคทุกชนอด ยกเว้นอนุภาคที่อยู่ภายใต้ exclusion principle เช่น boson ทฤษฎีนี้ไม่มีการจำกัดจำนวน boson ที่จะอยู่ใน quantum state เดียวกัน โดยทั่วไป fermion จะเป็นองค์ประกอบของอะตอมกับนิวเคลียส ขณะที่ boson เป็นตัวสงผ่านแรงระหว่าง fermion อนุภาคที่เป็น boson ได้แก่ photon, gluon และอนุภาค W กับ Zมีการแบ่งประเภทของอนุภาค โดยใช้ลักษณะของการเกิดปฏิกิริยาต่อกัน เช่น อนุภาคที่เกิปฏิกิริยาต่อกันสูง ได้แก่ meson หรือ baryon ปัจจุบันทราบกันว่า meson ประกอบด้วย คู่ของ quark กับ antiquark ส่วน baryon ประกอบด้วย 3 quark อนุภาคที่จัดเป็น meson ส่วนใหญ่มีมวลมากกว่า lepton แต่มีมวลน้อยกว่า proton กับ neutron ยกเว้นบางชนิดที่อาจมีมวลมากกว่า อนุภาคที่จัดเป็น baryon ที่มีมวลน้อยที่สุด คือ proton กับ neutron อนุภาค baryon ที่มีมวลมากกว่า คือ hyperon ในการแบ่งประเภทเป็น meson กับ baryon

ยังมีอนุภาคบางชนิด ที่ไม่สามารถตรวจวัดได้โดยตรง เนื่องจากมีอายุสั้นมาก ไม่ทิ้งรอยไว้ใน cloud chamber หรือ bubble chamber อนุภาคเหล่านี้ เรียกว่า resonance หรือ resonance states เนื่องจากมีการเกิดขึ้นแบบเดียวกับการ resonance ของ วงจรไฟฟ้ากฎการอนุรักษ์และการสมมาตร (Conservation Laws and Symmetry) มีการใช้กฎการอนุรักษ์หลายกฎ สำหรับอนุภาคมูลฐาน เช่น กฎการอนุรักษ์มวล-พลังงาน (conservation of mass-energy) กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม และกฎการอนุรักษ์ประจุ นอกจากนั้นยังมีกฎการอนุรักษ์อื่น ที่ใช้สำหรับฟิสิกส์ของอนุภาคอีก เช่น กฎการอนุรักษ์ 3 อนุภาคของเลปตอน (three conservation laws for lepton) ซึ่งใช้สำหรับ electron muon และ tau และกฎการอนุรักษ์ที่ใช้สำหรับอนุภาคที่เป็น baryon

มีการนำคำศัพท์ใหม่ๆ มาใช้ในการอธิบายคุณสมบัติของอนุภาค ตัวอย่างเช่น การสลายตัวอย่างๆ ของ kaon, lambda hyperon และอนุภาคอื่นๆ อีกบางชนิด ทำให้นักฟิสิกส์สรุปว่า กฎการอนุรักษ์บางกฎ ทำให้อนุภาคไม่สลายตัวในทันที ในแบบ strong interaction แต่มีการสลายตัวแบบ weak interaction ปริมาณชนิดใหม่นี้ เรียกว่า strangeness ซึ่งมีการอนุรักษ์ทั้ง strong interaction และ electromagnetic interaction แต่ไม่อนุรักษ์ใน weak interaction ดังนั้น การสลายตัวของอนุภาค strange ไปเป็นอนุภาค nonstrange เช่น lambda ไปเป็น proton กับ pion จะมีการเกิดเฉพาะ weak interaction อย่างช้าๆ โดยไม่เกิด strong interactionปริมาณอีกชนิดหนึ่ง ที่ใช้อะบายลักษณะของอนุภาคที่มีการเกิดเป็นกลุ่ม เรียกว่า multiplet โดยเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุต่างกัน ตัวอย่าง multiplet ได้แก่ โปรตอน กับนิวตรอน

ปริมาณใหม่อีกชนิดหนึ่ง ที่ใช้อธิบายผลการเปลี่ยน จากโปรตอนไปเป็นนิวตรอน หรือนิวตรอนไปเป็นโปรตอน ในทางคณิตศาสตร์ เรียกว่า isotopic spin การใช้ชื่อนี้ เนื่องจาก ผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน ในนิวเคลียส แสดงถึงชนิดของไอโซโทปของอะตอม และคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายค่าของ ordinary spin (intrinsic angular momentum ของอนุภาคมูลฐาน) มีค่าเดียวกัน ความจริง isotopic spin ไม่มีผลกับ spin แต่แสดง vector ที่มีการหมุนใน imaginary space ซึ่ง isotopic spin นี้จะอนุรักษ์เฉพาะใน strong interaction
กฎการอนุรักษ์ มีความสัมพันธ์กับหลักการสมมาตร 3 ชนิด (three symmetry principles) ซึ่งใช้กับสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลง ของปริมาณของตัวแปรที่ต้องสมมาตรกัน ได้แก่

charge conjunction (C) คือมีค่าที่เท่ากัน เมื่อมีการเปลี่ยนจาก particle กับ antiparticle
parity (P) ซึ่งเป็น mirror image symmetry เมื่อมีการเปลี่ยนในลักษณะของซ้ายกับขวา

time-reversal (T) ซึ่ง order จะคนละด้านเมื่อเกิดเหตุการณ์ขึ้นตามหลักการสมมาตรนี้ เมื่อมีตัวแปรใดของอนุภาคมีการเปลี่ยนแปลง จะทำให้เกิดปฏิกิริยาที่สองขึ้นด้วย แต่ในปี 1956 มีการทดลองที่พบว่า weak interaction ไม่อนุรักษ์ parity ตัวอย่างเช่น มีการสลายตัวของอนุภาคแล้วไม่ได้เกิดคู่ของ mirror image แม้ว่าจะมีบางกรณีที่ไม่อนุรักษ์ตามกฎนี้ แต่เมื่อรวมทุกตัวแปรแล้ว กฎนี้ก็ยังใช้ได้อยู่ โดยรู้จักกฎการอนุรักษ์นี้กันในชื่อ CPT theorem

ประวัติการค้นพบอนุภาคมูลฐานอนุภาคของอะตอมชนิดแรกที่ถูกค้นพบ คือ อิเล็กตรอน ในปี 1897 โดย J. J. Thomson ในปี 1911 Ernest Rutherford ได้ค้นพบนิวเคลียส และต่อมาได้พบว่า นิวเคลียสของไฮโดรเจนปกติ มีโปรตอนเดียว ในปี 1932 มีการค้นพบนิวตรอน และพบว่า อะตอมมีนิวเคลียสอยู่ที่ศูนย์กลาง ประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอน มีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ แต่ขณะนั้นยังไม่มีการพบอนุภาคมูลฐานชนิดอื่นในปี 1928 P. A. M. Dirac ได้เสนอทฤษฎี relativistic quantum theory โดยตั้งสมมติฐานว่า มีอิเล็กตรอนประจุบวก หรือ positron ซึ่งเป็น antiparticle ของอิเล็กตรอน และได้มีการค้นพบเป็นครั้งแรกในปี 1932

และในการพยายามอธิบายการสลายตัวของรังสีบีตา ทำให้ทำนายถึงการมีอนุภาคนิวตริโน (neutrino) ในปี 1930และมีทฤษฎียืนยันเรื่องนิวตริโน ในปี 1934 แต่ก็ยังไม่ตรวจไม่พบจนกระทั่งปี 1956 ได้มีการเสนอการมีอนุภาคชนิดอื่นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดย ไอน์สไตน์ (Einstein) ได้เสนอเรื่องอนุภาคโฟตอน (photon) เป็นครั้งแรกในปี 1905 โดยเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีควอนตัมของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (quantum theory of the photoelectric effect)อนุภาคชนิดต่อมา ถูกค้นพบเมื่อมีความพยายามที่จะอธิบายเรื่อง strong interaction หรือแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force) ที่ยึดเหนี่ยวโปรตอนกับนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม

ในปี 1935 Hideki Yukawa เสนอว่ามีอนุภาค meson ซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุ ที่มีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน แลกเปลี่ยนกันระหว่างนิวคลีออน (nucleon) โดย meson ที่ให้อออกมาจากนิวคลีออนหนึ่ง จะถูกดูดกลืนโดยอีกนิวคลีออนหนึ่ง ทำให้เกิด strong force ระหว่างนิวคลีออน คล้ายกับแรงที่เกิดจากจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน ระหว่างอนุภาคมีประจุ ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (ปัจจุบันตัวลางขง strong force เรียกว่า gluon) ในปีต่อมาอนุภาคที่มีมวลขนาดกลางนี้จึงถูกค้นพบ โดยมีมวลประมาณ 200 เท่าของอิเล็กตรอน และได้ตั้งชื่อว่า mu meson หรือ muon แต่อนุภาคนี้ไม่ได้เป็นไปตามทฤษฎีของอนุภาค

จนปี 1947 อนุภาคที่ Yukawa ทำนายไว้จึงถูกค้นพบ โดยตั้งชื่อว่า pi meson หรือ pionทั้ง muon และ pion ตรวจพบได้ครั้งแรกจากรังสีคอสมิก และเมื่อมีการศึกษามากขึ้น ก็พบว่ารังสีคอสมิก ยังมีอนุภาคอีกหลายชนิด ในปี 1950 มีการตรวจพบอนุภาคเหล่านี้ ในห้อปฏิบัติการจากการทำให้อนุภาคที่มีพลังงานสูงชนกัน โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคขีดจำกัดอันหนึ่งในการศึกษาอนุภาคมูลฐาน คือ การเชื่อมต่อระหว่างข้อกำหนดต่างๆของอนุภาคเข้ากับจักรวาลวิทยา (cosmology) ตัวอย่างเช่น quark กับ lepton ซึ่งเป็นอนภาคที่อยู่ในกลุ่ม three family

โดยแต่ละ family ประกอบด้วย 2 quark กับ 2 lepton คาดกันว่าน่าจะมีการค้นพบอนุภาคมูลฐาน family อื่นเพิ่มขึ้นอีก แต่ในการศึกษาทางจักรวาลวิทยาที่ผ่านมา มีความเห็นกันว่าจะมีอนุภาคได้ไม่เกิน 4 family และในทฤษฎีจักรวาลวิทยา (cosmological theory) ซึ่งได้รับการยืนยันจากผลการทดลองจากห้องปฏิบัติการของเครื่องเร่งอนุภาคสแตนฟอร์ด (Stanford Linear Accelerator) และห้องปฏิบัติการ CERN ในสวิสเซอร์แลนด์ ชี้ให้เห็นว่า ไม่มีอนุภาคมูลฐานเกินกว่าที่มีการพบกันมาแล้วขณะนี้ 3 familyตารางแสดงคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานอนุภาคแต่ละชนิด ยกเว้น photon, gluon และ Z-bosonมี antiparticle ซึ่งมีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงข้ามกัน ส่วนใหญ่จะใช้สัญลักษณ์เหมือนกัน โดย antiparticle มีขีดอยู่ด้านบน

บทเรียนที่ 9 การใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสี

การใช้ไอโซโทปรังสีในการเกษตร

จารุณี ไกรแก้ว
สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ

การใช้ไอโซโทปรังสีในการเกษตรเป็นการใช้ในการปรับปรุงพืชผลที่เป็นอาหาร การถนอมอาหาร การหาแหล่งน้ำบาดาล การควบคุมและกำจัดแมลง เป็นต้น เพื่อสนองความต้องการพื้นฐานของมนุษย์ที่ต้องการอาหาร น้ำ และมีสุขภาพดี ในปี พ.ศ.2507 Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) และ International Atomic Energy Agency (IAEA) จัดตั้ง Joint Division ของพลังงานปรมาณูในด้านอาหารและการเกษตร ซึ่งตั้งอยู่ที่ IAEA headquarters ในกรุงเวียนนา ประเทศออสเตรีย ซึ่งสนับสนุนและประสานงานโครงการวิจัยทั่วโลกในการใช้ไอโซโทปและรังสีในด้านการเพาะพันธุ์พืช การให้ปุ๋ยดิน การชลประทานและการผลิตพืชผล

การควบคุมแมลงและโรคติดต่อ การผลิตปศุสัตว์และสุขภาพ กากเคมีและมลพิษ และการถนอมอาหารการถนอมอาหาร (Food Preservation)รังสีที่อนุญาตให้ใช้ฉายอาหารได้ตามประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 297) พ.ศ.2549 ได้แก่ รังสีแกมมา ซึ่งได้จากโคบอลต์-60 (Co-60) หรือซีเซียม-137 (Cs-137) รังสีเอกซ์ (X-rays) ที่ได้จากเครื่องผลิตรังสีเอกซ์ และรังสีอิเล็กตรอนที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน

สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ ได้ก่อตั้งโรงงานฉายรังสีแกมมาระดับอุตสาหกรรม เมื่อวันที่ 17 สิงหาคม พ.ศ.2532 ปัจจุบันดำเนินการโดยสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) วัตถุประสงค์ในการฉายรังสีอาหารมีหลายอย่างเช่น เพื่อลดปริมาณจุลินทรีย์และกำจัดจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค เพื่อยืดอายุการเก็บรักษา เพื่อชะลอการสุกของผลไม้ เพื่อยับยั้งการงอกระหว่างการเก็บรักษา เพื่อทำลายและยับยั้งการแพร่พันธุ์ของแมลง เพื่อชะลอการบานของเห็ด และเพื่อกำจัดพยาธิ รูปที่ 1 และ 2 แสดงตัวอย่างการใช้ประโยชน์

การปรับปรุงพันธุ์พืชด้วยรังสี (Mutation)รังสีที่นิยมใช้คือรังสีแกมมาและรังสีเอกซ์ สามารถฉายผ่านทะลุเข้าไปถึงเนื้อเยื่อภายในได้ดี เกิดการเปลี่ยนแปลงในระดับยีนส์ (genes) ซึ่งเป็นหน่วยพันธุกรรม หรือทำให้เกิดการขาดของโครโมโซม ทำให้ได้ลักษณะพันธุ์ใหม่ๆ ขึ้นมา ประเทศไทยได้เริ่มนำเทคนิคนี้มาใช้ในปี พ.ศ.2508 เป็นต้นมา กรมวิชาการเกษตร ได้นำเมล็ดข้าวมาฉายรังสีแกมมาที่สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ จนกระทั่งคัดเลือกได้ ข้าวพันธุ์ กข6 ข้าวพันธุ์ กข10 และข้าวพันธุ์ กข15 ซึ่งมีความต้านทานโรคเพิ่มมากขึ้น ให้ผลผลิตสูง นอกจากนั้นพันธุ์พืชอื่นๆ ที่ปรับปรุงได้ เช่น ถั่วเหลืองพันธุ์ดอยคำ เก๊กฮวย KU1 คาร์เนชั่น (ชัยชุมพล) และกล้วยหอมทอง KU1 ตัวอย่างการปรับปรุงพืชด้วยรังสีดังรูปที่ 3 และ 4

การควบคุมแมลง (Insect Control)โดยใช้เทคนิคการใช้แมลงที่เป็นหมัน (Sterile Insect Technique, SIT) ประกอบด้วยการเลี้ยงแมลงในห้องทดลองเป็นจำนวนมาก การทำหมันกมลงที่เลี้ยงด้วยการฉายรังสีแกมมา การปล่อยแมลงที่ทำหมันออกไปผสมพันธุ์กับแมลงที่มีอยู่ตามธรรมชาติ ทำให้ตัวเมียวางไข่ที่ไม่สามารถฟักออกเป็นตัวหนอน เมื่อปล่อยแมลงที่เป็นหมันจำนวนมากติดต่อกัน จะช่วยลดประชากรแมลงในธรรมชาติอย่างรวดเร็ว ปัจจุบันทั่วโลกมีการใช้ SIT กับแมลงศัตรูพืชมากกว่า 20 ชนิด ในไทยได้ดำเนินการเทคนิคนี้มานานกว่า 20 ปีแล้ว ในการควบคุมและกำจัดแมลงวันผลไม้ หนอนใยผัก และหนอนเจาะสมอฝ้าย รูปที่ 5 แสดงต้นกำเนิดรังสีแกมมา คือ โคบอลต์-60 รูปที่ 6 แสดงขั้นตอนการควบคุมแมลง

การใช้ประโยชน์ในการเกษตรด้านอื่นๆในการให้อาหารพืช (Plant Nutrition) มีการติดฉลากปุ๋ยด้วยไอโซโทปรังสี เช่น P-32 หรือ N-15 เพื่อหาว่าใช้ปุ๋ยในพืชมากเท่าใด และสูญเสียยังสิ่งแวดล้อมเท่าไร นอกจากนั้นมีการศึกษาอื่นๆ เกี่ยวกับการสังเคราะห์แสง การใช้ยาฆ่าแมลง การเผาผลาญอาหารในพืช การเคลื่อนที่ของไอออน (ions) ในดินและพืช เป็นต้นในการผลิตสัตว์และสุขภาพ (Animal Production and Health) มีการใช้ radio-immunoassay วัดการเปลี่ยนแปลงฮอร์โมนระหว่างรอบการสืบพันธุ์ของปศุสัตว์ เพิ่มประสิทธิภาพการสืบพันธุ์ โดยการใช้เทคนิคการเพาะพันธุ์เทียมที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ลดผลของ parasite และโรคภัยในการผลิต นอกจากนั้นมีการศึกษาอื่นๆ เช่น ศึกษาการเผาผลาญอาหารไนโตรเจนที่ไม่ใช่โปรตีนโดยใช้ N-15 การศึกษาภาวะที่ขาดสมดุลของแร่ธาตุ ช่วยวางแผนการปฏิบัติให้อาหารสัตว์ การผลิตวัคซีนเจือจางในการต่อต้าน lungworm เป็นต้นด้านอุทกวิทยา มีการเสาะหาแหล่งน้ำใต้ดินสำหรับการเกษตร ในประเทศไทย มีการศึกษามากมายเช่น การประยุกต์ใช้เทคนิคคาร์บอน-14 ในการหาอายุน้ำบาดาล การประยุกต์ใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เพื่อทำนายการไหลของน้ำใต้ดินในพื้นที่ปนเปื้อนสารหนู ศึกษาการปนเปื้อนน้ำบาดาล การตรวจสอบและวิเคราะห์การรั่วซึมของเขื่อน เป็นต้นบรรณานุกรม

1. การฉายรังสีอาหารและการยอมรับ. [ออนไลน์]. [สืบค้น 19 ธ.ค. 2554].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003o.html.
2. การใช้เทคนิคไอโซโทปในทางอุทกวิทยา. [ออนไลน์]. [สืบค้น 19 ม.ค. 2555].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/nkc/nkc5001/nkc50011.html.
3. การใช้ประโยชน์พลังงานนิวเคลียร์ในกิจการเกษตร. [ออนไลน์]. [สืบค้น 18 ม.ค. 2555].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://guru.sanook.com/encyclopedia/.
4. การใช้รังสีในทางการเกษตร. [ออนไลน์]. [สืบค้น 18 ม.ค. 2555].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.nst.or.th/article/notes01/article007.htm.
5. การปรับปรุงพันธุ์พืชด้วยรังสี. [ออนไลน์]. [สืบค้น 18 ม.ค. 2555].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/application/apply-plant.html.
6. เทคนิคการใช้แมลงที่เป็นหมัน (SIT). [ออนไลน์]. [สืบค้น 18 ม.ค. 2555].
   เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/nkc/nkc5001/nkc5001w.html.
7. สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ. (2540). การฝึกอบรมหลักสูตรพลังงานนิวเคลียร์และการใช้ ประโยชน์, หน้า 10.3 . กรุงเทพมหานคร: สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ.
8. Applications of Isotopes and Radiation in Agriculture. http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull212_3/212_305482935.pdf. ; [18 Jan 2012].

