หากพิจารณาการค้นพบวิทยาศาสตร์ที่ผ่านมาทั้งหมด เราก็จะเห็นว่าการพบปรากฏการณ์แบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission) เมื่อ 67 ปีก่อน เป็นการค้นพบที่ให้ผลกระทบกว้างไกล เพราะทันทีที่นักฟิสิกส์และนักเคมีเข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้ดี เขาก็รู้ความสำคัญของมันภายในเวลารวดเร็วว่า นี่คือแหล่งกำเนิดพลังงานชนิดใหม่ของมนุษย์ ประจวบขณะนั้นเกิดสงครามโลกครั้งที่สอง บรรดานักวิทยาศาสตร์จึงระดมพลังคิดประยุกต์ปรากฏการณ์นี้สร้างระเบิดปรมาณูเพื่อพิชิตสงคราม การค้นพบเหตุการณ์นี้จึงเปลี่ยนสถานภาพของสมดุลทางทหารและการเมืองของโลกอย่างถาวร และเมื่อสงครามยุติ สารกัมมันตรังสีที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันก็ยังถูกนำไปใช้เป็นประโยชน์ทั้งในการแพทย์ การเกษตร และการวิจัยวิทยาศาสตร์ต่างๆ รวมทั้งสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ด้วย
ประวัติศาสตร์ได้บันทึกว่าโรงไฟฟ้าปรมาณูพาณิชย์โรงแรกของโลกถือกำเนิดเมื่อ 50 ปี ก่อนนี้ เพราะในปีพ.ศ. 2499 เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ Calder Hall ในอังกฤษได้เริ่มจ่ายกระแสไฟฟ้าให้คนอังกฤษใช้ และอีก 1 ปีต่อมา สหรัฐอเมริกาก็สร้างมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์โรงแรกที่เมือง Shippingport ในรัฐ Pennsylvania ในปี พ.ศ. 2502 ฝรั่งเศสก็เป็นประเทศที่สามที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ อีก 5 ปีต่อมา รัสเซียก็เริ่มมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์บ้าง โดยชาติพัฒนาเหล่านี้ทุกชาติเชื่อว่าถ้านำเทคโนโลยีนิวเคลียร์ออกขายให้แก่ประเทศที่ด้อยพัฒนา การขายก็จะนำเงินมหาศาลเข้าประเทศ
แต่ในสายตาของสังคมที่ไม่เห็นด้วยกับความคาดหวังในแง่ดีนี้ก็มีมาก เพราะได้ตั้งข้อกังขาไว้หลายประเด็น เช่น การก่อสร้างโรงไฟฟ้าชนิดนี้ ต้องใช้เงินมาก และถ้าเกิดอุบัติเหตุ ภัยอันตรายจากกัมมันตรังสีรั่วไหลจะมหาศาล นอกจากนี้เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ก็ยังสามารถนำไปดัดแปลงใช้ในการผลิตระเบิดปรมาณูได้ด้วย ซึ่งนั่นก็หมายความว่า นักวิทยาศาสตร์สามารถดัดแปลงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ไปสร้างระเบิดมหาประลัยได้ ถ้าต้องการ
ณ วันนี้กว่า 30 ประเทศทั่วโลกมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 441 โรง วิศวกรประมาณว่าปัจจุบันนี้ 20% ของไฟฟ้าที่ผลิตในอังกฤษ และสหรัฐอเมริกาได้จากพลังงานนิวเคลียร์ หรือถ้าคำนวณปริมาณการใช้ไฟฟ้าของคนทั้งโลก เราก็จะพบว่า 16% ของไฟฟ้าที่โลกใช้ได้จากพลังงานนิวเคลียร์ โดยเฉพาะในฝรั่งเศส ซึ่งมีแร่ยูเรเนียมมากพอสมควร วิศวกรประมาณว่า 78% ของไฟฟ้าที่ฝรั่งเศสผลิตได้ มาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ สำหรับประเทศในตะวันออกกลาง และแอฟริกาที่ยากจนก็ยังมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ถึง 2 โรง สถิติชี้บอกแนวโน้มว่าในอนาคตโลกจะใช้ไฟฟ้าจากโรง ไฟฟ้านิวเคลียร์มากเป็น 3 เท่าของการใช้เมื่อ 20 ปีก่อน
