Encyclopedia Earth

ลำดับตอนที่ #172 : โอโกล: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ

โอโกล: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ค.ศ. 1972 มีการค้นพบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเตานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติทางแอฟริกาตะวันตก คือที่ “โอโกล” (Oklo) ในสาธารณรัฐกาบอง ซึ่งมีสภาวะวิกฤตเมื่อประมาณ 1.7 พันล้านปีก่อน พลังงานที่ปล่อยออกมาประมาณว่า 15,000 เมกะวัตต์-ปี จากยูเรเนียมที่ใช้ไปราว 6 ตัน โดยมันน่าจะทำงานนานอยู่หลายแสนปี

	(1) บริเวณเตานิวเคลียร์ (2) ชั้นหินทราย (3) ชั้นแร่ยูเรเนียม (4) ชั้นหินแกรนิต
	โอโกล (Oklo) อยู่ใกล้เมือง ฟรองซ์วีล (Franceville) จังหวัด โอ-โอโกอูเอ (Haut-Ogoou?) ในกาบอง (Gabon) ประเทศที่อยู่ตอนกลางด้านทิศตะวันตก ของทวีปแอฟริกา ภาพ: http://www.answers.com/oklo

โอโกลเป็นบริเวณที่อุดมด้วยสินแร่ยูเรเนียมที่มีชื่อว่าพิตช์เบลนด์ (pitchblende) นักธรณีวิทยาคำนวณว่าเกิดมีแร่ในช่วงบรมยุคโพรเทอโรโซอิก (Proterozoic อยู่ในช่วง 500 ถึง 2500 ล้านปีก่อน) ซึ่งพออธิบายการเกิดว่า ตามเคมีของยูเรเนียมนั้น ตามปกติยูเรเนียมจะละลายได้ในน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่ ก็คือโดยเกิดการออกซิไดส์นั่นเอง ในยุคดังกล่าวน้ำบาดาลที่มีออกซิเจนละลายอยู่จึงละลายเอายูเรเนียมที่เกิดกระจัดกระจายในหินมาอยู่ในน้ำเรียกว่า ไอออนยูเรนิล (uranyl ion) ซึ่งความเข้มข้นสูงสุดอยู่ไม่เกิน 2-3 ส่วนในล้านส่วนหรือพีพีเอ็ม ที่โอโกลมีชั้นสาหร่ายที่มีจุลินทรีย์เฉพาะ (พวกแบคทีเรีย) แทรกอยู่ จุลินทรีย์พวกนี้มีความสามารถพิเศษในการดูดจับยูเรเนียมไว้ จนในที่สุดยูเรเนียมออกไซด์บริสุทธิ์ก็ถูกสะสมพอกพูนขึ้นมาเป็นแหล่งแร่ยูเรเนียม

มาตราธรณีกาล (ภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Geologic_timescale)