บทเรียนที่ 10 การใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในทางอุตสาหกรรม 

การใช้ไอโซโทปรังสีในอุตสาหกรรม

จารุณี ไกรแก้ว
กลุ่มงานด้านวิชาการ สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ

อะตอมของธาตุใดๆ ที่นิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน จะเรียกอะตอมเหล่านั้นว่าเป็นไอโซโทป ปกติไอโซโทปต่างๆ ของธาตุเดียวกันจะมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่สมบัติทางรังสีต่างกัน ไอโซโทปที่มีระดับพลังงานในนิวเคลียสมากเกินไปจะมีสภาพไม่อยู่ตัว มีการแผ่รังสีออกมา ไอโซโทปประเภทนี้เรียกว่า ไอโซโทปรังสี (radioisotopes)

การประยุกต์ใช้ไอโซโทปรังสี ในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่เป็นการใช้ต้นกำเนิดรังสีปิดผนึก (sealed radioactive sources) และการใช้ตัว แกะรอย (radioactive tracers) สำหรับการแก้ปัญหา การควบคุมกระบวนการทำงาน การดัดแปลงการออกแบบอุปกรณ์การถ่ายภาพด้วยรังสีในอุตสาหกรรม นอกจากรังสีเอกซ์ นิยมใช้ Ir-192 และ Co-60 ให้รังสีแกมมา ถ่ายภาพวัตถุลงบนแผ่นฟิล์ม ส่วนของวัตถุที่ดูดกลืนรังสีไว้น้อยกว่า เช่น บริเวณรอยรั่ว จะปรากฏภาพบนฟิล์มทึบกว่าส่วนของวัตถุที่ดูดกลืนรังสีไว้มากกว่า ในการถ่ายภาพ จะบรรจุสารรังสีดังกล่าว ซึ่งทำเป็นเม็ด (pellet) ในแคปซูลโลหะยาวประมาณ 1 เซนติเมตร เมื่อนำแคปซูลมาต่อกับสายเคเบิลและอุปกรณ์ควบคุมการทำงาน ทำให้สามารถสอดเข้าในบริเวณแคบๆ เพื่อถ่ายภาพได้ รูปที่ 1 และ 2 แสดงอุปกรณ์เครื่องมือ รูปที่ 3 แสดงการทดสอบถ่ายภาพด้วยรังสีสำหรับโครงสร้างคอนกรีต

การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมานี้ เป็นการตรวจสอบจุดบกพร่องบนวัสดุ เช่น รอยร้าว รอยตำหนิ บนรอยเชื่อม จุดเด่นของวิธีนี้ คือ การที่รังสีแกมมาสามารถส่องทะลุผ่านวัตถุได้โดยไม่มีผลต่อตัวอย่าง ให้ผลการถ่ายภาพรวดเร็ว ราคาถูก ทำได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิต เนื่องจากไอโซโทปรังสีสามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก

การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมาจึงมีประโยชน์ในการควบคุมระยะไกล เช่น การตรวจสอบรอยเชื่อมของท่อที่ใช้ส่งก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน เมื่อมีการเชื่อมแล้ว จะวางฟิล์มแบบพิเศษติดเทปไว้รอบท่อที่ด้านนอก อุปกรณ์ “pipe crawler” จะพาต้นกำเนิดรังสีพร้อมทั้งวัสดุกันรังสีเข้าไปในท่อ ไปยังตำแหน่งที่มีการเชื่อม เมื่อถึงจุดที่ต้องการ จะทำการถ่ายภาพรอยเชื่อมด้วยรังสีจากต้นกำเนิดไปยังฟิล์มโดยการควบคุมระยะไกล เมื่อล้างฟิล์มจะได้ภาพรายละเอียดภายในของรอยเชื่อมIndustrial Computed Tomography (ICT)Tomography เป็นเทคนิคที่ผลิตรูป (image) ของตัวแปรในระนาบของวัตถุ โดยไม่มีการรบกวนจากระนาบที่ติดกัน

ในการใช้การฉายรังสีแกมมา รูปที่ได้จะแทนที่สัมประสิทธิ์ linear attenuation ของวัตถุ สำหรับ computed tomography ระนาบของรูปขนานกับแกนลำแสง และรูปจะผลิตโดยเทคนิคทางคอมพิวเตอร์ ระบบ ICT เป็นการพัฒนาของไอโซโทปรังสีอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้รังสีเนื่องจากให้ช่วงของภาพตัดขวาง (รูปที่ 4) ผ่านวัสดุ ส่วนประกอบ (components) และชุดรวม (assemblies) ชุดแม่แบบ (prototype) ของ CT ใน BARC (Atomic Research Center ของอินเดีย) ใช้ต้นกำเนิดรังสี Cs-137 ขนาด 7 คูรี ชุดแม่แบบนี้สามารถสแกนชิ้นงานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก จนถึง 100 มิลลิเมตร และความหนาแน่นต่างๆ

รูปที่ 4 Gamma Emission Tomography

การแสกนคอลัมน์อุตสาหกรรมโดยรังสีแกมมา (Gamma scanning of industrial process columns)เทคนิค gamma scanning (รูปที่ 5) เป็นการทดสอบโดยไม่ทำลายสำหรับการวินิจฉัยปัญหาในคอลัมน์ที่เดินเครื่องอยู่เช่น คอลัมน์กลั่นลำดับส่วน คอลัมน์แยกสกัด คอลัมน์ล้าง เป็นต้น ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม ปิโตรเคมี และอุตสาหกรรมเคมี ต้นกำเนิดรังสีที่ใช้เป็น Co-60 งานทั่วไปเป็นการแยกแยะปัญหาในคอลัมน์โดยการใช้การทดสอบ on-line เช่น การวัดความดันลด ความหนาแน่น และความหนืด การศึกษาการจำลอง (simulation studies) โดยใช้โมเดลทางคณิตศาสตร์และสหสัมพันธ์ ไฮดรอลิค (hydraulic correlation)กรณีไม่สามารถหาตำแหน่งแน่นอนของปัญหา

นอกจากนั้นวิธี gamma scanning สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับ ตำแหน่งและปริมาณของภาวะการท่วม (flooding) การอยู่และการหายไปของถาด (trays) และส่วนภายในอื่นๆ ระดับของเหลวบนถาดและแผ่นกระจาย (distributors) ของเหลวของ packed column ตำแหน่งและความหนาแน่นของการเกิดฟอง ฯลฯนอกจากตรวจหาความผิดปกติ สามารถใช้ประโยชน์ในการหาภาวะที่เหมาะสมในการทำงานของคอลัมน์ การขยายเวลาเดินเครื่อง การคาดการณ์การบำรุงรักษา และแผนการหยุดเดินเครื่อง การสแกนมีผลต่อการศึกษาการจำลองการทำงานที่ใช้ในการวินิจฉัยปัญหาของคอลัมน์และปรับปรุงการออกแบบในคอลัมน์ การวิเคราะห์ข้อมูลที่สแกนได้เป็นขั้นตอนสำคัญในการตรวจสอบความผิดปกติของคอลัมน์ เช่น ถาดหายไป ถาดเสียหาย การท่วม การเสียหายของ packed bed ฯลฯ

ขั้นตอนการตรวจสอบของสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) ประกอบด้วย

1. ศึกษาแบบโครงสร้างทางวิศวกรรมทั้งภายในและภายนอกของคอลัมน์
2. ติดตั้งต้นกำเนิดรังสี Co-60 ขนาด 20-50 มิลลิคูรี และอุปกรณ์วัดรังสีไว้ตรงกันข้าม คนละข้างของคอลัมน์ ในตำแหน่งที่เหมาะสม ตามที่ได้ศึกษาโครงสร้างวิศวกรรมทั้งภายในและภายนอกของ หอกลั่น ตามข้อ 1 มาแล้ว
3. ปรับให้อุปกรณ์ทั้งสอง เคลื่อนที่ขึ้นไปตามแนวดิ่ง โดยใช้ระบบรอกและกว้าน พร้อมทั้งเก็บข้อมูลความเข้มของรังสีที่ทะลุผ่านหอกลั่นน้ำมันออกมา ในทุกๆ ระยะ 5 เซนติเมตร ตลอดความสูงทั้งหมด
4. นำข้อมูลไปจัดทำเป็นกราฟ แสดงความสัมพันธ์ ระหว่างความเข้มของรังสีที่ระดับความสูงต่างๆ เพื่อวิเคราะห์โดยเปรียบเทียบกับรูปแบบโครงสร้างทางวิศวกรรม ว่ามีความผิดปกติในคอลัมน์ในตำแหน่งใดหรือไม่

นิวเคลียร์เกจนิวเคลียร์เกจเป็นการใช้ไอโซโทปรังสีเพื่อวัดปริมาณหรือคุณภาพของวัสดุและผลผลิต สามารถปรับปรุงคุณภาพของผลผลิต หาภาวะที่เหมาะสมในการทำงานกระบวนการอุตสาหกรรม ประหยัดพลังงานและวัสดุ มีความว่องไว แน่นอน และเชื่อถือได้ ใช้ในสิ่งแวดล้อมอุตสาหกรรมที่เป็นอันตราย เช่นอุณหภูมิหรือความดันสูง ทั้งนี้ไม่มีการแตะกันระหว่างหัววัดและวัสดุ การตรวจสอบคุณภาพสามารถทำได้ on-line ระหว่างการผลิตความหนาแน่นของรังสีที่มาจากไอโซโทปรังสีจะลดลงโดยมวลสารระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด (Detector) หัววัดจะวัดการลดลงของรังสี วัดการปรากฏหรือการหายไป ทำให้ใช้วัดปริมาณหรือความหนาแน่นของวัสดุระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด โดยไม่มีการสัมผัสกับวัสดุที่ทำการวัด

ขบวนการอุตสาหกรรมมากมายใช้เกจเหล่านี้ในการตรวจสอบติดตามและควบคุมการไหลของวัสดุในท่อ หอกลั่น เป็นต้น บ่อยครั้งเป็นรังสีแกมมา นอกจากนั้นใช้ในการวัดความหนาของวัสดุที่ใช้เคลือบผิว โดยเมื่อลำรังสีตกกระทบวัตถุ รังสีส่วนหนึ่งจะส่องผ่านไป อีกส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับมาในทิศทางเดิม ปริมาณรังสีสะท้อนมีความสัมพันธ์กับปริมาณวัสดุในลำแสง ทำให้สามารถวัดคุณสมบัติได้ ความหนาของฟิล์มพลาสติกก็สามารถวัดได้โดยใช้รังสีบีตา ทั้งนี้ฟิล์มวิ่งด้วยความเร็วสูงระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด สัญญาณจากหัววัดจะใช้ควบคุมความหนาของฟิล์มพลาสติก

โดยสรุปแล้วระบบนี้แบ่งได้ 2 ประเภท คือ วัดโดยอาศัยการส่งผ่านรังสีผ่านวัตถุ หรือวัดโดยรังสีที่สะท้อนมาจากชิ้นงาน ตัวอย่างอื่นๆ ของระบบส่งผ่าน เช่น เกจวัดความหนาของตะกอนในท่อและภาชนะ การวัดการกัดกร่อน การวัดที่ว่าง (voids)การวัดระดับ การวัดผิวสัมผัสระหว่าง phase ทั้งสอง (interfaces) ของของเหลว ฯลฯการฉายรังสี (Radiation processing)ในอุตสาหกรรม มีการฉายรังสีวัสดุภัณฑ์ เวชภัณฑ์ เภสัชภัณฑ์ และเนื้อเยื่อเพื่อให้ปลอดเชื้อและการฉายรังสีอาหาร ส่วนใหญ่เป็นรังสีแกมมา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ฟิสิคส์ และชีววิทยาการฉายรังสีวัสดุภัณฑ์นั้น ต้นกำเนิดรังสีส่วนใหญ่ที่ใช้เป็น Co-60 รังสีทำให้อะตอมและโมเลกุลของตัวกลางที่วิ่งผ่าน เกิดแตกตัวเป็นไอออนและอนุมูลเสรีซึ่งไวปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาเคมีสำคัญที่เกิดและนำไปใช้ประโยชน์ในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุภัณฑ์ มีการเกิดพอลิเมอร์ การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุล (cross-linking) และการสลายพอลิเมอร์ ตัวอย่างเช่น การบ่มยางเพื่อเพิ่มความแข็งก่อนเข้าสู่กระบวนการวัลคะไนส์ (vulcanization) การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุลของ PE “O” rings สำหรับ drum fittings การเปลี่ยนสีของหินรัตนชาติ การสลายพอลิเมอร์ PTFE สำหรับผงกาว การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุลของฉนวนเคเบิล PE การสลายพอลิเมอร์เซลลูโลสสำหรับผลผลิตหนืดการฉายรังสีเวชภัณฑ์ เภสัชภัณฑ์และเนื้อเยื่อเพื่อให้ปลอดเชื้อ เป็นการทำให้ปราศจากเชื้อโดยใช้รังสีแกมมา (Gamma sterilization) เป็นต้นว่า สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้แล้วทิ้ง เช่น เข็มฉีดยา ถุงมือ เสื้อผ้า และเครื่องมือ ซึ่งส่วนมากจะเสียหายจากการทำให้ปราศจากเชื้อโดยใช้ความร้อน รังสีฆ่าจุลินทรีย์ด้วยการทำลายพันธะ (bond) ของดีเอ็นเอ ทำให้จุลินทรีย์ไม่สามารถแบ่งแยกตัวต่อไปการฉายรังสีอาหารนั้น (รูปที่ 6)

ประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 297 ) พ.ศ.2549 กำหนดไว้ว่า รังสีที่อนุญาตให้ใช้ฉายอาหารได้ คือ รังสีแกมมาซึ่งได้จากต้นกำเนิดรังสี Co-60 หรือ Cs-137 เท่านั้น นอกจากนั้นเป็นรังสีเอกซ์ที่ได้จากเครื่องผลิตรังสีเอกซ์ และรังสีอิเล็กตรอนที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน ส่วนอาหารที่จะเข้าสู่ระบบฉายรังสีต้องสะอาดและบรรจุหีบห่อปิดผนึก เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเชื้อโรคหรือจุลินทรีย์ขึ้นใหม่สำหรับประโยชน์อื่นๆ การฉายรังสีเป็นการยืดอายุการเก็บรักษา ชะลอการสุกของผลไม้ ยับยั้งการงอกระหว่างการเก็บรักษา ทำลายและยับยั้งการแพร่พันธุ์ของแมลง ชะลอการบานของเห็ด และกำจัดพยาธิ ฯลฯ

ตัวแกะรอยไอโซโทปรังสี (Radioisotope tracer)ตัวแกะรอยรังสี (radiotracers) ช่วยในงานวิจัยอุตสาหกรรมเคมี สำหรับการศึกษากลไกและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีทั่วไป โดยแผ่รังสีแกมมาหรือรังสีบีตา ซึ่งสามารถตรวจวัดโดยเครื่องวัดมากมายหลายชนิด ข้อได้เปรียบหลายประการ เช่น สามารถวัดความเข้มข้นได้ด้วยหัววัดที่อยู่นอกท่อหรือภาชนะ การวัดตัวอย่างที่เก็บจากการไหลเป็นเรื่องง่ายและไม่ขึ้นกับ matrix ของตัวอย่าง และตัวแกะรอยมีลักษณะเฉพาะในการติดฉลาก (label) ธาตุ ตัวอย่างเช่นการติดฉลากกำมะถันในการศึกษาการกัดกร่อนของอัลลอยด์เหล็กกล้า (steel alloy) โดยใช้ S-32งานต่างๆ ที่ตรวจสอบ เช่น การเร่งปฏิกิริยา (catalysis) adsorption และ absorption การแลกเปลี่ยนทางเคมี (chemical exchange) การสกัดของเหลวด้วยของเหลว (solvent extraction) การเกิด พอลิเมอร์ (polymerization) การละลาย (dissolution) การออกซิไดส์ (oxidation) และการรีดัคชัน (reduction) เป็นต้น อุตสาหกรรมที่ใช้ประโยชน์ เช่น ถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ปิโตรเคมี ซีเมนต์ แก้ว ยาง วัสดุก่อสร้าง งานแปรสภาพแร่ เนื้อเยื่อและกระดาษ เหล็กและเหล็กกล้า โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก และอุตสาหกรรมยานยนต์ เป็นต้น ตัวแกะรอยจะใช้ในงานส่วนใหญ่เหล่านี้

