วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์ | บทเรียน วิชาการ.คอม
ฟิสิกส์
 

ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์

สร้างเมื่อ 26 เม.ย. 2555 11:03:50
  • ระดับม.6
  • 9,765 view

ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์
               การศึกษานิวเคลียสและกัมมันตรังสีที่กล่าวมาแล้วนั้น นำไปสู่การนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์ ซึ่งอาจกล่าวได้ว่ามีอยู่ 2 ทาง คือการนำกัมมันตภาพรังสีมาใช้ และการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

 

ก. การใช้กัมมันตภาพรังสีในการเกษตรกรรม

                นักวิทยาศาสตร์อาศัยความรู้ที่ว่า ธาตุกัมมันตรังสีสลายอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอิทธิพลภายนอกหรือสิ่งแวดล้อมจึงอาศัยการตรวจติดตามธาตุกัมมันตรังสีมาทำประโยชน์ในการพัฒนาการเกษตรได้เป็นอย่างดี ตัวอย่างเช่น การวิจัยอัตราการดูดซึมปุ๋ยของต้นไม้ ถ้าใส่ปุ๋ยที่มีธาตุกัมมันตรังสี เช่น ฟอสฟอรัส - 32 ปะปนอยู่ ลงในดินบริเวณใกล้ต้นไม้ รากต้นไม้จะดูดซึมธาตุกัมมันตรังสีขไปแล้วส่งต่อไปยังลำต้นและไปอยู่ที่ใบเพื่อรอการปรุงอาหาร การตรวจวัดปริมาณการแผ่รังสีของปุ๋ยที่ใบ ดังรูป 20.19 จะทำให้ทราบปริมาณปุ๋ยที่อยู่ที่ใบได้ จึงสามารถหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้ได้

 

ก.ขณะที่ใส่ปุ๋ยที่มีธาตุกัมมันตรังสีปนอยู่ลงไปในดิน

                                                                      

ข. เมื่อเวลาผ่านไปประมาณ 5 นาที ยังไม่สามารถตรวจสอบปริมาณรังสีได้   ค. เมื่อเวลาผ่านไป 20 นาทีจะสามารถตรวจสอบปริมาณรังสีได้

รูป 20.19 แสดงการตรวจวัดปริมาณการแผ่รังสีของปุ๋ยที่ใบ

 

                การใช้ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีในด้านสัตว์เลี้ยง ได้แก่ การศึกษาการผลิตไข่และน้ำนมของสัตว์ เช่น เป็ด ไก่ และโคนม เป็นต้น เป็นที่ทราบกันดีว่าการผลิตน้ำนมของโคนั้นมีความสัมพันธ์กับต่อมไทรอยด์ ซึ่งเป็นต่อมที่มีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับไอโอดีน โดยการใช้ไอโอดีน -131 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีผสมในอาหารสัตว์ และติดตามวัดปริมาณการดูดซึมไอโอดีน -131 ไปยังส่วนต่างๆของร่างกายสัตว์จะทำให้ทราบว่า การทำงานของต่อมไทรอยด์เพิ่มขึ้นขณะที่โคเริ่มมีน้ำนมและจะพบต่อไปอีกว่า เวลาอากาศร้อนอัตราการทำงานของต่อมนี้จะลดลง  เป็นผลทำให้อัตราการผลิตน้ำนมลดลงด้วย ความรู้ที่ได้นี้อาจนำมาใช้ประโยชน์ในการเลือกโคนม ซึ่งอาจเลือกตั้งแต่โคยังเป็นลูกโคอยู่ก็ได้

                นักวิทยาศาสตร์พบว่า รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถทำให้สิ่งมีชีวิตกลายพันธุ์ได้ เช่น รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะทำให้โครโมโซมในเมล็ดพันธุ์พืชเปลี่ยนไป ดังนั้นเมื่อนำเมล็ดพืชไปเพาะก็จะได้พืชพันธุ์ใหม่ พบว่าโอกาสที่จะได้พืชพันธุ์ใหม่ที่ดีโดยวิธีนี้มีน้อย อย่างไรก็ตามในปัจจุบันนี้ก็มีพันธุ์ดีหลายสิบชนิดทั้งพันธุ์ไม้ดอกและไม้ผลที่เกิดจากวิธีการนี้

                นอกจากสามารถกลายพันธุ์พืชแล้ว รังสีจากธาตุกัมมันตรังสียังช่วยกำจัดแมลงได้ด้วย ซึ่งอาจทำได้โดยรังสีอาบตัวแมลงโดยตรงเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมในเซลล์ของแมลงเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้แมลงตายในที่สุดและอีกวิธีหนึ่งนั้นคือนำเอาเฉพาะแมลงตัวผู้มาอาบรังสีเพื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพร่พันธุ์ได้อีกต่อไป

