ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น เกิดขึ้นได้อย่างไร?
พลังงานฟิวชั่น
พลังงานฟิวชั่น () คือพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ปฏิกิริยาชนิดนี้เกิดจากการที่นิวเคลียสของอะตอมธาตุเบาหลอมตัวเข้าด้วยกัน และได้นิวเคลียสที่หนักกว่าเดิมและมีเสถียรภาพมากขึ้น มวลของธาตุเบาที่รวมกันจะหายไปเล็กน้อยซึ่งส่วนที่หายไปนั้นเองได้เปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานตามสมการ "E" = "mc" กระบวนการนี้ได้ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นี้เป็นจำนวนที่มากของพลังงานสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่ง จำนวนที่สูงมากนี้เป็นเพราะพลังงานยึดเหนี่ยวต่อ'นิวคลีออน'ของนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ที่สูงผิดปกติ เพราะนิวเคลียสของ He-4 เป็น "วิเศษสองเท่า" (นิวเคลียสของ He-4 จะเสถียรแบบที่ไม่ปกติและถูกผูกมัดกันไว้อย่างแน่นหนาด้วยเหตุผลเดียวกันกับที่อะตอมของฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย นั่นคือ แต่ละคู่ของโปรตอนและนิวตรอนใน He-4 ครอบครองวงโคจรนิวเคลียร์เต็ม 1s ในลักษณะเดียวกับที่คู่ของอิเล็กตรอนในอะตอมของฮีเลียมครอบครองวงโคจรอิเล็กตรอนเต็ม 1s) ด้วยเหตุนี้อนุภาคแอลฟาจะปรากฏขึ้นบ่อยครั้งทางด้านขวามือของปฏิกิริยานิวเคลียร์
การแบ่งแยกนิวเคลียส
นอกเหนือไปจากฟิชชันที่เกิดจากนิวตรอน ควบคุมและใช้ประโยชน์โดยมนุษย์แล้ว รูปแบบโดยธรรมชาติของการสลายกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นเอง (ไม่ต้องใช้นิวตรอน) จะยังถูกเรียกว่าฟิชชันเช่นกัน และมันเกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในไอโซโทปที่มีเลขมวลสูงมาก ฟิชชันเกิดเอง ถูกค้นพบในปี 1940 โดย Flyorov, Petrzhak และ Kurchatov ในมอสโก เมื่อพวกเขาได้ตัดสินใจที่จะยืนยันว่า โดยไม่ต้องมีการระดมยิงด้วยนิวตรอน อัตราการเกิดฟิชชันของยูเรเนียมจะเล็กน้อยจนไม่ต้องนำมาคำนวณได้ ตามที่ได้คาดการณ์โดย Niels Bohr; มันไม่ได้เป็นเช่นนั้น
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burnoff (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล.
ภัยพิบัตินิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง
เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาฟิชชันเพื่อสร้างไอน้ำ เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ต้องหยุดการทำงาน การสลายกัมมันตรังสี () ของไอโซโทปที่ไม่เสถียรจะยังคงสร้างความร้อนออกมาอย่างต่อเนื่องอีกสักช่วงเวลาหนึ่ง การสลายตัวและความร้อนจากการสลายตัวนี้ต้องการการระบายความร้อนอย่างต่อเนื่อง ในขั้นต้นความร้อนจากการสลายตัวนี้มีจำนวนประมาณ 6% ของจำนวนที่ผลิตโดยปฏิกิริยาฟิชชัน ลดลงตลอดช่วงหลายวันก่อนที่จะถึง ระดับปิดแบบเย็น ()
เขตพาความร้อน
ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 1.1 เท่าของดวงอาทิตย์ การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แปลงไฮโดรเจนไปเป็นฮีเลียมจะเกิดขึ้นจากวงจรปฏิกิริยาคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจน มิได้เกิดจากห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน เพราะในวงจรปฏิกิริยาคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจนนั้น อุณหภูมิเป็นเรื่องอ่อนไหวมาก ที่แกนกลางดาวนั้นร้อนจัดแต่อุณหภูมิก็ลดลงอย่างรวดเร็วมาก ดังนั้นจึงเกิดย่านการพาความร้อนขึ้นซึ่งผสมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนกับฮีเลียมที่เป็นผลผลิตอย่างสม่ำเสมอ
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นอกจากนี้ เนื่องจากแรงผลักเป็นสัดส่วนกับผลผลิตของทั้งสองประจุ ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสที่หนักด้วยกันจะหาได้ยากกว่าปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสหนักและนิวเคลียสเบา และจำเป็นต้องมีระดับพลังงานเริ่มต้นที่สูงกว่าอีกด้วย ในขณะที่ปฏิกิริยาระหว่างสองนิวเคลียสเบาเป็นสิ่งที่พบมากที่สุด
ผลผลิตจากฟิชชัน
ผลผลิตจากฟิชชัน () หรือ ผลผลิตจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน () เป็นชิ้นส่วนที่เหลือหลังจากนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ผ่านขบวนการนิวเคลียร์ฟิชชั่น โดยปกตินิวเคลียสขนาดใหญ่เช่นของยูเรเนียมจะทำการ fission โดยแยกออกเป็นสองนิวเคลียสในขนาดที่เล็กกว่า พร้อมกับนิวตรอนไม่กี่ตัว กับการปล่อยพลังงานความร้อน (พลังงานจลน์ของนิวเคลียส) และรังสีแกมมาออกมา ทั้งสองนิวเคลียสในขนาดที่เล็กกว่าดังกล่าวเป็น"ผลผลิตจากฟิชชัน" (โปรดดูเพิ่มเติม ผลผลิตจากฟิชชัน (แบ่งตามองค์ประกอบ))
ลีเซอ ไมท์เนอร์
ลีเซอ ไมท์เนอร์ () เป็นนักฟิสิกส์สัญชาติออสเตรีย-สวีเดน ซึ่งศึกษาในด้านการสลายให้กัมมันตรังสีและฟิสิกส์นิวเคลียร์ เธอร่วมกับออทโท ฮาน เป็นผู้นำนักวิทยาศาสตร์กลุ่มเล็กๆที่ค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชันของยูเรเนียมซึ่งเกิดขึ้นเมื่อได้รับนิวตรอนเพิ่มเข้าไป ไมท์เนอร์และฮานสามารถเข้าใจกระบวนการฟิชชันซึ่งแบ่งอะตอมนิวเคลียสของยูเรเนียมออกเป็น 2 อะตอมนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งการจะเกิดขึ้นได้จำเป็นต้องปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา นิวเคลียร์ฟิชชั่นจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นั้น สามารถใช้สร้างความร้อนและแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า การเข้าใจถึงกระบวนการนี้ได้เป็นรากฐานของการสร้างอาวุธนิวเคลียร์โดยสหรัฐอเมริกาในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เทคโนโลยีการนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่ได้รับการพัฒนาที่จะแยกและกู้คืนพลูโตเนียมที่สามารถทำฟิชชั่นได้ทางเคมีจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ผ่านการฉายรังสี. การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่มีวัตถุประสงค์หลายอย่างที่ความสำคัญที่เกี่ยวข้องกันมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป. การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่แต่เดิมถูกใช้แต่เพียงอย่างเดียวในการสกัดพลูโตเนียมในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์. ด้วยการทำในเชิงพาณิชย์ของพลังงานนิวเคลียร์, พลูโตเนียมที่ถูกนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่จะถูกรีไซเคิลกลับไปเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ MOX สำหรับ'เครื่องปฏิกรณ์ร้อน'. ยูเรเนียมที่ถูกนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่, ซึ่งรวมต้วเป็นกลุ่มของวัสดุเชื้อเพลิงใช้แล้ว, ในหลักการสามารถที่จะถูกนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิงใหม่ได้เช่นกัน, แต่นั่นเป็นเพียงเพื่อการประหยัดเท่านั้นถ้ายูเรเนียมมีราคาสูงหรือการกำจัดมันมีราคาแพง. ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์แบบ breeder สามารถใช้เชื้อเพลิงไม่เพียงจากพลูโตเนียมและยูเรเนียมที่รีไซเคิลในเชื้อเพลิงใช้แล้วเท่านั้น, แต่ actinides ทั้งหมด, เป็นการปิดท้ายวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และอาจทวีคูณพลังงานที่สกัดจากยูเรเนียมธรรมชาติได้มากกว่า 60 เท่า.
พลังงานฟิวชั่น
พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่แผ่ออกไปในระบบสุริยะเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ชนิดนี้ ซึ่งต้องอาศัยความร้อนที่อุณหภูมิสูงนับล้านองศาเซลเซียส และมาจากการรวมนิวเคลียสของไฮโดรเจน 2 อะตอม ได้เป็นฮีเลียม 1 อะตอม โดยเกิดขึ้นบริเวณแกนกลางของดวงอาทิตย์
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ปัจจุบันพลังงานนิวเคลียร์มีประมาณ 15.7% ของการผลิตไฟฟ้าของโลก (ในปี 2004) และถูกใช้ในการขับเคลื่อนเรือบรรทุกเครื่องบิน, เรือตัดน้ำแข็งและเรือดำน้ำ (นับถึงปัจจุบันเศรษฐศาสตร์และความกลัวในบางท่าเรือมีการหลีกเลี่ยงการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือขนส่ง). ทุกโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้ปฏิกิริยาฟิชชัน. ยังไม่มีปฏิกิริยาฟิวชั่นที่มนุษย์สร้างขึ้นในการผลิตกระแสไฟฟ้า.
การแบ่งแยกนิวเคลียส
การแบ่งแยกนิวเคลียส หรือ นิวเคลียร์ฟิชชัน () ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์และเคมีนิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือกระบวนการการสลายกัมมันตรังสีอย่างหนึ่งที่นิวเคลียสของอะตอม แตกออกเป็นชิ้นขนาดเล็ก (นิวเคลียสที่เบากว่า) กระบวนการฟิชชันมักจะผลิตนิวตรอนและโปรตอนอิสระ (ในรูปของรังสีแกมมา) พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมาก แม้ว่าจะเป็นการปลดปล่อยจากการสลายกัมมันตรังสีก็ตาม
พลังงานนิวเคลียร์
การแสวงหาพลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้าได้เริ่มทันทีหลังจากการค้นพบในต้นศตวรรษที่ 20 ที่ธาตุกัมมันตรังสี, เช่นเรเดียม, ปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมหาศาลตามหลักการของความเท่าเทียมกันของมวลกับพลังงาน(). อย่างไรก็ตาม วิธีการใช้ประโยชน์จากพลังงานดังกล่าวก็ยังทำไม่ได้ในทางปฏิบัติ, เพราะธาตุที่มีกัมมันตรังสีอย่างเข้มข้น, โดยธรรมชาติของพวกมัน, มีอายุสั้น (การปลดปล่อยพลังงานสูงมีความสัมพันธ์กับครึ่งชีวิตสั้น). อย่างไรก็ตาม ความฝันของการใช้ประโยชน์ "พลังงานปรมาณู" ค่อนข้างเข้มแข็ง, แม้ว่าจะถูกเมินเฉยจากบิดาของฟิสิกส์นิวเคลียร์เช่น Ernest Rutherford ว่าเป็นแค่ "แสงจันทร์" . อย่างไรก็ตาม สถานการณ์นี้เปลี่ยนแปลงไปในปลายปี 1930s เมื่อมีการค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชัน.
