การใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์ในอุตสาหกรรม

มีการนำวัสดุนิวเคลียร์เข้าไปประยุกต์ใช้ในหลายสาขา ซึ่งโดยปกติแล้วไม่น่าจะมีความเกี่ยวข้องกันเลย โดยเฉพาะการใช้ไอโซโทปรังสี ทั้งที่เป็นสารรังสีที่มีในธรรมชาติและที่ผลิตขึ้นมา มีการนำไปใช้อย่างกว้างขวางอยู่ในเครื่องมือ เครื่องวัด และในการถ่ายภาพ มีการนำไปใช้ในหลายสาขาทั้งในอุตสาหกรรมน้ำมัน โบราณคดี เกษตรกรรม อุตสาหกรรม และในผลิตภัณฑ์ที่เป็นสินค้าอุปโภคบริโภคที่เราใช้กันอยู่ทุกวัน

ส่วนสำคัญที่เรานำมาใช้งานคือสารไอโซโทปรังสี ซึ่งให้รังสีออกมา โดยมีคุณสมบัติในการเคลื่อนที่ทะลุผ่านวัสดุได้ แม้ว่าเราจะไม่เห็นรังสี แต่ก็สามารถตรวจวัดได้ด้วยเครื่องมือวัด ลักษณะเฉพาะของเทคนิคนี้ คือการวัดรังสีที่ทะลุผ่านวัตถุมาได้

 
     

การวัดปริมาณ (Gauging)

การใช้ไอโซโทปรังสีในกระบวนการผลิตสามารถใช้ได้หลายวิธี เทคนิคอย่างหนึ่งคือการตรวจวัดปริมาณ เนื่องจากรังสีมีการสูญเสียพลังงานเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ หลักการนี้สามารถนำไปใช้วัดเพื่อแสดงปริมาณว่า มีอยู่หรือไม่ระหว่างต้นกำเนิดรังสีกับหัววัดรังสี

เมื่อวัดรังสีที่ผ่านวัสดุ แล้วเปรียบเทียบกับค่าที่เคยวัดได้ซึ่งมีความหนาตามที่ต้องการ ถ้ารังสีที่วัดได้มีค่าสูงแสดงว่ามีความหนาน้อยเกินไป ถ้ารังสีที่วัดได้มีค่าต่ำแสดงว่ามีความหนามากเกินไป จุดเด่นของการวัดด้วยวิธีนี้คือ ไม่มีการสัมผัสกับวัสดุที่ทำการวัด ตัวอย่าง เช่น

เครื่องผลิตแผ่นฟิล์มพลาสติก ใช้ไอโซโทปรังสีในการวัดความหนา โดยให้แผ่นฟิล์มวิ่งผ่านระหว่างต้กำเนิดรังสีกับหัววัดรังสี สัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งไปควบคุมความหนาของแผ่นฟิล์ม ทำให้การผลิตดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง

ความสูงของถ่านหินในตู้บรรทุก สามารถหาได้โดยการใช้ต้นกำเนิดรังสีพลังงานสูง วางไว้ด้านตรงข้ามกับหัววัดรังสี แล้วบีบลำรังสีให้โฟกัสเป็นลำแคบๆ ผ่านถ่านหินไปยังหัววัดรังสี ถ่านหินที่ใส่ลงไปในตู้บรรทุก จนถึงระดับจะไปขวางลำรังสี ทำให้สัญญาณที่หัววัดรังสีขาดหายไป งานในลักษณะที่เต็มไปด้วยฝุ่นนี้ ทำให้ไม่สามารถควบคุมด้วยลำแสงธรรมดา

เมื่อลำรังสีตกกระทบวัตถุ รังสีส่วนหนึ่งจะส่องผ่านไป อีกส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับมาในทิศทางเดิม ปริมาณรังสีสะท้อนมีความสัมพันธ์กับปริมาณวัสดุ หลักการนี้สามารถนำมาใช้ในวัดความหนาของวัสดุที่ใช้เคลือบผิว