                ประโยชน์อีกอย่างหนึ่งของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีคือ การถนอมอาหาร เพราะรังสีนี้สามารถฆ่าแบคทีเรีย เชื้อรา และยีสต์ที่มีอยู่ทั่วไปในอาหารได้ทำให้อาหารไม่เน่าหรือเน่าช้ากว่าปกติ นอกจากนี้รังสียังช่วยป้องกันการงอกของพืชผักบางชนิด เช่น มันฝรั่ง หัวหอม ได้ด้วยปริมาณรังสีที่ใช้ในการถนอมอาหารแต่ละชนิดจะแตกต่างกันดังนั้น ในการนำอาหารที่อาบรังสีมาบริโภค จะต้องแน่ใจก่อนว่าไม่มีอันตรายใดๆ

 

ข. การใช้กัมมันตภาพรังสีในการแพทย์ 

                รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถตรวจและรักษาโรคได้หลายชนิด ตัวอย่างเช่น การใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์ -60 การรักษาโรคมะเร็ง โดยการฉายรังสีแกมมาเข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง การใช้รังสีจากโซเดียม -24 ซึ่งอยู่ในรูปของเกลือโซเดียมคลอไรด์ในการศึกษาลักษณะการหมุนเวียนของโลหิตโดยการฉีดสารดังกล่าวเข้าไปในเส้นเลือด และการติดตามการแผ่รังสีจากสารจะทำให้ทราบว่า มีการอุดตันหรือการหมุนเวียนของเลือดไม่สะดวกในบางส่วนของระบบการไหลเวียนหรือไม่ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีไอโอดีน -131 ในการตรวจดูการทำงานของต่อมไทรอยด์ด้วย

 

ค. การใช้กัมมันตภาพรังสีในด้านอุตสาหกรรม 

                ตัวอย่างของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีในอุตสาหกรรมที่สำคัญพอสรุปได้ดังนี้

                ในการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะให้สม่ำเสมอตลอดแผ่น  กระทำได้โดยการหยุดเครื่องรีดแผ่นเป็นคราวๆไป แต่การทำเช่นนี้ทำให้อัตราการผลิตต่ำ การใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะช่วยให้สามารถตรวจสอบได้โดยไม่ต้องหยุดเครื่องรีดแผ่นโลหะ วิธีการที่ใช้กันนั้นแสดงคร่าวๆดังรูป 20.20

 

รูป 20.20 แสดงการควบคุมความหนาของแผ่นโลหะ โดยอาศัยรังสีจากธาตุกัมมันตรังสี

 

โดยมีหลักการย่อดังนี้ ใช้ธาตุกัมมันตรังสีที่ให้รังสีบีตาเป็นแหล่งกำเนิดรังสี โดยปล่อยให้รังสีตกตั้งฉากกับแผ่นโลหะซึ่งกำลังเคลื่อนออกมาจากเครื่องวัด ตั้งเครื่องวัดรังสีไว้ที่ด้านตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดรังสีโดยมีแผ่นโลหะอยู่ตรงกลาง ถ้าแผ่นโลหะมีความหนาผิดไปจากที่กำหนดไว้จะทำให้ปริมาณรังสีที่วัดได้มีค่าผิดไปด้วยแล้ว เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยังเครื่องรีดเพื่อปรับรีดให้เร็วในมาตรฐานที่ตั้งไว้

                การตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อมโลหะ เช่น การเชื่อมท่อ  การต่อท่อที่ใช้สำหรับความดันสูง การเชื่อมตัวเรือดำน้ำ การตรวจสอบประเภทนี้สามารถทำได้ โดยใช้รังสีแกมมาซึ่งสามารถทะลุผ่านแผ่นโลหะได้ โดยนำกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมาวางไว้ด้านหนึ่งของสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ แล้วใช้จอหรือแผ่นฟิล์มรับรังสีด้านตรงข้ามกับของสิ่งนั้น เมื่อนำฟิล์มไปล้างสามารถเห็นภาพภายในวัตถุได้ว่ามีรอยร้าวหรือโพรงหรือไม่ การตรวจสอบดังกล่าวจะช่วยประหยัดเวลาและแรงงานกว่าวิธีอื่นๆ เป็นอันมาก

 