กระบวนการเผาไหม้คาร์บอน
กระบวนการเผาไหม้คาร์บอน หรือ ฟิวชั่นคาร์บอน เป็นชุดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นซึ่งเกิดขึ้นในดาวมวลมาก (อย่างน้อย 5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ตั้งแต่แรกเกิด) ซึ่งได้เผาผลาญธาตุที่เบากว่าในแกนกลาง กระบวนการดังกล่าวต้องการอุณหภูมิและความหนาแน่นที่สูงมาก (6×10 เคลวิน หรือ 50 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ และราว 2×10 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)
ดาวฤกษ์
มีรูปแบบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แตกต่างกันมากมายเกิดขึ้นในใจกลางของดาวฤกษ์ ขึ้นกับมวลและองค์ประกอบของดาวนั้น ๆ โดยปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ มวลสุดท้ายของนิวเคลียสอะตอมที่หลอมตัวที่น้อยกว่าค่ารวมขององค์ประกอบทั้งหมด มวลที่สูญเสียไปนั้นกลายไปเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ตามสมการความสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน คือ "E" = "mc"²
การแบ่งแยกนิวเคลียส
ปริมาณของ'พลังงานอิสระ'ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีเป็นล้านเท่าของปริมาณพลังงานอิสระที่มีอยู่ในมวลที่คล้ายกันของเชื้อเพลิงสารเคมีเช่นน้ำมันก๊าซโซลีน ทำให้นิวเคลียร์ฟิชชนเป็นแหล่งพลังงานที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์ที่ได้จากนิวเคลียร์ฟิชชันโดยค่าเฉลี่ยจะมีกัมมันตรังสีมากกว่าธาตุหนักทั้งหลายที่ถูกฟิชชันตามปกติเพื่อทำให้เป็นเชื้อเพลิง และยังคงอยู่อย่างนั้นเป็นเวลานานมากอย่างมีนัยสำคัญซึ่งทำให้เกิดปัญหากากนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น ความกังวลทั้งหลายเกี่ยวกับการสะสมของกากนิวเคลียร์และเกี่ยวกับศักยภาพในการทำลายล้างของอาวุธนิวเคลียร์อาจถ่วงดุลกับคุณภาพที่พึงประสงค์ของนิวเคลียร์ฟิชชันว่าเป็นแหล่งพลังงานแหล่งหนึ่ง และเพิ่มการอภิปรายทางการเมืองอย่างต่อเนื่องด้านพลังงานนิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ()
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์เป็นหัวใจของโรงไฟฟ้า ในส่วนกลางของมัน ความร้อนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการควบคุม ความร้อนนี้ถูกส่งผ่านไปให้น้ำหล่อเย็นขณะที่มันถูกสูบผ่านเครื่องปฏิกรณ์และนี่เองเป็นการดึงเอาพลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์ออกมา ความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นจะถูกใช้ในการสร้างไอน้ำซึ่งจะไหลผ่านกังหันไอน้ำที่จะส่งกำลังไปที่ใบพัดของเรือหรือไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
บิกแบง
เมื่ออุณหภูมิของเอกภพลดลงเหลือไม่กี่พันเคลวิน อิเล็กตรอนและนิวเคลียสเริ่มรวมตัวกันกลายเป็นอะตอม เป็นกระบวนการที่เรียกว่า การรวมตัว (recombination) เมื่อโฟตอนกระจายตัวอย่างไม่สม่ำเสมอจากอะตอมที่เป็นกลาง การแผ่รังสีก็แยกตัวจากสสารในเวลาที่อิเล็กตรอนได้รวมตัวกันไปจนเกือบหมด นั่นคือยุคของการกระจายขั้นสุดท้าย คือ 379,000 ปีหลังจากบิกแบง โฟตอนเหล่านี้เป็นต้นกำเนิดของไมโครเวฟพื้นหลังดังที่เราสังเกตพบในปัจจุบัน รูปแบบการแกว่งตัวของไมโครเวฟพื้นหลังเป็นภาพโดยตรงของเอกภพในยุคแรกเริ่มนี้ พลังงานของโฟตอนมีการคลาดเคลื่อนไปในเวลาต่อมาตามการขยายตัวของเอกภพ แม้จะดำรงสภาวะวัตถุดำอยู่แต่ก็ได้ทำให้อุณหภูมิลดน้อยลง ซึ่งหมายความว่าโฟตอนเหล่านั้นได้ลดระดับพลังงานลงมาอยู่ในย่านไมโครเวฟของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เชื่อว่าการแผ่รังสีนี้สามารถสังเกตพบได้ในทุกตำแหน่งในเอกภพ และมาจากทุกทิศทุกทางด้วยระดับความเข้มที่ (เกือบจะ) เท่ากันทั้งหมด
กากกัมมันตรังสี
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคนิวตรอนไปกระทบกับนิวเคลียสของยูเรเนียมในสภาวะที่เหมาะสม ทำให้นิวเคลียสของยูเรเนียมแตกออกเป็นธาตุใหม่สองชนิดที่เป็นธาตุกัมมันตรังสีพร้อมทั้งให้พลังงานและนิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่ด้วย ธาตุใหม่สองชนิดที่เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียมนี้เองเรียกว่า กากกัมมันตรังสี ซึ่งจะติดอยู่ในเม็ดเชื้อเพลิง
กระบวนการเผาไหม้ซิลิกอน
ในการศึกษาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ กระบวนการเผาไหม้ซิลิกอน () คือขั้นตอนสั้นๆ หลังจากการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่เกิดขึ้นในดาวฤกษ์มวลมาก (ขนาดอย่างน้อย 8-11 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) เป็นกระบวนการสุดท้ายในวงจรชีวิตดาวฤกษ์ซึ่งใช้เชื้อเพลิงจนหมดแล้ว ทำให้ดาวฤกษ์ยังคงอยู่ในแถบลำดับหลักบนไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ไปได้อีกระยะหนึ่ง การเผาไหม้ซิลิกอนเริ่มต้นขึ้นเมื่อเกิดการยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่อุณหภูมิแกนกลางประมาณ 2.7–3.5 พันล้านเคลวินขึ้นกับขนาดมวล เมื่อดาวฤกษ์สิ้นสุดช่วงเวลาของกระบวนการเผาไหม้ซิลิกอนแล้ว มันก็จะระเบิดออกกลายไปเป็นซูเปอร์โนวาชนิด II
การสังเคราะห์นิวเคลียส
การสังเคราะห์นิวเคลียส () คือกระบวนการในการสร้างนิวเคลียสของอะตอมใหม่ขึ้นจากนิวคลีออนเดิมที่มีอยู่ก่อนแล้ว (โปรตอนและนิวตรอน) เชื่อว่านิวคลีออนดั้งเดิมเองนั้นกำเนิดขึ้นจากการรวมตัวของควาร์ก-กลูออนพลาสมาในเหตุการณ์บิกแบงขณะที่มันมีอุณหภูมิเย็นลง 2 ล้านล้านองศา ไม่กี่นาทีหลังจากนั้น จากเพียงโปรตอนและนิวตรอนจึงได้เกิดเป็นนิวเคลียสของลิเทียมและเบอริลเลียม (ที่เลขมวล 7) แต่ก็มีเพียงจำนวนน้อยมาก จากนั้นกระบวนการฟิวชั่นจึงหยุดลงเมื่ออุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงอย่างรวดเร็วจากการที่เอกภพขยายตัวออก กระบวนการแรกสุดของการสังเคราะห์นิวเคลียสดั้งเดิมนี้อาจเรียกชื่อว่า นิวคลีโอเจเนซิส ก็ได้
ภัยพิบัติเชียร์โนบีล
ในการทำงานในระยะคงที่ () ส่วนที่สำคัญ (ประมาณ 7%) ของพลังงานที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่ได้มาจากปฏิกิริยาฟิชชัน แต่มาจากความร้อนที่เกิดจากการสลายตัว () ของผลผลิตจากฟิชชั่น () ที่สะสม ความร้อนนี้ยังคงเกิดในช่วงระยะเวลาหนึ่งหลังจากปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดการทำงาน (เช่น หลังการปิดเครื่องปฏิกรณ์ฉุกเฉินด้วยการกดปุ่ม Scram ()) และมักจะต้องทำการระบายความร้อนที่ค้างอยู่เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของแกนกลาง เครื่องปฏิกรณ์แบบ RBMK เช่นที่เชียร์โนบีล ใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น ​​เครื่องปฏิกรณ์ตัวที่ 4 ที่เชียร์โนบีลประกอบด้วยช่องเชื้อเพลิงประมาณ 1,600 ช่อง แต่ละช่องต้องการน้ำหล่อเย็นไหลผ่าน 28 ตัน (28,000 ลิตรหรือ 7,400 แกลลอน) ต่อชั่วโมง
การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์
การสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ () คือคำที่ใช้ในความหมายถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นภายในดาวฤกษ์ ทำให้เกิดนิวเคลียสธาตุต่างๆ ที่หนักกว่าไฮโดรเจน ปฏิกิริยาในทำนองเดียวกันแต่มีขนาดเล็กกว่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่พื้นผิวดาวฤกษ์เช่นกัน ภายใต้สภาวะอันหลากหลาย สำหรับการเกิดธาตุจากเหตุการณ์ระเบิดของดาวฤกษ์ จะใช้คำเรียกว่า การสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวา
อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ (Thermonuclear weapon) หรือ ระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb)เรียกภาษาปากว่า เอชบอมบ์ เป็นอาวุธนิวเคลียร์ที่ใช้พลังงานฟิวชั่นเป็นหลักซึ่งต้องใช้ความร้อนถึงร้อยล้านองศาจึงเป็นที่มาของชื่อเทอร์โมนิวเคลียร์ โดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันในขั้นตอนแรก เพื่อจุดระเบิด ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในขั้นตอนที่สอง ผลลัพธ์ทำให้อำนาจระเบิดเพิ่มขึ้นมหาศาลเมื่อเทียบกับอาวุธฟิชชันแบบเก่าที่ใช้แค่ขั้นตอนเดียวอย่างระเบิดปรมาณู(atomic bomb)
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นมักจะถุกคิดว่าเป็นผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีที่ทันสมัยแต่เพียงอย่างเดียว, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นเครื่องแรกในความเป็นจริงมันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้ในบางกรณีที่เลียนแบบเงื่อนไขในเครื่องปฏิกรณ์ที่มนุษย์สร้าง. สิบห้าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติถูกค้นพบนับจนถึงวันนี้ในสามแหล่งสะสมแร่ที่อยู่ห่างกันที่เหมือง Oklo ในกาบอง, แอฟริกาตะวันตก. ค้นพบครั้งแรกในปี 1972 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฟรานซิส เพอร์ริน, พวกมันจะถูกเรียกรวมกันว่าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติฟอสซิล Oklo. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นยั่งยืนด้วยตนเองได้เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ประมาณ 1.5 พันล้านปีที่ผ่านมา, และทำงานไปได้ไม่กี่แสนปี, เฉลี่ย 100 กิโลวัตต์ของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น. แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติถูกสร้างเป็นทฤษฎีในช่วงต้นของปี 1956 โดยพอล คูโรดะที่มหาวิทยาลัยอาร์คันซอ.
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ตั้งแต่การระเบิดที่สองเมืองนั้น, ไม่มีอาวุธนิวเคลียร์ได้ถูกนำไปใช้อย่างก้าวร้าว. อย่างไรก็ตาม, พวกมันกระตุ้นให้เกิดการแข่งขันด้านอาวุธเพื่อพัฒนาระเบิดที่ทำลายล้างได้มากขึ้นเพื่อยับยั้งนิวเคลียร์. เพียงสี่ปีต่อมาเมื่อวันที่ 29 สิงหาคม 1949, สหภาพโซเวียตได้จุดระเบิดอาวุธฟิชชัน RDS-1 เป็นครั้งแรก. สหราชอาณาจักรทำตามเมื่อ 2 ตุลาคม 1952; ฝรั่งเศสเมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ 1960; และประเทศจีน. ประมาณครึ่งหนึ่งของผู้รอดชีวิตจากฮิโรชิมาและนางาซากิเสียชีวิต 2-5 ปีหลังจากนั้นเนื่องจากการสัมผัสรังสี. อาวุธรังสี () เป็นชนิดหนึ่งของอาวุธนิวเคลียร์ที่ออกแบบมาเพื่อแจกจ่ายวัสดุนิวเคลียร์ที่เป็นอันตรายในพื้นที่ของศัตรู. อาวุธดังกล่าวจะไม่ได้มีความสามารถในการระเบิดของฟิชชันหรือฟิวชั่น, แต่จะฆ่าคนจำนวนมากและปนเปื้อนพื้นที่ขนาดใหญ่. อาวุธรังสีไม่เคยถูกนำไปใช้. ในขณะที่มีการพิจารณาว่าไร้ประโยชน์โดยกองทัพธรรมดา, อาวุธดังกล่าวเพิ่มความกังวลเกี่ยวกับการก่อการร้ายนิวเคลียร์.