• การตรวจสอบกระบวนการ เช่น residence time อัตราการไหล ความเร็ว modeling และการประมาณตัวแปร
• การกวน (mixing) เช่น เวลาในการกวน การประมาณความเหมาะสมของตัวกวน (Mixer) และสมรรถนะของตัวกวน
• การบำรุงรักษา เช่น การตรวจสอบการรั่ว การตรวจสอบความผิดปกติ การขนย้ายวัสดุ
• การสึกกร่อนและการกัดกร่อน (wear and corrosion) เช่น การสึกกร่อนของเครื่องยนต์ การกัดกร่อนของเครื่องมือ การศึกษาการหล่อลื่น

บรรณานุกรม

1. . การใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์ในอุตสาหกรรม. [ออนไลน์]. [สืบค้น 17 ต.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.nst.or.th/article/article493/article49312.html.
2. การฉายรังสีอาหารและการยอมรับ. [ออนไลน์]. [สืบค้น 19 ธ.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003o.html.
3. การวิเคราะห์ความผิดปกติของหอกลั่นน้ำมันด้วยวิธี Gamma scanning. [ออนไลน์]. [สืบค้น 8 ธ.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/application/apply-gscan.html.
4. กรรติกา ศิริเสนา. (2550). กัมมันตภาพรังสี พลังงานนิวเคลียร์ มนุษย์ สิ่งแวดล้อมและสังคม. พิมพ์ครั้งที่ 1, หน้า 52-59. บริษัท วีพริ้นท์ (1991) จำกัด.
5. สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ. (2550). เจาะลึก....เรื่องของปรมาณู, หน้า 5. กรุงเทพมหานคร: สำนักงาน ปรมาณูเพื่อสันติ.
6. Industrial Applications. http://www.euronuclear.org/l-information/industry.htm. ; [8 Dec 2011].
7. Industry : Use of Tracers. http://www.aboutnuclear.org/view.cgi?fC=Industry, Use_of_Tracers. ; [9 Dec 2011].
8. Jacques Guizerix et al. (1987). “Radioisotopes and radiation technology in industry”. IAEA Bulletin 2: p.20-24.
9. Radio Isotope (Gamma) Sources. http://www.ndt-ed.org/EducationResources/educationresource.htm ; [8 Dec 2011].
10. Radioisotopes in industry. http://www.world-nuclear.org/info/inf56.html. ; [8 Dec 2011].
11. RCA India – Success Stories – Industry. http://www.barc.ernet.in/rcaindia/4_3.html. ; [8 Dec 2011].

บทเรียนที่ 11 กัมมันตภาพรังสีในส่ิงแวดล้อม

กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อม (Radioactivity in Environment)

เราอาศัยอยู่บนโลกที่มีกัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อมอยู่ทั่วไป ส่วนใหญ่เป็นรังสีที่มีอยู่ตามธรรมชาติ (Natural occurring radiation) และบางส่วนเกิดขึ้นจากกิจกรรมของมนุษย์ (Man made radiation) ต้นกำเนิดของ กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อม แบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่

1. กัมมันตภาพรังสีจากพื้นโลก ซึ่งมาจากแร่ธาตุต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบของโลก โดยมีมาตั้งแต่ โลกถือกำเนิดขึ้นมาแล้ว มีนิวไคลด์กัมมันตรังสี หรือธาตุที่ให้รังสี ที่พบในธรรมชาติกว่า 60 ชนิด เป็นต้นกำเนิดที่สำคัญของรังสีที่เราได้รับในแต่ละวัน
2. กัมมันตภาพจากรังสีคอสมิก เกิดจากรังสีคอสมิกที่มาจากนอกโลก และปฏิกิริยาระหว่างรังสีคอสมิก กับธาตุที่อยู่ในบรรยากาศของโลก
3. กัมมันตภาพรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้น เกิดขึ้นเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ ซึ่งมีสัดส่วนที่ค่อนข้างต่ำ เมื่อเทียบกับผลรวมของปริมาณรังสีทั้งหมดในธรรมชาติ

ธาตุที่มีกัมมันตภาพรังสี เราเรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือ นิวไคลด์กัมมันตรังสี นิวไคลด์รังสี หรืออาจเรียกเพียง นิวไคลด์ ซึ่งมีการตรวจพบแล้วมากกว่า 1,500 นิวไคลด์ เรามักใช้สัญลักษณ์ของนิวไคลด์ โดยแสดง สัญลักษณ์ของธาตุและเลขมวล เช่น ไอโซโทปรังสีของไฮโดรเจน ได้แก่ ตริเตียม มีเลขมวล 3 เขียนแทนด้วย H-3 หรือ3H หรือไอโซโทปรังสี ของยูเรเนียม ซึ่งมีเลขมวล 235 เขียนแทนด้วย U-235 หรือ235U

• นิวไคลด์รังสี พบได้ทั่วไปในธรรมชาติ ในอากาศ ในน้ำ ในดิน รวมทั้งในตัวคนเราด้วย เนื่องจากร่างกายของเรา ประกอบด้วยแร่ธาตุ ซึ่งได้รับมาจากสิ่งแวดล้อม แต่ละวัน เรารับประทานอาหาร ดื่มน้ำ สูดหายใจ เอานิวไคลด์รังสี ที่มีอยู่ในอาหาร ในน้ำ และในอากาศเข้าไป
• กัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ พบได้ทั่วไปในดินและหิน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเปลือกโลก ในน้ำ ในมหาสมุทร และในวัสดุก่อสร้างที่เรานำมาก่อสร้างอาคารบ้านเรือน ในโลกนี้จึงไม่มีที่ไหนที่เราจะอยู่โดยไม่มีรังสี

สัดส่วนของที่มาของปริมาณรังสีที่คนอเมริกันได้รับ

ปริมาณรังสีเฉลี่ยที่ประชากรในสหรัฐอเมริกาได้รับ ประมาณ 3600 มิลิซีเวิร์ต (mSv)ต่อปี แบ่งออกเป็น

• ตามตารางที่แสดงด้านบน ปริมาณรังสีที่ได้รับต่อปี ร้อยละ 82 มาจากรังสีในธรรมชาติ ซึ่งส่วนมากมาจากแกสเรดอน อีกร้อยละ 18 ส่วนใหญ่ได้รับรังสีทางการแพทย์ จากรังสีวินิจฉัย หรือรังสีรักษา และน้อยกว่าร้อยละ 1 มาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ และฝุ่นกัมมันตรังสี
• นิวไคลด์รังสีจากพื้นโลก มีมาตั้งแต่กำเนิดของโลกและจักรวาล ส่วนใหญ่มีอายุที่ยาวมาก โดยทั่วไป มีครึ่งชีวิต หลายร้อยล้านปี นิวไคลด์รังสี ที่มีการสลายตัวมา นานเกินกว่า 30 เท่าของครึ่งชีวิต จะตรวจไม่พบแล้ว นิวไคลด์รุ่นหลัง หรือนิวไคลด์ที่เกิดขึ้น จากนิวไคลด์รังสีที่มีอายุยาว จะตรวจพบได้ชัดเจน ซึ่งแสดงบางส่วน อยู่ในตารางนิวไคลด์รังสีจากพื้นโลก

ที่มาของรังสีที่เราได้รับ
รูปจาก http://www.arpansa.gov.au/

นิวไคลด์รังสีตั้งต้นของต้นกำเนิดรังสีในธรรมชาติ

รังสีที่ผลิตขึ้นมา

มีการนำสารกัมมันตรังสีมาใช้งานกว่าหนึ่งร้อยปีมาแล้ว ทำให้กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อมสูงขึ้น แต่น้อยมาก เมื่อเทียบกับปริมาณรังสีทั้งหมด และเนื่องจากส่วนใหญ่มีอายุสั้น ทำให้มีปริมาณลดลงเป็นอย่างมาก ตั้งแต่ระงับการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ นิวไคลด์เหล่านี้เป็นบางส่วนที่ถูกผลิตขึ้นมา

นิวไคลด์รังสีที่ถูกผลิตขึ้นมา

รูปแบบบางชนิดของกัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ

กัมมันตภาพรังสีจากดิน

• กัมมันตภาพรังสีต่อปริมาตรที่ตรวจพบในดิน ขึ้นกับชนิดของดิน ชนิดและปริมาณแร่ธาตุ รวมทั้งความหนาแน่นของดิน
• ในดินพื้นที่ 1 ตารางไมล์ ความลึก 1 ฟุต คิดเป็นปริมาตร 7.894x10 m3แสดงผลการคำนวณอยู่ในตารางด้านล่าง โดยใช้ค่าความหนาแน่น ประมาณ 1.58 g/cm3

กัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ ของดินในพื้นที่ 1 ตารางไมล์ ความลึก 1ฟุต

กัมมันตภาพรังสีจากมหาสมุทร

น้ำทั้งหมดในโลก รวมทั้งน้ำทะเล มีนิวไคลด์กัมมันตรังสีอยู่
ตารางด้านล่าง แสดงค่าที่คำนวณโดยใช้ปริมาณน้ำในมหาสมุทร จาก World Almanac ปี 1990

แปซิฟิก = 6.549 x 1017m3
แอตแลนติก = 3.095 x 1017m3
รวม = 1.3 x 1018m3

กัมมันตภาพที่ใช้ ในตาราง ได้มาจากข้อมูลในปี 1971 ของ Radioactivity in the Marine

กัมมันตภาพรังสีจากมหาสมุทร

กัมมันตภาพรังสีในอาหาร

อาหารทุกชนิด จะมีกัมมันตภาพรังสีอยู่เล็กน้อย นิวไคลด์รังสีที่พบได้ทั่วไปในอาหาร ได้แก่ โปแตสเซียม-40 เรเดียม-226 ยูเรเนียม-238 และไอโซโทปที่อยู่ในอนุกรมของยูเรเนียม ตารางด้านล่าง แสดงปริมาณ40K และ226Ra ในอาหารปกติ

กัมมันตภาพรังสีในอาหาร

กัมมันตภาพรังสีภายในร่างกาย

ร่างกายคนเราประกอบด้วยสารอินทรีย์ ซึ่งมีสารเคมีหลายชนิด รวมทั้งมีนิวไคลด์รังสีอยู่ด้วย หลายชนิดอยู่ในน้ำดื่มและอาหาร ที่เรารับประทานเข้าไปทุกวัน ในตารางต่อไปนี้เป็นปริมาณของนิวไคลด์รังสี คำนวณโดยใช้น้ำหนักร่างกายผู้ใหญ่ ขนาด 70,000 กรัม

กัมมันตภาพรังสีภายในร่างกาย

• นิวไคลด์รังสีทุกชนิดในสิ่งแวดล้อม สามารถพบได้ภายในร่างกาย
• ค่าของปริมาณรังสีที่ได้รับในแต่ละปี ส่วนหนึ่งจึงมาจากต้นกำเนิดรังสีภายในตัวเรา

กัมมันตภาพรังสีจากวัสดุก่อสร้าง

วัสดุก่อสร้างมีส่วนประกอบ เช่นเดียวกับดินและหิน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเปลือกโลก ทำให้มีไอโซโทปกัมมันตรังสีปะปนอยู่ ตารางด้านล่างเป็นระดับของยูเรเนียม ทอเรียม และโปแตสเซียมในวัสดุก่อสร้างทั่วไป

ปริมาณยูเรเนียม ทอเรียม และโปแตสเซียมในวัสดุก่อสร้าง

บริเวณที่รังสีธรรมชาติมีกัมมันตภาพสูง

• ระดับรังสีในธรรมชาติ เป็นผลรวมของรังสีจากพื้นโลก (จาก40K,232Th,226Ra, etc.)
  และรังสีคอสมิก (โฟตอน, มิวออน ..) โดยมีระดับที่ค่อนข้างคงที่ ใกล้เคียงกันทั้งโลก อยู่ที่ 8-15 mrad/hr
• บางบริเวณมีระดับรังสีธรรมชาติสูง โดยมีประชากรหนาแน่นมาก เช่น ที่ประเทศบราซิล อินเดีย และจีน
• ระดับรังสีที่สูง เนื่องมาจากปริมาณของแร่ธาตุกัมมันตรังสีในดิน เช่น โมนาไซต์ ซึ่งเป็นแร่ของธาตุหายาก มีอยู่ในทราย ร่วมกับแร่อิลมิไนต์ ทำให้ทรายมีสีแตกต่างกัน
• นิวไคลด์รังสีในโมนาไซต์ มีนิวไคลด์ในอนุกรมของทอเรียม-232 เป็นส่วนใหญ่ แต่ก็อาจมีนิวไคลด์ ในอนุกรมของยูเรเนียมด้วย เช่น เรเดียม-226
• ตามรายงานของ BEIR V, National Research Council เรื่องผลต่อสุขภาพของการได้รับรังสีระดับต่ำ
  ในพื้นที่ที่รังสีธรรมชาติมีระดับรังสี มีการเปลี่ยนแปลงโครโมโซมที่เพิ่มสูงขึ้น เช่นเดียวกับผู้ที่ทำงานทางด้านรังสี หรือผู้ที่ได้รับรังสีปริมาณสูง แต่ความถี่ของประชากรในการเป็นมะเร็งไม่แตกต่างจากปกติ

เมือง Guarapari ประเทศบราซิล

• ในบราซิล จะพบทรายโมนาไซต์อยู่ในหาดทรายชายทะเลบางแห่ง ซึ่งมีระดับรังสีในทรายสีดำสูงถึง 5 mrad/hr (50 mGy/hr) ซึ่งสูงเป็น 400 เท่าของค่าปกติของระดับรังสีธรรมชาติในอเมริกา
• นักท่องเที่ยว จะรู้สึกว่าทรายมีอุณหภูมิสูงกว่าปกติ และอุ่นมากขึ้นเมื่อหมกตัวอยู่ในทราย
• ถนนรอบตัวเมืองบางสาย มีระดับรังสี 0.13 mrad/hr (1.3 mGy/hr) ซึ่งสูงเป็น 10 เท่า ของระดับปกติ
• พื้นที่อื่นในบราซิลที่มีระดับรังสีสูง เกิดจากการตกตะกอนสะสมตัวของแร่ธาตุหายาก
• บนเทือกเขาที่สูงประมาณ 250 เมตร ส่วนของแร่อยู่เกือบถึงผิวดิน
• ใกล้กับยอดเขา ซึ่งมีทอเรียมประมาณ 30,000 ตัน มีแร่ธาตุหายากอื่นอีกประมาณ 100,000 ตัน
• ระดับรังสีใกล้ยอดเขาอยู่ที่ 1 ถึง 2 mrad/hr (0.01 to 0.02 mGy/hr) บนเนื้อที่ 30,000 m2ซึ่งมีปริมาณ228Ra สูงมาก ถ้านำมาขึ้นรูปเป็นแผ่น สามารถให้รังสีเอ๊กซ์ ซึ่งทำให้กระดาษอัดรูปดำได้

เมือง Kerala ประเทศอินเดีย

• ที่อ่าวทางตะวันตกเฉียงใต้ของอินเดีย มีโมนาไซต์มากกว่าที่บราซิล มีระดับรังสีเฉลี่ยใกล้เคียงกับที่บราซิล อยู่ที่ 500-600 mrad/yr (5 - 6 mGy/yr) แต่มีรายงานว่า บางจุดสูงถึง 3260 mrad/yr (32.6 mGy/yr)
• หาดทรายในภาพ ปกคลุมด้วยทรายโมนาไซต์สีดำ

เมือง Yangjiang ประเทศจีน

• ในประเทศจีน มีระดับรังสีประมาณ 300-400 mrad/yr (3-4 mGy/yr) มาจากแร่โมนาไซต์ ที่มีธาตุทอเรียม ยูเรเนียม และเรเดียมเช่นกัน
• ลักษณะเป็นพื้นที่ทางการเกษตร
• มีการนำดินสีแดงที่มีแร่โมนาไซต์ มาทำเป็นอิฐในการก่อสร้างบ้านเรือน
• ประชาชนได้รับรังสีจากแกสเรดอน ที่ระเหยจากก้อนอิฐที่อยู่ภายในตัวบ้าน

เมือง Ramsar ประเทศอิหร่าน

• ตัวเมืองอยู่ใกล้ทะเลแคสเปียน มีน้ำพุร้อนหลายแห่ง
• มีกัมมันตภาพของนิวไคลด์รังสีของ เรเดียม-266 ประมาณ 71 mGy/y ซึ่งสูงกว่าแหล่งอื่น ๆ หลายเท่า โดยมีบางแห่ง กัมมันตภาพรังสีสูงสุด 260 mGy/y