การถ่ายภาพด้วยรังสี (Gamma-Radiography)

การประยุกต์ใช้ไอโซโทปรังสีในการควบคุมกระบวนการผลิตอีกอย่างหนึ่ง ได้แก่ การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมา กระบวนการนี้ใช้ไอโซโทปที่ให้รังสีแกมมา เพื่อตรวจสอบจุดบกพร่องบนวัสดุ เช่น รอยร้าว รอยตำหนิ บนรอยเชื่อม จุดเด่นของการถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมา เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคอื่น คือ การที่รังสีแกมมาสามารถส่องทะลุผ่านวัตถุได้โดยไม่มีผลต่อตัวอย่าง ให้ผลการถ่ายภาพรวดเร็ว ราคาถูก สามารถทำได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิต

กระบวนการนี้คล้ายกับการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ของโรงพยาบาล หรือการฉายภาพกระเป๋าเดินทางของสนามบิน สิ่งที่แตกต่างกันคือ แทนที่จะใช้รังสีเอกซ์ การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมา ใช้ต้นกำเนิดรังสี ที่มีความสามารถในการทะลุทลวงเข้าไปในวัสดุได้ดีกว่า เช่น โคบอลต์-60 ซึ่งเป็นต้นกำเนิดรังสีแกมมาขนาดเล็ก สามารถเคลื่อนย้ายได้ ขณะที่การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ ต้องป้อนกระแสไฟฟ้าในขณะใช้งาน การใช้ไอโซโทปรังสี ให้ผลดีที่สุดในกรณีที่ต้องทำการตรวจสอบในพื้นที่และไม่มีกระแสไฟฟ้า ต้นกำเนิดรังสีแกมมาเป็นไอโซโทปรังสีที่มีขนาดเล็กบรรจุอยู่ในแคปซูลไททาเนียม ในการถ่ายภาพจะวางแคปซูลของต้นกำเนิดรังสีไว้ด้านหนึ่งของวัตถุ และวางฟิล์มบันทึกภาพไว้ด้านตรงข้าม รังสีแกมมาจะทะลุผ่านวัตถุไปทำให้เกิดภาพขึ้นบนฟิล์ม คล้ายกับการที่รังสีเอกซ์แสดงให้เห็นภาพกระดูก รังสีแกมมาจะแสดงจุดบกพร่องของโลหะหล่อ หรือรอยเชื่อม เทคนิคนี้จึงเป็นส่วนประกอบสำคัญ ในการตรวจสอบรอยตำหนิ ที่อยู่ภายในโดยไม่ต้องทำลายตัวอย่าง

เนื่องจากไอโซโทปรังสีสามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมาจึงมีประโยชน์ในการควบคุมระยะไกล ตัวอย่างเช่น การตรวจสอบรอยเชื่อมของท่อที่ใช้ส่งกาซธรรมชาติหรือน้ำมัน เมื่อมีการเชื่อมแล้ว จะวางฟิล์มแบบพิเศษติดเทปไว้รอบท่อที่ด้านนอก อุปกรณ์ที่เรียกว่า "pipe crawler" จะเป็นตัวพาต้นกำเนิดรังสีพร้อมทั้งวัสดุกันรังสี เข้าไปในท่อไปยังตำแหน่งที่มีการเชื่อม เมื่อถึงจุดที่ต้องการ จะทำการถ่ายภาพรอยเชื่อม ด้วยรังสีจากต้นกำเนิดไปยังฟิล์มโดยการควบคุมระยะไกล เมื่อผ่านกระบนการล้างฟิล์มจะได้ภาพที่แสดงรายละเอียดภายในของรอยเชื่อม

 
     

การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน : Neutron Activation

การอาบนิวตรอนเป็นวิธีการวิเคราะห์เพื่อหาปริมาณธาตุในตัวอย่างประเภทต่างๆ หลายชนิด โดยมีความถูกต้องและเที่ยงตรงสูง เทคนิคนี้เป็นตัวอย่างที่นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัย ใช้ประโยชน์ของไอโซโทปรังสี รวมทั้งนำมาใช้ช่วยในการสืบสวนอาชญากรรม วิธีการนี้ใช้หลักการตรวจวัดรังสีแกมมาจากไอโซโทปรังสี ที่มาจากตัวอย่างที่นำไปอาบนิวตรอน ซึ่งมีพลังงานที่เฉพาะในแต่ละธาตุ

ตัวอย่างที่นำไปอาบนิวตรอน จะทำให้ธาตุที่อยู่ในตัวอย่างนั้นมีกัมมันตภาพรังสีอยู่ช่วงเวลาหนึ่ง การตรวจวัดรังสีที่แผ่ออกมา สามารถใช้วิเคราะห์ธาตุที่เป็นองค์ประกอบในตัวอย่างได้ โดยพลังงานของรังสีจะแสดงชนิดของธาตุ และความเข้มของรังสีจะแสดงปริมาณธาตุที่มีอยู่ในตัวอย่าง เนื่องจากแต่ละธาตุที่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอน จะกลายเป็นไอโซโทปรังสีที่มีพลังงานเฉพาะของแต่ละไอโซโทป

การอาบนิวตรอนสามารถวิเคราะห์ได้ครั้งละหลายธาตุพร้อมกัน โดยสามารถเลือกปรับพารามิเตอร์การวิเคราะห์ให้เหมาะสมที่สุดกับแต่ละธาตุ โดยที่การวิเคราะห์ชนิดของธาตุได้มากขึ้น ไม่ทำให้ค่าใช้จ่ายหรือกระบวนการวิเคราะห์เพิ่มขึ้น ในการวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอนโดยทั่วไป สามารถหาปริมาณธาตุในตัวอย่างทางธรณีวิทยา เนื้อเยื่อของคน สัตว์หรือพืช ได้ประมาณ 40 ชนิด

การอาบนิวตรอนสามารถวิเคราะห์ธาตุที่มีปริมาณน้อยมากๆ ได้ มีของความไวในการวิเคราะห์ (sensitivity) ดีกว่าวิธีการที่ไม่ใช้นิวเคลียร์เทคนิค โดยอยู่ในระดับของ parts per billion หรือดีกว่า กระบวนการวิเคราะห์ทำให้สามารถให้ผลที่รวดเร็วกว่าและมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าวิธีการที่ไม่ใช้นิวเคลียร์เทคนิค

นอกจากนั้น การอาบนิวตรอนยังใช้เป็นวิธีการอ้างอิง (referee method) ของวิธีการอื่นที่อาจมีการพัฒนากระบวนการขึ้นมาใหม่ หรือให้คำตอบที่ไม่สอดคล้องกัน เนื่องจากเป็นวิธีการที่มีความถูกต้องและได้รับความเชื่อถือสูง
การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอนมีการใช้แพร่หลายทั่วโลก แต่ละปีมีการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคนี้ ประมาณ 100,000 ตัวอย่าง เช่น

  • วิเคราะห์วัสดุในกระบวนการผลิต เช่น ถ่านหิน หรือปูนซีเมนต์ ใช้เทคนิคการอาบนิวตรอนในการวิเคราะห์คุณภาพ
  • เจ้าหน้าที่สืบสวน ตำรวจ หรือกลุ่มงานด้านความปลอดภัย ใช้เทคนิคการอาบนิวตรอนในการตรวจวัตถุระเบิด ยาเสพติด และอาวุธ
  • ทางการแพทย์ หรือการกีฬา ใช้เทคนิคการอาบนิวตรอน ในการตรวจร่างกาย เพื่อศึกษาการทำงานร่างกาย
  • ในงานสำรวจทางอุตสาหกรรม ใช้การอาบนิวตรอนในการสำรวจแร่ และหาชนิดของแร่ที่สำรวจพบ
 