เกออร์กี ฟลิโอรอฟ
เกออร์กี นีโคลาเยวิช ฟลิโอรอฟ (; ; 2 มีนาคม ค.ศ. 1913 – 19 พฤศจิกายน ค.ศ. 1990) เป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย/โซเวียต เกิดที่เมืองรอสตอฟ-นา-โดนู เรียนที่สถาบันสารพัดช่างเลนินกราด (ปัจจุบันคือมหาวิทยาลัยสารพัดช่างเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก) ในปี ค.ศ. 1940 ฟลิโอรอฟและคอนสตันติน เปตร์จัค ค้นพบฟิชชันเกิดเอง ต่อมาในปี ค.ศ. 1942 ฟลิโอรอฟเขียนจดหมายถึงโจเซฟ สตาลินให้จับตามองการทดลองนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และเยอรมนี และให้มีการจัดตั้งโครงการระเบิดปรมาณูโซเวียต ฟลิโอรอฟจัดตั้งห้องปฏิบัติการทางนิวเคลียร์ในสถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ที่เมืองดุบนาในปี ค.ศ. 1957 และเป็นผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการถึงปี ค.ศ. 1989 และเสียชีวิตในปีต่อมา ในปี ค.ศ. 2012 ชื่อของฟลิโอรอฟได้รับการนำไปตั้งเป็นชื่อธาตุฟลีโรเวียม (flerovium)
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
บทความหลัก: การอภิปรายพลังงานนิวเคลียร์ 
การอภิปรายพลังงานนิวเคลียร์เป็นเรื่องเกี่ยวกับความขัดแย้ง ซึ่งได้ล้อมรอบการใช้งานและการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันในการผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับพลเรือน. การอภิปรายเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ขึ้นสู่จุดสูงสุดในช่วงปี 1970 และ 1980 เมื่อมัน "ถึงจุดของความเข้มข้นเป็นประวัติการณ์ในประวัติศาสตร์ของการถกเถียงทางเทคโนโลยี" ในบางประเทศ.
การแบ่งแยกนิวเคลียส
นิวเคลียร์ฟิชชันของธาตุหนักถูกค้นพบเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม 1938 โดยชาวเยอรมัน นายอ็อตโต ฮาห์นและผู้ช่วยของเขา นายฟริตซ์ Strassmann และได้รับการอธิบายในทางทฤษฎีในเดือนมกราคมปี 1939 โดยนาง Lise Meitner และหลานชายของเธอ นายอ็อตโต โรเบิร์ต Frisch. Frisch ได้ตั้งชื่อกระบวนการนี้โดยการเปรียบเทียบกับฟิชชันทางชีวภาพของเซลล์ที่มีชีวิต มันเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน () อย่างหนึ่งซึ่งสามารถปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากในรูปของทั้งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนย่อยที่แตกออก (ความร้อนที่ให้กับวัสดุที่เป็นกลุ่มในขณะที่ปฏิกิริยาการแบ่งแยกเกิดขึ้น) เพื่อให้การหลอมสามารถผลิตพลังงานขึ้นมาได้ พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียสโดยรวมขององค์ประกอบที่เกิดขึ้นจะต้องเป็นลบน้อยกว่า (พลังงานที่สูงขึ้น) กว่าพลังงานขององค์ประกอบช่วงเริ่มต้น
การแปรนิวเคลียส
การแปรนิวเคลียสทำขึ้นยังเกิดขึ้นในเครื่องจักรที่มีพลังงานมากพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนิวเคลียสของธาตุ เครื่องจักรซึ่งสามารถเกิดการแปรนิวเคลียสทำขึ้นรวมไปถึงเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องปฏิกรณ์โทมาแมค เครื่องปฏิกรณ์พลังงานฟิชชันแบบเดิมยังเกิดการแปรทำขึ้นได้ มิใช่จากกำลังของเครื่องจักร แต่โดยการให้นิวตรอน ซึ่งเกิดขึ้นจากฟิชชันจากปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ทำขึ้น ชนกับธาตุ
ห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน
ห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน คือหนึ่งในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นชนิดหนึ่งในจำนวนสองรูปแบบ ซึ่งดาวฤกษ์ใช้ในการแปลงไฮโดรเจนไปเป็นฮีเลียม ปฏิกิริยาอีกชนิดหนึ่งคือวงจรซีเอ็นโอ (วงจรปฏิกิริยาคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจน) สำหรับห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอนนั้นจะเกิดในดาวฤกษ์ที่มีขนาดประมาณดวงอาทิตย์หรือเล็กกว่า
พลังงานนิวเคลียร์
พลังงานนิวเคลียร์ไฮบริดเป็นวิธีที่ถูกนำเสนอในการสร้างพลังงานไฟฟ้าโดยการใช้การผสมกันของกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันและฟิชชัน. แนวคิดนี้ถอยหลังไปในปี 1950 และได้รับการสนับสนุนในเวลาสั้นๆโดย Hans Bethe ในช่วงปี 1970s, แต่ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ไม่ได้ถูกสำรวจจนกระทั่งการฟื้นตัวของดอกเบี้ยในปี 2009, เนื่องจากความล่าช้าในการสำนึกของฟิวชั่นบริสุทธิ์. เมื่อโรงงานพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันอย่างยั่งยืนถูกสร้างขึ้น, มันมีศักยภาพที่จะมีความสามารถในการสกัดพลังงานฟิชชันทั้งหมดที่ยังคงอยู่ในเชื้อเพลิงฟิชชันใช้แล้ว, ความสามารถในการลดปริมาณของเสียนิวเคลียร์โดยขนาด,และที่สำคัญกว่า, การขจัด actinides ทั้งหมดทีปรากฏในเชื้อเพลิงใช้แล้ว, สารที่ก่อให้เกิดความกังวลด้านความมั่นคง.
ปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน
ปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชั่นเป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนหมู่ฟอสเฟตระหว่างสารอินทรีย์ต่างๆ
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในขณะที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี มีหลายชนิดที่พบบ่อย หรือโดดเด่นไปเลย ตัวอย่างได้แก่ :การยิงด้วยพลังงานปานกลางจะถ่ายเทพลังงานหรือได้รับนิวคลีออนหรือสูญเสียนิวคลีออนให้กับนิวเคลียสในการกระทบกันอย่างรวดเร็วเพียงครั้งเดียว (10 วินาที) การถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่ก็เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ เพราะกลไกการเกิดปฏิกิริยามักจะง่ายพอที่จะคำนวณด้วยความถูกต้องเพียงพอที่จะตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสเป้าหมาย
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
การถ่ายโอนพลังงานไปให้กับนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นได้โดยการยิงด้วยกระสุนพลังงานต่ำหรือด้วยอนุภาคพลังงานสูง ทำให้เกิดพลังงานบนนิวเคลียสจำนวนมากเกินไปที่จะผูกพันอนุภาคภายในนิวเคลียสนั้นให้สามารถเกาะกลุ่มร่วมกันได้อย่างเต็มที่ ในระดับเวลาประมาณ 10 วินาที อนุภาค มักจะเป็นนิวตรอน จะถูก "ต้ม" จนแตกออก นั่นคือมันจะยังคงเกาะติดอยู่ด้วยกันจนกระทั่งพลังงานที่มากพอปรากฏขึ้นบนนิวตรอนจนมีความเข้มข้นพอที่นิวตรอนนั้นจะหลุดออกจากแรงดึงดูดที่มีร่วมกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะยากที่จะถูกต้มจนแตกออกอันเนื่องมาจากเครื่องกั้นของคูลอมบ์ () นิวเคลียสกึ่งผูกพันที่ถูกกระตุ้นจะถูกเรียกว่า นิวเคลียสผสม ()
มหานวดารา
โดยทั่วไปแล้ว มหานวดาราเกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์มวลมากเมื่อมันหมดอายุขัย ดาวฤกษ์เมื่อยังมีชีวิตจะประกอบไปด้วยก๊าซไฮโครเจนเป็นส่วนใหญ่ ก๊าซปริมาณมหาศาลรวมตัวจึงเกิดสนามแรงโน้มถ่วง ทำให้หดตัวเข้าสู่จุดศูนย์กลาง แต่แรงโน้มถ่วงเหล่านั้นก็ทำให้อะตอมอยู่ชิดกันและเสียดสีกันเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion Nuclear Reaction) ซึ่งจะเปลี่ยนไฮโดรเจนรวมเป็นธาตุที่หนักกว่านั่นคือฮีเลียมและแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งความร้อนและแสงสว่างออกมา ถ้าหากว่าไม่มีอะไรหยุดยั้ง ปฏิกิริยาฟิวชันก็จะดำเนินไปจนเกิดธาตุหนักไปเรื่อยๆ เช่น จากไฮโดรเจนรวมเป็นฮีเลียม คาร์บอน ออกซิเจน หลอมรวมกันจนผลสุดท้ายที่หนักที่สุดก็คือธาตุเหล็ก และจะสะสมธาตุหนักเหล่านี้ไว้ที่แกนกลางผิวนอกก็จะเป็นธาตุที่เบากว่า แต่มันเป็นไปไม่ได้ตลอดกาล เพราะเมื่ออะตอมมีการชิดกันขึ้น จะเกิดแรงดันที่เรียกว่าแรงดันสภาพซ้อนสถานะของอิเล็กตรอน(electron degeneracy pressure) อันเกิดจากการที่อิเล็กตรอนถูกบีบให้ชิดกันจนเกิดแรงผลักต่อกันเอง ช่องว่างระหว่างสสารย่อมน้อยลงจนถึงระดับที่อิเล็กตรอนเต็มช่องว่างเหล่านั้นหมดแล้ว อิเล็กตรอนที่อยู่ผิวนอกกว่าก็ไม่สามารถอัดเข้ามาได้อีก เป็นสภาพที่ไม่สามารถดันให้ปริมาตรเล็กลงได้อีก
เนบิวลา
ซากซูเปอร์โนวา () สำหรับดาวฤกษ์มวลมากนั้น จุดจบของดาวจะรุนแรงกว่าดาวฤกษ์มวลน้อยและมวลปานกลางเป็นอย่างมาก ดาวจะสามารถจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันของธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมได้ จนกระทั่งเกิดขี้เถ้าเหล็กขึ้นในในกลางของแกนดาว
เหล็กเป็นธาตุที่มีความพิเศษ เนื่องจากไม่ว่าอุณหภูมิจะสูงเท่าใด ก็จะไม่สามารถฟิวชันเหล็กให้เป็นธาตุอื่นได้อีก เมื่อความดันที่แกนสูงขึ้นเกินกว่าแรงดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนจะต้านไหว อิเล็กตรอนทั้งหมดจะถูกอัดรวมกับโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน และอนุภาคนิวตริโน ทำให้อิเล็กตรอนในแกนกลางหายไปจนเกือบหมด แรงดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนที่ทำให้แกนกลางคงสภาพอยู่ได้นั้นก็หายไปด้วย ทำให้แรงโน้มถ่วงอัดแกนกลางลงเป็นดาวนิวตรอนในทันที เกิดคลื่นกระแทกพลังงานสูงมาก กระจายออกมาในทุกทิศทาง ปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าดาราจักรทั้งดาราจักร สาดผิวดาวและเนื้อสารออกไปในอวกาศด้วยความเร็วสูงมาก แรงดันที่สูงมากนี้ทำให้เกิดธาตุหนักเช่นทองคำขึ้นได้ เรียกการระเบิดครั้งสุดท้ายของดาวนี้ว่า ซูเปอร์โนวา
ขีดจำกัดจันทรเศขร
โดยปกติแล้ว ดาวฤกษ์จะสร้างพลังงานขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ทำให้ธาตุมวลเบาเปลี่ยนไปเป็นธาตุหนัก ความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานี้ช่วยต้านทานการยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ไว้ เมื่อเวลาผ่านไป ดาวฤกษ์จะเผาผลาญธาตุในแกนกลางของตัวเองไปจนกระทั่งอุณหภูมิในใจกลางไม่สูงพอจะดำรงปฏิกิริยาไว้อีกต่อไป ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักที่มีมวลน้อยกว่า 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะคงเหลือมวลในแกนกลางต่ำกว่าขีดจำกัดจันทรเศขร มันจะสูญเสียมวลออกไป (เช่นในเนบิวลาดาวเคราะห์) จนเหลือแต่แกนดาว และกลายไปเป็นดาวแคระขาว ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่านั้นจะเหลือแกนของดาวที่มีมวลมากกว่าขีดจำกัดนี้ และจะระเบิดออกกลายเป็นซูเปอร์โนวา ผลลัพธ์ที่ได้คือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ
นิวตรอน
นิวตรอนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ ในทศวรรษหลังจากที่นิวตรอนที่ถูกค้นพบในปี 1932 นิวตรอนถูกนำมาใช้เพื่อให้เกิดการกลายพันธ์ของนิวเคลียส () ในหลายประเภท ด้วยการค้นพบของ นิวเคลียร์ฟิชชัน ในปี 1938 ทุกคนก็ตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่า ถ้าการฟิชชันสามารถผลิตนิวตรอนขึ้นมาได้ นิวตรอนแต่ละตัวเหล่านี้อาจก่อให้เกิดฟิชชันต่อไปได้อีกในกระบวนการต่อเนื่องที่เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ เหตุการณ์และการค้นพบเหล่านี้นำไปสู่​​เครื่องปฏิกรณ์ที่ยั่งยืนด้วยตนเองเป็นครั้งแรก (Chicago Pile-1, 1942) และอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรก (ทรินิตี้ 1945)
อะตอม
จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แม้จะต้องใช้พลังงานสูงมากเพราะมีแรงยึดเหนี่ยวที่เข้มมาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอะตอมหลายตัวรวมตัวกันทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่หนักกว่าเดิม เช่นจากการชนกันของนิวเคลียสสองตัว ยกตัวอย่างเช่นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนต้องการพลังงาน 3–10 keV เพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน หรือ กำแพงคูลอมบ์ (coulomb barrier) แล้วหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นนิวเคลียสเพียงอันเดียว ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะเกิดขึ้นในทางตรงกันข้าม คือการที่นิวเคลียสหนึ่งแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กกว่า 2 ตัว โดยมากเกิดขึ้นจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี นิวเคลียสยังอาจเปลี่ยนแปลงได้จากการยิงด้วยอนุภาคขนาดเล็กพลังงานสูง หรือโฟตอน ถ้าสามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสได้ อะตอมก็จะเปลี่ยนคุณลักษณะไปเป็นธาตุชนิดอื่น
การแปรนิวเคลียส
การแปรนิวเคลียสตามธรรมชาติประเภทหนึ่งเกิดขึ้นเมื่อธาตุกัมมันตรังสีบางชนิดสลายตัวอย่างต่อเนื่องตามธรรมชาติ แล้วจึงเปลี่ยนสภาพเป็นอีกธาตุหนึ่ง ตัวอย่างคือ การสลายตัวตามธรรมชาติของโพแทสเซียม-40 เป็น อาร์กอน-40 ซึ่งมีที่มาจากอาร์กอนส่วนใหญ่ในอากาศ เช่นกับบนโลก การแปรนิวเคลียสตามธรรมชาติจากกลไกที่แตกต่างของปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามธรรมชาติเกิดขึ้น เนื่องจากการยิงรังสีคอสมิกใส่ธาตุ (ตัวอย่างเช่น เพื่อให้เกิดคาร์บอน-14) และยังเกิดขึ้นบางครั้งจากการยิงนิวตรอนตามธรรมชาติ (ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันธรรมชาติ)
การแผ่รังสีจากนิวตรอน
นิวตรอนอาจถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิวชันหรือนิวเคลียร์ฟิชชัน หรือจาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่แตกต่างกันใด ๆ เช่นจาก การสลายให้กัมมันตรังสี หรือปฏิกิริยาจากการปฏิสัมพันธ์กันของอนุภาค (เช่นจากรังสีคอสมิกหรือเครื่องเร่งอนุภาค) แหล่งนิวตรอนขนาดใหญ่เป็นของหายากและมักจะจำกัดอยู่ในอุปกรณ์ขนาดใหญ่เช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือ เครื่องเร่งอนุภาค (เช่นแหล่งที่มาของนิวตรอนแบบ Spallation)
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นสร้างกัมมันตภาพรังสีออกมาด้วย แกนของเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องถูกล้อมรอบด้วยเกราะป้องกัน อ่างบรรจุนี้จะดูดซับรังสีและป้องกันไม่ให้วัสดุกัมมันตรังสีถูกปล่อยออกมาสู่สิ่งแวดล้อม นอกจากนี้เครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากมีการติดตั้งโดมคอนกรีตเพื่อป้องกันเครื่องปฏิกรณ์ไม่ให้เกิดการเสียหายภายในและไม่ให้เกิดผลกระทบกับภายนอก.
ภัยพิบัตินิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง
ในขณะที่คนงานกำลังดิ้นรนเพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์และคืนพลังงานไฟฟ้าให้กับห้องควบคุม การระเบิดทางเคมีระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศ () ก็เกิดขึ้นหลายครั้ง ครั้งแรกเกิดในเครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 1 ในวันที่ 12 มีนาคม ครั้งสุดท้ายเกิดในเครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 4 ในวันที่ 15 มีนาคม มีการประมาณการว่าปฏิกิริยาของน้ำกับปลอกเชื้อเพลิงเวอร์โคเนียม () ที่ร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ 1 ถึง 3 แต่ละตัวได้สร้างก๊าซไฮโดรเจน 800 ถึง 1000 กก.ที่ถูกระบายออกากอ่างความดันของเครื่องปฏิกรณ์ () ผสมเข้ากับบรรยากาศแวดล้อม จนในที่สุดเข้าสู่ขีดจำกัดความเข้มข้นการระเบิด () ในหน่วยที่ 1 และหน่วยที่ 3 และเนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างหน่วยที่ 3 และ 4 เป็นแบบท่อ หรืออีกทางหนึ่งคือเกิดจากปฏิกิริยาเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในบ่อเชื้อเพลิงใช้แล้วในหน่วยที่ 4 เอง หน่วยที่ 4 ก็เต็มไปด้วยไฮโดรเจนที่มีการระเบิดแบบไฮโดรเจนกับอากาศเกิดขึ้นที่ยอดของแต่ละหน่วยที่อยู่ในชั้นบนของอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ ()หลังที่สอง ยานไร้คนบังคับ (Drone) ที่บินเหนือที่เกิดเหตุในวันที่ 20 มีนาคม ได้จับภาพอย่างชัดเจนของผลกระทบจากการระเบิดแต่ละครั้งที่อยู่นอกโครงสร้าง ในขณะที่ภาพด้านในถูกบดบังด้วยเงาและเศษซาก
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจจะแสดงในรูปแบบที่คล้ายกับสมการเคมี ซึ่งมวลนิ่งจะต้องสมดุลกันสำหรับแต่ละด้านของสมการ และการแปลงของอนุภาคจะต้องเป็นไปตามกฎของการอนุรักษ์ที่แน่นอน เช่นการอนุรักษ์ของประจุและจำนวนแบริออน (จำนวนมวลอะตอมรวม) ตัวอย่างของสัญญลักษณ์หนึ่งจะเป็นดังต่อไปนี้:
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
อย่างไรก็ตาม ถ้ามวลจะวิกฤตได้ก็ต่อเมื่อนิวตรอนที่ถูกหน่วงความเร็วถูกป้อนเข้าไป ดังนั้นปฏิกิริยาก็สามารถควบคุมได้ เช่นโดยการใส่เข้าไปหรือการดึงออกมาโดยตัวดูดซับนิวตรอน () นี่คือสิ่งที่ช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถที่จะถูกสร้างได้ นิวตรอนเร็วไม่สามารถถูกจับโดยนิวเคลียสได้โดยง่าย พวกมันจะต้องถูกชะลอความเร็ว (ให้เป็นนิวตรอนช้า) โดยทั่วไปโดยการชนกับนิวเคลียสของตัวหน่วงนิวตรอน () ก่อนที่พวกมันจะถูกจับได้อย่างง่ายดาย ในวันนี้ ประเภทนี้ของการฟิชชันเป็นที่นิยมใช้ในการผลิตไฟฟ้า
เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
แท่งเชื้อเพลิงที่ใช้และนำออกจากแกนปฏิกรณ์ จะยังคงมีอุณหภูมิสูง และแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลา จะต้องนำไปแช่ในสระน้ำเพื่อกำบังรังสีและหล่อเย็น จากนั้นแท่งเชื้อเพลิงจะถูกตัดออกเป็นท่อน นำไปใส่ในกรดไนตริกเพื่อทำละลาย เชื้อเพลิงในรูปสารละลายจะนำไปสกัดเพื่อแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียมออกจากผลิตผลิตฟิชชันอื่น และทำให้บริสุทธิ์อีกครั้ง โดยขั้นตอนสุดท้ายจะได้สารละลายยูเรเนียมและพลูโตเนียมไนเตรด ผลิตผลฟิชชันอื่นๆ เพื่อนำไปใช้ทางการแพทย์และอุตสาหกรรมต่อไป
มหานวดารา
จากที่ได้กล่าวไปข้างต้นว่าดาวฤกษ์ซึ่งเต็มไปด้วยไฮโดรเจนจะถูกจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเมื่อมีอุณหภูมิและความดันสูงพอ แต่จะมีความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนคอยดันไม่ให้ดาวยุบตัวต่อไปได้ หลังจากที่ดาวสะสมธาตุคาร์บอนไว้ที่แกนกลาง ดาวมวลน้อยจะไม่สามารถยุบตัวลงมากพอที่อุณหภูมิที่จะมีอุณหภูมิภายในเพียงพอสำหรับการจุดฟิวชันคาร์บอนและจบชีวิตลง ถ้าเป็นดาวมวลปานกลางก็จะจุดได้ ยุบตัวลงไปอีกชั้นหนึ่ง ประมาณ 600 ล้านเคลวิน แกนกลางเปลี่ยนจากคาร์บอนเป็นออกซิเจนและนีออน แต่ไม่สามารถลงไปถึง 1500 เคลวินสำหรับจุดฟิวชันนีออนได้ และมีความดันอิเล็กตรอนดีเจนเนอเรซียับยั้งการยุบตัวเอาไว้
ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว
ปฏิกิริยาแทนที่ตำแหน่งเดียว () คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อธาตุเคมีตัวหนึ่งเข้าไปแทนที่ธาตุเคมีอีกตัวหนึ่งในสารประกอบใดสารประกอบหนึ่งซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
ก + ขค → กค + ข ในสมการข้างบนธาตุ ก ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารประกอบ ขค เกิดเป็นสารประกอบ กค และธาตุ ข อธิบายว่าปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ง่ายเมื่อธาตุ ก มีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าธาตุ ข บางครั้ง ก และ ข มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันก็ได้ดังนั้นการทำให้สมการสมดุลจึงมีความจำเป็น ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาเคมีระหว่างแคลเซียมคลอไรด์(CaCl)กับโซเดียม(Na)เกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์(NaCl)และแคลเซียม(Ca)ดังสมการนี้
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในปี 1917, เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดก็สามารถประสบความสำเร็จในการแปลงร่างของไนโตรเจนให้เป็นก๊าซออกซิเจนที่มหาวิทยาลัยแห่งแมนเชสเตอร์ โดยการใช้อนุภาคแอลฟายิงไปที่ไนโตรเจน N + α → O + p นี่เป็นการสังเกตครั้งแรกของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น, นั่นคือ, ปฏิกิริยาที่อนุภาคจากการสลายตัวหนึ่งถูกใช้ในการแปลงให้เป็นอีกนิวเคลียสหนึ่ง ในที่สุดในปี 1932 ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, ปฏิกิริยานิวเคลียร์และการแปลงพันธ์ทางนิวเคลียร์ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างสมบูรณ์ถูกทำได้สำเร็จโดยเพื่อนร่วมงานของรัทเธอร์ฟอร์ด นายจอห์น Cockcroft และนายเออร์เนส วอลตัน พวกเขาใช้โปรตอนที่ถูกเร่งความเร็วแบบประดิษฐ์ยิงเข้าใส่ลิเธียม-7 เพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นสองอนุภาคแอลฟา การทดลองนี้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลายว่าเป็น "การแยกอะตอม" แม้ว่ามันจะไม่ใช่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นแบบทันสมัยที่มีการค้นพบภายหลังในปี 1938 ในองค์ประกอบหนักโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน นายอ็อตโต ฮาห์นและนายฟริตซ์ Straßmann
พลังงานนิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมีศักยภาพที่จะปลอดภัยมากกว่าและสร้างกากกัมมันตรังสีน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชัน. ปฏิกิริยาเหล่านี้ปรากฏว่ามีศักยภาพที่จะทำงานได้, แม้ว่าในทางเทคนิคค่อนข้างยากและยังต้องถูกสร้างขึ้นในขนาดที่สามารถถูกนำมาใช้ในโรงงานผลิตไฟฟ้าที่ทำงานได้. พลังงานฟิวชั่นได้อยู่ภายใต้การตรวจสอบในทางทฤษฎีและการทดลองตั้งแต่ปี 1950s.
