ย้อนรอยยูเรเนียม-พลูโตเนียมเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ถล่มญี่ปุ่น

ย้อนกลับไปเมื่อ 62 ปีก่อน "ลิตเติลบอย" ระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกถล่มญี่ปุ่นที่ “ฮิโรชิมา” ด้วยยูเรเนียมผันจากสีผสมแก้วสู่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วน "แฟตแมน" ลูกที่สองทำลาย “นางาซากิ” เป็นฤทธิ์ของพลูโตเนียมธาตุที่ปลดปล่อยทั้งรังสีและติดไฟง่าย ทำลายล้างนับแสนชีวิต นับจากวันนั้นชาวโลกตระหนักถึงภัยร้ายของ “ธาตุแผ่รังสี” ได้เป็นอย่างดี

เช้าวันที่ 6 ส.ค. 2488 "ลิตเติลบอย" ระเบิดนิวเคลียร์จากยูเรเนียมได้คร่าชีวิตชาวญี่ปุ่นในเมืองฮิโรชิมาทันที 78,000 คน และสิ้นปีมีผู้เสียชีวิตสืบเนื่องจากอาการบาดเจ็บทางรังสีพุ่งขึ้นไปเป็น 140,000 คน จากนั้นวันที่ 9 ส.ค.ปีเดียวกัน "แฟตแมน" ระเบิดนิวเคลียร์จากพลูโตเนียมได้คร่าชีวิตผู้คนไปอีก 27,000 คนและเพิ่มขึ้นเป็น 70,000 คนในสิ้นปี ทั้งนี้ทางการญี่ปุ่นได้บันทึกยอดผู้เสียชีวิตจากระเบิดทั้ง 2 ลูกคร่าวๆ 396,131 คน

ก่อนหน้าที่ยูเรเนียมจะถูกนำมาใช้สร้างอาวุธร้ายแรงนั้นออกไซด์ของธาตุชนิดนี้ถูกใช้ในอุตสาหกรรมแก้วเพื่อเติมสีเหลืองให้ผลิตภัณฑ์ ในปี 2332 มาร์ติน เฮนริค คลับรอช (Martin Heinrich Klaproth) นักเคมีเยอรมันได้ค้นพบยูเรเนียมและตั้งชื่อตามดาวยูเรนัส แต่ผู้ที่ค้นพบสมบัติการแผ่รังสีของธาตุนี้คือ อองตวน เบคควีเรล (Martin Antoine Becquerel) นักฟิสิกส์ฝรั่งเศสในอีก 107 ปีถัดมา

ส่วนชนวนที่ทำให้ยูเรเนียมกลายเป็นส่วนผสมของระเบิดคือการศึกษาของ เอนริโก เฟอร์มิ (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์อเมริกันเชื้อสายอิตาเลียน ที่ยิงนิวเคลียสของยูเรเนียมด้วยนิวตรอนแล้วปลดปล่อยรังสีเบตาออกมา ต่อเนื่องถึงการค้นพบของ ออตโต ฮาห์น (Otto Hahn) และฟริตซ์ สตราซ์มันน์ (Fritz Strassmann) 2 นักเคมีเยอรมันที่พบว่ายูเรเนียมสามารถแตกตัวเป็นธาตุที่เบากว่าและปลดปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยวออกมา

เมื่อยูเรเนียมถูกกระตุ้นจากการชนของอนุภาคนิวตรอนจะแตกตัวเป็นปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission) และถ้ามีมวลของยูเรเนียมมากจนถึง "มวลวิกฤต" (Critical Mass) จะให้เกิดปฏิกิริยาแตกตัวต่อเนื่องเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เหมาะแก่การทำระเบิด ทั้งนี้ยูเรเนียม-235 เป็นไอโซโทปที่ถูกกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ง่ายแต่มีสัดส่วนอยู่ไม่ถึง 1% ในธรรมชาติ ขณะที่ยูเรเนียม-238 ถูกกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้น้อยแต่มีสัดส่วนในธรรมชาติมากกว่า 99%

ดังนั้นเพื่อนำยูเรเนียมไปใช้งานในกิจการนิวเคลียร์จึงจำเป็นต้องเสริมสมรรถนะเพื่อเพิ่มสัดส่วนไอโซโทป-235 โดยการปั่นเหวี่ยง (Centrifuge) เช่นเดียวกับการเสริมสมรรถนะนิวเคลียร์ของอิหร่าน และยังมียูเรเนียม-233 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่ได้จากการสังเคราะห์ที่กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้โดยยิงนิวตรอนช้า (slow neutron) เข้าไปในนิวเคลียส ต่างจากยูเรเนียม-235 ที่ใช้นิวตรอนเร็ว (fast neutron) กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์