     
ใช้ในการติดตามตรวจสอบ (Tracers)

การใช้ไอโซโทปรังสีเป็นสารติดตาม (tracer) ไม่ได้มีใช้แต่ในทางการแพทย์แต่มีใช้ในทางอุตสาหกรรมด้วยเช่นกัน สารรังสีติดตาม (radiotracer) ทีมีการให้รังสีแกมมาหรือรังสีบีตาออกมา สามารถตรวจวัดได้ด้วยเครื่องมือวัดหลายชนิด ทั้งการวัดในพื้นที่ (in situ) และการเก็บตัวอย่างมาวัดในห้องปฏิบัติการ ด้วยการวิเคราะห์สารติดตามที่เหมาะสม จะทำให้สามารถทราบเส้นทาง (pathway) ที่สารติดตามเคลื่อนที่ไปได้

ตัวอย่างเช่น การใช้ไอโซโทปรังสีเป็นสารติดตามในการตรวจวัดมลภาวะในแม่น้ำ เมื่อทราบกัมมันตภาพรังสี การละลาย และคุณสมบัติของสารติดตาม รวมทั้งปริมาณและช่วงเวลาจะทำให้สามารถใช้หาเส้นทางของสารติตามได้

การใช้สารรังสีติดตามสามารถประยุกต์ใช้ทางด้านอื่นได้ดังนี้ :

  • หาประสิทธิภาพการผสมของเครื่องผสม (blender) ทางอุตสาหกรรม โดยการเติมสารละลายของสารรังสีติดตามลงไปในส่วนผสม แล้วนำของผสมออกมาวัดกัมมันตภาพรังสี เพื่อหาความสม่ำเสมอของการผสม
  • สารรังสีติดตาม สามารถใช้ในการตรวจสอบที่มาของมลภาวะในแม่น้ำ โดยปล่อยสารติดตามลงที่ตำแหน่งที่คาดว่าเป็นจุดที่มาของมลภาวะ จะทำให้ทราบเส้นทางการเคลื่อนที่ไปจนถึงปลายทางของแม่น้ำ นอกจากนั้นยังสามารถใช้หาแหล่งที่มาจากมลภาวะหลายแหลง โดยการใช้สารรังสีหลายชนิดเป็นสารติดตาม
  • ใช้ตรวจหาการรั่วปริมาณเล็กน้อยในระบบที่ซับซ้อน เช่น อุปกรณ์แลกเลี่ยนความร้อนในโรงไฟฟ้า หรือท่อส่งน้ำมันของโรงกลั่น
  • ใช้หาอัตราการไหลของของเหลวหรือแก๊ส รวมทั้งอัตราการไหลของแม่น้ำขนาดใหญ่ ได้อย่างแม่นยำ
  • ใช้หาการแพร่กระจายของรังปลวกในโครงสร้างอาคาร โดยการใช้ไม้ที่มีกัมมันตภาพรังสีให้เป็นอาหารปลวก แล้ววัดการกระจายของกัมมันตภาพรังสี ซึ่งสามารถตรวจวัดได้ง่ายโดยไม่ทำความเสียหายให้กับอาคาร
  • มีการวิจัยโดยใช้สารติดตามเพื่อตรวจสอบการทำงานของร่างกายคน โดยใช้ไอโซโทปรังสีที่มีตามธรรมชาติ การหาอายุของน้ำจากบ่อบาดาลโดยใช้ไอโซโทปรังสีของน้ำที่มีตามธรรมชาติ การใช้ไอโซโทปรังสีจากฝุ่นกัมมันตรังสี (fallout) จากการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ในช่วงปี 1950-1960 เพื่อวัดอัตราการพงทลายและการเคลื่อนที่ของดิน ซึ่งเป็นข้อมูลที่สำคัญในการศึกษาทางสิ่งแวดล้อมและการเกษตร
  • ใช้ไอโซโทปรังสีในการทดสอบผลิตภัณฑ์ เช่น ชิ้นส่วนโลหะ ยางรถยนต์ และน้ำมันหล่อลื่น โดยการเติมสารไอโซโทปรังสีลงไปในวัสดุเหล่านี้ เมื่อวัดรังสีหลังจากผ่านการใช้งาน จะทำให้ผู้ผลิตสามารถใช้เป็นข้อมูลในการปรับปรุงคุณภาพได้
  • ในห้องปฏิบัติการทางการเกษตร ใช้ไอโซโทปรังสีในการศึกษาการลำเลียงอาหารหรือปุ๋ยของพืช ในสมัยก่อน การปรับปรุงคุณภาพของพืช จำเป็นต้องทำการคัดเลือกลักษณะที่ต้องการ เช่น ความต้านทางโรค คุณค่าทางโภชนาการ หรือกลิ่น โดยคัดลักษณะที่ไม่ต้องการทิ้ง โดยจำเป็นต้องเพาะปลูกจำนวนหลายรุ่น ปัจจุบันการใช้สารติดตามรังสีทำให้สามารถคัดเลือกลักษณะที่ต้องการได้โดยใช้เวลาที่สั้นลง
 