รังสีคอสมิก

ในอวกาศมีรังสีคอสมิกอยู่ทั่วไป มีต้นกำเนิดมาจากนอกระบบสุริยะ รังสีคอสมิกมีหลายรูปแบบ ตั้งแต่อนุภาคมวลหนักความเร็วสูง ไปจนถึงโปรตอน นิวตรอน โฟตอนและมิวออนพลังงานสูงรังสีคอสมิกทำปฏิกิริยากับบรรยากาศชั้นบนของโลก ทำให้เกิดนิวไคลด์กัมมันตรังสีหลายชนิด บางชนิดมีครึ่งชีวิตยาว แต่ส่วนใหญ่มีครึ่งชีวิตสั้น ตารางด้านล่าง แสดงนิวไคลด์รังสีบางชนิด ที่เกิดจากปฏิกิริยากับรังสีคอสมิก

นิวไคลด์ที่เกิดจากรังสีคอสมิก

นิวไคลด์รังสีอื่น ๆ ที่เกิดจากรังสีคอสมิก ได้แก่10Be,26Al,36Cl,80Kr,14C,32Si,39Ar,22Na,35S,37Ar,33P,32P,38Mg,24Na,38S,31Si,18F,39Cl,38Cl,34mClจากที่ได้กล่าวมาบ้างแล้ว รังสีคอสมิกทำปฏิกิริยากับบรรยากาศโลก ทำให้เกิดนิวไคลด์รังสีจากคอสมิก ซึ่งมีผลต่อการได้รับรังสีของร่างกายเช่นกันรังสีคอสมิก แบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ปฐมภูมิ และทุติยภูมิ รังสีคอสมิกปฐมภูมิ เป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก (ขึ้นไปถึง 1018eV) ส่วนใหญ่เป็นโปรตอน หรืออาจมีอนุภาคชนิดอื่นที

บทเรียนที่ 12 รังสีในธรรมชาติ 

รังสีจากธรรมชาติ

ดร.สมพร จองคำ และ อารีรัตน์ คอนดวงแก้ว

ต้นกำเนิดหรือแหล่งกำเนิดรังสีที่ใหญ่ที่สุดในธรรมชาติ คือ ดวงอาทิตย์ ซึ่งดำรงตนอยู่ได้ ด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ แบบการหลอมตัว ของธาตุเบา หรือฟิวชัน ของธาตุไฮโดรเจนและธาตุฮีเลียม รังสีที่ดวงอาทิตย์ให้ออกมา ทั่วสุริยจักรวาล ได้แก่ รังสีแสง ที่เรามองเห็น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา รังสี คอสมิก ที่มีพลังงานสูง ตลอดจนคลื่นรังสี ที่มีพลังงานต่ำ เช่น คลื่นความร้อน คลื่นไมโคร คลื่นเรดาร์ คลื่นโทรทัศน์ และคลื่นวิทยุ

รังสีที่มีพลังงานสูง เช่น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา และรังสีคอสมิก เราเรียกว่า รังสีนิวเคลียร์ เนื่องจาก เกิดจากการสลายตัว ของนิวเคลียส ต้นกำเนิดหรือแหล่งกำเนิดรังสีนิวเคลียร์ ในธรรมชาติอีกแห่งหนึ่ง ที่สำคัญก็คือ โลก เนื่องจากโลก เป็นส่วนประกอบของสุริยจักรวาล ที่เป็นผลพวงมาจากทฤษฎีอภิมหากัมปนาท หรือทฤษฎีบิ๊กแบง ซึ่งมีการเกิด ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ของอนุภาคเล็กๆ เป็นหลัก แล้วมีการรวมตัวกัน ขึ้นมาเป็นโลก ที่มีอยู่ 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส โลกประกอบด้วยของแข็ง คือ ดิน และหิน ของเหลว คือ น้ำ และก๊าซชนิดต่างๆ ที่มีอยู่ในดินในน้ำ และลอยอยู่ในอากาศ ล้วนแต่มีสารกัมมันตรังสี เป็นส่วนประกอบ เป็นไปตามธรรมชาติ

ร่างกายมนุษย์ เป็นสารอินทรีย์ ประกอบด้วยธาตุหลัก คือ ไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน พร้อมด้วยธาตุรอง และธาตุปริมาณน้อยอีกมากกว่า 30 ธาตุ สารไอโซโทปกัมมันตรังสี ที่มีอยู่ในร่างกายโดยธรรมชาติ ได้แก่ ไฮโดรเจน-3 หรือตริเทียม คาร์บอน-14 โพแทสเซียม-40 ทอเรียม-232 ยูเรเนียม-238 ซึ่งต่างสลายตัวให้รังสีอัลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมาออกมา

สามารถวัดได้ตลอดเวลาไอโซโทปรังสีที่มีอยู่ในธรรมชาติ คือ ในดิน น้ำ และอากาศ ได้แก่ โพแทสเซียม-40 วาเนเดียม-50 รูบิเดียม-87 อินเดียม-115 ทอเรียม-232 ยูเรเนียม-238 แก็สเรดอน-220 และแก๊สเรดอน-222 รังสีที่มีอยู่ในธรรมชาติเหล่านี้ จะมีมากบ้างน้อยบ้าง แตกต่างกันไป ตามสภาพทางภูมิศาสตร์ รังสีมักจะมีปริมาณมากในบริเวณที่เป็นเหมืองแร่ เหมืองน้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ โดยปกติมนุษย์แต่ละคน ได้รับรังสีเข้าสู่ร่างกาย ซึ่งเป็นรังสีจากธรรมชาติ 85%

นอกนั้นเป็นรังสี จากสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นมาอีก 15% ปริมาณที่ร่างกายได้รับรังสี คิดเป็นหน่วยมิลลิซิเวิร์ต เช่น ใน 1 ปี ร่างกายได้รับรังสีโดยเฉลี่ยเป็น 2.23 มิลิซิเวิร์ต ได้มาจากบ้านเรือน 1.2 มิลลิซิเวิร์ต จากพื้นดิน 0.4 มิลลิซิเวิร์ต และจากรังสีคอสมิก คือ จากฟากฟ้า และจากดวงทิตย์ อีก 0.3 มิลลิซิเวิร์ต ปริมาณร่างกายได้รับรังสีจากสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นมา ได้แก่ จากอาหาร และเครื่องดื่ม 0.2 มิลลิซิเวิร์ต จากการรับเอกซเรย์ทางการแพทย์ 0.1 มิลลิซิเวิร์ต นอกจากนั้นมาจากฝุ่นกัมมันตรังสี ที่ฟุ้งมาจากการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ จากเครื่องใช้ภายในบ้าน และจากการขึ้นเครื่องบินในที่สูง ทำให้ได้รับรังสีคอสมิกเพิ่มมากขึ้นกว่าปกติ

มนุษย์เรารับรังสีจากสิ่งแวดล้อมในธรรมชาติประมาณ 2.23 มิลิซิเวิร์ต ใน 1 ปีโดยเฉลี่ย ทางองค์กรสากล ในการป้องกันอันตรายจากรังสี ได้กำหนดเกณฑ์สูงสุด ที่สาธารณชนจะได้รับใน 1 ปี คือ 5 มิลลิซิเวิร์ต ส่วนนักวิทยาศาสตร์ และผู้ปฏิบัติงานด้านรังสี เช่น หมอและพยาบาล ตามโรงพยาบาล ที่ใช้รังสีรักษาผู้ป่วย บุคคลเหล่านี้ อนุญาตให้ได้รับรังสี ในเกณฑ์สูงสุด ไม่เกิน 50 มิลลิซิเวิร์ต ใน 1 ปี

บทเรียนที่ 13 รังสี ปริมาณและหน่วยวัดรังสี 

รังสีในทางการแพทย์ที่ใช้รักษาโรคมะเร็ง แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ รังสีแกมมา ซึ่งเกิดจากการสลายตัวของแร่บางชนิด ได้แก่ แร่เรเดียม แร่ซีเซียม และแร่โคบอลต์ เป็นต้น และรังสีเอกซ์ที่เกิดจากเครื่องผลิตรังสี ซึ่งอาศัยหลักการทำงานเหมือนเครื่องถ่ายภาพเอกซเรย์ คือ อิเล็กตรอนจะวิ่งไปชนเป้า และปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา

รังสีทั้ง 2 ชนิดทำให้เนื้อมะเร็งตายได้เหมือนๆ กัน โดยที่การตายของเนื้อมะเร็งมี 2 ลักษณะ คือ เซลล์แตกตายในทันที หรือเซลล์สูญเสียคุณสมบัติในการแบ่งตัวการใช้รังสีรักษาในการรักษามะเร็งกระทำได้โดยการฉายรังสีไปยังตำแหน่งที่เป็นโรค ซึ่งสามารถฉายรังสี คลุมก้อนมะเร็งทั้งหมด และต่อมน้ำเหลืองบริเวณใกล้เคียงได้ เครื่องฉายรังสีในปัจจุบัน มีด้วยกันหลายแบบ ขึ้นกับพลังงานทะลุทะลวง ซึ่งสามารถกำหนดความลึกของปริมาณรังสีสูงสุดได้ จึงทำให้ปริมาณรังสีสูงสุด อยู่ลึกไปจากผิวหนัง ดังนั้น เมื่อฉายรังสีอย่างระมัดระวังจะพบอาการแทรกซ้อนน้อยลง หรือในขนาดที่ยอมรับได้ เครื่องฉายรังสีที่นิยมใช้คือ เครื่องโคบอลต์ และเครื่องเร่งอนุภาค

ปริมาณรังสีรวมที่ผู้ป่วยควรจะได้รับ ขึ้นอยู่กับชนิดมะเร็ง ตำแหน่งที่เป็นโรค อายุ สุขภาพทั่วไปของผู้ป่วย และผู้ป่วยเคยได้รับ หรือวางแผนว่า จะได้รับการรักษาวิธีอื่นร่วมด้วยหรือไม่ ระยะเวลาในการให้รักษาทั้งหมด ประมาณ 4-6 สัปดาห์นอกจากการฉายรังสีรักษาแล้ว ยังมีการให้รังสีรักษาแบบหนึ่ง คือ การสอดใส่หรือการฝังแร่เข้าไปยังตำแหน่งที่เป็นมะเร็ง วิธีนี้เป็นการรักษามะเร็งโดยตรง ในการที่มีก้อนมะเร็งตำแหน่งเดียว ขนาดเล็กและจะต้องไม่มีต่อมน้ำเหลืองโต หรืออาจใช้ร่วมกับการฉายรังสี ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งที่ช่วยเพิ่มปริมาณรังสีเฉพาะที่ได้ โดยอวัยวะข้างเคียงจะได้รับรังสีลดลงโรคมะเร็งระยะต้น มีขนาดของก้อนมะเร็ง หรือมีต่อมน้ำเหลืองโตไม่เกิน 3 เซนติเมตร สามารถใช้รังสีรักษาเพียงอย่างเดียว ซึ่งได้ผลการรักษาเท่ากับการผ่าตัด แต่สามารถเก็บรักษาอวัยวะที่เป็นโรค และอวัยวะข้างเคียง ให้คงสภาพ และทำหน้าที่ได้อย่างปกติเมื่อมะเร็งลุกลามมากขึ้น การรักษาด้วยรังสีรักษาเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ ควรพิจารณาการผ่าตัดร่วมกับรังสีรักษา หรือถ้ามีต่อมน้ำเหลืองโต โอกาสที่เซลล์มะเร็งจะแพร่กระจายไปในกระแสเลือดก็มีมากขึ้น จึงควรพิจารณายาเคมีบำบัดร่วมด้วย โดยพิจารณาจังหวะ และเวลาที่เหมาะสม

อาการแทรกซ้อนที่พบบ่อยจากการฉายรังสี ได้แก่ ผิวหนังแห้ง หนังกำพร้าแห้ง หลุดลอกบางส่วน แต่จะไม่มีการไหม้หรือพองเกิดขึ้น ถ้าฉายรังสีบริเวณศีรษะ ผมจะร่วง แต่เมื่อหยุดฉายรังสี ผมก็จะงอกขึ้นใหม่ได้ ถ้าฉายรังสีบริเวณช่องปากและคอ จะทำให้ต่อมน้ำลายทำงานลดลง ผู้ป่วยจะรู้สึกว่าปากและคอแห้ง น้ำลายเหนียว ต่อมรับรสทำงานน้อยลง รับประทานอาหารรสไม่อร่อย และเจ็บเวลากลืน

ถ้าฉายรังสีบริเวณท้อง ก็อาจมีอาการคลื่นไส้ อาเจียน และท้องเสียได้บ้าง ถ้าฉายรังสีบริเวณท้องน้อย ผู้ป่วยอาจจะปัสสาวะบ่อย มีอาการปวดถ่วงท้อง อยากอุจจาระตลอดเวลา อาการแทรกซ้อนต่างๆ จะค่อยๆ เริ่มเกิดขึ้นในขณะได้รับรังสี ซึ่งแพทย์และพยาบาลจะช่วยกันให้คำแนะนำ ให้กำลังใจ และให้การรักษาประคับประคอง ผู้ป่วยทุกรายก็จะสามารถทนการรักษาไปได้ตลอด และเมื่อรักษาครบ เนื้อเยื่อต่างๆ ก็จะซ่อมแซมตัวเอง อาการต่างๆ ก็จะทุเลาลง และหายภายใน 2-4 สัปดาห์

คัดมาจาก: หนังสือพิมพ์บ้านเมือง ฉบับวันที่ 30 ธันวาคม 2548 หน้า 12
คอลัมน์ ชีวิตและสุขภาพ โดย น.พ. สุรพงศ์ อำพันวงษ์ 

บทเรียนที่ 15 สัญลักษณ์รังสีและการติดเครื่องหมายรังสี

สัญลักษณ์รังสีและการติดเครื่องหมายรังสี (Radiation symbol, signs, labels and control devices)

สัญลักษณ์มาตรฐานของรังสี 

สัญลักษณ์รังสี แบบมาตรฐาน เป็นรูปใบพัด 3 แฉก และวงกลมตรงกลาง มีสีม่วงหรือสีดำ บนพื้นสีเหลือง มีสัดส่วนของรัศมีวงกลมใน = R รัศมีวงกลมนอก = 1.5R และรัศมีของใบพัด = 5R

การติดสัญลักษณ์รังสี

ข้อยกเว้นในติดสัญลักษณ์รังสี (Exceptions to posting requirements)

การติดเครื่องหมายภาชนะบรรจุหรืออุปกรณ์ที่มีรังสี (Labeling containers and radiation machines)

ถอดความจาก Radiation symbol, signs, labels and control devices
เวบไซต์ http://www.labor.state.ny.us/workerprotection

บทเรียนที่ 16 รังสีจากเตาไมโครเวฟ

รังสีจากเตาไมโครเวฟ

บทนำเตาไมโครเวฟใช้คลื่นรังสีไมโครเวฟในการทำอาหาร ซึ่งเป็นคลื่นแบบเดียวกันทั้งเตาที่ใช้ตามบ้าน ร้านค้า หรือโรงงานต่างๆ ปัจจุบันยังไม่มีคำแนะนำที่ชัดเจนในการใช้เตาไมโครเวฟจากผู้ผลิต การดูแลรักษาเพื่อให้ใช้งานได้ดี หรือป้องกันอันตรายจากรังสี เราจึงควรรู้คุณสมบัติบางอย่างและข้อควรระวังในการใช้เตาไมโครเวฟ

ไมโครเวฟคืออะไร ?ไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นเดียวกับแสงสว่าง โดยอยู่ในช่วงของคลื่นวิทยุความถี่สูง (high frequency radio wave) เมื่อรังสีมีความถี่สูงขึ้น ความยาวคลื่นจะลดลง คลื่นที่มีความถี่สูงมาก ความยาวคลื่นจึงสั้นมาก ดังนั้น คลื่นชนิดนี้จึงได้ชื่อว่าไมโครเวฟ ซึ่งแปลว่าคลื่นสั้นมาก

รังสีอินฟราเรด (infrared) แสงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet) และรังสีเอกซ์ (X-ray) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกัน แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าไมโครเวฟไมโครเวฟที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อาจจะทะลุผ่านไป เกิดการสะท้อนหรือถูกดูดกลืน วัตถุที่เป็นโลหะจะสะท้อนไมโครเวฟทั้งหมดที่ตกกระทบ ส่วนวัตถุที่ไม่ใช่โลหะ เช่น แก้ว หรือพลาสติก ไมโครเวฟจะเคลื่อนที่ผ่านไปได้บางส่วน วัตถุที่มีความชื้น เช่น ร่างกายคนเราหรืออาหารจะดูดกลืนพลังงานของไมโครเวฟ ถ้าพลังงานที่ถูกดูดกลืนเอาไว้มากกว่าพลังงานที่คายออกมาอุณหภูมิก็จะสูงขึ้นไมโครเวฟใช้สำหรับทำอะไร ?โดยทั่วไปไมโครเวฟมีใช้ในงานด้านการสื่อสารผ่านดาวเทียม โทรศัพท์เคลื่อนที่ เรดาร์ อุปกรณ์นำร่องทางการบินและการเดินเรือ นอกจากนั้น

ยังมีการนำไปใช้ในการให้ความร้อนทางอุตสาหกรรมและการรักษาโดยการใช้ความร้อนในช่วงเวลาที่ผ่านมาไม่นาน มีการใช้เตาไมโครเวฟตามบ้านเรือน ทางอุตสาหกรรม และการพาณิชย์เพิ่มขึ้นจำนวนมาก บทความนี้จะกล่าวถึงแต่เพียงเตาไมโครเวฟที่ใช้กันตามบ้านเท่านั้น 

เตาไมโครเวฟทำงานอย่างไร ?

ในเตาไมโครเวฟมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เรียกว่า แมกนีตรอน (magnetron) ใช้สำหรับผลิตคลื่นไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟที่ผลิตออกมานี้มีความถี่ 2,450 MHz ซึ่งจะปล่อยออกมาที่ช่องว่างภายในเตาที่มีผนังเป็นโลหะ คลื่นไมโครเวฟจะสะท้อนไปมาอยู่ภายในเตาและถูกดูดกลืนโดยอาหารหรือเครื่องดื่มที่เราใส่เข้าไป การดูดกลืนที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้บางตำแหน่งเกิดจุดร้อน (hot spots) ขึ้นไมโครเวฟที่ผ่านเข้าไปในอาหารหรือของเหลวจะทำให้โมเลกุลของน้ำเกิดการสั่น ทำให้เกิดการเสียดสีกันของโมเลกุล จึงเกิดความร้อนและทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เวลาที่ใช้ประกอบอาหารจึงสั้นกว่าการใช้เตาแบบธรรมดา ความร้อนจะเพิ่มขึ้นเร็วหรือช้าจะขึ้นกับปริมาณความชื้น รูปร่าง ปริมาตร และมวลของอาหารที่ใส่เข้าไป

อาหารบางชนิดจะมีความร้อนเพิ่มขึ้นไม่สม่ำเสมอ ที่ผิวนอกอาจจะเพียงอุ่นๆ ขณะที่ภายในใกล้ถึงจุดเดือด ตัวอย่างเช่น โดนัทไส้แยม หรือพายไก่ อาหารบางชนิด บางส่วนจะสุก บางส่วนไม่สุก อาหารแช่แข็งอาจจะยังแข็งตัวอยู่ถ้าไม่นำออกมาทิ้งไว้ให้น้ำแข็งละลายก่อนผนังของเตาไมโครเวฟและภาชนะที่ไม่ใช่โลหะจะไม่เกิดความร้อนโดยตรงจากไมโครเวฟ เนื่องจากเป็นวัสดุที่ไม่ดูดกลืนพลังงานของไมโครเวฟ แต่ผนังภายในของเตาและภาชนะร้อนขึ้น เนื่องจากได้รับความร้อนจากอาหารที่ใส่เข้าไป และความร้อนจากการทำงานของวงจรไฟฟ้าของเตา

การได้รับคลื่นไมโครเวฟจะมีผลต่อสุขภาพอย่างไร ? 

ถ้าได้รับไมโครเวฟปริมาณสูงจะทำให้เกิดความร้อน ในกรณีที่เป็นเนื้อเยื่อของร่างกาย ความร้อนที่สูงเกินไปจะทำให้เป็นอันตราย เช่น เกิดการไหม้ของเนื้อเยื่อที่อยู่ลึกลงหรือทำให้เกิด hyperthermia มีงานวิจัยเรื่องนี้กันอย่างกว้างขวาง แต่ยังไม่มีการยืนยันที่แน่นอนถึงผลกระทบของการได้รับไมโครเวฟว่ามีปริมาณระดับใดที่จะส่งผลให้เกิดมะเร็ง

เตาไมโครเวฟมีความปลอดภัยเพียงใด ?

คลื่นไมโครเวฟที่ผลิตจากเตาไมโครเวฟจะหมดลงทันทีที่ปิดสวิทช์ของหลอดแมกนีตรอน แบบเดียวกับการปิดสวิทช์หลอดไฟฟ้า จะไม่มีคลื่นไมโครเวฟหลงเหลืออยู่ในอาหารเมื่อปิดสวิช์หรือนำออกมาจากเตาแล้วไมโครเวฟจะไม่ทำให้อาหารหรือเตามีกัมมันตภาพรังสี อาหารที่ปรุงด้วยเตาไมโครเวฟจึงไม่มีอันตรายจากรังสีเตาไมโครเวฟทุกเครื่องจะมีสวิทช์แบบ safety interlock อย่างน้อย 2 ส่วน ซึ่งจะตัดการผลิตไมโครเวฟทันทีที่ประตูของเตาถูกเปิดออก การออกแบบเตาสมัยใหม่จะทำให้ไมโครเวฟอยู่เฉพาะภายในเตา แต่ก็ยังมีโอกาสที่ไมโครเวฟจะรั่วออกไปตามแนวรอบประตูได้

โดยทั่วไปจะต้องออกแบบให้ไมโครเวฟรั่วออกไปต่ำกว่าค่าที่กำหนดตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์ไฟฟ้า AS/NZS60335.2.25:2002 Safety Part 2.25 ของออสเตรเลีย กำหนดมาตรฐานการทดสอบระดับการรั่วของไมโครเวฟว่า การรั่วของไมโครเวฟที่ระยะ 50 มิลลิเมตรหรือเกินกว่านั้นจากผิวนอกของเตาจะต้องไม่เกิน 50 วัตต์ต่อตารางเมตร มาตรฐานนี้ใช้กับเตาไมโครเวฟที่ใช้ตามบ้านหรือใช้งานทั่วไป ค่าที่กำหนดนี้เป็นแต่เพียงการป้องกันและเพื่อความปลอดภัยเท่านั้น ไม่มีใครทราบว่าถ้าระดับของไมโครเวฟรั่วเกินกว่านี้จะมีผลอย่างไรต่อผู้ใช้จากการสำรวจของหน่วยงานทดสอบแสดงให้เห็นว่า มีเตาไมโครเวฟที่มีการรั่วเกินกว่าระดับที่กำหนดน้อยมาก

เตาไมโครเวฟที่อยู่ในสภาพดีและใช้อย่างถูกต้องมีความปลอดภัย ถ้าเตามีความเสียหาย ไม่ควรนำมาใช้จนกว่าจะได้รับการซ่อมหรือทดสอบโดยช่างที่มีประสบการณ์ว่าไม่มีไมโครเวฟรั่วออกมาเกินกว่าที่กำหนด เตาไมโครเวฟโดยทั่วไปไม่มีความจำเป็นที่ต้องวัดระดับการรั่วเป็นประจำ

เครื่องกระตุ้นหัวใจ (Cardiac Pacemakers) เมื่อเข้าไปใกล้กับเตาไมโครเวฟ เครื่องกระตุ้นการทำงานของหัวใจไม่มีผลกระทบหรือได้รับผลรบกวนการทำงาน ถ้าระดับของไมโครเวฟที่รั่วมีค่าไม่เกินระดับที่กำหนด ผู้ที่ใช้เครื่องกระตุ้นหัวใจควรปรึกษาแพทย์หากมีปัญหาในกรณีนี้

ภาชนะบรรจุอาหารและแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ภาชนะที่เป็นพลาสติกเหมาะสำหรับการเก็บอาหารที่อุณหภูมิห้อง แต่อาจจะไม่เหมาะที่จะใช้กับเตาไมโครเวฟ เมื่อปรุงอาหารด้วยอุณหภูมิสูงอาจจะทำให้คุณสมบัติทางเคมีเสียไป และอาจจะละลายออกมาปะปนกับอาหารที่บรรจุอยู่ เนื่องจากเป็นการยากที่จะบอกส่วนประกอบหรือชนิดของพลาสติกเมื่อมองจากภายนอก จึงไม่ควรใช้ฟิล์มหรือภาชนะพลาสติกมาใช้กับเตาไมโครเวฟ นอกจากจะได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะ

ถ้ามีปัญหาเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ควรสอบถามโดยตรงจากผู้ผลิตเซรามิกส์ เซรามิกส์แก้ว พลาสติกบางชนิดและกระดาษสามารถนำมาใช้กับเตาไมโครเวฟได้ จานที่เคลือบด้วยโลหะ เช่น เงินหรือทองไม่ควรนำมาใช้ ถ้าจะใช้ฟอยล์บรรจุอาหารหรืออลูมิเนียมฟอยล์ ควรใช้ความระมัดระวังและปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิต ไม่ควรวางฟอยล์บรรจุอาหารหรืออลูมิเนียมฟอยล์สัมผัสกับผนังด้านในของเตาไมโครเวฟ เนื่องจากอาจจะทำให้เกิดประกายไฟ (spark) ขึ้นได้

การตรวจสอบโดยผู้ใช้ผู้ใช้ควรตรวจสอบตำแหน่งเหล่านี้ก่อนจะนำเตาไมโครเวฟมาใช้

• ผนังของประตูควรมีสภาพเรียบร้อยไม่มีตำหนิ
• ประตูของเตาไมโครเวฟควรปิดได้สนิทพอดีกับตัวเตา และสามารถเปิดปิดได้สะดวก
• บานพับของประตูควรอยู่ในสภาพดี
• เตาควรอยู่ในสภาพดี มีความสะอาดโดยเฉพาะขอบประตูและสภาพภายใน ไม่มีรอยไหม้
• ไม่มีรอยสึกกร่อนที่ประตู ขอบประตูหรือภายในเตา

ข้อควรระวังเกี่ยวกับความปลอดภัยทางรังสีการใช้เตาไมโครเวฟควรปฏิบัติตามคู่มือหรือคำแนะนำของผู้ผลิตและข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยดังนี้

• ไม่ควรแก้ไขหรือขัดขวางการทำงานของระบบล็อค (nterlocking device )
• ไม่ควรใช้เตาไมโครเวฟโดยไม่มีจานรองที่ได้รับมาจากผู้ผลิต ยกเว้นในกรณีที่คู่มือการใช้งานระบุให้ใช้ภาชนะอื่นได้
• ไม่เปิดใช้เตาไมโครเวฟโดยไม่มีสิ่งของอยู่ภายใน ซึ่งจะดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟ เช่น อาหาร หรือน้ำ ยกเว้นในกรณีที่คู่มือการใช้งานระบุให้ทำได้
• ขณะที่เปิดประตูของเตาไมโครเวฟ ไม่ควรวางหรือทิ้งน้ำหนักของที่มีน้ำหนักมาก เช่น ภาชนะบรรจุอาหารไว้ที่ประตูของเตา
• ทำความสะอาดภายในเตา ประตูและขอบประตูด้วยน้ำหรือน้ำยาทำความสะอาดแบบอ่อน ไม่ควรใช้แผ่นใยขัดในการทำความสะอาด
• ให้คำแนะนำที่ถูกต้องแก่เด็กในการใช้เตาไมโครเวฟ

ข้อควรระวังเพิ่มเติมเพื่อความปลอดภัยในการใช้เตาไมโครเวฟ

• บางครั้งอาหารหรือของเหลวอาจจะมีความร้อนสูงมาก (super-heat) เกินกว่าจุดเดือดตามธรรมชาติ ของเหลวที่มีความร้อนสูงมากนี้จะเดือดอย่างรุนแรงทันทีที่มีการกระเทือนหรือทำการคนหลังจากที่นำออกจากเตา ทางที่ดีควรใช้ความระมัดระวัง โดยอาจจะใช้ฝาปิดอาหารหรือของเหลว หรือปล่อยให้เย็นลงก่อนจะนำออกจากเตา
• เมื่อละลายอาหารแช่แข็งด้วยเตาไมโครเวฟ ควรทำให้น้ำแข็งละลายทั่วทั้งหมดก่อนนำมาปรุงอาหาร
• ไม่ควรใช้เตาไมโครเวฟในการฆ่าเชื้อ (sterilize) ขวดนมหรือภาชนะบรรจุอาหารของเด็กทารก
• อาหารที่ปรุงด้วยเตาไมโครเวฟ ควรนำมาคนหรือทิ้งไว้สักครู่ก่อนรับประทาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรระมัดระวังเมื่อใช้ในการอุ่นขวดนมเด็ก ขวดแก้วที่เราจับอาจจะรู้สึกว่าไม่ร้อน แต่นมภายในขวดอาจจะร้อนมาก มีรายงานกรณีที่เด็กทารกได้รับบาดเจ็บสาหัสจากการดื่มนมที่นำออกมาจากเตาไมโครเวฟ เพื่อป้องกันปัญหาเหล่านี้ จึงไม่ควรอุ่นอาหารเด็กทารกด้วยเตาไมโครเวฟ ถ้าไม่มีทางเลือก หลังจากที่อุ่นแล้ว ควรเขย่าขวดหรือคนให้ทั่วและทดสอบความร้อนของนมหรืออาหารก่อนให้เด็กทาน
• ใช้ภาชนะที่ออกแบบมาสำหรับใช้กับเตาไมโครเวฟเท่านั้น

ถอดความจาก Radiation Emissions from Microwave Ovens
เวบไซต์ www.ansto.gov.au 

บทเรียนที่ 17 การขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ 

การขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์

เรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์สร้างขึ้นโดยมีโรงงานนิวเคลียร์เป็นส่วนหนึ่งอยู่ภายในเรือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ประกอบด้วยถังบรรจุเครื่องปฏิกรณ์ (reactor vessel) ทำด้วยเหล็กกล้า ระบบแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องกำเนิดไอน้ำ ซึ่งจะเชื่อมต่อกันด้วยท่อ ปั๊มและวาล์ว เครื่องปฏิกรณ์แต่ละเครื่องมีฉนวนป้องกันรังสี ทำด้วยตะกั่วมากกว่า 100 ตัน ทำให้บางส่วนมีกัมมันตภาพรังสี

เนื่องจากการสัมผัสกับสารกัมมันตรังสี หรือได้รับนิวตรอนทำให้กลายเป็นสารกัมมันตรังสีการขับเคลื่อนเรือหรือเรือดำน้ำด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นตัวให้ความร้อน โดยเป็นความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชัน ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ กระบวนการฟิชชันนี้ให้รังสีออกมาด้วย จึงต้องมีระบบกำบังรังสีรอบเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อไม่ให้ลูกเรือได้รับรังสีเครื่องขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ มีเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง ที่ออกแบบโดยมีระบบหมุนเวียนน้ำ 2 ระบบ โดยระบบแรกจะหมุนเวียนน้ำผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อนำความร้อนออกไปให้กับระบบผลิตไอน้ำ ระบบแรกมีความดันภายในสูงทำให้น้ำไม่เดือด เพื่อไม่ให้ประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนที่แกนเครื่องปฏิกรณ์ลดลง น้ำที่แลกเปลี่ยนความร้อนกับระบบผลิตไอน้ำแล้ว จะมีอุณหภูมิลดลงและจะถูกปั๊มกลับเข้าเครื่องปฏิกรณ์เพื่อรับความร้อนใหม่

ระบบหมุนเวียนน้ำระบบที่ 2 จะแยกส่วนจากน้ำของระบบแรก แต่จะมีเครื่องกำเนิดไอน้ำที่รับความร้อนจากระบบแรก แล้วกลายเป็นไอซึ่งจะไปขับกังหันของใบพัดเรือและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับป้อนภายในเรือ จากนั้นไอน้ำจะถูกควบแน่นกลับเป็นน้ำและปั๊มกลับคืนสู่เครื่องกำเนิดไอน้ำ

เนื่องจากพลังงานที่เกิดขึ้นไม่จำเป็นต้องใช้อากาศหรือออกซิเจน เรือดำน้ำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์จึงสามารถอยู่ใต้น้ำโดยไม่จำเป็นต้องขึ้นมารับอากาศเป็นเวลานานเครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือ มีการปรับเปลี่ยนให้เหมาะสมกับการใช้งานในเรือ ทำให้แตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ทางพลเรือน ที่ทำงานในสภาวะ steady state

เนื่องจากลูกเรือต้องทำงานอยู่ใกล้กับเครื่องปฏิกรณ์ จึงมีการออกแบบให้มีความปลอดภัยสูงขึ้นทั้งทางด้านนิวเคลียร์ รังสี คลื่น เสียง และการบำรุงรักษา อุปกรณ์ที่ใช้ต้องออกแบบและผลิตโดยควบคุมคุณภาพให้สูงกว่ามาตรฐาน เครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือมีช่วงเวลาในการทำงานได้ยาวนานก่อนที่จะถึงเวลาบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนเชื้อเพลิง ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ ที่มีการเปิดออกเพื่อเปลี่ยนเชื้อเพลิงใหม่ทุก 18 เดือนเครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือต้องมีการป้องกันและมีความยืดหยุ่น เพื่อให้สามารถปฏิบัติงานในสภาวะที่รุนแรงในทะเลได้เป็นเวลาหลายสิบปี เช่น เมื่อเรือจอดอยู่และมีคลื่นทำให้เรือโยนตัวอย่างรวดเร็ว มีคำสั่งให้เปลี่ยนกำลังการเดินเครื่อง หรืออาจจะอยู่ในภาวะสงคราม

สภาวะเหล่านี้บวกกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงภายในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งวัสดุอุปกรณ์ต้องได้รับรังสีเป็นเวลานาน การสึกกร่อน อุณหภูมิและความดันสูง ทำให้จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีและความรอบคอบในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ ให้สามารถปฏิบัติงานที่เชื่อมั่นได้ และเชื่อได้ว่าเครื่องขับเคลื่อนพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือจะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในอนาคต

เครื่องขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือ มีความแตกต่างออกไป ทั้งทางด้านขนาด การจัดวางส่วนประกอบ ความแข็งแรงทนทาน ความกะทัดรัด การออกแบบก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง และสภาวะในการปฏิบัติงาน ส่วนประกอบทางนิวเคลียร์ทั้งหมดถูกติดตั้งอยู่ภายในลำเรือโดยเป็นส่วนหนึ่งของเรือ ที่เรียกว่า ตอนเครื่องปฏิกรณ์ (reactor compartment) ซึ่งจะมีหน้าที่เดียวกันแต่อาจมีรูปร่างแตกต่างกันในเรือแต่ละชนิด

