สัญลักษณ์เคมีของพลูโตเนียมคือ Pu (จาก plutonium) เมื่อบริสุทธิ์มีสีเทา มีความหนาแน่นโดยเฉลี่ย 19,820 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และมีจุดหลอมเหลว 640 องศาเซลเซียส
เมื่อ 4,500 ล้านปีก่อนที่โลกเพิ่งถือกำเนิด พลูโตเนียมและยูเรเนียมในโลกเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีในปริมาณพอๆ กัน แต่พลูโตเนียมสลายตัวเร็วกว่า ดังนั้นปัจจุบันโลกจึงมีพลูโตเนียมธรรมชาติน้อยกว่ายูเรเนียมธรรมชาติ
นักวิทยาศาสตร์คาดคะเนว่าโลกปัจจุบันมีพลูโตเนียมประมาณ 2,500 ตัน ส่วนใหญ่มาจากการสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการของรัสเซีย อเมริกา จีน อินเดีย ปากีสถาน เกาหลีเหนือ รัสเซีย ฝรั่งเศส อิสราเอล และอิหร่าน เพื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู และสร้างระเบิดนิวเคลียร์
พลูโตเนียมมีไอโซโทป 15 ชนิด ตั้งแต่ Pu-232, Pu-233… จนกระทั่งถึง Pu-246 ตัวเลข 232..... แสดงจำนวนนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสของพลูโตเนียม 232 ว่ามีทั้งหมด 232 อนุภาค และทุกไอโซโทปมีอนุภาคโปรตอน 93 อนุภาค และมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน ทุกชนิดเป็นธาตุกัมมันตรังสี ดังนั้น เวลาสลายตัวจะปล่อยอนุภาคแอลฟา ไอโซโทปเหล่านี้มีค่าครึ่งชีวิตต่างๆ กัน คือตั้งแต่ 20 นาทีจนกระทั่งถึง 76 ล้านปี
แม้จะมีจำนวนไอโซโทปมาก แต่ไอโซโทปที่สำคัญที่สุดคือ Pu-239 เพราะเวลา Pu-239 สลายตัว ในที่สุดจะได้ U-235 ที่สามารถใช้ทำระเบิดปรมาณูได้ ทั้งนี้ เพราะเมื่อนิวเคลียสของ Pu-239 ถูกอนุภาคนิวตรอนความเร็วต่ำพุ่งชน มันจะแยกตัวแบบ fission ออกเป็นสองส่วน ในทำนองเดียวกับนิวเคลียสของ U-235 และในเวลาเดียวกันนั้นก็มีอนุภาคนิวตรอนเกิดขึ้นด้วยทุกครั้งในปริมาณ 2 นิวตรอนบ้าง และ 3 นิวตรอนบ้าง ทำให้โดยเฉลี่ยจะมีอนุภาคนิวตรอนเกิดขึ้น 2.92 อนุภาค ทุกครั้งที่นิวเคลียส Pu-239 แยกตัว ในขณะที่ U-235 เวลาได้รับนิวตรอนความเร็วต่ำเข้าไปจะแบ่งแยกตัว และมีอนุภาคนิวตรอนเกิดใหม่โดยเฉลี่ย 2.42 ตัว
เมื่อจำนวนนิวตรอนที่เกิดจากการแยกตัวของ Pu-239 มีมากกว่าที่เกิดจากการแยกตัวของ U-235 ดังนั้น พลังงานที่เกิดจากปฏิกริยาลูกโซ่จึงมากกว่ากรณีของ U-235 และนั่นหมายความว่าระเบิดปรมาณูที่ทำจาก Pu-239 มีพลังงานในการทำลายล้างสูงกว่าระเบิดปรมาณูที่ทำจาก U-235
ในปี 1939 Glenn Seaborg และ Edwin McMillan (ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีร่วมกันประจำปี 1951) แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ได้ยิงนิวเคลียสของ beryllium (Be-9) ด้วยอนุภาค deuteron (H-2) ทำให้ได้อนุภาคนิวตรอน (1 0 n) กับ boron-10 ดังปฏิกิริยา
94 Be + 2 1H ---> 1 0n + 10 5 B