เหมืองที่โอโกลเป็นแหล่งสำคัญที่ป้อนยูเรเนียมให้กับอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ของฝรั่งเศส และเมื่อเดือนพฤษภาคม 1972 แร่ยูเรเนียมที่ส่งลงเรือมาฝรั่งเศสทำให้เจ้าหน้าที่ของโรงงานผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เมืองปีแอร์ลาต (Pierrelatte) คนหนึ่ง ต้องประหลาดใจที่ได้พบว่ามีบางสิ่งน่าสงสัย จากผลการสอบวิเคราะห์ตัวอย่างยูเรเนียมที่นักธรณีวิทยาเหมืองแร่ส่งมาจากเหมืองที่โอโกล ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่าเสปกโทรมิเตอร์มวลซึ่งเป็นงานประจำที่เขาทำอยู่ทุกวัน กล่าวคือ ยูเรเนียมในธรรมชาติมีไอโซโทปหลัก ๆ อยู่ 3 ชนิด คือ ยูเรเนียม-238 ซึ่งมีความอุดมมากที่สุด 99.2745 เปอร์เซ็นต์ ยูเรเนียม-234 ที่มีความอุดมน้อยที่สุด (เรียกว่า ปริมาณน้อย หรือ  trace) และ ยูเรเนียม-235 ที่เป็นวัสดุฟิสไซล์อันสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียสได้ โดยปัจจุบันยูเรเนียม-235 ไม่ว่าที่ไหน ๆ รวมทั้งบนดวงจันทร์ และแม้แต่ในเศษดาวตก ก็จะมีความอุดมตามธรรมชาติของมันเท่ากับ 0.7202 เปอร์เซ็นต์ แต่เขาสังเกตว่าบางตัวอย่างมีค่าต่างไปเป็น 0.7171 เปอร์เซ็นต์ แม้ว่าความแตกต่างนี้จะเล็กน้อย แต่ก็มากพอที่จะทำให้เขาเอะใจและเอาใจใส่ว่าน่าจะมีสิ่งไม่ชอบมาพากลบางประการเกิดขึ้นกับเหมืองโอโกล ต่อมาเขาก็พบหลายตัวอย่างจากโอโกลมียูเรเนียม-235 น้อยลงไปอีก คือ 0.44 เปอร์เซ็นต์ นั่นคือต้องมียูเรเนียม-235 หายไปจำนวนหนึ่ง ซึ่งจากการคำนวณก็ประมาณได้ว่า มีปริมาณยูเรเนียม-235 หายไปรวม ๆ กันถึง 200 กิโลกรัม ซึ่งมากพอจะสร้างลูกระเบิดนิวเคลียร์ได้สักโหลหนึ่ง

สภาพเหมืองและก้อนแร่พิตช์เบลนด์ (ภาพ: http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/ep/ep0404/0404_oklo.html)

เรื่องนี้ถูกรายงานไปยังคณะกรรมาธิการพลังงานปรมาณู (Commissariat ? l'Energie Atomique (CEA)) ของฝรั่งเศส ทำให้ผู้เชี่ยวชาญทั้งหลายของคณะกรรมาธิการฯ ต้องพากันพิศวงงงงวยอยู่นานหลายสัปดาห์ และจากการตรวจสอบก็ไม่พบว่ามีใครในพื้นที่นั้นที่มีศักยภาพที่จะลักลอบเสริมสมรรถนะยูเรเนียมได้ และก็ไม่พบว่ามีการขโมยขุดแร่ไปแล้วเอาแร่ที่ด้อยสมรรถนะกว่ามาสับเปลี่ยนแทนด้วย จนกระทั่งมีใครคนหนึ่งนึกขึ้นมาได้ว่า เมื่อปี 1953 จอร์จ ดับเบิลยู. เวเทอริลล์ (George W. Wetherill) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย กับ มาร์ก จี. อิงแกรม (Mark G. Inghram) จากมหาวิทยาลัยชิคาโก เคยคาดคะเนไว้ว่า น่าจะมีแหล่งแร่ยูเรเนียมบางแห่งที่ครั้งหนึ่งมีโอกาสว่า น่าจะเคยเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสหรือฟิชชันขึ้นเองตามธรรมชาติได้ คือเป็นเสมือนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเตานิวเคลียร์ธรรมชาติ หลังจากนั้นไม่นาน พอล เค. คุโระดะ (Paul K. Kuroda) นักเคมีจากมหาวิทยาลัยอาร์คันซอก็ลองคำนวณว่าจะต้องใช้ยูเรเนียมเท่าใด ในการเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้เองอย่างต่อเนื่อง กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสเกิดเองที่ว่านี้ก็คือ ธรรมชาติของธาตุรังสีอย่างยูเรเนียม-235 ย่อมมีการสลายโดยการปล่อยรังสีต่าง ๆ ออกมา บางครั้งก็มีนิวตรอนออกมาด้วย และการที่นิวตรอนสักอนุภาคหนึ่งบังเอิญไปโดนเอานิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 และทำให้นิวเคลียสนั้นแบ่งแยกออกเป็นสองเสี่ยง กระบวนการนี้จะปล่อยนิวตรอนออกมาได้อีก 2-3 อนุภาค ที่อาจไปทำให้อะตอมอื่นเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้อีกเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