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในประเทศต่างๆ นอกจากในอินเดีย ณ วันนี้ต่างก็ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงทั้งสิ้น ยูเรเนียมในธรรมชาติมีเลขอะตอม=92 (เลขอะตอมคือ จำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียส ดังนั้นนิวเคลียสของยูเรเนียมจึงมีอนุภาคโปรตอน 92 ตัว) นอกจากจะเป็นธาตุธรรมชาติที่หนักที่สุดแล้ว มันยังเป็นธาตุกัมมันตรังสีด้วย ดังที่ Henri Becquerel ได้พบในปีพ.ศ. 2439 ว่าสารประกอบ potassium uranyl sulfate เปล่งรังสีแกมมา อัลฟาและเบตา สำหรับนักธรณีวิทยานั้นก็ได้พบว่าโลกมียูเรเนียมประมาณ 2.7 ส่วนในล้านส่วน
ดังนั้นโลกจึงมียูเรเนียมมากกว่าดีบุก แต่ยูเรเนียมที่โลกมีมิได้อยู่ในสภาพบริสุทธิ์ คือมันจะแฝงเป็นองค์ประกอบอยู่ในแร่ pitchblende ซึ่งแร่ชนิดนี้อาจมียูเรเนียมปนอยู่ตั้งแต่ 1-10% การสำรวจทางธรณีวิทยายังแสดงให้เห็นอีกว่า ประเทศที่มีแร่ยูเรเนียมมากคือ แคนาดา ออสเตรเลีย ไนจีเรีย รัสเซีย คาซักสถาน และยูเครน
ตามปกติยูเรเนียมมีไอโซโทป (isotope) สองรูปแบบ คือ U-238 กับ U-235 (ไอโซโทป คือ กลุ่มธาตุที่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากัน ดังนั้น U-238 กับ U-235 จึงต่างก็มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับ 92 แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันคือ 238-92 = 146 และ 235-92 =143 ตัวตามลำดับ) ยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติ ประมาณ 99.3% เป็น U-238 ส่วนที่เหลือ 0.7% เป็น U -235 และนักวิทยาศาสตร์ยังพบอีกว่า U-238 มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 4,500 ล้านปี ซึ่งนานประมาณอายุโลก ส่วน U-235 นั้นมีครึ่งชีวิตนาน 0.71 พันล้านปี ซึ่งนั่นก็หมายความว่าตั้งแต่โลกถือกำเนิด ครึ่งหนึ่งของ U-238 ที่โลกเคยมีได้สลายไปแล้ว และ 99% ของ U-235 ที่โลกเคยมีก็ได้สลายไปแล้วเช่นกัน การวัดปริมาณ U-235/U-238 ณ เวลาต่างๆ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถรู้อายุของโลกได้ เพราะเหตุว่า U-238 มีครึ่งชีวิตที่นาน ดังนั้น มันจึงสลายตัวช้า มีผลให้พลังงานที่เกิดจากการสลายตัวน้อย และนี่ก็คือเหตุผลที่สารประกอบของ U-238 มีอุณหภูมิไม่สูงมาก เพราะ U-235 สลายตัวเร็ว ดังนั้น กระบวนการปล่อยพลังงานที่เกิดอย่างรวดเร็วจึงทำให้อุณหภูมิของสารประกอบของ U-235 ค่อนข้างสูง
ทั้งๆ ที่เป็นธาตุยูเรเนียมเหมือนกัน แต่ก็มีเพียง U-235 เท่านั้นที่ให้พลังงานนิวเคลียร์ ทั้งนี้เพราะนิวเคลียสของ U-238 เวลารับนิวตรอนเข้าไปจะไม่แบ่งแยกตัว แต่นิวเคลียสของ U-235 เวลาถูกยิงด้วยอนุภาคนิวตรอนที่มีความเร็วไม่สูง มันจะหลอมรวมเป็นนิวเคลียสใหม่ที่ไม่เสถียรแล้วในเวลาต่อมามันก็จะแบ่งตัวเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กสองนิวเคลียส และพร้อมกันนั้นก็มีอนุภาคนิวตรอนตัวใหม่เกิดขึ้น 3 ตัวด้วย ดังสมการ