หลังจากนั้นก็ให้อนุภาคนิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่พุ่งชนนิวเคลียสของ U-238 ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยา
238 92U + 1 0n ---> 239 92U ---> 239 93Np + 0-1e
ทำให้ได้ Np-239 ซึ่งเป็นธาตุใหม่ชื่อ neptunium กับอิเล็กตรอน หลังจากนั้น McMillan และ Seaborg ก็ได้พบว่า ธาตุ neptunium จะสลายตัวต่อให้พลูโตเนียม-239ดังปฏิกริยา
239 93Np ---> 239 94Pu + 0 -1e
การพบ Pu-239 ได้ชี้นำให้ F. Houtermann ทดลองยิงนิวเคลียส Pu-239 ด้วยนิวตรอน (1 0n) และพบว่า Pu-239 แบ่งตัวแบบ fission ในทำนองเดียวกับ U-235 แต่ส่วนดีที่เด่นของ Pu-239 คือ นักเคมีสามารถแยก Pu-239 จากของผสมระหว่าง Pu-239 กับ U-238 ได้ง่ายกว่าที่จะแยก U-238 จาก U-235
ทันทีที่นักวิทยาศาสตร์ฝ่ายสัมพันธมิตรตระหนักในองค์ความรู้ใหม่นี้ ทุกคนได้พยายามปกปิดข้อมูลเรื่องนี้มิให้นักวิทยาศาสตร์นาซีรับรู้ เพราะเกรงว่ากองทัพฝ่ายนาซีจะผลิตระเบิดปรมาณูได้สำเร็จก่อนฝ่ายสัมพันธมิตร
ในที่สุดคณะนักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยีในโครงการ Manhattan ของสหรัฐอเมริกาก็สามารถผลิตระเบิดปรมาณูที่ทำจาก Pu-239 ได้สำเร็จ และได้นำไปใช้ถล่มเมือง Nagasaki จนราบเรียบเมื่อวันที่ 9 สิงหาคม ค.ศ.1945
การศึกษาสมบัติกายภาพของ Pu-239 ในเวลาต่อมาทำให้พบว่า มันมีผลึก 6 รูปแบบ โดยเฉพาะไอโซโทป Pu-239 แบบ delta นั้นมีเสถียรภาพมากถ้ามีธาตุ gallium เจือปน ซึ่งเป็นข้อมูลที่ Cyril Stanley Smith พบและมีความสำคัญมากในการนำ Pu-239 ไปสร้างระเบิดปรมาณู เพราะ Pu-239 จะต้องมีชีวิตยืนนานพอให้ปฏิกิริยาลูกโซ่สามารถดำเนินไปได้อย่างสมบูรณ์
ผลที่ตามมาคือ นักวิทยาศาสตร์ได้ระดมกันสร้าง Pu-239 จนพบว่า Pu-239 ที่มีมวลเพียง 8 กิโลกรัม สามารถนำไปสร้างระเบิดปรมาณูได้หนึ่งลูก ดังนั้น Pu-239 ที่หนัก 2,000 ตัน ก็จะมากพอที่จะสร้างระเบิดปรมาณูได้ถึง 250,000 ลูก
ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า Pu-239 เป็นธาตุมหันตราย Pu-238 ก็กำลังแสดงบทบาทของธาตุที่ประเสริฐ เพราะเมื่อ NASA ส่งยานอวกาศ VoyagerⅠออกไปนอกระบบสุริยะ สู่อวกาศที่เวิ้งว้างว่างเปล่า และมีอุณหภูมิต่ำถึง 3 องศาสัมบูรณ์ (-270 องศาเซลเซียส) เพราะยานต้องใช้เวลาในการเดินทางอย่างน้อย 40 ปี และเมื่อถึงเวลานั้นยานจะอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มาก เซลล์สุริยะและระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งบนยานจะไม่สามารถทำงานได้อีกต่อไป ที่อุณหภูมิต่ำมาก ดังนั้น NASA จึงได้ตัดสินใจแก้ปัญหานี้ โดยนำธาตุกัมมันตรังสีพลูโตเนียม-238 ใส่ในอุปกรณ์ชื่อ radioisotope thermoelectric generator และปล่อยให้ Pu-238 สลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา การสลายตัวที่ช้า เพราะ Pu-238 มีครึ่งชีวิต 87 ปี ทำให้ Pu-238 เป็นธาตุที่ค่อนข้างเสถียร และทุกครั้งที่สลายตัว มันจะปล่อยพลังงานความร้อนออกมาด้วย ซึ่งจะถูกนำไปให้ความร้อนแก่อุปกรณ์ thermocouple เพื่อสร้างไฟฟ้าที่จะไปขับเคลื่อนวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่อไป