เตานิวเคลียร์ธรรมชาติก็ต้องมีเงื่อนไขพิเศษ เช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ ก็คือต้องมีเชื้อเพลิง ตัวหน่วงและตัวสะท้อนนิวตรอน มีพอยซัน (ซึ่งสามารถดูดกลืนนิวตรอนได้ดี) ไม่มาก การเกิดฟิชชันจึงจะไม่ชะงัก และต้องมีหนทางที่จะขจัดความร้อนที่เกิดขึ้นออกไป พื้นที่ที่โอโกลมีการสะสมตัวของยูเรเนียมตามธรรมชาติ โดยการเคลื่อนตัวและสะสมตัวของน้ำซึ่งในขณะนั้นน่าจะมีความอุดมสูงถึง 3 เปอร์เซ็นต์ กล่าวคือขณะโลกถือกำเนิด โลกมีปริมาณยูเรเนียม-235 อยู่จำนวนหนึ่งซึ่งสลายไปตามกาลเวลา เนื่องจากยูเรเนียม-235 มีครึ่งชีวิต 700 ล้านปี สั้นกว่าครึ่งชีวิตของยูเรเนียม-238 มาก (คือ 4,500 ล้านปี) ดังนั้นเมื่อราวหนึ่งพันล้านปีก่อน ในยูเรเนียมธรรมชาติมีสัดส่วนของยูเรเนียม-235 สูงกว่าไอโซโทปอื่น ซึ่งถ้ามียูเรเนียม-235 อยู่ 3 เปอร์เซ็นต์ก็มากพอจะรักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ไว้ได้ บริเวณเหมืองโอโกลอิ่มตัวด้วยน้ำใต้ดินซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งตัวหน่วง ตัวสะท้อน และตัวทำให้เย็นสำหรับนิวตรอน น้ำจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ทำให้เกิดสภาวะวิกฤตสำหรับปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส เมื่อตอนปฏิกิริยาเริ่มต้นใหม่ ๆ น่าจะมีพอยซันอยู่น้อย และผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสอาทิเช่น ซีนอนและนีโอดิเมียมก็ทำหน้าที่พอยซันดูดกลืนนิวตรอน ซึ่งการดูดกลืนนิวตรอนไว้เป็นการจำกัดการปล่อยพลังงานออกมา

เมื่อปัจจัยทุกอย่างสมบูรณ์ ปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียสก็เกิดขึ้น และปล่อยพลังงานออกมาทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นจนน้ำเดือดและกลายป็นไอน้ำระเหยหายไป ปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียสก็หยุดลงจนกว่าน้ำจะไหลกลับเข้ามาแทนที่ใหม่ ทำให้เตานิวเคลียร์ที่โอโกลเดิน ๆ หยุด ๆ เป็นวงจรอยู่อย่างนี้จนกว่ายูเรเนียม-235 จะมีสมรรถนะหรือความเข้มข้นไม่พอจะถึงสภาวะวิกฤตได้ ซึ่งก็กินเวลาหลายล้านปี

เพื่อยืนยันว่าเคยมีเตานิวเคลียร์ธรรมชาติอยู่จริง พวกนักวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศสก็เริ่มค้นหาหลักฐานสนับสนุนอื่น สิ่งแรกที่ต้องมองหาก็คือธาตุบางชนิดที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ผลิตขึ้นมาที่เรียกว่าผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส แต่จะต้องเป็นชนิดที่เกิดเองตามธรรมชาติในที่ต่าง ๆ เป็นปริมาณน้อย ซึ่งจากหลาย ๆ ธาตุที่ตรวจสอบ พบว่ามีนีโอดิเมียมที่ชี้ชัดที่สุดว่ามีการเดินเครื่องของเตานิวเคลียร์จริง ๆ นีโอดิเมียมมีหลายไอโซโทปเสถียร แต่มีอยู่ 6 ไอโซโทปที่เป็นผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส การเปรียบเทียบความอุดมของนีโอดิเมียมของเหมืองโอโกลกับพื้นที่อื่น ๆ และกับที่พบเกิดอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สมัยใหม่ พบว่าแทบจะเท่ากับที่พบจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ยุคปัจจุบัน การเปรียบเทียบผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสชนิดอื่นๆ ก็ยังตรงกันด้วย