สำหรับลิตเติลบอยนั้นเป็นระเบิดที่มีความยาว 3 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 71 เซนติเมตรและหนัก 4,000 กิโลกรัม บรรจุยูเรเนียมอยู่ 64 กิโลกรัม ใช้ระบบปืนจุดระเบิด (Gun-Type Fission Weapon) ซึ่งทำให้ลูกปืนที่ตรงกลางเป็นรูกลวงไปกระแทกกับยูเรเนียมแล้วเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้น เมื่อจุดระเบิดแล้วมียูเรเนียมเพียง 0.7 กิโลกรัมที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชันแบบลูกโซ่ อีกทั้งยังทำให้เกิดอุณหภูมิสูงถึง 4,000 องศาเซลเซียสและความเสียหายครอบคลุมรัศมี 4.5 กิโลเมตร

ส่วน "แฟตแมน" ซึ่งเป็นระเบิดนิวเคลียร์ลูกที่ 3 ของโลกที่ใช้งานจริงใช้พลูโตเนียมเช่นเดียวกับระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกของโลกในการทดลอง "ทรินิตี" (Trinity) ของโครงการแมนฮัตตัน (Manhatton Project) ของสหรัฐอเมริกาได้ทดลองอานุภาพกลางทะเลทรายไวท์แซนด์ (White Sand) ในนิวเมกซิโก สหรัฐอเมริกา

พลูโตเนียมเป็นโลหะที่ได้ชื่อว่ามีความซับซ้อนมากที่สุด มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดันหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมี หากอยู่ในรูปที่บริสุทธิ์จะเป็นสีเงินแต่หากอยู่ในรูปของออกไซด์จะมีสีเหลือง

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบพลูโตเนียมในปี 2484 จากการยิงดิวเทอรอน (deuteron) หรือนิวเคลียสของไฮโดรเจนธาตุหนักใส่นิวเคลียสของยูเรเนียมและตั้งชื่อธาตุใหม่ที่ได้ออกมาตามชื่อดาวพลูโต ทั้งนี้ในจำนวนพลูโตเนียม 6 ไอโซโทปนั้นนับว่าพลูโตเนียม-239 มีความสำคัญมากที่สุด เนื่องจากเกิดปฏฺกิริยาฟิสชันได้ง่าย เมื่ออยู่ในรูปทรงกลมจะมีมวลวิกฤตที่ 16 กิโลกรัม

สำหรับแฟตแมนนั้นจุดระเบิดด้วยระบบจุดระเบิดภายใน (Implosion Type Weapon) โดยพลูโตเนียมถูกบรรจุเป็นรูปทรงกลมอยู่แกนกลางของลูกระเบิด และอาศัยแรงดันจากการเผาเชื้อประทุที่อยู่รอบๆ พลูโตเนียมทำให้เกิดสภาวะวิกฤติแล้วระเบิดขึ้น

ทั้งนี้โลหะพลูโตเนียมนั้นให้เปลวไฟที่อันตรายโดยเฉพาะหากถูกทำให้เป็นผงละเอียด เมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและน้ำจะได้พลูโตเนียมไฮไดรด์ (Plutonium hydride) ซึ่งเป็นสารที่ระเบิดติดไฟได้ง่าย นอกจากนี้ยังขยายตัวเมื่อกลายเป็นออกไซด์จึงอาจทำให้ภาชนะที่บรรจุระเบิดขึ้นได้ ดังนั้นการแผ่รังสีของวัสดุที่ติดไฟได้จึงเพิ่มอันตรายมากขึ้นไปอีก

นับว่าพลูโตเนียมเป็นธาตุที่อันตรายกว่ายูเรเนียม และนักวิทยาศาสตร์ก็ได้ทดสอบอานุภาพระเบิดนิวเคลียร์จากธาตุชนิดนี้ก่อนที่จะนำไปใช้จริงในสงคราม ขณะที่ไม่เคยทดสอบระเบิดนิวเคลียร์จากยูเรเนียมเนื่องจากมีไอโซโทป-235 เพียงพอสำหรับการระเบิด 1 ครั้งเท่านั้น

อย่างไรก็ดีผลพวงจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชันยังนำไปประยุกต์ใช้ในทางสันติเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้ แม้ญี่ปุ่นจะได้รับผลกระทบจากระเบิดนิวเคลียร์ที่ไม่เคยมีชาติใดได้สัมผัส แต่ญี่ปุ่นก็ได้ใช้ประโยชน์จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นอันดับต้นๆ ของโลก