สำหรับเรือดำน้ำ ตอนเครื่องปฏิกรณ์จะเป็นรูปทรงกระบอกแนวนอน โดยเป็นส่วนหนึ่งของลำตัวเรือ และมีฉนวนป้องกันรังสีที่ตอนปลายของแต่ละด้าน ตอนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือลาดตระเวน (cruiser) จะมีฉนวนป้องกันรังสีในแนวตั้งรูปทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยม ขึ้นกับรูปร่างและโครงสร้างของเรือเรือพลังงานนิวเคลียร์ยังคงมีรังสีออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ขับดัน แม้ว่าจะดับเครื่องแล้วหรือเคลื่อนย้ายแท่งเชื้อเพลิงออกไปแล้วก็ตาม เมื่อนำเชื้อเพลิงออกไปแล้ว fission product จะออกไปด้วย เนื่องจากมีการออกแบบ การผลิตและการทดสอบที่เชื่อมั่นได้ว่า fission product ทั้งหมดจะยังคงอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิง

วัสดุกัมมันตรังสี มากกว่า 99.9% เป็นโครงสร้าง alloy ซึ่งเป็นส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์ กัมมันตภาพรังสีเกิดจากปฏิกิริยาของรังสีนิวตรอนกับเหล็กและธาตุที่เป็นโลหะอยู่ในอัลลอยด์ ในระหว่างที่เครื่องปฏิกรณ์ทำงาน อีก 0.1% เป็นกัมมันตภาพรังสี จากวัสดุที่สึกกร่อนออกมาจากโครงสร้าง และเข้าไปอยู่ในระบบหมุนเวียนของสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งจะมีกัมมันตภาพรังสี จากการเกิดปฏิกิริยากับรังสีนิวตรอน ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ แล้วตกตะกอบอยู่ภายในท่อเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์เป็นยูเรเนียมที่มีเปลือกหุ้มเป็นโลหะ ยูเรเนียมเป็นหนึ่งในโลหะไม่กี่ชนิด ที่สามารถจะให้ความร้อนออกมาจากการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ เมื่อนิวตรอนทำให้อะตอมของยูเรเนียมแตกออกจากปฏิกิริยาฟิชชัน (fission) นิวเคลียสของยูเรเนียมจะแยกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เลขอะตอมลดลง เรียกว่าผลผลิตฟิชชัน (fission product) ซึ่งจะมีความเร็วสูงมากในตอนที่แตกออกมา fission product จะเคลื่อนที่ไปได้ในระยะทางเป็นไมโครเมตรเท่านั้น และจะหยุดลงอยู่ภายในเปลือกหุ้มเชื้อเพลิง ความร้อนที่เกิดขึ้นจากกระบวนการฟิชชัน ส่วนใหญ่เกิดจากการหยุดลงของ fission product ทำให้คายพลังงานจลน์ออกมาในรูปของความร้อน

ลักษณะของตอนเครื่องปฏิกรณ์ในเรือแต่ละชนิด

ปฏิกิริยาฟิชชันทำให้มีกัมมันตภาพรังสี เนื่องจาก fission products ที่เกิดขึ้นมีกัมมันตภาพรังสีสูง ดังนั้นกัมมันตภาพรังสีของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่จึงเกิดจาก fission product วัสดุที่ใช้หุ้มเชื้อเพลิงยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ขับดันของกองทัพเรือ สามารถทนการกัดกร่อนและทนต่อรังสีได้สูง เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ถูกออกแบบ ผลิตและทดสอบ เพื่อให้เชื่อมั่นได้ว่า fission products ที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงนี้จะอยู่ภายในโครงสร้างของแท่งเชื้อเพลิง

ในการทำงานปกติ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของกองทัพเรือจะไม่มี fission product เล็ดรอดออกมาภายนอกได้ขณะที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงาน ปฏิกิริยาฟิชชันของยูเรเนียมจะให้รังสีนิวตรอนออกมาด้วย นิวตรอนส่วนใหญ่จะถูกดูดกลืนโดยอะตอมของเชื้อเพลิงและทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง แต่ยังคงมีรังสีนิวตรอนบางส่วนออกมาภายนอกแท่งเชื้อเพลิงและถูกดูดกลืนโดยวัสดุที่เป็นโครงสร้างส่วนติดตั้งแท่งเชื้อเพลิง หรือโครงสร้างของแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

การสึกกร่อนที่ผิวหน้าของวัสดุเหล่านี้ที่เกิดขึ้นเล็กน้อย จะเข้าไปอยู่ในสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ สารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์จะพาสารกัมมันตรังสีเหล่านี้เข้าไปในระบบท่อ และส่วนใหญ่จะถูกดักออกไปจากระบบการกรอง นิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เหลืออยู่จะตกตะกอนอยู่ในระบบท่อภายในนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง เมื่อถูกดูดกลืนโดยอะตอมของวัสดุที่เป็นโครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์ จะทำให้มีกัมมันตภาพรังสี เช่น เหล็ก ที่ในนิวเคลียสมี 54 อนุภาค (Fe-54) อยู่ในสภาวะที่เสถียร เมื่อได้รับนิวตรอน จะกลายเป็นเหล็ก 55 (Fe-55) ซึ่งมีกัมมันตภาพรังสี โดยจะคายพลังงานในรูปของรังสีออกมา แล้วเป็นเป็นแมงกานีส 55 (Mn-55) ที่เสถียร กระบวนการนี้เรียกว่า การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี (radioactive decay)

การปฏิบัติงานของเรือจำเป็นต้องทำให้ลูกเรือสามารถอยู่บนเรือได้อย่างปลอดภัย ตอนเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องออกแบบให้ป้องกันรังสี โดยทำให้ภายนอกผนังของตอนเครื่องปฏิกรณ์มีระดับรังสีต่ำมากๆ ในการเดินทางด้วยภาวะปกติ เรือ cruisers และ LOS ANGELES Class และเรือดำน้ำ OHIO Class มีระดับรังสีที่ผิวด้านนอกต่ำกว่า 1/200 mrem ต่อชั่วโมง

รังสีนิวตรอนและผลผลิตฟิชชันทีมเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน

การเลิกใช้และการถอดแท่งเชื้อเพลิง (Decommissioning and Defueling)

เรือพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือสหรัฐจะเลิกใช้งานและถอดเชื้อเพลิงออกเมื่อสิ้นสุดอายุของเชื้อเพลิง เมื่อค่าใช้จ่ายในการปฏิบัติการต่อไปไม่คุ้มกับสมรรถนะที่ได้รับ หรือเรือเหล่านั้นไม่จำเป็นต่อการใช้งานอีกต่อไป กองทัพเรือต้องเผชิญกับสภาวะความจำเป็นในการลดขนาดกองเรือ ทำให้เรือลาดตระเวนพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ต้องปลดประจำการ เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์รุ่น LOS ANGELES Class บางส่วนก็อยู่ในแผนการปลดระวางเช่นกัน

สุดท้ายกองทัพเรืออาจต้องปลดระวางเรือดำน้ำรุ่น OHIO Class เช่นกันการถอดแท่งเชื้อเพลิงของเรือพลังงานนิวเคลียร์ จะทำในช่วงที่ดับเครื่องปฏิกรณ์และไม่มีลูกเรือ กระบวนการถอดแท่งเชื้อเพลิงจะเริ่มจากการเคลื่อนย้ายเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ออกจากถังความดัน (pressure vessel) ของเครื่องปฏิกรณ์ และเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ที่มีกัมมันตภาพรังสีออกไป

การถอดแท่งเชื้อเพลิงเป็นงานประจำที่ปฏิบัติโดยใช้กระบวนการและอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ที่ท่าเรือที่ใช้สนับสนุนงานด้านเครื่องปฏิกรณ์ถ้าการปฏิบัติงานของเรือพลังงานนิวเคลียร์ไม่คุ้มกับค่าใช้จ่าย หรือไม่มีความจำเป็นต้องใช้งานแล้ว ต้องมีวิธีการจัดการเฉพาะในการจัดการกับตอนเครื่องปฏิกรณ์ที่ถอดเชื้อเพลิงแล้ว เรือที่หมดความจำเป็นในการใช้งานแล้ว อาจจะจัดเก็บไว้ในสถานที่ที่มีการป้องกันชั่วคราว เพื่อรอเวลาในการจัดการที่ถาวร หรือผ่านกระบวนการหมุนเวียนเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ สถานที่เก็บตอนเครื่องปฏิกรณ์ที่เลิกใช้งานแล้ว อยู่ที่ Low Level Waste Burial Grounds เมือง Hanford กรุง Washington ของกระทรวงพลังงาน (Department of Energy) ของสหรัฐเรือที่เลิกใช้งานแล้วสามารถเก็บไว้ในบริเวณที่มีการป้องกัน โดยให้ลอยลำอยู่ได้เป็นเวลานาน โดยไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อม เรือแต่ละลำจะถูกนำขึ้นจากน้ำทุก 15 ปี เพื่อตรวจสอบความเรียบร้อยและทาสีใหม่ ซึ่งเรือที่อยู่ในแผนการที่จะเลิกใช้อย่างถาวรอาจจะไม่ผ่านกระบวนการนี้ทั้งหมด

ส่วนเชื้อเพลิงใช้แล้วจากเครื่องปฏิกรณ์จะถูกนำไปเก็บไว้ในสถานที่เก็บที่ระดับลึกตามกฎหมายการจัดการกากนิวเคลียร์ (Nuclear Waste Policy Act of 1982)ค่าใช้จ่ายในการเก็บตอนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือดำน้ำรุ่น LOS ANGELES Class ประมาณ 10.2 ล้านเหรียญ รุ่นOHIO Class ประมาณ 12.8 ล้านเหรียญ และประมาณ 40 ล้านเหรียญสำหรับเรือลาดตระเวน (cruiser)ถอดความจาก Nuclear Propulsion

เวบไซต์ http://www.fas.org/

บทเรียนที่ 18 อุปกรณ์วัดรังสีที่ญี่ปุ่น

อุปกรณ์วัดรังสีภายหลังอุบัติภัยที่ญี่ปุ่น

RDTX pro เครื่องวัดรังสีแบบมือถือสำหรับใช้กับ iPod และ iPhoneRDTX pro จะทำให้ผู้ใช้สามารถวัดระดับรังสีด้วย iPod หรือ iPhone และทำให้สามารถรักษาสวัสดิภาพของตนเองได้ เครื่องวัดเป็นแบบ Solid-state ทำให้มีความเสถียรในการวัดรังสีแกมมา ในการใช้งานไม่จำเป็นต้องปรับเทียบ ใช้งานง่าย น้ำหนักเบาและมีขนาดเล็ก แบตเตอรี 1 ก้อน สามารถใช้งานได้นาน 96 ชั่วโมง แต่ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรีถ้านำไปติดตั้งร่วมกับ iPhone หรือ iPod หน้าจอแสดงผลที่อ่านระดับรังสีได้ง่าย ว่ารังสีอยู่ในระดับที่ปลอดภัย มีค่าสูงขึ้น หรืออันตราย ถ้าต้องรายละเอียดมากขึ้น หน้าจอแบบดิจิตอลจะแสดงรายละเอียดของการวัดรังสี ส่งผลการวัดให้เพื่อนในกลุ่ม หรือเชื่อมต่อเพื่อให้ควบคุมและป้องกันได้ทั่วโลก RDTX pro สามารถใช้แบบเครื่องเดี่ยวสำหรับเป็นเครื่องเตือนระดับรังสีสำหรับเราและครอบครัว โดยไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับ iPod หรือ iPhone ก็ได้จอแสดงผลแบบมิเตอร์

• ใช้งานง่าย แสดงระดับรังสีได้ชัดเจน
• มีแถบสีเขียวเพื่อแสดงว่าปลอดภัย
• สีเหลืองแสดงว่ามีระดับรังสีสูงกว่าปกติ
• สีแดงแสดงว่ารังสีอยู่ในระดับอันตราย

จอแสดงผลแบบดิจิตอล

• แสดงรายละเอียดผลการวัด
• แสดงจำนวนค่านับวัดรังสีต่อนาที (CPM)
• ตั้งเวลาวัดได้ - ตั้งค่านับวัดได้
• แสดงปริมาณรังสีในหน่วยไมโครซีเวิร์ตต่อชั่วโมง (uSV/h)
• แสดงค่าเฉลี่ยของปริมาณรังสีตั้งแต่เริ่ม reset

การเชื่อมต่อเพื่อแบ่งปันข้อมูล

• สามารถวางตำแหน่งที่ทำการวัดบนแผนที่เพื่อรายงานระดับรังสี
• สามารถแบ่งปันข้อมูลโดยใช้สื่อสังคมออนไลน์ (social media) เช่น Twitter, Facebook
• ให้ผลการวัดปริมาณรังสีที่แม่นยำ ทำให้ผู้ใช้ได้รับความปลอดภัย

คุณสมบัติของเครื่องวัด

• วัดปริมาณรังสีได้ตั้งแต่ 0.01 uSV/hr - 10,000 uSv/Hr
• วัดรังสีแกมมาพลังงาน 60 keV ขึ้นไป
• ความเที่ยงตรง +/- 5% (เทียบกับต้นกำเนิดรังสี Cs=137)
• การใช้ไฟ : ใช้แบตเตอรี 1.5V AA หรือ iPhone (ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรีเมื่อต่อกับ iPhone)
• อายุการใช้งานแบตเตอรี 96 ชั่วโมง

Aircounter เครื่องวัดรังสีขนาดเล็กของญี่ปุ่นอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ที่ฟุกุชิมายังไม่จบลง และเครื่องวัดรังสีส่วนใหญ่ก็มีราคาสูงและมีจำหน่ายเฉพาะในร้านบางแห่งเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ S.T. Corp ซึ่งเป็นบริษัทด้านเคมีภัณฑ์ของญี่ปุ่นจึงมีแนวคิดที่จะนำ Aircounter ออกวางตลาดอุปกรณ์ชิ้นนี้พัฒนาขึ้นโดย Tokyo Metropolitan University ซึ่งเป็นเครื่องวัดรังสีแบบมือถือที่มีราคาถูกลง ดูดีขึ้น และใช้งานได้ง่ายกว่า

เครื่องวัดรังสีส่วนใหญ่บริษัท S.T. ใช้ช่องทางจำหน่ายที่มีอยู่เดิมของบริษัท เช่น ร้านขายยาและตัวแทนจำหน่าย เพื่อให้เข้าถึงผู้ซื้อได้ง่าย (ธุรกิจหลักของบริษัทคือการจำหน่ายน้ำยาดับกลิ่น) โดยจะเริ่มวางจำหน่ายวันที่ 20 ตุลาคม ซึ่งคาดว่า Aircounter จะขายได้ประมาณ $190 โดยมีราคาถูกกว่าเครื่องวัดรังสีทั่วไป ประมาณ 50%อุปกรณ์ชิ้นนี้สามารถวัดระดับรังสีได้ระหว่าง 0.05 ถึง 9.99 ไมโครซีเวิร์ตต่อชั่วโมง (microsieverts per hour) ที่ความสูงจากพื้น 1 เมตร (กระบวนการวัดจะใช้เวลาประมาณ 10 นาที) โดยมีขนาด 82?62?34 mm (จอ LCD มีขนาด 40mm?25mm) มีน้ำหนัก 105g ใช้ถ่าน AAA ซึ่งจะใช้ได้นาน ประมาณ 1 เดือน เมื่อใช้งานวันละชั่วโมงบริษัท S.T. คาดว่าถึงสิ้นปีจะจำหน่าย Aircounters ในญี่ปุ่นได้ประมาณ 50,000 เครื่อง

นักวิจัยญี่ปุ่นพัฒนาพลาสติกวัดรังสีราคาถูกนักวิจัยได้พัฒนาพลาสติกที่ไวต่อรังสีและคุณสมบัติในการเรืองแสงของพลาสติกมาใช้ในการวัดรังสี การค้นพบนี้จะทำให้สามารถลดต้นทุน และทำให้สามารถทำเครื่องวัดรังสีราคาถูกที่ใช้ได้สำหรับทุกคนนักวิจัยญี่ปุ่นได้ผลิตวัสดุวัดรังสีราคาถูก ทำจากพลาสติกเรซินแบบเดียวกับขวดบรรจุน้ำดื่ม เพื่อรองรับกับความต้องการอุปกรณ์วัดรังสีที่เพิ่มมากขึ้นของญี่ปุ่น ภายหลังจากเกิดแผ่นดินไหวและสึนามิ ทำให้เกิดการสูญเสียทางนิวเคลียร์มากที่สุดในรอบ 25 ปี

ที่วัดรังสีแบบนี้ผลิตโดย Hidehito Nakamura ผู้ช่วยศาสตราจารย์ จากมหาวิทยาลัยเกียวโต ร่วมกับบริษัท Teijin Chemicals Ltd ทำให้ที่วัดรังสีแบบนี้มีราคาถูกลง 90% Toru Ishii ผู้จัดการฝ่ายขายของบริษัท Teijin กล่าวว่า “เราตั้งเป้าจะผลิตออกมาภายในปลายเดือนกันยายน เพื่อตอบสนองต่อความต้องการอุปกรณ์วัดรังสีที่เพิ่มขึ้น ภายหลังจากแผ่นดินไหวเมื่อเดือนมีนาคม” Nakamura ได้ประดิษฐ์ "Scintirex," ซึ่งเป็นพลาสติกเรซินที่เรืองแสงเมื่อได้รับรังสี เรซินจึงทำหน้าที่ตรวจรับรังสีในการวัดรังสีDr. Hidehito Nakamura กับ Dr. Sentaro Takahashi จากสถาบันเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ของมหาวิทยาลัยเกียวโต Dr. Yoshiyuki Shirakawa จาก National Institute of Radiological Sciences และ Mr. Hisayoshi Shimizu จาก Teijin Chemicals ประสบความสำเร็จในการพัฒนาพลาสติกที่ไวต่อรังสี โดยใช้เครื่องหมายการค้าว่า “Scintirex” ซึ่งมีราคาต่ำกว่าเครื่องวัดรังสีประมาณ 10 เท่า อุปกรณ์ชิ้นใหม่นี้ดีกว่าพลาสติกเรืองแสง (plastic scintillator) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในเครื่องวัดรังสี ที่มีการใช้ทั่วไปในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์วัสดุชนิดใหม่นี้ คาดว่าจะลดต้นทุนลงไปมาก ซึ่งจะเป็นการรองรับความต้องการอุปกรณ์วัดรังสีประจำตัวบุคคลที่เพิ่มสูงขึ้น รวมทั้งความต้องการเครื่องวัดรังสีแบบพกพาสำหรับทางพาณิชย์และสำหรับทางการ ฝ่ายประชาสัมพันธ์ของบริษัท Teijin คาดว่าส่วนตรวจรับรังสี จะพร้อมสำหรับส่งให้กับหน่วยงานของรัฐและบริษัท