วิศวกรได้พบว่า Pu-238 1 กรัม สามารถให้กำเนิดกำลังไฟฟ้าได้ประมาณครึ่งวัตต์ ดังนั้น โดยเฉลี่ยแล้ว NASA มีโครงการใช้ Pu-238 ประมาณ 2.5 กิโลกรัมทุกปีเพื่อติดตั้งในยานอวกาศ Cassini, Pioneer และ Voyager ทั้ง ⅠและⅡ
แต่ Pu-238 เป็นธาตุที่ไม่มีในธรรมชาติเหมือน Pu-239 ที่ใช้ทำระเบิด และนักวิทยาศาสตร์พบ Pu-238 ในเตาปฏิกรณ์ที่ใช้สร้างวัสดุสำหรับทำระเบิดปรมาณู ดังนั้นเมื่อรัฐบาลสหรัฐสั่งปิดโรงงานสร้างวัสดุระเบิดในปี 1988 อเมริกาซึ่งต้องการ Pu-238 มาก จึงต้องสั่งซื้อจากรัสเซีย จนกระทั่งปี 2009 สัญญาซื้อ-ขาย ก็ได้ยุติ เพราะเกิดความขัดแย้งระหว่าง 2 มหาอำนาจ ด้วยเหตุนี้รัฐบาลสหรัฐจึงต้องตัดสินใจว่า จะเริ่มโครงการสร้าง Pu-238 เองหรือไม่ เพราะสภาวิจัยแห่งชาติของสหรัฐฯ ได้สำรวจสต็อก Pu-238 ที่สหรัฐฯ มี และพบว่ามีเหลืออยู่ประมาณ 5 กิโลกรัม ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้ได้จนถึงปี 2020 และถ้าสหรัฐฯ ผลิต Pu-238 ได้ปีละ 2 กิโลกรัม โดยเริ่มผลิตในปีนี้ทันที ความเดือดร้อนก็จะไม่บังเกิดแก่ NASA
เพราะงบประมาณที่ต้องใช้ในการผลิต Pu-238 อาจสูงถึง 150 ล้านดอลลาร์ ดังนั้น NASA จึงต้องหางบประมาณจากหน่วยงานอื่นมาสนับสนุนการสร้างธาตุที่แพงมากเช่นนี้
วิธีหลักที่นิยมใช้ในการสร้าง Pu-238 คือ การนำธาตุ neptunium-237 ใส่ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู แล้วระดมยิงด้วยอนุภาคนิวตรอนเป็นเวลานานหนึ่งปี จนได้ Pu-238 ในปริมาณพอสมควร จึงนำไปสกัดมันออกจากของผสมที่มีธาตุอื่นๆ ปน ดังนั้นเทคนิครูปแบบนี้จึงยุ่งยาก และแพงมาก Steven Howe แห่ง Innovative Advanced Concepts ของ NASA จึงเสนอเทคนิคใหม่ให้สร้างท่อรูปเกลียวพันไปรอบแกนของเตาปฏิกรณ์ปรมาณู แล้วใส่กล่องขนาดเล็กที่มี neptunium-237 อยู่ภายในลงไปในท่อ จากนั้นก็ดันท่อให้เคลื่อนที่ไปตามเกลียว จนทะลุถึงปลายเกลียว ซึ่งอาจใช้เวลานานเป็นวัน แต่ก็ไม่ถึงปีดังวิธีแรก แล้วก็สกัด Pu-238 ที่ได้ จากนั้นนำ Np-237 ที่เหลือใส่กลับเข้าไปในท่อเกลียวใหม่ และ Howe ก็ได้พบว่า ในแต่ละครั้ง neptunium ประมาณ 0.01% จะถูกเปลี่ยนไปเป็น Pu-238 ดังนั้นเขาต้องทำการทดลองนี้ซ้ำนับพันครั้ง จึงจะได้ Pu-238 ในปริมาณที่ต้องการ