นิวตรอน
นิวตรอนมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยานิวเคลียร์หลายอย่าง ยกตัวอย่างเช่นการจับยึดนิวตรอนมักจะมีผลมาจากการกระตุ้นนิวตรอนซึ่งกระตุ้นให้เกิดกัมมันตภาพรังสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งความรู้ของนิวตรอนและพฤติกรรมของพวกมันมีความสำคัญในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ การเกิดฟิชชันขององค์ประกอบเช่นยูเรเนียม-235 และพลูโตเนียม-239 เกิดจากการดูดซึมนิวตรอนของพวกมัน
การแบ่งแยกนิวเคลียส
ฟิชชันเป็นรูปแบบหนึ่งของการแปลงพันธ์นิวเคลียส () เพราะชิ้นส่วนที่แตกออกไม่ได้มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันกับอะตอมเดิม ทั้งสองนิวเคลียสที่ถูกผลิตส่วนใหญ่มักจะมีขนาดเทียบเคียงกันแต่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไปมักจะมีอัตราส่วนมวลของผลิตภัณฑ์อยู่ที่ประมาณ 3 ต่อ 2 สำหรับไอโซโทปของวัสดุฟิสไซล์ธรรมดา ฟิชชันส่วนใหญ่จะเป็นฟิชชันแบบไบนารี (ผลิตชิ้นแตกที่มีประจุสองชิ้น) แต่ในบางครั้ง (2-4 ครั้งต่อหนึ่งพันเหตุการณ์) ชิ้นแตกที่มีประจุบวก 3 ชิ้นถูกผลิตออกมาในการหลอมที่เรียกว่าฟิชชันสามชิ้น () ชิ้นแตกที่เล็กที่สุดในกระบวนการฟิชชันสามชิ้นเหล่านี้มีขนาดในช่วงตั้งแต่โปรตอนจนถึงนิวเคลียสของอาร์กอน
การแผ่รังสีจากนิวตรอน
เพื่อให้บรรลุปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิวชั่นที่มีประสิทธิภาพ นิวตรอนที่ถูกผลิตในระหว่างฟิชชันจะต้องถูกจับยึดโดยนิวเคลียสที่ทำฟิชชันได้ จากนั้นก็ทำการแยกนิวเคลียสออก แล้วก็ปลดปล่อยนิวตรอนมากขึ้นไปอีก ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบฟิชชันส่วนมาก เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะไม่ถูกกลั่นให้ดีพอที่จะสามารถที่จะดูดซับนิวตรอนเร็วที่จะยืดยาวปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันให้ดำเนินการต่อไป และเนื่องจากมีการลดลงของ ภาคตัดขวาง ของนิวตรอนพลังงานสูง ดังนั้น ตัวหน่วงนิวตรอน จะต้องถูกนำมาใช้เพื่อชะลอความเร็วของนิวตรอนเร็วลงไปที่ความเร็วของนิวตรอนความร้อนเพื่อที่จะเปิดให้มีการดูดซึมที่เพียงพอ ตัวหน่วงนิวตรอนที่พบบ่อยได้แก่ แกรไฟท์, น้ำเบา (น้ำทั่วไป), และน้ำหนัก เครื่องปฏิกรณ์ไม่กี่ตัว (เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็ว) และ อาวุธนิวเคลียร์ ทั้งหมดจะต้องพึ่งพานิวตรอนเร็ว ซึ่งจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในการออกแบบและในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ องค์ประกอบของสาร เบริลเลียม จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งเนื่องจากความสามารถของมันในการทำหน้าที่เป็นตัวเบี่ยงเบนนิวตรอนหรือเลนส์ มันยอมให้มีการใช้วัสดุฟิสไซล์ในปริมาณที่น้อยกว่าและเป็นเบื้องต้นของการพัฒนาทางเทคนิคที่นำไปสู่​​การสร้าง ระเบิดนิวตรอน
พลังงานนิวเคลียร์
ทั้งปฏิกิริยาฟิชชันและฟิวชั่นปรากฏว่าเป็นโอกาศสำหรับการใช้งานสำหรับขับเคลื่อนยานที่ใช้ในอวกาศเพื่อสร้างความเร็วที่สูงกว่าในการปฏิบัติภารกิจที่มีมวลปฏิกิริยา () น้อย. สิ่งนี้เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นมากของปฏิกิริยานิวเคลียร์: มีค่ามากกว่าเป็นเลข 7 หลัก (10,000,000 เท่า) ที่มีพลังมากขึ้นกว่าปฏิกิริยาเคมีที่ให้พลังงานกับจรวดปัจจุบัน.
อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
เนื่องจากการ ฟิวชั่น คือการใช้การรวมตัวของธาตุเบาไปเป็นธาตุที่หนักขึ้น ในที่นี้ระเบิดจะใช้ไฮโดรเจน(ดิวเทอเรียมหลอมรวมกับทริเทียม)เป็นปฏิกิริยาแบบเดียวกับที่เกิดในแกนกลางดวงอาทิตย์ซึ่งต้องใช้ความกดดันสูงมากกับอุณหภูมินับสิบล้านองศาเพื่อให้เกิดปฏิกิริยานี้แต่เนื่องจากบนโลกมีความหนาแน่นน้อยกว่าแกนดวงอาทิตย์มากจึงทำให้ต้องใช้อุณหภูมิมากกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์โดยใช้ถึงหลักร้อยล้านองศาเพื่อให้อะตอมไฮโดรเจนรวมตัวกัน ฉะนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ระเบิดนิวเคลียร์แบบฟิชชัน(Atomic bomb)ในอาวุธนี้ก่อนเพื่อกระตุ้นให้อุณหภูมิถึงขั้นที่จะเกิดการฟิวชั่นได้ ซึ่งเกิดในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์คือบางส่วนของระบบพลังงานที่ทันสมัยและซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยออกแบบ. ระบบที่ซับซ้อนใดๆ ไม่ว่าจะถูกออกแบบและถูกสรรสร้างได้ดีสักเพียงไร ก็ไม่สามารถจะบอกได้ว่ามันจะไม่มีความล้มเหลว นักข่าวและนักประพันธ์อาวุโส สเตฟานี Cooke แย้งว่า: 
ตัวเครื่องปฏิกรณ์เองเป็นเครื่องที่ซับซ้อนอย่างยิ่งที่มีหลายสิ่งที่อาจผิดพลาดได้ทุกเมื่อ เมื่อเกิดขึ้นที่เกาะทรีไมล์ในปี 1979 ความผิดพลาดอื่นๆในโลกนิวเคลียร์ก็เริ่มขึ้น ความผิดพลาดอันหนึ่งก็นำไปสู่​​ความผิดพลาดอีกอันหนึ่ง แล้วเกิดขึ้นต่อๆกันไปเรื่อยๆ จนกระทั่งแกนของตัวเครื่องปฏิกรณ์เองเริ่มที่จะละลาย และแม้แต่วิศวกรนิวเคลียร์ที่ผ่านการฝึกอบรมมากที่สุดของโลกก็ไม่รู้วิธีการตอบสนอง อุบัติเหตุที่เกิดขึ้นเผยให้เห็นข้อบกพร่องอย่างร้ายแรงในระบบที่ถูกสร้างขึ้นมาให้ปกป้องสุขภาพและความปลอดภัยของประชาชน 
อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์ในปี 1979 สร้างแรงบันดาลใจให้กับ Perrow ในหนังสือ'อุบัติเหตุปกติ' ในหนังสือเล่มนี้อุบัติเหตุนิวเคลียร์ได้เกิดขึ้น เป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันที่ไม่คาดคิดของความล้มเหลวหลายอย่างของระบบที่ซับซ้อน อุบัติเหตุครั้งนั้นเป็นตัวอย่างหนึ่งของการเกิดอุบัติเหตุตามปกติเพราะมันเป็นสิ่งที่ "ที่ไม่คาดคิด เข้าใจยาก ไม่สามารถควบคุมได้และหลีกเลี่ยงก็ไม่ได้"
Perrow สรุปว่าความล้มเหลวที่เกาะทรีไมล์เป็นผลมาจากความซับซ้อนอันยิ่งใหญ่ของระบบ เขาตระหนักว่า ระบบความเสี่ยงสูงที่ทันสมัย​​เช่นนั้นมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวไม่ว่าพวกมันจะได้รับการจัดการดีอย่างไรก็ตาม มันหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่พวกเขาในที่สุดก็จะได้รับสิ่งที่เขาเรียก 'อุบัติเหตุปกติ' ดังนั้น เขาแนะนำว่าเราอาจจะคิดออกแบบใหม่จะดีกว่า หรือถ้าเป็นไปไม่ได้ ก็ละทิ้งเทคโนโลยีดังกล่าวไปทั้งหมด 
ปัญหาพื้นฐานที่เอื้อต่อความซับซ้อนของระบบไฟฟ้านิวเคลียร์คืออายุการใช้งานที่ยาวนานมากๆของมัน. ระยะเวลาตั้งแต่เริ่มต้นของการก่อสร้างสถานีพลังงานนิวเคลียร์เชิงพาณิชย์จนถึงการกำจัดที่ปลอดภัยของกากกัมมันตรังสีครั้งสุดท้ายของมันอาจกินเวลาถึง 100-150 ปี
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
การเป็นพิเศษของการประมวลอาหารโดยใช้รังสีที่เกิดจากการไอออไนเวชั่นคือความจริงที่ว่าความหนาแน่นของพลังงานต่อการเปลี่ยนแปลงอะตอมจะสูงมาก, มันสามารถแยกโมเลกุลและทำให้เกิดการไอออไนซ์ (เพราะฉะนั้นจึงได้ชื่อนี้) ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยความร้อนเท่านั้น. นี่คือเหตุผลสำหรับผลจากประโยชน์ที่ได้ใหม่, แต่ในเวลาเดียวกัน, ก็เป็นเหตุผลสำหรับความกังวลใหม่. การบำบัดอาหารแข็งโดยรังสีไอออไนซ์สามารถให้ผลคล้ายกับการทำพาสเจอร์ไรซ์แบบความร้อนของของเหลว, เช่นนม. อย่างไรก็ตาม, การใช้คำว่าพาสเจอร์ไรซ์เย็นเพื่ออธิบายอาหารที่ผ่านการฉายรังสีทำให้เป็นที่ถกเถียงกัน, เพราะพาสเจอร์ไรซ์และการฉายรังสีเป็นกระบวนการที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานอยู่แล้ว, ถึงแม้ว่าสุดท้ายความตั้งใจในบางกรณีอาจจะคล้ายกัน.
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือจะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า.