1n0+235U92+141Ba56+92 Kr36+31n+0พลังงาน
(สัญลักษณ์นิวเคลียร์ที่ใช้นี้กำหนดให้ตัวอักษรแทนธาตุ n คือ neutron U คือ uranium Ba คือ barium และ Kr คือ krypton ตัวเลขบน เช่น 235 คือ มวลอะตอม (atomic mass) ซึ่งบอกจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส ตัวเลขล่างเช่น 92 คือ เลขมวล (mass number) ซึ่งบอกจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้น 235U คือ นิวเคลียสของยูเรเนียม ซึ่งมีโปรตอน 9292 ตัว และนิวตรอน 235-92 = 143 ตัว)
สมการข้างบนจึงหมายความว่า นิวเคลียสของยูเรเนียม 1 ตัว เมื่อถูกอนุภาคนิวตรอนพุ่งชน ได้แยกตัวเป็นแบเรียมกับคริบตอน และมีอนุภาคนิวตรอนเกิดขึ้นอีก 3 ตัว เพราะมวลของ U-235 และ นิวตรอนเวลารวมกันมีค่ามากกว่ามวลของ Ba-141 กับ Kr-92 และนิวตรอนทั้ง 3 ตัว ดังนั้นมวลที่หายไป จึงถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน ตามสมการ E =mc2 ของ Einstein (เมื่อ E คือ พลังงานที่เกิดขึ้น m คือมวลที่หายไป และ c คือความเร็วแสง)
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ข้างบนทำให้เราเห็นได้ว่า ก่อนปฏิกิริยาเรามีอนุภาคนิวตรอน 1 ตัว และหลังปฏิกิริยา เรามีนิวตรอนเกิดใหม่ 3 ตัว ดังนั้นนิวตรอนที่เกิดใหม่ก็จะพุ่งชนนิวเคลียสของ 235 U ที่ยังไม่แบ่งแยกตัวต่อไป ซึ่งก็จะทำให้เกิดอนุภาคนิวตรอนตัวใหม่อีก เช่นนี้ไปเรื่อยๆ นี่คือ ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) และเมื่อใดก็ตามที่นิวเคลียส U-235 แบ่งแยกตัว (fission) พลังงานก็จะเกิด ด้วยเหตุนี้ปฏิกิริยาลูกโซ่จึงให้พลังงานมหาศาล ซึ่งถ้าควบคุมได้ก็จะเป็นประโยชน์ คือใช้ในการสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่ถ้าควบคุมไม่ได้ ก็จะเป็นประโยชน์เช่นกันคือใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณู
ถ้าจำนวนนิวตรอนที่เกิดในปฏิกิริยาลูกโซ่ไร้การควบคุม หรือไร้การจำกัดจำนวน พลังงานจะถูกปล่อยออกมามากถึงระดับระเบิด ดังนั้น เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์จึงต้องมีระบบความปลอดภัยควบคุม จำนวนนิวตรอนที่เกิดใหม่ให้จำนวนนิวตรอนในเตาปฏิกรณ์ไม่เปลี่ยนแปลง เพื่อให้พลังงานที่เกิดขึ้นถูกปล่อยออกมาอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถกระทำได้โดยนำแท่งควบคุม (control rod) ที่อาจมีลักษณะเป็นแผ่นหรือท่อ ซึ่งทำด้วย boron หรือ cadmium หรือ hafnium เพราะธาตุเหล่านี้สามารถดูดกลืนนิวตรอนได้ดี ดังนั้นเวลาวิศวกรนำแท่งควบคุมที่เลื่อนขึ้น-ลงได้นี้ เสียบลงท่ามกลางแท่งยูเรเนียม หากแท่งควบคุมถูกหย่อนลึกในแกนของเตาปฏิกรณ์ มันจะดูดกลืนนิวตรอนไปเป็นจำนวนมากจึงทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันเกิดช้าลง แต่ถ้าดึงแท่งควบคุมขึ้น นิวตรอนที่เกิดใหม่จะถูกดูดกลืนน้อย มีผลให้ปฏิกิริยาฟิชชันเกิดเร็วขึ้น
สุทัศน์ ยกส้าน ผู้เชี่ยวชาญพิเศษ สสวท