ในต้นเดือนกันยายน ด้วยราคาประมาณ 10,000 เยน ($130) ซึ่งต่ำกว่าวัสดุที่ใช้ในปัจจุบันประมาณ 10 เท่า"Scintirex" ทำจากพลาสติก PET แบบเดียวกับขวดบรรจุน้ำดื่ม เพื่อให้มีความแข็งแรง ยืดหยุ่นและมีราคาถูก โดยผสมกับพลาสติกเรืองแสง (Plastic Scintillators) ซึ่งปัจจุบันญี่ปุ่นนำเข้ามาจาก Saint-Gobain ประเทศฝรั่งเศสเป็นส่วนใหญ่พลาสติกเรซินชนิดใหม่ที่นักวิจัยพัฒนาขึ้นนี้ จะเปล่งแสงออกมาเมื่อได้รับรังสี โดยเรซินจะเป็นตัวตรวจจับในเครื่องวัด ทำให้แสดงปริมารรังสีออกมาได้ พลาสติกแบบใหม่นี้พัฒนามาจากขวดพลาสติกแบบเพท (PET) โดยรวมคุณสมบัติด้านความแข็งแรง ความยืดหยุ่นและราคาถูกของพลาสติกแบบ PET เข้ากับพลาสติกเรืองแสงที่ไวต่อรังสี ซึ่งปัจจุบันญี่ปุ่นนำเข้าจาก Saint-Gobain ของประเทศฝรั่งเศส

มหาวิทยาลัยเกียวโตได้รายงานว่า ตัววัดรังสีนี้จะเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่มีส่วนสำคัญ ในการสนับสนุนต่อการบริหารจัดการด้านรังสี ในอุตสาหกรรมของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ และการจัดการปนเปื้อนสารรังสีในพื้นที่ห่างไกล รวมทั้งการบริหารจัดการด้านรังสี ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลก

นักวิจัยคาดว่าตัววัดรังสีนี้จะไม่ได้มีการใช้ฌพาะในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่จะมีการใช้ในหน่วยงานด้านรังสี (รมถึงโรงพยาบาล) อีกประมาณ 6,000 แห่ง “เราคาดว่าวัสดุชนิดนี้ จะให้คำตอบกับความต้องการอุปกรณ์วัดรังสีคุณภาพดี ราคาถูกและสามารถใช้ได้กับบุคลลทั่วไป” ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารออนไลน์ Euro Physics Letters(EPL) ฉบับวันที่ 29 June 2011ผลิตภัณฑ์นี้จะเริ่มทดลองใช้โดยหน่วยงานของรัฐและบริษัทเอกชน โดยทำการทดลองระหว่างเดือนกันยายนและตุลาคม หลังจากนั้นจึงจะนำออกวางตลาดสำหรับบุคคลทั่วไป

อุปกรณ์วัดรังสีในอาหารชนิดใหม่อยู่ในแผ่นกระดาษที่ใช้ทำกล่องสามารถวัดได้ใน 12 วินาทีเป็นเวลากว่า 5 เดือนแล้ว หลังจากที่เกิดแผ่นดินไหวละสึนามิที่ญี่ปุ่นเมื่อวันที่ 11 มีนาคม ประชาชนยังคงมีความกลัวรังสีตกค้างในอาหาร บริษัท Fuji Electric ในโตเกียวได้พัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีในอาหาร เช่น ปลา เนื้อ ผลไม้ และผัก ในเวลาแค่ 12 วินาที บริษัทกล่าวว่า ระบบโดยทั่วไปจะใช้เวลาหลายสิบนาที ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องตัดอาหารเป็นชิ้น แต่เป็นอุปกรณ์ที่สามารถวัดกล่องที่บรรจุอาหารได้ 200 ชิ้น ในเวลา 60 นาที โดยไม่จำเป็นต้องตัดหรือเปิดกล่องออกมา อุปกรณ์นี้มีขนาดกว้าง360mm?ยาว865mm?สูง1350mm มีน้ำหนัก 150 กิโลกรัม บริษัท Fuji Electric คาดว่าจะมียอดขายในปีนี้ประมาณ 500 เครื่อง โดยเริ่มวางจำหน่ายในเดือนกันยายนด้วยราคา $56,000คุณสมบัติ

(1) ขีดจำกัดของการวัดขึ้นกับรูปร่างของตัวอย่างด้วย
(2) เวลาวัดที่แม่นยำในการวัดตัวอย่างเนื้อ 150 วินาที

รวบรวมจาก

• http://www.scosche.com/consumer-tech/product/2254
• http://techcrunch.com/2011/07/26/aircounter-japan-gets-mini-radiation-detector/
• http://www.reuters.com/article/2011/08/18/us-japan-radiation-detector-idUSTRE77H17A20110818
• http://www.fujielectric.co.jp/about/news/11080102/index.html
• http://www.homelandsecuritynewswire.com/cheap-radiation-detector-made-pet-resin-developed

บทเรียนที่ 19 ยูเรเนียม

ยูเรเนียม 

ยูเรเนียมเป็นธาตุชนิดหนึ่งในตารางธาตุ มีสัญลักษณ์ U มีเลขอะตอม 92 เป็นโลหะหนัก มีสีขาวเงิน มีกัมมันตภาพรังสีโดยธรรมชาติ ยูเรเนียมเป็นธาตุในอนุกรม actinide มีไอโซโทป235U และ233U ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูและระเบิดนิวเคลียร์ ส่วน Depleted uranium ที่มีไอโซโทป238U เป็นหลัก ใช้เป็นอาวุธในการเจาะทำลายและทำแผ่นเกราะ (armor plate)

คุณสมบัติยูเรเนียมบริสุทธิ์มีสีขาวเงิน เป็นโลหะที่มีกัมมันตภาพรังสีอ่อน มีความแข็งน้อยกว่าเหล็กเล็กน้อย มีความอ่อนตัว บิดงอได้ มีความเป็นแม่เหล็กเล็กน้อย โลหะยูเรเนียมมีความหนาแน่นสูงมาก โดยมีความหนาแน่นมากกว่าตะกั่ว 65% แต่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทอง เมื่อโลหะยูเรเนียมถูกอากาศจะทำปฏิกิริยากับน้ำ ทำให้เกิดยูเรเนียมออกไซด์ ยูเรเนียมสกัดออกมาจากแร่โดยวิธีเคมี ทำให้อยู่ในรูป uranium dioxide หรือสารประกอบรูปอื่นเพื่อนำมาใช้ทางอุตสาหกรรมโลหะยูเรเนียมธรรมชาติ ประกอบด้วย U-235 ประมาณ 0.71%, U-238 ประมาณ 99.28%, และ U-234 ประมาณ 0.0054%

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (enriched uranium) ใช้กระบวนการแยกไอโซโทป (isotope separation) เพื่อเพิ่มสัดส่วนหรือความเข้มข้นของไอโซโทป U-235 สำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หรืออาวุธนิวเคลียร์ ส่วนที่เหลืออยู่เรียกว่า depleted uranium จะมี U-235 เหลืออยู่ 0.2% ถึง 0.4% เนื่องจากยูเรเนียมธรรมชาติมีสัดส่วนของ U-235 น้อยอยู่แล้ว กระบวนการเสริมสมรรถนะ (enrichment) จึงทำให้มี depleted uranium จำนวนมาก ตัวอย่างเช่น การผลิตยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (enriched uranium) 5% จำนวน 1 กิโลกรัม ต้องใช้ยูเรนียมธรรมชาติ 11.8 กิโลกรัม ทำให้มี depleted uranium ที่มี U-235 อยู่ 0.3% จำนวน 10.8 กิโลกรัมยูเรเนียมธรรมชาติมี 2 ไอโซโทปหลัก ได้แก่ U-235 และ U-238 และมีไอโซโทป U-234 ที่เกิดจากการสลายตัวของ U-238 อีกเล็กน้อย

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่มี U-235 สูงขึ้น มีความสำคัญสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงผลิตพลังงาน ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ เนื่องจากเป็นไอโซโทปธรรมชาติที่เรียกว่า ฟิชไซส์ (fissile) ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ (fissionable) ด้วยนิวตรอนพลังงานต่ำหรือเทอร์มัลนิวตรอน (thermal neutrons) U-238 มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจาก U-238 ที่ดูดกลืนนิวตรอนแล้วจะกลายเป็นไอโซโทปรังสีที่สลายตัวไปเป็นพลูโตเนียม-239 (Pu-239) ซึ่งเป็นวัสดุฟิชไซส์เช่นกันยูเรเนียม-233 (U-233) เป็นวัสดุฟิชไซส์ โดยเป็นไอโซโทปที่เกิดจากการยิงทอเรียม-232 (Th-232) ด้วยนิวตรอน

ยูเรเนียมเป็นธาตุแรกที่พบว่าเป็นฟิชไซส์ โดยการยิงด้วยนิวตรอนพลังงานต่ำ ไอโซโทปยูเรเนียม-235 จะกลายเป็น ยูเรเนียม-236 ในเวลาสั้นๆ จากนั้นจะแตกออกเป็นสองส่วน กลายเป็น 2 นิวเคลียสที่เล็กลง พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอนจำนวนมากขึ้นออกมา เรียกว่าปฏิกิริยาฟิชชัน (fission) นิวตรอนที่ปล่อยออกมาจะถูก U-235 นิวเคลียสอื่นดูดกลืนและเกิดฟิชชันเพิ่มขึ้น กลายเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อเนื่อง ถ้าไม่มีการดูดจับนิวตรอนออกไป เพื่อควบคุมให้เกิดปฏิกิริยาลดลง ก็จะเกิดการระเบิดขึ้น ระเบิดปรมาณูลูกแรกทำงานด้วยหลักการของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ส่วนอาวุธนิวเคลียร์ (nuclear weapon) เป็นชื่อที่ใช้เรียกโดยรวมทั้งระเบิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันและระเบิดไฮโดรเจน ที่เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

การใช้ประโยชน์ก่อนที่จะมีการค้นพบรังสี ยูเรเนียมถูกใช้ผสมลงไปเล็กน้อยในแก้วและสีเคลือบเซรามิกส์ เรียกว่า แก้วยูเรเนียม (uranium glass) และ Fiestaware มีการใช้ในสารเคมีที่ใช้ถ่ายรูป ได้แก่ uranium nitrate ใช้ทำไส้หลอดไฟฟ้า ใช้ในสีย้อมของอุตสาหกรรมเครื่องหนังและไม้ ใช้เกลือยูเรเนียมผสมในสีย้อมไหมและขนสัตว์ นอกจากนั้นยังใช้ในการตกแต่งฟันปลอมหลังจากที่มีการค้นพบรังสีจากยูเรเนียมจึงมีการใช้ยูเรเนยีมในงานค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์เพิ่มขึ้นมา

หลังจากที่มีการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันในปี 1939 ยูเรเนียมก็มีความสำคัญมากขึ้นในการพัฒนาเพื่อใช้พลังงานนิวเคลียร์ ระเบิดปรมาณูลูกแรกที่ใช้ในสงครามนั้นเป็นระเบิดยูเรเนียม ซึ่งตัวระเบิดมีไอโซโทป U-235 เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง และทำให้อะตอมของยูเรเนียมจำนวนมากเกิดฟิชชันในเวลาเพียงเสี้ยววินาที และปล่อยพลังงานออกมาเป็นลูกไฟยูเรเนียมส่วนใหญ่ที่นำมาใช้ทางด้านพลเรือน คือใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยทั่วไปจะทำให้อยู่ในรูปของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (Enriched uranium) โดยผ่านกระบวนการที่ทำให้ระดับของ U-235 สูงกว่าธรรมชาติ

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์โดยทั่วไป ใช้ยูเรเนียมที่มี U-235 เสริมสมรรถนะ 2–3% แต่ก็มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางชนิดที่อออกแบบมาให้สามารถใช้เชื้อเพลิงที่เป็นยูเรเนียมธรรมชาติ ซึ่งมี U-235 ต่ำกว่า 1%ได้ ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ breeder reactor U-238 จะถูกเปลี่ยนเป็นพลูโตเนียมได้ ส่วนเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ในเรือดำน้ำของกองทัพเรือ ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่มี U-235 สูงโดยค่าที่แน่นอนยังถือเป็นความลับปัจจุบันการใช้ประโยชน์จากยูเรเนียมของกองทัพสหรัฐใช้เป็นอาวุธในการทะลุทะลวง (high-density penetrators) กระสุนที่ใช้จะบรรจุด้วยอัลลอยด์ที่มี depleted uranium ผสมด้วยธาตุอื่น1–2% กระสุนที่ใช้มีตั้งแต่ขนาด 20mm ในปืน Phalanx ของกองทัพเรือ สำหรับใช้ยิงเพื่อทำลายจรวด ไปจนถึงปืนขนาด 30mm ของเครื่องบิน A-10 และปืนขนาด 105mm ของรถถัง เมื่อยิงออกไปด้วยความเร็วสูง กระสุนที่มีความหนาแน่นสูง และมีความแข็ง จะเจาะทำลายเข้าไปในเป้าหมายขนาดใหญ่ได้ รถถังและยานเกราะบางแบบก็มีการเสริมความแข็งแรงด้วยแผ่น depleted uranium (DU) การใช้อาวุธ DU ทำให้เกิดการโต้แย้งกันทางด้านการเมืองและสิ่งแวดล้อม หลังจากที่สหรัฐ อังกฤษและประเทศอื่นๆ นำกระสุน DU มาใช้ในสงครามอ่าวเปอร์เซีย (Persian Gulf ) และสงครามบาลข่าน (Balkans)การนำไปใช้ด้านอื่น:

• U-238 มีครึ่งชีวิตที่ยาว (4.51 x 109ปี) ทำให้นำมาใช้ในการหาอายุของหิน และหาอายุทางธรณีวิทยาโดยการวัดรังสี (radiometric dating) รวมทั้ง การหาอายุโดยเทคนิค การหาปริมาณยูเรเนียมต่อทอเรียม (uranium-thorium dating) และการหาอายุโดยหาปริมาณยูเรเนียมต่อตะกั่ว (uranium-lead dating)
• มีการใช้ Uranyl acetate, UO2(CH3COO)2 ในงานด้านเคมีวิเคราะห์ โดยใช้ในรูปของเกลือโซเดียมที่ไม่ละลายน้ำ
• ใช้โลหะยูเรเนียมเป็นเป้าของรังสีเอกซ์ เพื่อทำให้เกิดรังสีเอกซ์พลังงานสูง
• U-238 มีมวลอะตอมสูงจึงเหมะสำหรับใช้ทำวัสดุป้องกันรังสี (radiation shielding)
• เมื่อทำให้อยู่ในรูปอัลลอยด์กับเหล็ก เรียกว่า ferrouranium ซึ่งเป็นเหล็กที่มีคุณสมบัติพิเศษ ทำให้เพิ่มความยืดหยุ่นและทนต่อแรงดึงมากขึ้น นำมาใช้ทำขั้ว cathode ในหลอด photoelectric ซึ่งมีความไวต่อรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเหนือม่วง (ultraviolet radiation)
• กัมมันตภาพที่แตกต่างกันของไอโซโทป U-234/U-238 สามารถใช้เป็นสารติดตามด้านสิ่งแวดล้อม เพื่อหาที่มาของน้ำใต้ดินหรือน้ำพุธรรมชาติ
• มีคุณสมบัติ deoxidiser มากกว่าวานาเดียมและดึงไนโตรเจนออกจาก (denitrogenise) เหล็ก
• มีการใช้ในรูปอัลลอยด์เพื่อเพิ่มความแข็งของเหล็ก ในเหล็กกล้าทนความร้อนสูง (high speed steel)
• Depleted uranium ซึ่งเป็นยูเรเนียมที่มี U-235 น้อยกว่า 0.2% นั้นมีความหนาแน่นสูง จึงมีการนำไปใช้ในการถ่วงน้ำหนักเพื่อรักษาสมดุลของเครื่องบินและจรวด และใช้ถ่วงให้เกิดความเฉื่อยในเข็มทิศ (gyroscopic compasses)

 ความเป็นมา History การใช้ยูเรเนียมซึ่งมีสารประกอบธรรมชาติในรูปออกไซด์นั้น สืบย้อนกลับไปได้อย่างน้อยคริสตศตวรรษที่ 7 โดยใช้ทำสีเหลืองในเครื่องเคลือบเซรามิกส์ มีการพบแก้วสีเหลืองที่มียูเรเนียมออกไซด์ 1% ใกล้กับเมืองเนเปิล ของอิตาลี และมีการพบอีกครั้งตอนต้นศตวรรษที่ 19 โดยพบว่ามียูเรเนียมที่เหมืองเงิน Hapsburg ที่ Joachimsthal ใน Bohemia ซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมแก้ว โดยส่วนผสมที่ใช้นั้นเก็บเป็นความลับ