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
การแปลงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าเกิดขึ้นทางอ้อม เช่นเดียวกับในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนธรรมดาทั่วไป ความร้อนเกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา) ไอของน้ำ (ไอน้ำ) ถูกผลิตขึ้นโดยตรงหรือโดยอ้อม จากนั้น ไอน้ำแรงดันสูงมักจะจ่ายให้กับกังหันไอน้ำในหลายขั้นตอน กังหันไอน้ำในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของประเทศตะวันตกมักอยู่ในหมู่กังหันไอน้ำที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้าง หลังจากผ่านกังหันไอน้ำ ไอน้ำมีการขยายตัวและบางส่วนก็ควบแน่น ไอน้ำที่เหลือจะควบแน่นในคอนเดนเซอร์ คอนเดนเซอร์เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งจะเชื่อมต่อกับฝั่งด้านรองเช่นแม่น้ำหรือหอหล่อเย็น จากนั้น น้ำจะถูกสูบกลับเข้ามาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และวงจรก็เริ่มต้นอีกครั้ง วัฏจักรของน้ำกับไอเป็นไปตามวงจรของ "Rankine cycle"
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
แท่งควบคุม () จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นิวตรอน ในทางตรงกันข้าม ไม่มีประจุไฟฟ้าที่จะทำให้เกิดแรงผลัก และสามารถที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่พลังงานต่ำมาก ในความเป็นจริง ที่พลังงานอนุภาคที่ต่ำอย่างมาก (ที่สอดคล้องกับการสมดุลความร้อนที่อุณหภูมิห้อง) ความยาวคลื่นแบบ de Broglie ของนิวตรอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจจะเพิ่มภาคตัดขวางการดักจับของมันให้สูงขี้นอย่างมาก ที่ระดับพลังงานใกล้กับค่า resonances ของนิวเคลียสที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นนิวตรอนพลังงานต่ำ"อาจจะ"ทำให้เกิดปฏิกิริยามากกว่านิวตรอนพลังงานสูงด้วยซ้ำ
การแผ่รังสีจากนิวตรอน
การแผ่รังสีจากนิวตรอน () เป็น การแผ่รังสีโดยการแตกตัวเป็นไอออน ชนิดหนึ่งซึ่งประกอบด้วยกลุ่มนิวตรอนอิสระที่เป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันหรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ปฏิกิริยาดังกล่าวจะทำให้มีการปลดปล่อยนิวตรอนอิสระจากอะตอม นิวตรอนอิสระเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมอื่น ๆ เพื่อก่อตัวเป็นไอโซโทปใหม่ซึ่งอาจเป็นผลให้มีการผลิตรังสี
กระบวนการเผาไหม้นีออน
การเผาไหม้นีออนเกิดขึ้นหลังจากที่กระบวนการเผาไหม้คาร์บอนได้เผาผลาญคาร์บอนทั้งหมดในแกนกลางไปแล้ว และสร้างแกนกลางที่ประกอบด้วยออกซิเจน/นีออน/แมกนีเซียมขึ้นมา แกนกลางจะหยุดการสร้างพลังงานฟิวชั่นและหดตัวลง การหดตัวทำให้ความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงจุดที่ทำให้เริ่มเกิดการเผาไหม้นีออนได้
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ในการแผ่รังสีนิวเคลียร์ตามธรรมชาติ ผลพลอยได้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสที่พวกมันก่อกำเนิดขึ้น นิวเคลียร์ฟิชชั่นเป็นกระบวนการของการแยกนิวเคลียสออกเป็นส่วนๆเกือบเท่าๆกันและปลดปล่อยพลังงานและนิวตรอนในระหว่างกระบวนการนั้น ถ้านิวตรอนเหล่านี้ถูกจับโดยนิวเคลียสอื่นที่ไม่เสถียร นิวเคลียสนั้นก็สามารถแตกตัวหรือฟืชชันได้เช่นกัน ซึ่งนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ค่าเฉลี่ยของจำนวนนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาต่อนิวเคลียสที่ไปฟิชชั่นนิวเคลียสอื่นจะเรียกว่าค่า "k" ค่า k มากกว่า 1 หมายความว่าปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนมากกว่ามันดูดซับไว้และดังนั้นจึงจะเรียกว่าเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตัวเอง มวลของวัสดุฟิสไซล์ที่มีขนาดใหญ่พอ (และในคอนฟิคฯที่เหมาะสม) ที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตนเองเรียกว่ามวลวิกฤต ().
พลังงานนิวเคลียร์
เช่นเดียวกับหลายโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนแบบเดิมที่ผลิตไฟฟ้าโดยการควบคุมพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล, โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แปลงพลังงานที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมผ่านทางนิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์. ความร้อนถูกย้ายออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์โดยระบบระบายความร้อนที่ใช้ความร้อนในการสร้างไอน้ำ, ไอน้ำจะไปขับกังหันไอน้ำที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตไฟฟ้าต่อไป
นิวเคลียสของอะตอม
นิวเคลียสของอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนและอนุภาตโปรตอน ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นชัดถึงอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ที่เรียกว่าควาร์ก ที่จะถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง ในการผสมกันของอนุภาคที่เสถียรและแน่นอนชุดหนึ่งของแฮดรอนที่เรียกว่าแบริออน แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งจะขยายออกไปจนไกลพอจากแบริออนแต่ละตัวเพื่อที่จะหลอมรวมนิวตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันต้านกับแรงไฟฟ้​​าที่ผลักออกระหว่างโปรตอนด้วยกันที่มีประจุบวก แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมีระยะทำการที่สั้นมากและเป็นลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็วเพียงแค่เลยขอบของนิวเคลียส การปฏิบัติการร่วมกันของนิวเคลียสประจุบวกก็คือเพื่อที่จะยึดอิเล็กตรอนประจุไฟฟ้าลบให้อยู่ในวงโคจรของพวกมันรอบนิวเคลียส การสะสมของอิเล็กตรอนประจุลบที่โคจรรอบนิวเคลียสจะแสดงความเป็นพี่น้องกันเพื่อการกำหนดรูปแบบการทำงานบางอย่างและจำนวนของอิเล็กตรอนที่จะทำให้วงโคจรของพวกมันมีเสถียรภาพ องค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมจะแสดงออกมาแบบไหนจะถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสนั้น โดยที่อะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสเท่ากันกับจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียส องค์ประกอบทางเคมีของแต่ละอะตอมจะสามารถสร้างรูปแบบการทำงานของอิเล็กตรอนที่มีเสถียรมากยิ่งขึ้นโดยการทำงานร่วมกันเพื่อแบ่งปันอิเล็กตรอนของพวกมัน การแบ่งปันของอิเล็กตรอนเพื่อสร้างวงโคจรรอบนิวเคลียสที่เสถียรทำให้เกิดวิชาการด้านเคมีของโลกแมคโครของเรา
กระบวนการทริปเปิล-อัลฟา
ดาวฤกษ์ที่มีอายุมากขึ้นจะสะสมฮีเลียมเอาไว้ ซึ่งเป็นผลผลิตจากห่วงโซ่ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอนและวงจรซีเอ็นโอซึ่งเกิดขึ้นที่แกนของดาว ผลผลิตที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นต่อเนื่องของฮีเลียมกับไฮโดรเจนหรือนิวเคลียสฮีเลียมอื่นๆ จะทำให้เกิด ลิเทียม-5 และเบริลเลียม-8 ขึ้นมาตามลำดับ ธาตุทั้งสองนี้ไม่เสถียรอย่างรุนแรงและแทบจะสลายตัวกลับไปเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กตามเดิมในทันที เมื่อดาวฤกษ์ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจนหมด แกนของดาวจะเริ่มยุบตัว จนกระทั่งอุณหภูมิในใจกลางเพิ่มสูงขึ้นถึง ~100×10 K (8.6 keV) ถึงจุดนี้นิวเคลียสฮีเลียมจะหลอมเข้าด้วยกันในอัตราที่สูงพอจะเอาชนะอัตราการเกิดผลผลิตของมัน คือเบริลเลียม-8 และสลายตัวกลับไปเป็นนิวเคลียสฮีเลียมสองตัว นั่นหมายความว่าจะมีนิวเคลียสเบริลเลียม-8 น้อยลงในแกนกลาง ซึ่งสามารถหลอมกับนิวเคลียสฮีเลียมตัวอื่นและกลายไปเป็นคาร์บอน-12 ซึ่งเป็นธาตุที่เสถียรกว่า
ดาวฤกษ์
แกนกลางจะหดตัวลงต่อไปจนกระทั่งมีอุณหภูมิและความดันเพียงพอที่จะฟิวชั่นคาร์บอน กระบวนการดังกล่าวดำเนินต่อไป ต่อด้วยกระบวนการใช้นีออนเป็นเชื้อเพลิง ตามด้วยออกซิเจนและซิลิคอน เมื่ออายุขัยของดาวฤกษ์ใกล้จะสิ้นสุด ฟิวชั่นจะสามารถเกิดขึ้นไปพร้อม ๆ กับชั้นเปลือกหัวหอมจำนวนมากภายในดาวฤกษ์ เปลือกเหล่านี้จะฟิวชั่นธาตุที่แตกต่างกัน โดยเปลือกชั้นนอกสุดจะฟิวชั่นไฮโดรเจน ชั้นต่อไปฟิวชั่นฮีเลียม เป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ
แรงนิวเคลียร์
แรงนิวเคลียร์ () คือแรงระหว่างนิวคลีออนสองตัวหรือมากกว่านั้น เป็นเหตุของการยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนให้อยู่ด้วยกันเป็นนิวเคลียสอะตอมได้ พลังงานนิวเคลียร์ยึดเหนี่ยวที่ปลดปล่อยออกมาทำให้มวลของนิวเคลียสน้อยกว่ามวลรวมของโปรตอนและนิวตรอนรวมกัน แรงนี้เป็นแรงดูดที่มีกำลังแรงระหว่างนิวคลอนที่อยู่ห่างกันประมาณ 1 เฟมโตเมตร (fm) วัดจากจุดศูนย์กลาง แต่จะอ่อนกำลังลงอย่างรวดเร็วที่ระยะห่างมากกว่า 2.5 fm ที่ระยะใกล้กว่า 0.7 fm แรงนี้จะกลายเป็นแรงผลัก และเป็นตัวการสำหรับรูปร่างทางกายภาพของนิวเคลียส เพราะนิวคลีออนจะไม่สามารถเข้าใกล้กันมากกว่าที่แรงนี้ยอมให้เป็นไปได้
ฟิสิกส์นิวเคลียร์
การทดลองที่สำคัญที่อยู่เบื้องหลังการประกาศครั้งนี้เกิดขึ้นในปี 1910 ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ อย่างที่ทีมของเออร์เนส รัทเธอร์ฟอร์ดได้ดำเนินการทดลองที่น่าทึ่ง โดยที่นายฮันส์ ไกเกอร์และนายเออร์เนส Marsden ภายใต้การดูแลของเขาได้ยิงอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของฮีเลียม) ไปที่ฟิล์มบางของฟอยล์ทองคำ 'รูปแบบของพลัมพุดดิ้ง'คาดการณ์ว่าอนุภาคแอลฟาน่าจะออกมาจากฟอยล์ที่มีวิถีโค้งของพวกมันงอเล็กน้อยเป็นส่วนใหญ่ รัทเธอร์ฟอร์ดมีความคิดที่จะสั่งให้ทีมงานของเขาที่จะมองหาบางสิ่งที่ตกใจเขาจะสังเกตเห็นจริง: อนุภาคไม่กี่ตัวกระจัดกระจายทะลุมุมขนาดใหญ่ แม้แต่วิ่งกลับหลังอย่างสมบูรณ์ในบางกรณี เขาเปรียบมันกับการยิงกระสุนไปที่กระดาษทิชชูและเห็นมันสะท้อนกลับ การค้นพบที่เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลของ Rutherford ในปี 1911 ในที่สุดนำไปสู่ Rutherford model ของอะตอมที่อะตอมมีขนาดที่เล็กมาก นิวเคลียสที่หนาแน่นมากประกอบด้วยมวลของมันเป็นส่วนใหญ่ และที่ประกอบด้วยอนุภาคหนักที่มีประจุบวกกับอิเล็กตรอนที่ฝังตัวเพื่อที่จะสร้างความสมดุลของประจุรวม (เนื่องจากตอนนั้นนิวตรอนยังไม่เป็นที่รู้จัก) ตัวอย่างเช่นในรูปแบบนี้ (ซึ่งไม่ได้เป็นแบบที่ทันสมัย) ไนโตรเจน-14 ประกอบด้วยหนึ่งนิวเคลียสที่มี 14 โปรตอนและ 7 อิเล็กตรอน(อนุภาครวมเป็น 21) และนิวเคลียสถูกล้อมรอบด้วยอีก 7 อิเล็กตรอนที่โคจรล้อมรอบ
อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
โดยปกติปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นเป็นพลังงานสะอาดที่จะไม่ก่อให้เกิดสารกัมมันตรังสีตกค้าง แต่เนื่องจากการฟิวชั่นจะเกิดขึ้นได้นั้นก็ต้องผ่านขั้นตอนการฟิชชั่นมาเสียก่อน เนื่องด้วยเหตุนี้เองจึงทำให้ระเบิดไฮโดรเจนยังคงมีฝุ่นรังสีนิวเคลียร์ตกค้างหลังการระเบิดจึงมีความอันตรายไม่ต่างจากระเบิดปรมณูแบบเก่าเลย
ฟิชชันเกิดเอง
ฟิชชันเกิดเอง (Spontaneous fission, SF) เป็นรูปแบบของลักษณะการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีของไอโซโทปหนัก ตามหลักทฤษฎีแล้ว เป็นไปได้ที่จะเกิดกับนิวเคลียสอะตอมที่มีมวลมากกว่าหรือเท่ากับ 100 หน่วยมวลอะตอม (u) นั่นคือ ธาตุที่อยู่ใกล้กับรูทีเนียม อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติแล้ว ฟิชชันเกิดเองจะเกิดได้เมื่อมวลอะตอมมากกว่า 230 u (ธาตุที่อยู่ใกล้กับทอเรียม) ธาตุที่ไวต่อฟิชชันเกิดเองจะเป็นธาตุแอกทิไนด์เลขอะตอมสูง เช่น เมนเดลีเวียม และ ลอว์เรนเซียม, และธาตุทรานส์-แอกทิไนด์ เช่น รัทเทอร์ฟอร์เดียม
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถล้มเหลวได้ในหลายวิธี ความไม่แน่นอนของวัสดุนิวเคลียร์อาจสร้างพฤติกรรมที่ไม่คาดคิด มันอาจส่งผลให้พลังงานกระจัดกระจายออกนอกลู่นอกทางไม่สามารถควบคุมได้ ปกติ ระบบหล่อเย็นในเตาปฏิกรณ์ถุกออกแบบเพื่อให้สามารถที่จะจัดการกับความร้อนส่วนเกินนี้ อย่างไรก็ตาม เตาปฏิกรณ์ยังอาจประสบอุบัติเหตุจากการสูญเสียของน้ำหล่อเย็น ทำให้เชื้อเพลิงละลายหรือทำให้ถังบรรจุเชื้อเพลิงร้อนมากเกินไปจนละลาย เหตุการณ์นี้เรียกว่านิวเคลียร์หลอมละลาย().
