ปฏิกิริยาลูกโซ่ครั้งแรกเปลี่ยนแปลงวิทยาศาสตร์อย่างไร

ข้อมูลจากสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ความรู้ทั่วไปที่เกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์

กนกรัชต์ ตียพันธ์
ศูนย์เครื่องปฏิกรณ์ สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ยุคแรกเกี่ยวกับปรมาณูได้เริ่มเกิดขึ้น เมื่อเวลา 15:25 น. วันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 เหตุการณ์นี้ได้เกิดแบบเงียบๆ เป็นความลับในบนสนามสควอชที่อยู่ทางทิศตะวันตกของสนาม Stagg Field เก่าในมหาวิทยาลัยชิคาโก ปัจจุบันประติมากรรม“ พลังงานนิวเคลียร์” ของ Henry Moore และห้องสมุด Mansueto ได้มีการจัดแสดงที่พื้นที่ซึ่งอยู่ตรงหัวมุมถนนที่ตัดกันระหว่างถนน Ellis Avenue และถนน 57th Street บริเวณนี้เป็นบริเวณซึ่ง Enrico Fermi และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ออกแบบ และ แสดงการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ที่สามารถควบคุมได้เป็นครั้งแรกเมื่อ 70 ปีก่อน การทดลองของพวกเขาเป็นก้าวแรกที่สำคัญในโครงการแมนฮัตตันเพื่อใช้ในการพัฒนาระเบิดปรมาณูในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง

ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นครั้งแรกนั้น เป็นปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดพลังงานน้อยมากซึ่งพลังงานที่เกิดขึ้นไม่มากพอที่จะทำให้แม้กระทั่งหลอดไฟดวงเดียวสว่างได้ อย่างไรก็ตามมันได้เปลี่ยนแปลงโลก และ เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในมหาวิทยาลัยชิคาโกในด้านที่หลากหลาย เช่น ฟิสิกส์ เคมี การวิจัยแบบสหวิทยาการ การวิเคราะห์นโยบาย และเวชศาสตร์นิวเคลียร์ แม้กระทั่งในปี พ.ศ. 2485 ผู้ที่อยู่ในเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ครั้งนั้นก็รู้สึกได้ว่าผลงานของพวกเขาจะมีอิทธิพลต่ออนาคตเพียงใด “เราทั้งหมด . . . รู้ว่าเมื่อเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ในครั้งแรกแล้ว โลกจะไม่เหมือนเดิมอีกต่อไป” อดีตนักฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยชิคาโก Samuel K. Allison เขียนไว้ในบันทึกของเขาในเวลานั้น การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ครั้งแรกนั้นได้ก่อให้เกิด การใช้พลังงานนิวเคลียร์อย่างสันติ การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในด้านอาวุธนิวเคลียร์และการเปลี่ยนแปลงของความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอื่นๆ ในด้านต่างๆ

หลังสงครามมหาวิทยาลัยชิคาโก ได้ก่อตั้งสถาบันเพื่อการศึกษาด้านนิวเคลียร์ และ สถาบันเการศึกษาด้านโลหะวิทยา ซึ่งต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น Enrico Fermi และสถาบัน James Franck ทำให้มหาวิทยาลัยสามารถนำบุคลากรจำนวนมากมารวมตัวกันในมหาวิทยาลัย เพื่อทำงานในโครงการแมนฮัตตัน ผลพลอยได้อีกอย่างของโครงการนี้คือการก่อตั้ง
Argonne National Laboratory ซึ่งดำเนินการวิจัยพื้นฐาน และ การวิจัยประยุกต์ต่างๆ ในสาขาวิทยาศาสตร์ที่สำคัญหลายด้าน ในปัจจุบัน Argonne
เป็นหุ้นส่วนในสถาบันวิศวชีวโมเลกุล ซึ่งได้รวบรวมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรชั้นนำในด้านต่างๆ เพื่อนำมาสู่การริเริ่มทำการวิจัยที่แปลกใหม่ในระดับโมเลกุล

แม้ว่าทีมของ Fermi จะมีส่วนร่วมในโครงการลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่จะใช้สำหรับสงครามโลกครั้งที่สอง แต่พวกเขาได้พูดคุยถึงปัญหาทางเทคนิคใต้ต้นไม้บนถนน Main Quad ซึ่งพวกเขาคิดว่าปลอดภัยจากผู้แอบฟังได้ โดยพวกเขาจะพูดคุยกันในช่วงเวลากลางวัน และการทดลองการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ครั้งแรกของพวกเขา เกิดขึ้นในช่วงพักรับประทานอาหารกลางวัน “อย่าคิดว่าพวกเขาจะสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ในการทดลองครั้งแรก” Roger Hildebrand และ Samuel K. Allison ได้บันทึกไว้ และ พวกเขากล่าวว่า “เราสร้าง และ สร้างกองยูเรเนียมยูเรเนียมออกไซด์ และ กราไฟท์ขึ้นใหม่ 30 ครั้งก่อนที่จะมีการทดสอบ และ พร้อมสำหรับการทดลองการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ครั้งแรก”