ง. การใช้กัมมันตภาพรังสีหาอายุของวัตถุโบราณ 

                การหาอายุของวัตถุโบราณมีความสำคัญมากในการศึกษาโบราณคดี และธรณีวิทยา การหาอายุโบราณวัตถุนี้อาศัยหลักการที่ว่าองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชิวิตทั้งหลายคือ ธาตุคาร์บอน ธาตุชนิดนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของคาร์บอน -12 ซึ่งเป็นธาตุเสถียร และมีคาร์บอน -14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีปริมาณน้อย เมื่อคาร์บอนรวมตัวกับออกซิเจนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งพืชจะนำไปใช้ในการปรุงอาหารจากนั้นสัตว์ที่อาศัยพืชเป็นอาหารก็ได้รับคาร์บอนจากพืชอีกต่อหนึ่ง คาร์บอน -14 ในสิ่งมีชีวิตจะสลายด้วยครึ่งชีวิต\displaystyle 5568 \pm 30  ปี  ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างนาน ดังนั้นในขณะที่มีชีวิตอยู่อัตราส่วนของคาร์บอน -14 : คาร์บอน -12 ในร่างกายของสัตว์ และในตัวพืชจะมีค่าคงตัวทั้งนี้ขึ้นกับชนิดของสัตว์หรือพืชนั้นๆ แต่เมื่อสิ้นชีวิตลงโอกาสที่จะได้รับคาร์บอนตามปกติก็จะหยุดลงด้วย ดังนั้นอัตราส่วนของคาร์บอนทั้งสองดังกล่าวก็จะลดลงเรื่อยๆ และเราสามารถคำนวณหาอายุของสัตว์หรือพืชได้ จากอัตราส่วนดังกล่าว เช่น ในการตรวจวิเคราะห์โครงกระดูกสัตว์ชนิดเดียวกันที่เพิ่งเสียชีวิตใหม่ๆ แสดงว่าเจ้าของโครงกระดูกนั้นได้ตายมาแล้วประมาณ 5670 ปี ในประเทศไทยก็ได้มีกรค้นพบวัตถุโบราณ เช่น เครื่องปั้นดินเผาลายเขียนสีบ้านเชียง ซึ่งเมื่อทำการตรวจสอบหาอายุโดยใช้รังสีแล้วทำให้ทราบว่า เป็นวัตถุที่มีอายุประมาณ 6060 ปี ซึ่งแสดงให้เห็นว่า บ้านเชียงเคยเป็นแหล่งที่มีอารยธรรมเก่าแก่มากแหล่งหนึ่งของโลก การค้นพบที่บ้านเชียงที่มีความสำคัญทางโบราณคดี อีกเรื่องหนึ่งได้แก่ การค้นพบหัวหอกอายุประมาณ 5600 ปีที่ทำด้วยสำริด การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่ามนุษย์ที่มาตั้งถิ่นฐานที่บ้านเชียง รู้จักนำโลหะผสมมาทำเครื่องมือเครื่องใช้แล้ว ที่นี้เป็นแหล่งกำเนิดของอารยธรรมในยุคสำริด

 

รูป 22.21 แสดงเครื่องปั้นดินเผาลายเขียนสีบ้านเชียง จังหวัดอุดรธานี

 

                  การใช้พลังงานนิวเคลียร์

                อาจกล่าวได้ว่า แหล่งกำเนิดของพลังงานนิวเคลียร์มี 2 ประเภท ประเภทแรก คือ จากระเบิดนิวเคลียร์ที่มีอำนาจในการทำลายอย่างมหาศาล ตัวอย่างการนำระเบิดนี้ไปใช้ ได้แก่ ในการขุดคลองและการทหาร เป็นต้น ส่วนอีกประเภทหนึ่งคือจากฟิชชัน ในการผลิตกระแสไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์มีหลักในการผลิตกระแสไฟฟ้าคล้ายกับโรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องจักรไอน้ำทั่วๆไป แต่แตกต่างกันตรงที่พลังงานที่ใช้ผลิตไอน้ำเป็นพลังงานนิวเคลียร์ หลักการย่อๆ ของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์มีแสดงในรูป 20.22

 

รูป 20.22 แสดงแผนภูมิโดยย่อของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์

 