การแตกตัวด้วยแสง
การแตกตัวด้วยแสง ( (หรือที่เรียกว่า การแปรธาตุด้วยแสง () เป็นกระบวนการทางฟิสิกส์ที่รังสีแกมมาพลังงานสูงอย่างยื่งยวดถูกดูดซึมโดยนิวเคลียสและทำให้มันเข้าสู่สภาพตื่นตัวซึ่งจะสลายตัวทันทีโดยการปลดปล่อยอนุภาคย่อยออกมา. โปรตอน, นิวตรอนหรืออนุภาคแอลฟาเดี่ยว ๆ จะถูกเคาะอย่างมีประสิทธิภาพให้หลุดออกจากนิวเคลียสโดยรังสีแกมมาที่กำลังเข้ามา การแตกตัวด้วยแสงเป็นปฏิกริยาดูดซับพลังงาน () สำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่เบากว่าเหล็กและบางครั้งก็เป็นปฏิกริยาปลดปล่อยพลังงาน () สำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่หนักกว่าเหล็ก. การแตกตัวด้วยแสงเป็นผู้รับผิดชอบสำหรับการสังเคราะห์นิวเคลียสของอย่างน้อยบางองค์ประกอบที่อุดมไปด้วยโปรตอนและหนักผ่านทางกระบวนการพีที่จะเกิดขึ้นในซุปเปอร์โนวา
R-process
R-process คือกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสที่เกิดขึ้นในการยุบตัวในแกนกลางของมหานวดารา (ดูเพิ่มใน การสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวา) และในการระเบิดของอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นตัวการทำให้เกิดนิวเคลียสอะตอมของธาตุโลหะหนักชนิดที่มีนิวตรอนมากเป็นจำนวนมากกว่าครึ่งหนึ่งของทั้งเอกภพ คุณลักษณะของกระบวนการนี้คือการจับตัวของนิวตรอนอย่าง "รวดเร็ว" (rapid - เป็นที่มาของชื่อ r-process) ใน seed nucleus ซึ่งโดยมากจะเป็น Ni-56 กลไกการสร้างโลหะหนักที่สำคัญอีกกระบวนการหนึ่งคือ S-process ซึ่งการสังเคราะห์นิวเคลียสจะเป็นการจับตัวนิวตรอน "อย่างช้า" มักเกิดขึ้นในดาวฤกษ์ประเภท AGB กระบวนการทั้งสองนี้เป็นกระบวนการสำคัญในวิวัฒนาการทางเคมีของดาราจักรในการสร้างธาตุที่หนักกว่าเหล็ก
อะตอม
ปี ค.ศ. 1938 นักเคมีชาวเยอรมัน ออตโต ฮาห์น ผู้เป็นศิษย์ของรัทเทอร์ฟอร์ด ยิงนิวตรอนใส่อะตอมยูเรเนียมด้วยสมมุติฐานจะได้ธาตุหลังยูเรเนียมออกมา แต่การทดลองทางเคมีของเขากลับให้ผลลัพธ์ออกมาเป็นแบเรียม หนึ่งปีต่อมา ไลซ์ ไมต์เนอร์ กับออตโต ฟริสช์ผู้เป็นหลาน สามารถพิสูจน์ว่าผลลัพธ์ของฮาห์นเป็นการทดลอง "นิวเคลียร์ฟิชชัน" เป็นครั้งแรก ปี ค.ศ. 1944 ฮาห์นได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี แต่ไมต์เนอร์กับฟริสช์กลับไม่มีชื่อได้รับร่วมทั้งที่ฮาห์นได้พยายามเสนอแล้ว
นิวคลีออน
ก่อนจะถึงทศวรรษ 1960 เคยเชื่อกันว่านิวคลีออนเป็นอนุภาคมูลฐาน ซึ่งไม่อาจประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนอื่นใดที่เล็กไปกว่านั้นอีกแล้ว แต่ปัจจุบันเราทราบกันแล้วว่ามันเป็นอนุภาคประกอบ ซึ่งเกิดจากควาร์กสามตัวเกาะเข้าด้วยกันด้วยสิ่งที่เรียกว่าอันตรกิริยาอย่างเข้ม อันตรกิริยาระหว่างนิวคลีออนตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปเรียกว่า internucleon interaction หรือแรงนิวเคลียร์ ซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาอย่างเข้มนั่นเอง (แต่เดิมก่อนมีการค้นพบควาร์ก คำว่า "อันตรกิริยาอย่างเข้ม" มีความหมายถึงเพียง internucleon interaction เท่านั้น)
สมดุลเคมี
การเกิดปฏิกิริยา
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
ถ้านิวเคลียสมากกว่าหนึ่งตัวถูกบังคับให้ชนกัน พวกมันก็สามารถทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันได้ กระบวนการนี้อาจปล่อยหรือดูดซับพลังงาน ถ้านิวเคลียสที่เกิดจากการชนมีน้ำหนักเบากว่านิวเคลียสของเหล็ก พลังงานจะถูกปล่อยออกมาตามปกติ แต่เมื่อนิวเคลียสนั้นหนักกว่าของเหล็ก โดยทั่วไปพลังงานจะถูกดูดซับ กระบวนการของการฟิวชั่นนี้เกิดขึ้นในดวงดาว ซึ่งได้รับพลังงานของพวกมันจากไฮโดรเจนและฮีเลียม พวกมันก่อตัวขึ้นผ่าน'การสังเคราะนิวเคลียสแบบกลุ่มดาว' () และองค์ประกอบเบา (ลิเธียมจนถึงแคลเซียม) เช่นเดียวกับบางส่วนขององค์ประกอบหนัก (เกินกว่าเหล็กและนิกเกิลผ่านทาง S-process) ความอุดมสมบูรณ์ที่เหลืออยู่ขององค์ประกอบหนัก จากนิกเกิลจนถึงยูเรเนียมและไกลกว่านั้น เป็นเพราะกระบวนการการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบซูเปอร์โนวา () หรือที่เรียกว่า R-process.
แรงนิวเคลียร์
หลักการของแรงนิวเคลียร์เริ่มก่อสร้างขึ้นในปี 1934 ไม่นานหลังจากการค้นพบนิวตรอนซึ่งเผยให้เห็นว่า นิวเคลียสอะตอมประกอบขึ้นด้วยโปรตอนกับนิวตรอน ที่ยึดเหนี่ยวกันและกันเอาไว้ด้วยแรงดึงดูด เวลานั้นเชื่อกันว่าแรงนิวเคลียร์ถูกส่งผ่านด้วยอนุภาคที่เรียกว่า มีซอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ทำนายเอาไว้ในทฤษฎี ก่อนจะมีการค้นพบจริงในปี ค.ศ. 1947 ต่อมาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 จึงมีความเข้าใจกันมากขึ้นว่า มีซอนเหล่านี้เป็นส่วนประกอบของควาร์กและกลูออน ที่ส่งผ่านระหว่างนิวคลีออนโดยที่ตัวมันประกอบขึ้นจากควาร์กและกลูออน แบบจำลองใหม่นี้ทำให้อันตรกิริยาอย่างเข้มเป็นตัวยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเอาไว้ด้วยกัน
โนวา
โนวา () คือการระเบิดของนิวเคลียร์อย่างรุนแรงที่เกิดจากการสะสมมวลของไฮโดรเจนสู่พื้นผิวของดาวแคระขาว ซึ่งทำให้เกิดการจุดระเบิดและเกิดนิวเคลียร์ฟิวชั่นในภาวะความร้อนเฉียบพลัน โปรดอย่าสับสนกับซูเปอร์โนวา ("มหานวดารา") หรือโนวาเปล่งแสงแดง
การผลิตคู่
formula_1
ในฟิสิกส์นิวเคลียร์, สิ่งที่จะเกิดขึ้นตามสมการนี้เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนพลังงานสูงได้มีปฏิกิริยากับนิวเคลียสของอะตอม พลังงานของโฟตอนนี้สามารถแปลงให้เป็นมวลได้โดยผ่านทางสมการไอน์สไตน์,; เมื่อ E เป็นพลังงาน m คือ มวลและ c คือ ความเร็วของแสง
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่นสูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน. นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว. ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต. ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย.
การจับยึดนิวตรอน
การจับยึดนิวตรอนมีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์นิวเคลียสโดยรังสีคอสมิกของธาตุที่หนัก ในดวงดาว มันสามารถเกิดขึ้นในสองวิธี ได้แก่ กระบวนการอย่างรวดเร็ว (r-process) หรือกระบวนการอย่างช้า (s-process) นิวเคลียสของมวลที่มากกว่า 56 ไม่สามารถเกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนได้ (เช่นโดยนิวเคลียร์ฟิวชัน) แต่สามารถเกิดขึ้นได้โดยการจับยึดนิวตรอน
ฟิชชันเกิดเอง
ฟิชชันเกิดเองให้ผลคล้ายกับนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งเกิดจากการถูกชน อย่างไรก็ตามฟิชชันเกิดเองก็เหมือนกับรูปแบบอื่นของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่เกิดจาก quantum tunneling โดยปราศจากการปะทะอะตอมโดยนิวตรอนหรืออนุภาคอื่นในนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งเกิดจากการถูกชน ฟิชชันเกิดเองจะปลดปล่อยนิวตรอนเหมือนกับฟิชชันทั่วไป ดังนั้นเมื่อเกิดมวลวิกฤติ ฟิชชันเกิดเองก็จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ยิ่งไปกว่านั้น ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีสำหรับฟิชชันเกิดเองเป็นรูปแบบการสลายที่สำคัญที่อาจเป็นต้นกำเนิดนิวตรอน แคลิฟอร์เนียม-252 (ครึ่งชีวิต 2.645 ปี, SF branch ratio 3.09%) ถูกนำมาใช้ในจุดประสงค์นี้บ่อยๆ
พลังงานนิวเคลียร์
แต่ในปี 1938 นักเคมีเยอรมันอ็อตโต ฮาห์น และฟริตซ์ Strassmann พร้อมกับนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ลีซ ไมต์เนอ และหลานชายของไมต์เนอร์, อ็อตโต โรเบิร์ต Frisch ดำเนินการทดลองกับผลิตภัณฑ์ของยูเรเนียมที่ถูกรุมยิงด้วยนิวตรอน, เพื่อเป็นวิธีการตรวจสอบไกลออกไปของสิ่งที่ Fermi อ้างถึง. พวกเขาเชื่อว่านิวตรอนค่อนข้างเล็กได้แยกนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมขนาดใหญ่ออกเป็นสองชิ้นที่เท่ากันอย่างหยาบๆ, ที่ขัดแย้งกับ Fermi. สิ่งนี่เป็นผลที่น่าแปลกใจอย่างยิ่ง: รูปแบบอื่นๆทั้งหมดของการสลายตัวของนิวเคลียร์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆเท่านั้นกับมวลของนิวเคลียส, ในขณะที่กระบวนนี้ - ถูกขนานนามว่า "ฟิชชัน" เมื่ออ้างอิงถึงทางชีววิทยา - เกี่ยวข้องกับการแตกออกที่สมบูรณ์ของนิวเคลียส. นักวิทยาศาสตร์จำนวนมาก, รวมถึง Leó Szilárd, ที่เป็นหนึ่งในคนแรก, ที่ยอมรับว่าถ้าปฏิกิริยาฟิชชันปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติม, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่อย่างยั่งยืนด้วยตนเองได้เกิดขึ้น. ทันทีที่การทดลองได้รับการยืนยันและประกาศออกไปโดย Frédéric Joliot-Curie ในปี 1939, นักวิทยาศาสตร์ในหลายประเทศ (รวมทั้งสหรัฐอเมริกา, สหราชอาณาจักร, ฝรั่งเศส, เยอรมนี, และสหภาพโซเวียต) เรียกร้องรัฐบาลของพวกเขาเพื่อให้การสนับสนุนการวิจัยนิวเคลียร์ฟิชชัน, แค่บนยอดของสงครามโลกครั้งที่สอง, เพื่อการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์.