ธาตุยูเรเนียมค้นพบในปี 1789 โดย Martin Heinrich Klaproth นักเคมีชาวเยอรมัน โดยพบยูเรเนียมในแร่ที่เรียกว่าพิชเบลน (pitchblende) และตั้งชื่อแร่ชนิดนี้ตามชื่อดาวยูเรนัส ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ และได้รับการค้นพบ 8 ปีก่อนหน้านั้นโดย William Herschel ยูเรเนียมถูกสกัดออกมาในรูปโลหะเป็นครั้งแรกในปี 1841 โดย Eugene-Melchior Peligot ในปี 1850 มีการพัฒนาโดยนำยูเรเนียมมาผสมในแก้วโดย Lloyd & Summerfield ที่เมือง Birmingham ประเทศอังกฤษ ในปี 1896 Henri Becquerel นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสพบว่า ยูเรเนียมมีกัมมันตภาพรังสีโดยเป็นการค้นพบกัมมันตภาพรังสีเป็นครั้งแรกในระหว่างที่มีโครงการแมนฮัตตันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองนั้น ได้มีแผนการ Allied

ในการพัฒนาระเบิดปรมาณูลูกแรก รัฐบาลสหรัฐได้กว้านซื้อยูเรเนียมจากทั่วโลก ในกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมให้อยู่ในระดับที่ต้องการนั้น ต้องใช้ยูเรเนียมจำนวนมาก ซึ่งในที่สุดก็ได้ปริมาณที่พอกับความต้องการ โดยส่วนใหญ่ได้มาจากสาธารณรัฐคองโก (Belgian Congo) เมื่อเสริมสมรรถนะแล้วจึงทำเป็นระเบิดปรมาณูและทิ้งลงที่เมืองฮิโรชิมา ประเทศญี่ปุ่นในปี 1945 อาวุธนิวเคลียร์อีกชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมาในช่วงสงครามใช้พลูโตเนียม ที่ผลิตจากยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงในการเกิดฟิชชัน ในตอนแรกนั้นเชื่อกันว่ายูเรเนียมเป็นแร่ที่มีน้อย การแพร่ขยายของอาวุธนิวเคลียร์สามารถป้องกันได้ง่ายจากการตรวจสอบปริมาณการซื้อขายยูเรเนียม

แต่ในช่วงสิบปีต่อมาได้มีการค้นพบยูเรเนียมเพิ่มขึ้นหลายแห่งทั่วโลกในระหว่างที่มีโครงการแมนฮัตตันนั้น มีการใช้ชื่อ tuballoy ในการเรียกยูเรเนียมธรรมชาติและใช้ชื่อ oralloy เรียกยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ ในตอนแรกนั้นเพื่อรักษาความลับ แต่ต่อมาก็มีการใช้จนเป็นชื่อสามัญ นอกจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ในโครงการแมนฮัตตันยังใช้ชื่อ 25 สำหรับเรียก ยูเรเนียม-235 ด้วย ส่วน depleted uranium มีการใช้ชื่อ Q-metal, depletalloy, และ D-38 ซึ่งต่อมาได้เลิกใช้แล้วแบคทีเรียกับยูเรเนียมมีผลงานวิจัยเมื่อไม่นานมานี้ที่แมนเชสเตอร์ที่แสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียสามารถรีดิวซ์และตรึงยูเรเนียมไว้ได้การเกิดของยูเรเนียมแร่ยูเรเนียม

ยูเรเนียมเป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงที่สุดที่พบในธรรมชาติ มีปริมาณน้อยในหินทุกชนิด ในดินและน้ำ

ยูเรเนียมบนโลกมีมากกว่าพลวง (antimony) เบริลเลียม (beryllium) แคดเมียม ทอง ปรอท เงิน หรือทังสเตน โดยมีปริมาณใกล้เคียงกับสารหนูและโมลิบดีนัม ยูเรเนียมส่วนใหญ่พบในแร่ uraninite และพบได้ในแร่อีกหลายชนิดได้แก่ autunite, uranophane, torbernite, และ coffinite ยูเรเนียมมีความเข้มข้นสูงกว่าปกติในวัตถุบางอย่าง เช่น หินฟอสเฟต แร่ลิกไนต์ และทรายโมนาไซต์ซึ่งมียูเรเนียมสูงพอที่จะสกัดออกมาในเชิงพาณิชย์

การสลายตัวของยูเรเนียม ทอเรียมและโปแตสเซียม-40 คาดว่าเป็นแหล่งความร้อนหลักอย่างหนึ่งของเปลือกโลก ทำให้เปลือกที่หุ้มแกนโลกหลอมเหลวและพาความร้อนออกมาทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกชั้นนอก (plate tectonics)

แร่ยูเรเนียมในหินที่มีปริมาณยูเรเนียมมากพอที่จะสกัดออกมาอย่างคุ้มค่านั้น โดยทั่วไปจะมียูเรเนียมออกไซด์ 1-4 ปอนด์ต่อตัน หรือมียูเรเนียมออกไซด์ 0.05% - 0.20%การผลิตยูเรเนียมที่มีความบริสุทธิ์ในระดับทางการค้าสามารถผลิตได้โดยการสกัดเกลือยูเรเนียม (uranium halides) ด้วยด่าง (alkali) ส่วนโลหะยูเรเนียมสามารถผลิตได้โดยการใช้ไฟฟ้า (electrolysis) ผ่านไปในสารละลายของ KUF5 หรือ UF4 ใน CaCl2 และ NaCl ยูเรเนียมบริสุทธิ์สูงสามารถผลิตได้โดยการใช้ความร้อนจากลวดไฟฟ้าสกัดออกมาจาก uranium halides
ในปี 2001 เจ้าของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของโรงไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ในสหรัฐ ซื้อยูเรเนียมทั้งจากในประเทศและตางประเทศรวม 21,300 ตัน ยูเรเนียมมีราคาเฉลี่ยอยู่ที่ 26.39 เหรียญสหรัฐต่อกิโลกรัม โดยลดลง 16% เมื่อเทียบกับปี 1998 ในปี 2001 สหรัฐผลิตยูเรเนียม 1,018 ตันจากเหมือง 7 แห่ง ทั้งหมดตั้งอยู่ฝั่งตะวันตกของแม่น้ำ Mississippi

การผลิตยูเรเนียมสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกมาก คาดว่าถ้าราคาเพิ่มขึ้นอีก 10 เท่า ปริมาณการผลิตยูเรเนียมสามารถเพิ่มขึ้นได้อีก 300 เท่า
การสำรวจและการผลิตยูเรเนียม

แหล่งแร่ยูเรเนียมมีกระจายอยู่ทั่วโลก โดยทั่วไปประเทศที่มีขนาดใหญ่จะมีแหล่งแร่ยูเรเนียมมากกว่า แหล่งแร่ยูเรเนียมที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือที่เหมือง Olympic Dam ประเทศออสเตรเลีย

ออสเตรเลียเป็นประเทศที่มีปริมาณยูเรเนียมสำรองมากที่สุด คิดเป็น 40% ของทั้งโลก ยูเรเนียมที่ผลิตได้ส่วนใหญ่จะส่งออก แต่ภายใต้ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เข้มงวดของทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency) รัฐบาลและประชาชนของออสเตรเลียจะต้องไม่ใช้ยูเรเนียมในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ ยูเรเนียมจากออสเตรเลียจึงใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าท่านั้นขณะที่ออสเตรเลียเป็นประเทศที่มีปริมาณยูเรเนียมสำรองมากที่สุด แต่แคนาดากลับเป็นประเทศที่ส่งออกยูเรเนียมมากที่สุด เหมืองที่ตั้งอยู่บนที่ราบ Athabasca ทางตอนเหนือของ Saskatchewan บริษัท Cameco ซึ่งดำเนินงานบนพื้นที่ 3 ตารางไมล์ เป็นผู้ผลิตยูเรเนียมราคาถูกและปริมาณมากที่สุดในโลก คิดเป็น 18% ของการผลิตทั้งโลกการทำเหมืองยูเรเนียมในสหรัฐอยู่ในภาวะตกต่ำ เนื่องจากมีการนำวัสดุที่เคยใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ เปลี่ยนมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ปริมาณสำรองของยูเรเนียมในอดีตประเทศสหภาพโซเวียต และการเริ่มการผลิตยูเรเนียมคุณภาพสูงของแคนาดา ล้วนมีผลต่อราคาของยูเรเนียมสารประกอบยูเรเนียมUranium tetrafluoride (UF4) เป็นของแข็งสีเขียวหยก (emerald-green) เรียกว่า "green salt" เป็นสารประกอบที่อยู่ระหว่างกระบวนการผลิต uranium hexafluoride

Uranium hexafluoride (UF6) เป็นผลึกไม่มีสี จะระเหยเป็นไอเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 56.4 ?C UF6 เป็นสารประกอบยูเรเนียมที่ใช้ในกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม 2 แบบ คือ การเสริมสมรรถนะยูเรเนียมโดยการแพร่แก๊ส (gaseous diffusion enrichment) และการหมุนเหวี่ยงแก๊ส (gas centrifuge enrichment) ในทางอุตสาหกรรม เรียกชื่อง่ายๆ ว่า hex เป็นสารที่มีการกัดกร่อนสูง เกิดปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำและน้ำมันเค้กเหลือง (yellowcake) เป็นยูเรเนียมเข้มข้น ได้ชื่อมาจากลักษณะและสีในขณะที่อยู่ในกระบวนการผลิตในสมัยก่อน แต่โรงงงานสมัยใหม่ผลิต yellowcake โดยวิธีการเผาที่อุณหภูมิสูงทำให้ได้ออกมาเป็นสีเขียวอ่อนไปจนถึงสีดำ แต่เดิมยังไม่ทราบโครงสร้างของสารประกอบในเค้กเหลือง จนในปี 1970 องค์การเหมืองแร่ (Bureau of Mines) ของสหรัฐจึงสามารถหาได้ว่าส่วนที่ตกตะกอนสุดท้ายในกระบวนการนี้คือ ammonium diuranate หรือ sodium diuranate ขึ้นอยู่กับสารเคมีที่ใช้ในกระบวนการ เค้กเหลืองยังมีสารประกอบในรูปอื่นอีก ได้แก่ uranyl hydroxide, uranyl sulfate, sodium para-uranate, และ uranyl peroxide รวมทั้งมี uranium oxides ด้วย เค้กเหลืองรุ่นใหม่ประกอบด้วย uranium oxide (U3O8) 70 ถึง 90% โดยน้ำหนัก และมี uranium oxides รูปแบบอื่น เช่น UO2 และ UO3

• Uranium dioxide มีลักษณะเป็นผงของผลึก มีสีน้ำตาลเข้ม มีการนำมาใช้ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 18 จนถึงกลางศตวรรษที่ 19 โดยใช้ผสมในน้ำยาเคลือบเซรามิกส์ ปัจจุบันใช้ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เป็นส่วนใหญ่ โดยทำเป็นรูปของแท่งเชื้อเพลิง (fuel rods)
• Uranyl nitrate (UO2(NO3)2) มีลักษณะเป็นผลึกสีเหลือง มีความเป็นพิษสูง ละลายได้ในเกลือยูเรเนียม
• Uranium rhodium germanium (URhGe) เป็นอัลลอยด์ชนิดแรกที่พบว่ามีคุณสมบัติเป็นสารตัวนำยิ่งยวด (superconducter) เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูง
• Uranium carbonate (UO2(CO3)) พบทั้งในแร่และในส่วนที่เป็นสารอินทรีย์และเถ้าลอย (fly ash) ของถ่านหิน เป็นองค์ประกอบหลักของยูเรเนียมในน้ำที่ซึมออกจากเหมือง
• Uranium trihydride (UH3) มีลักษณะเป็นผงสีดำ มีความไวสูงและเกิดการลุกไหม้เองได้ (pyrophoric)

ไอโซโทปยูเรเนียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประกอบ 3 ไอโซโทป238U,235U และ234U ทั้งสามไอโซโทปนี้มีกัมมันตภาพรังสี โดย238U มีจำนวนมากที่สุด (99.3%)238U มีครึ่งชีวิต 4.5 x 109 ปี235U มีครึ่งชีวิต 7 x 108 ปี และ234U มีครึ่งชีวิต 2.5 x 105 ปี238U ให้รังสีอัลฟาโดยมีการสลายตัวเป็นอนุกรมและสิ้นสุดที่206Pb

ไอโซโทปของยูเรเนียมสามารถแยกออกเพื่อเพิ่มความเข้มข้นให้สูงกว่าไอโซโทปอื่น กระบวนการนี้เรียกว่า การเสริมสมรรถนะ (enrichment) เช่น การเสริมสมรรถนะ235U ทำให้มีสัดส่วนสูงกว่า 0.711% โดยมักเพิ่มขึ้นเป็น 3% ถึง 7%235U เป็นวัสดุฟิสไซล์ (fissile material) สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ทั้ง235U และ239Pu สามารถใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ได้ กระบวนการนี้ทำให้มียูเรเนียมปริมาณมากที่เหลืออยู่อีกส่วนหนึ่งซึ่ง235U ลดลงไปและมีส่วนของ238U เพิ่มขึ้น เรียกว่า depleted uranium หรือ DU ซึ่งความเข้มข้นของไอโซโทป235U ลดลงต่ำกว่า 0.711% โดยทั่วไปจะมี235U เหลืออยู่ใน depleted uranium ประมาณ 0.2% ถึง 0.3% โดยลดลง 28% ถึง 42% จากปริมาณตั้งต้น233U เป็นไอโซโทปที่ผลิตขึ้นมาจาก232Th เป็นเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ในอินเดีย เคยมีการทดลองเพื่อใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์แต่ไม่ได้ผลดี

ข้อควรระวัง

สารประกอบยูเรเนียมทุกไอโซโทปเป็นสารพิษ และมีกัมมันตภาพรังสี ถ้าได้รับรังสีในปริมาณที่ต่ำ อาจจะได้รับผลจากความเป็นพิษต่อไต ผลที่เกิดจากรังสีส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นเฉพาะที่เนื่องจากรังสีอัลฟาซึ่งส่วนใหญ่มาจากการสลายตัวของ U-238 เคลื่อนที่ได้ในระยะสั้นเท่านั้น สารประกอบยูเรเนียมมักจะไม่ค่อยถูกดูดซึมโดยเยื่อบุปอด จึงอาจจะทำให้ได้รับอันตรายากรังสีที่ตำแหน่งเดิมอยู่ตลอดเวลา ในการทดสอบกับสัตว์ทดลอง ไอออนของ Uranyl (UO2+) ที่มาจาก uranium trioxide หรือ uranyl nitrate และสารประกอบยูเรเนียมที่มี hexavalent ชนิดอื่น ทำให้มีการเกิดที่ผิดปกติหรือทำให้ระบบภูมิคุ้มกันเสียหาย

โลหะยูเรเนียมที่แบ่งเป็นชิ้นเล็กๆ จะติดไฟได้ เนื่องจากยูเรเนียมสามารถลุกไหม้ได้เอง (pyrophoric) ถ้าอยู่ในรูปที่เป็นเม็ดเล็กๆ อาจจะติดไฟได้ในอากาศที่อุณหภูมิห้อง

คนเราสามารถได้รับยูเรเนียมหรือไอโซโทปลูกที่เกิดขึ้น โดยการหายใจเอาฝุ่นในอากาศ หรือดูดควันบุหรี่จากใบยาสูบที่ปลูกโดยใช้ปุ๋ยฟอสเฟต หรือโดยการดื่มหรือทานอาหาร สำหรับคนทั่วไปที่ได้รับยูเรเนียมจากการรับประทาอาหาร โดยเฉลี่ยจะได้รับยูเรเนียม 0.07 ถึง 1.1 ไมโครกรัมต่อวัน ปริมาณยูเรเนียมในอากาศมีน้อยมาก แต่สำหรับประชาชนที่อาศัยอยู่ใกล้กับสถานที่ผลิตหรือทดลองาวุธนิวเคลียร์ หรือสถานที่ทำเหมืองหรือโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมสำหรับผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์อาจจะได้รับยูเรเนียมเพิ่มขึ้น บ้านหรืออาคารที่สร้างบนพื้นที่มีแร่ยูเรเนียมอาจจะได้รับแก๊สเรดอน ที่มาจากยูเรเนียม ซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีและเป็นสารก่อมะเร็ง (carcinogen)

ยูเรเนียมสามารถเข้าสู่ร่างกายเมื่อหายใจหรือกินอาหาร หรือบางกรณีอาจจะเข้าทางบาดแผล ยูเรเนียมจะไม่ซึมผ่านผิวหนัง และรังสีอัลฟาที่มาจากยูเรเนียมก็ไม่สามารถผ่านผิวหนังเข้าสู่ร่างกายได้ ยูเรเนียมที่อยู่ภายนอกร่างกายจึงมีอันตรายน้อยกว่าเมื่อเข้าไปในร่างกายแล้ว ยูเรเนียมไม่ใช่สารก่อมะเร็งแต่เมื่อเข้าสู่ร่างกายแล้วอาจจะทำให้เกิดความเสียหายต่อไตได้

การทำเหมืองแร่ยูเรเนียมอาจจะทำให้เกิดอันตรายจากฝุ่นกัมมันตรังสี (airborne radioactive) แก๊สเรดอนที่มีกัมมันตภาพรังสี และไอโซโทปที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวของยูเรเนียม ถ้าไม่มีระบบถ่ายเทอากาศที่ดี คนงานในเหมืองยูเรเนียมจะมีความเสี่ยงที่จะเกิดมะเร็งปอดหรือโรคทางเดินหายใจสูงขึ้น นอกจากนั้น น้ำใต้ดินก็อาจมีการปนเปื้อนสารพิษที่ใช้ในการแยกแร่ยูเรเนียมได้

ถอดความจาก uranium
เวบไซต์ http://en.wikipedia.org/