     
การหาอายุโดยวัดคาร์บอนรังสี

นักธรณีวิทยาและโบราณคดีหาอายุของตัวอย่างจากสิ่งมีชีวิต เช่น กระดูก ถ่าน หนัง โดยเทคนิค การหาอายุด้วยคาร์บอนรังสี (radiocarbon dating) ชื่อที่ใช้เรียกเทคนิคนี้ ได้มาจากเทคนิคการหาอายุที่ใช้ไอโซโทป คาร์บอน-14 (carbon-14) ซึ่งเป็นไอโซโทปรังสีตามธรรมชาติ และมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เนื่องจากคาร์บอนในธรรมชาติมีคาร์บอน-14 อยู่ด้วยในสัดส่วนที่คงที่ เมื่อสิ่งมีชีวิตในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ ได้กินอาหาร ที่ปกติมีธาตุคาร์บอนอยู่ ทำให้มีคาร์บอน-14 สะสมอยู่ในร่างกาย เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง จะไม่มีคาร์บอนเข้าไปเพิ่มในร่างกายอีก ขณะที่ไอโซโทปรังสี คาร์บอน-14 มีการสลายตัวอย่างคงที่ตลอดเวลา ทำให้สามารถใช้ปริมาณคาร์บอน-14 ที่เหลือออยู่ ประมาณช่วงเวลาที่สิ่งมีชีวิตนั้นตายลงได้ ตัวอย่างการหาอายุโบราณวัตถุด้วยคาร์บอน-14 ได้แก่การหาอายุของ Dead Sea Scrolls ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 2,000 ปี และการพิสูจน์ว่าผ้าตูริน (Shroud of Turin) ทำขึ้นในศตวรรษที่ 14

สินค้าอุปโภคบริโภค (Consumer Products)

มีการใช้ไอโซโทปรังสีในสินค้าอุปโภคบริโภคหลายชนิด ถึงแม้ว่าหลายชนิดอาจจะไม่พบแล้วในปัจจุบัน แต่การนำไอโซโทปรังสีมาใช้ ก็ยังมีความสำคัญในทางอุตสาหกรรมหลายประเภท ตัวอย่างเช่น

  • เครื่องตรวจจับควัน (Smoke detectors) – ในเครื่องตรวจจับควันมีไอโซโทปรังสี americium-241 ปริมาณเล็กน้อย ซึ่งจะส่งสัญญาณเตือนเมื่อตรวจวัดควันได้
  • เครื่องบรรจุขวด (Soft drink bottles) - ใช้ไอโซโทปรังสีในการวัดและควบคุมปริมาณน้ำอัดลมที่บรรจุลงในขวด
  • การทำให้ฟิล์มหรือฉนวนหุ้มสายไฟหดตัว (Shrink wrap film/plastic insulation on wires) – ใช้รังสีในการทำให้พลาสติกหดตัว แทนที่จะใช้ความร้อนซึ่งทำลายคุณสมบัติในการเป็นฉนวนของพลาสติก