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
เมื่อนิวตรอนถูกจับโดยนิวเคลียสที่เหมาะสม ฟิชชันอาจเกิดขึ้นทันที หรือนิวเคลียสอาจจะยังคงยืนหยัดอยู่ในสภาพที่ไม่เสถียรในช่วงเวลาสั้นๆ หากมีการสลายตัวทันทีมากพอที่จะดำเนินการให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อไปเรื่อยๆ มวลจะถูกเรียกว่า วิกฤตฉับพลัน () และการปล่อยพลังงานจะขยายตัวอย่างรวดเร็วและไม่สามารถควบคุมได้ มักจะนำไปสู่การระเบิด
โอกาเนสซอน
โอกาสการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันน้อยมาก เพราะภาคตัดขวางพื้นที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์เท่ากับ 0.5 pb (5×10 m) มากกว่า อิออนของแคลเซียมซึ่งเท่ากับ 4×10 m จึงเกิดปฏิกิริยาฟิวชันเพียง 3 ครั้งเท่านั้น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
แทนที่จะใช้สมการเต็มรูปแบบดังกล่าวข้างต้น ในหลาย ๆ สถานการณ์ สัญญลักษณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดจะถูกใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ รูปแบบของแบบฟอร์มนี้คือ A(b,c)D เทียบเท่ากับ A + b ได้ c + D. อนุภาคเบาทั่วไปมักจะถูกย่อให้สั้นแบบนี้ โดย p สำหรับโปรตอน n สำหรับนิวตรอน d สำหรับ ดิวเทอเรียม, α แทนอนุภาคแอลฟา หรือฮีเลียม-4, β สำหรับอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอน, γ สำหรับรังสีแกมมา ฯลฯ ปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้นจะถูกเขียนเป็น Li-6(d,α)α
การหลอมนิวเคลียส
พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่กว่าในปฏิกิริยาเคมีอย่างมาก เพราะพลังงานยึดเหนี่ยวที่ยึดนิวเคลียสเอาไว้จะมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานที่ยึดอิเล็กตรอนไว้กับนิวเคลียส ยกตัวอย่างเช่นพลังงานจากการแตกตัวเป็นไอออน () ที่ได้รับโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกับนิวเคลียสไฮโดรเจนหนึ่งตัวเป็น 13.6 eV -น้อยกว่าหนึ่งในล้านของ 17.6 MeV ที่ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-ไอโซโทป (D-T) ที่ได้แสดงในแผนภาพทางขวา (หนึ่งกรัมของสารจะปล่อย 339 GJ ของพลังงาน) ปฏิกิริยาการหลอมมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันหลายเท่า; ปฏิกิริยาการหลอมจะผลิตพลังงานต่อหน่วยของมวลมากกว่าอย่างมากแม้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งโดยทั่วไปจะมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาการหลอมแต่ละครั้ง และปฏิกิริยาทั้งสองแบบยังมีพลังมากกว่าปฏิกิริยาทางเคมีหลายล้านเท่า มีแต่การแปลงโดยตรงของมวลไปเป็นพลังงานเท่านั้นที่มีพลังต่อหน่วยของมวลมากกว่าการหลอมนิวเคลียส เช่นที่เกิดจากการชนกันแบบทำลายล้างของสสารและปฏิสสาร
ดาวแคระขาว
เมื่อการเพิ่มของสสารไม่สามารถที่จะดึงดาวแคระขาวให้เข้าใกล้ขีดจำกัดจันทรสิกขาได้ สสารที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนที่ถูกเพิ่มเข้ามาในพื้นผิวของมันก็ยังคงจุดระเบิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ เพราะใจกลางของดาวแคระขาวยังสมบูรณ์อยู่ การระเบิดก็จะสามารถเกิดต่อเนื่องเป็นระยะเวลาอันยาวนานเมื่อการเพิ่มมวลของมันยังคงดำเนินต่อไป การเกิดปรากฏการณ์ที่รุนแรงชนิดที่อ่อนกว่าจะเรียกว่าโนวา (ดั้งเดิม) นักดาราศาสตร์ก็สำรวจโนวาแคระด้วยเช่นกัน มันมีขนาดเล็กกว่า ความถี่ของจุดสูงสุดของกำลังส่องสว่างก็มากกว่าโนวาดั้งเดิม และคิดว่าไม่สามารถที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นได้แต่ถกแทนที่ด้วยการปลดปล่อยพลังงานศักย์โน้มถ่วงในระหว่างการเพิ่มมวล โดยทั่วไปแล้วระบบดาวคู่ของดาวแคระขาวเพิ่มมวลจากดาวคู่ของมันเรียกว่า Cataclysmic variables นั่นคือโนวาและโนวาแคระหรือเป็นชนิดของดาวแปรแสงหลายชนิดที่รู้จัก ทั้งปฏิกิริยาฟิวชั่นและการเพิ่มกำลังของ cataclysmic variables ถูกสำรวจเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์
อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
เมื่อแถวแรกของการจำกัดวงปัญหาถูกทำลายในช่วงที่เกิดอุบัติเหตุโรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ มีความเป็นไปว่าเชื้อเพลิงหรือผลผลิตจากฟิชชัน () ที่อยู่ภายในอาจจะหลุดลอดเข้าไปในสิ่งแวดล้อม แม้ว่าปลอกหุ้มเชื้อเพลิงเซอร์โคเนียมได้ถูกทำลายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อื่นโดยไม่ได้ปลดปล่อยกัมมันตรังสีออกสู่สิ่งแวดล้อมก็ตาม ที่ TMI-2 (Three Miles Island 2) ผู้ควบคุมเครื่องได้อนุญาตให้ปล่อยผลผลิตจากฟิชชั่นออกจากอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ที่มีเครื่องกั้นอื่น ๆ นอกจากนั้นยังค้นพบในภายหลังด้วยว่าไม่เพียงแต่ผู้ที่อาศัยอยู่ในบริเวณใกล้เคียงเท่านั้นที่ได้รับผลกระทบ แต่ผู้ควบคุมเครื่องเกาะสามไมล์ยังสั่งทิ้งน้ำกัมมันตรังสีลงไปในแม่น้ำ Susquehanna จึงส่งผลกระทบต่อผู้ที่อยู่ปลายน้ำอีกด้วย
เทคโนโลยีนิวเคลียร์
เมื่อมีการค้นพบก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ความเข้าใจนี้ทำให้หลายประเทศเริ่มต้นโครงการที่จะตรวจสอบความเป็นไปได้ของการสร้างระเบิดปรมาณู - อาวุธที่ใช้ปฏิกิริยาฟิชชันในการสร้างพลังงานมากเกินกว่าที่จะสร้างขึ้นด้วยวัตถุระเบิดแบบสารเคมี โครงการแมนฮัตตัน ดำเนินการโดยประเทศสหรัฐอเมริกาด้วยความช่วยเหลือของสหราชอาณาจักรและแคนาดา ได้พัฒนาอาวุธที่ฟิชชันเป็นทวีคูณซึ่งถูกนำมาใช้กับญี่ปุ่นในปี 1945 ที่ฮิโรชิมาและนางาซากิ ในระหว่างโครงการ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูครั้งแรกได้รับการพัฒนาเช่นกัน แม้ว่าพวกมันจะเป็นหลักในการผลิตอาวุธในเบื้องแรกและไม่ได้ผลิตกระแสไฟฟ้า
กระบวนการเผาไหม้คาร์บอน
ปฏิกิริยาฟิวชั่นที่เกิดขึ้น:
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
จะมีการถ่ายโอนเฉพาะพลังงานและโมเมนตัมเท่านั้นปกติที่พลังงานต่ำปานกลาง นิวคลีออนหนึ่งตัวหรือมากกว่าจะถูกถ่ายโอนระหว่างกระสุนและเป้าหมาย สิ่งเหล่านี้มีประโยชน์ในการศึกษาโครงสร้างเปลือกนอกของนิวเคลียส
พลังงานนิวเคลียร์
ปัจจุบัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ขององค์ประกอบใน actinide series ของตารางธาตุได้ผลิตพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในการให้บริการโดยตรงแก่มนุษย์, กับกระบวนการสลายตัวของ นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในรูปแบบของพลังงานความร้อนใต้พิภพและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โม ไอโซโทป, สำหรับการนำไปใช้เฉพาะอย่างจะใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาที่เหลือ. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (ฟิชชัน), ไม่รวมการใช้งานในกองทัพเรือ, ให้พลังงานประมาณ 5.7% ของพลังงาน ของโลกและ 13% ของกระแสไฟฟ้าของโลกในปี 2012. ในปี 2013, หน่วยงานพลังงานปรมาณูนานาชาติ () รายงานว่ามี 437 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์กำลังใช้งานอยู่ ใน 31 ประเทศ แม้ว่าจะมีบางเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ได้ทำการผลิตไฟฟ้าอีกแล้ว. นอกจากนี้ยังมีเรือประมาณ 140 ลำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนโดยเครื่องปฏิกรณ์ราว 180 เครื่อง.. ขณะที่ในปี 2013, การได้รับพลังงานสุทธิจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ยั่งยืน, ไม่รวมแหล่งพลังงานฟิวชั่นตามธรรมชาติเช่นจากดวงอาทิตย์, ยังคงเป็นพื้นที่ต่อเนื่องของการวิจัยด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมระหว่างประเทศ. กว่า 60 ปีหลังจากความพยายามครั้งแรก, การผลิตพลังงานฟิวชั่นในเชิงพาณิชย์ยังคงไม่น่าจะเกิดขึ้นก่อนปี 2050.
โซโนลูมิเนสเซนส์
ทฤษฎีการเกิดโซโนลูมิเนสเซนส์นั้นยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ บ้างก็ว่าเป็นผลจากคลื่นกระแทก (shock wave) ที่เกิดขึ้นขณะที่ฟองอากาศแหลกสลาย บ้างก็ว่าเป็นพลาสม่า (plasma) และบางส่วนที่คิดว่าเป็นปรากฏการณ์ฟิวชั่น ก็นำปรากฏการณ์นี้ไปพัฒนาต่อเพื่อให้ได้แหล่งพลังงานแบบนิวเคลียร์ฟิวชั่นในด้านของฟิวชั่นได้มีการทดลองพิสูจน์โดยการตรวจวัด
นิวตริโน ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการรวมตัวกันของไฮโดรเจนอะตอม โดยนักวิจัยของศูนย์วิจัยแห่งชาติ Oak Ridge ของสหรัฐอเมริกา