นอกจากนี้ยังพบหลักฐานว่าเตานิวเคลียร์โอโกลยังผลิตเชื้อเพลิงของตัวมันเองอีกด้วย กล่าวคือ มีการระดมยิงยูเรเนียม-238 ด้วยนิวตรอนเกิดเป็นพลูโทเนียม-239 ซึ่งเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้ เท่ากับทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ด้วยนั่นเอง

ดังนั้น พวกชาวฝรั่งเศสนำโดยฟรองซิส เปอแรง (Francis Perrin) หนึ่งในผู้ริเริ่มโครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของฝรั่งเศส จึงสรุปว่า เปอร์เซ็นต์ความแตกต่างของตัวอย่างยูเรเนียม-235 จากโอโกลที่ชัดเจนนี้ อธิบายได้เพียงประการเดียวว่า ยูเรเนียมถูกใช้ไปจากการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบ่งแยกนิวเคลียส และได้ประกาศการค้นพบนี้เมื่อวันที่ 25 กันยายน ปีนั้นเอง

ข้อมูลที่น่าสนใจที่ผุดออกมาจากเรื่องนี้ยังมีว่า เกินกว่าครึ่งหนึ่งของผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสกว่า 30 ชนิดที่พบนั้น ยังคงถูกกักเก็บอยู่ในบริเวณเตานิวเคลียร์รวมทั้งพลูโทเนียมทั้งหมดด้วย สตรอนเชียมส่วนใหญ่ถูกกักอยู่ในที่ที่มันเกิด มีบางส่วนที่เล็ดรอดออกสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งประมาณได้จากปริมาณของคริปทอน-85และซีเซียม-137 และจากการตรวจสอบต่อมาก็พบผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสมีปริมาณสูงผิดปกติหลายบริเวณ ที่น่าจะเป็นบริเวณที่เป็นเตานิวเคลียร์ธรรมชาติถึง 16 เตา และประมาณว่าตลอดอายุการทำงานของพวกมัน ได้ผลิตผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสรวมกันถึง 5.4 ตัน กับพลูโทเนียมอีก 1.5 ตัน

ฟรองซิส เปอแรง (ภาพ: photos.aip.org)	เอนรีโก แฟร์มี (ภาพ: http://www.atomicarchive.com/Bios/FermiPhoto.shtml)

หนึ่งในผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของคริสต์ศตวรรษที่ 20 ก็คือการสร้างอะตอมิกไพล์ (ชื่อเริ่มแรกที่ใช้เรียกเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) เครื่องแรกของโลกขึ้นที่ชิคาโกเมื่อ ค.ศ. 1941 โดยเอนรีโก แฟร์มี ซึ่งต้องใช้สมองใสที่สุดผนวกเข้ากับความพยายามทางวิศวกรรม เพื่อลอกเลียนสิ่งที่แบคทีเรียทำมาก่อนแล้วเมื่อหนึ่งพันเจ็ดร้อยล้านปีก่อน

“โอโกล” ฝีมือของแบคทีเรีย	“ชิคาโกไพล์-1” ฝีมือมนุษย์

อ้างอิง

• James Lovelock, The Ages of Gaia (1988), http://www.alamut.com/proj/98/nuclearGarden/bookTexts/Lovelock_Oklo.html
• Andrew Alden, http://geology.about.com/od/geophysics/a/aaoklo.htm
• http://physics.isu.edu/radinf/natural.htm
• Oklo: Natural Nuclear Reactors Fact Sheet, http://www.ocrwm.doe.gov/factsheets/doeymp0010.shtml
• http://www.nationmaster.com/encyclopedia/Natural-nuclear-fission-reactor
• http://www.skb.se/Templates/Standard____16912.aspx