วิธีนี้ก็ยังนับว่าดี เพราะนักทดลองใช้เวลาในการอาบรังสีไม่นาน เมื่อธาตุที่เกิดใหม่มีปริมาณไม่มาก การสกัดแยกจึงไม่ยาก นอกจากนี้ กากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นก็มีน้อย และเตาปฏิกรณ์ที่ใช้ในการสร้างก็ไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่ และถ้าสามารถผลิตได้มาก NASA ก็จะเป็นลูกค้ารายใหญ่ของการผลิต
เทคนิคของ Howe นี้ มิได้สร้างความตื่นเต้นหรือความยินดีให้ทุกคนเพราะนักวิทยาศาสตร์บางคนก็ยังมีความกังวลที่ Pu-238 เป็นสารกัมมันตรังสีที่เป็นพิษต่อชีวิต ดังในปี 1964 ที่ดาวเทียมของราชนาวีสหรัฐซึ่งมี Pu-238 อยู่ภายใน ได้ประสบอุบัติเหตุ เมื่อจรวดนำดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศได้ระเบิด ทำให้ Pu-238 1 กิโลกรัมถูกแพร่กระจายไปในชั้นบรรยากาศในปริมาณที่มากกว่าปริมาณกัมมันตรังสีที่เกิดจากการทดลองปรมาณูหลายเท่า ผลกระทบนี้ทำให้คนอเมริกันทุกคนหวั่นกลัวมาก
ดังนั้น ในปี 2006 เมื่อ NASA ส่งยาน Cassini ไปดาวพฤหัสบดี และบนยานมี Pu-238 ประชาชนและองค์กรสิ่งแวดล้อมต่างๆ จึงได้ออกมาประท้วง เพราะเกรงจะเกิดภัยกัมมันตรังสีรั่วไหล แต่นับเป็นโชคดีมากที่ไม่มีอุบัติเหตุใดๆ เกิดขึ้น
แม้ Pu-238 ตามปรกติจะไม่สามารถนำไปสร้างระเบิดปรมาณูได้ แต่ neptunium-237 ก็สามารถสร้างได้ เพราะเวลา Np-237 ถูกยิงด้วย อนุภาคนิวตรอนความเร็วสูง จะเกิดปฏิกริยาลูกโซ่ ดังนั้นความคิดใดๆ ที่จะสร้างโรงงานผลิต Pu-238 จะต้องคำนึงถึงผลได้ และผลเสียอย่างรอบคอบ
ครั้นจะหันไปใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการขับเคลื่อนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานอวกาศ นี้ก็มิใช่ทางออก เพราะยานอวกาศที่จะถูกส่งไปสำรวจดาว เช่น พลูโตอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มาก แผงเซลล์สุริยะที่สามารถรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างพอเพียงจะต้องมีพื้นที่ประมาณ 2,000 ตารางเมตร นี่จึงเป็นการตอกย้ำว่า เซลล์แสงอาทิตย์มิสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในการสำรวจอวกาศที่ระยะทางไกลเกินวงโคจรของดาวพฤหัสบดี
ณ วันนี้นักเทคโนโลยีจึงกำลังคิดหาแหล่งพลังงานใหม่ เช่น ใช้แบตเตอรี่ที่มี lithium เป็นเชื้อเพลิง และเทคโนโลยีการแปลงผงโลหะเป็นเชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนเครื่องยนต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานอวกาศ ทั้งในการสำรวจอวกาศไกลๆ และสำรวจใต้น้ำลึก รวมถึงใช้ในเครื่องปั้มหัวใจด้วย เพราะวัสดุใหม่จะไร้สารกัมมันตรังสี และนั่นก็หมายความว่า ถ้าแบตเตอรี่ lithium ที่สร้างใหม่มีประสิทธิภาพดีจริงๆ จุดจบของ Pu-238 ก็จะมาถึงในอีกไม่นาน
อ่านเพิ่มเติมจาก Plutonium – A History of the World’s Most Dangerous Element โดย Jeremy Bernstein จัดพิมพ์โดย Joseph Henry Press ปี 2007
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