ความปลอดภัย (Safety)

การนำวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์มาประยุกต์ใช้ในทุกประเภท รวมทั้งทางด้านอุตสาหกรรม สิ่งที่จะต้องคำนึงถึงอันดับแรก คือ ความปลอดภัย ซึ่งมีการนำมาใช้ในหลายแนวทาง ได้แก่

  • ผู้ควบคุมเครื่องมือจะต้องทำงานอยู่ห่างจากลำรังสีเสมอ เมื่อมีความผิดปกติชัตเตอร์จะต้องปิดลำรังสีในทันที
  • วัสดุที่ใช้ทดสอบจะต้องไม่มีกัมมันตภาพรังสีตกค้างอยู่ แต่ในบางกรณีการควบคุมทำได้ค่อนข้างยาก เช่น การทดสอบใบเลื่อยไฟฟ้าโดยการอาบนิวตรอน ซึ่งจะมีรังสีออกมาจากใบเลื่อยตลอดเวลา การเคลื่อนย้ายจึงต้องมีภาชนะสำหรับบรรจุที่กันรังสี ผู้ที่ทดสอบต้องควบคุมการทำงานที่ระยะไกล ขณะที่ทำการทดสอบต้องกั้นบริเวณไม่ให้มีคนเข้าไปใกล้กับบริเวณนั้น เมื่อหยุดใช้งานจะต้องมีระบบควบคุมระยะไกล ปิดชัตเตอร์และเก็บสารรังสีคืนเข้าที่เก็บโดยอัตโนมัติ
  • ไอโซโทปรังสีที่เลิกใช้งานแล้วจะต้องนำไปเก็บในสถานที่ได้รับอนุญาตให้เป็นที่เก็บกากสารรังสี แต่ในบางครั้งก็ยังมีอุบัติเหตุเกิดขึ้น เช่น ที่เม็กซิโกเจ้าหน้าที่ควบคุมเครื่องเร่งอนุภาค เข้าไปในห้องที่มีรังสีก่อนที่จะดับเครื่อง ที่บราซิลและมาเลเซีย มีการทิ้งต้นกำเนิดรังสีอย่างไม่ถูกต้อง ทำให้ถูกขโมยไปตัดภาชนะโลหะออก ทำให้มีคนจำนวนมากได้รับอันตรายจากรังสี ซึ่งแสดงถึงความสำคัญของการควบคุมที่ต้องทำอย่างเข้มงวด
  • สารรังสีติดตามที่มีการผลิตขึ้นมาใช้ในการเฉพาะบางอย่าง จะต้องมีกัมมันตภาพอยู่ในช่วงเวลาที่ทำการทดลองเท่านั้น เช่นเดียวกับการที่ผู้ป่วยที่กินหรือดื่มไอโซโทปรังสี จะออกจากโรงพยาบาลได้เมื่อไอโซโทปรังสีถูกขับออกหรือสลายตัวหมดแล้ว เพื่อป้องกันไม่ให้มีสารรังสีออกไปสู่สิ่งแวดล้อม
  • ในห้องปฏิบัติการจะต้องมีการควบคุมโดยอุปกรณ์ที่อาจปนเปื้อนสารรังสี เช่น ถุงมือ ผ้าซับ เข็มฉีดยา และอุปกรณ์ที่ใช้ทดสอบจะต้องส่งไปบำบัดหรือเก็บในรูปของกากสารรังสีระดับต่ำ.
 
ถอดความจาก Industrial Use of Nuclear Technology
เวบไซต์ http://www.world-nuclear.org/info/info.htm
February 2006