เริ่มต้นด้วยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งประกอบด้วย แท่งเชื้อเพลิง (ยูเรเนียมหรือพลูโตเนียม)ซึ่งจัดเรียงอยู่กับตัว มอเตอเรเตอร์\displaystyle ^1  และมี แท่งควบคุม  ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดฟิชชันภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปความร้อน ซึ่งเราจำเป็นต้องถ่ายโอนความร้อนนี้ออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งมักใช้ของเหลว เพื่อนำความร้อนนี้ไปยังเครื่องถ่ายโอนความร้อน ณ ที่นั้นความร้อนจะทำให้น้ำกลายเป็นไอ ไอน้ำก็จะหมุนกังหันซึ่งมีเพลาต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้อาร์มาเจอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนและผลิตกระแสไฟฟ้าออกมาส่งจ่ายตามบ้าน การผลิตกระแสไฟฟ้าวิธีนี้เป็นวิธีการผลิตที่มีต้นทุนของการผลิตต่ำเมื่อคิดในระยะยาว ทั้งนี้เพราะพลังงานที่ได้นั้นสูงเมื่อเทียบกับพลังงานเชื้อเพลิง ได้มีการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยพลังงานนิวเคลียร์อย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกา และประเทศบางประเทศในยุโรปตะวันออก เช่น รัสเซีย ฯลฯ และมีแนวโน้มจะมีมากขึ้นในอนาคต ทั้งนี้เพราะเชื้อเพลิงธรรมชาติในรูปของน้ำมัน ถ่านหิน และแก๊สธรรมชาติมีปริมาณน้อยลงทุกวัน

                พลังงานนิวเคลียร์จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นอกจากจะถูกมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าแล้ว ยังถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนเรือเดินสมุทรเพื่อขนส่งสินค้าระหว่างทวีปเนื่องจากการใช้พลังงานนิวเคลียร์ไม่ต้องการเชื้อเพลิงปริมาณมากดังนั้นเนื้อที่ที่ต้องใช้เก็บเชื้อเพลิงก็สามารถนำไปใช้บรรทุกสินค้าได้มากขึ้นและเรือไม่จำเป็นต้องแวะเติมเชื้อเพลิงบ่อย ทำให้สามารถนำเรือเดินทางในทะเลได้เป็นเวลานาน ซึ่งข้อได้เปรียบนี้ทำให้มีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนเรือดำน้ำ

                ในอนาคตโลกกำลังจะมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนยานอวกาศด้วย เนื่องจากระยะในการเดินทางในอวกาศไกล จรวดไม่สามารถบรรทุกเชื้อเพลิงธรรมดาได้ปริมาณมากพอ จึงจำเป็นต้องอาศัยพลังงานนิวเคลียร์แทน ซึ่งใช้เชื้อเพลิงปริมาณน้อยกว่าทำให้ยานอวกาศไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงบ่อย

                เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถผลิตพลังงานได้ปริมาณมาก จึงนำไปใช้เป็นประโยชน์ได้มากอีก ตัวอย่างหนึ่งคือ การกลั่นน้ำทะเลเป็นน้ำจืดเพื่อใช้ในสถานที่ริมทะเลที่ขาดแคลนน้ำจืด ก็สามารถทำน้ำจืดใช้ได้โดยอาศัยความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มาต้มให้น้ำเค็มกลายเป็นไอ แล้วเราแยกเอาไอน้ำซึ่งเป็นน้ำจืดออกจากน้ำเกลือได้ ณ วันนี้มีโรงผลิตน้ำจืดโดยใช้พลังงานนิวเคลียร์หลายโรงแล้วและใช้ได้ผลดีมาก

                เท่าที่กล่าวมานี้ เป็นการนำพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากฟิชชันมาใช้ประโยชน์ ในอนาคตโลกมีความหวัง จะนำพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันมาใช้แบะ ถ้าทำได้สำเร็จ มนุษย์ก็จะมีพลังงานใช้มากจนแทบจะกล่าวได้ว่าอีกหลายพันล้านปี ดังที่กล่าวมาแล้วว่า ถ้าเราใช้ดิวเทอเรียมเป็นตัวหลักในการทำฟิวชัน เราจะมีพลังงานใช้ประมาณ \displaystyle 10^{20}   กิโลวัตต์ -ปี ทั้งนี้เพราะเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมนั้นสามารถสกัดแยกออกมาได้จากน้ำทะเล  \displaystyle ^1มอเตอเรเตอร์ เป็นสารที่ใส่ผสมเข้าไปกับเชื้อเพลิงยูเรเนียม เพื่อไปทำให้นิวตรอนพลังงานสูงเคลื่อนที่ช้าลง เพื่อจะได้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันดีขึ้น ในกรณีที่ใช้\displaystyle {}_{92}^{235} U เป็นเชื้อเพลิง มอเตอเรเตอร์ที่ใช้คือ  น้ำ\displaystyle (H_2 O)    และถ้าใช้    \displaystyle {}_{92}^{235} U เป็นเชื้อเพลิงใช้ Heavy water\displaystyle (D_2 O) จะเป็นมอเตอเรเตอร์