Chicago Pile Number One หรือ CP-1 ประกอบด้วยบล็อกกราไฟต์ 40,000 บล็อกที่ล้อมรอบแท่งเชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยโลหะยูเรเนียม และ เชื้อเพลิงยูเรเนียมออกไซด์ 19,000 ชิ้น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้น เรียกสิ่งประดิษฐ์นี้ว่าการทดลองทางโลหะวิทยา หรือ “Met Lab” และได้ทำการจัดเรียงบล็อกกราไฟต์เป็นชั้น ๆ ภายในกรอบไม้ขนาด 24 ฟุต

Hildebrand ได้เริ่มทำงานในโครงการ Manhattan ในฐานะนักศึกษาวิชาเอกเคมีระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัยเบิรก์เลย์ เขาทำงานให้กับ Ernest Lawrence ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากงานวิจัยโดยใช้เครื่องเร่งไซโคลตรอนของมหาวิทยาลัยเบิรก์เลย์ เพื่อเปลี่ยนยูเรเนียมให้เป็นพลูโตเนียม ซึ่งเป็นธาตุที่เชื่อว่ามีศักยภาพในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาลูกโซ่ ตัวอย่างที่ได้รับการอาบรังสีในมหาวิทยาลัยเบิร์กลีย์ และ ห้องทดลองอีกแห่งในมลรัฐเซนต์หลุยส์ ได้ถูกนำมาที่ห้องปฏิบัติการเจมส์เฮอร์เบิร์ตโจนส์ซึ่งอยู่ทางทิศใต้ของ Stagg Field ห่างกันเพียงหนึ่งช่วงตึก ภายในห้อง 405 ห้องปฏิบัติการเจมส์เฮอร์เบิร์ตโจนส์ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลอีกหนึ่งคนชื่อ Glenn Seaborg ได้ทำการทดลองในขั้นตอนสำคัญซึ่งทำให้ก้าวไปสู่ยุคปรมาณู โดยเขาได้ชั่งน้ำหนักตัวอย่างพลูโตเนียมขนาดเท่าหัวเข็มครั้งแรก แม้ว่ามันจะมีปริมาณไม่มากนัก แต่ก็เพียงพอที่จะวัดคุณสมบัติทางเคมีและโลหะวิทยาของมันได้

นักวิจัยได้ค้นพบถึงอันตรายที่อาจเกิดขึ้นได้จากพลังงานนิวเคลียร์ปรากฏชัดเจนแม้กระทั่งในการวิจัย และ การทดลองในช่วงแรก ๆ ในขณะที่ได้เกิดเหตุการณ์จากการทำสงครามโดยญี่ปุ่นทิ้งระเบิดเพิร์ลฮาร์เบอร์เมื่อวันที่ 7 ธันวาคม พ.ศ. 2484 จากนั้นประเทศเยอรมนีและประเทศอิตาลีประกาศสงครามกับสหรัฐอเมริกาในอีกสี่วันต่อมา “พวกเขามีการวิจัย และ การทดลองที่ก้าวหน้า พวกเขากำลังจะพิชิตทุกอย่างได้ และ พวกเขากำลังทำงานกับระเบิดปรมาณู” Hildebrand กล่าวไว้ในบันทึกของเขา “ ผลที่ตามมาคือทุกคนรู้ว่าการทำระเบิดนิวเคลียร์อาจจะเป็นไปได้”

เจ้าหน้าที่วิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาได้ก่อตั้ง Atomic Scientists of Chicago เมื่อวันที่ 26 กันยายน พ.ศ. 2488 เพียงไม่กี่สัปดาห์หลังจากที่สหรัฐอเมริกาทิ้งระเบิดปรมาณูที่ฮิโรชิมาและนางาซากิ และได้ตีพิมพ์ Bulletin of the Atomic Scientists of Chicago ฉบับแรกเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2488 ซึ่ง Bulletin’s Doomsday Clock ยังคงเป็นสัญลักษณ์ของความเปราะบางของมนุษยชาติ ที่เกิดจากภัยพิบัติที่มนุษย์สร้างขึ้น โดยมีขอบเขตขยายจากอาวุธนิวเคลียร์ การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และ อาวุธชีวภาพ
จากเหตุการณ์ทั้งหมดสรุปได้ว่า สิ่งใดก็ตามที่มีอานุภาพสูง มันย่อมมีพลังทั้งความดีและความชั่วอยู่ในตัวเอง ขึ้นอยู่กับว่ามนุษย์จะใช้งานมันในด้านใด