GotoKnow
  • เข้าระบบ
  • สมัครสมาชิก
  • แผงจัดการ
  • ออกจากระบบ
GotoKnow

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียมคืออะไร?

เมื่อใดก็ตามที่มีข่าวเกี่ยวกับโครงการนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะของอิหร่าน เกาหลีเหนือ หรือประเทศใดๆ ก็ตาม ก็มักจะมีคำๆ หนึ่งโผล่ขึ้นมาให้เห็นเสมอ นั่นคือ การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม

เมื่อใดที่มีข่าวเกี่ยวกับโครงการนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะของอิหร่าน เกาหลีเหนือ หรือประเทศใดๆ ก็ตาม ก็มักจะมีคำๆ หนึ่งโผล่ขึ้นมาให้เห็นเสมอ นั่นคือ การเพิ่มความเข้มข้นยูเรเนียม หรือ การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม ซึ่งน่ารู้ไว้เผื่อว่าวันหนึ่งพี่ไทยเกิดนึกสนุกอยากจะเป็นมหาอำนาจทางนิวเคลียร์กับเขาบ้าง :-P

เพื่อให้ชัดเจน ก็จำเป็นต้องย้อนไปดูภาพใหญ่กันก่อน โดยเริ่มตั้งแต่การขุดสินแร่ยูเรเนียมมาใช้งาน (mining) ซึ่งบางแห่งแร่ยูเรเนียมอาจอยู่ใกล้ผิวดิน แต่บางแห่งก็ต้องทำเหมืองใต้ดิน (หากแหล่งแร่อยู่ลึกกว่า 120 เมตร) แร่ยูเรเนียมที่ขุดได้นี้มียูเรเนียมเพียง 0.1-1% โดยน้ำหนัก เท่านั้น จึงต้องนำไปผ่านกระบวนการอีกหลายขั้นตอนก่อนใช้งาน

แผนภาพแสดงกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม

ขั้นตอนแรกจะทำการบดแร่ยูเรเนียมจนเป็นผงละเอียด แล้วใช้กรดหรือด่างเข้มข้นเพื่อชะให้ยูเรเนียมละลายแยกออกมา (เรียกว่า leaching – การชะละลาย) จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้มาสกัดยูเรเนียม แล้วทำให้ยูเรเนียมตกตะกอนออกมาในรูปของยูเรเนียมเพอร์ออกไซด์ (U3O8) ซึ่งมีลักษณะเป็นผงสีเหลือง ที่นิยมเรียกว่า เค้กเหลือง (yellow cake)

yellow cake 

เค้กเหลืองนี้มียูเรเนียมเข้มข้นสูงถึง 60% โดยน้ำหนัก โดยโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ขนาด 1,000 เมกะวัตต์ จะใช้เค้กเหลืองประมาณ 200 ตัน ในการผลิตไฟฟ้า 1 ปี

อย่างไรก็ตาม ยังมีรายละเอียดที่สำคัญนั่นคือ ธาตุยูเรเนียมในธรรมชาติมี 3 รูปแบบ (ภาษาวิชาการเรียกว่า ไอโซโทป แต่ออกเสียงว่า “ไอ-โซ-โถบ”) ได้แก่ U-234 (น้องเล็ก), U-235 (พี่กลาง) และ U-238 (พี่ใหญ่)

ไอโซโทปทั้ง 3 แบบนี้มีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่หนักเบาไม่เท่ากัน และมีความเหมาะสมในการใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต่างกัน

  • “น้องเล็ก” หรือ U-234 (อ่านว่า ยูเรเนียม สองสามสี่ – ไม่ได้ใบ้หวยนะจ้ะ) นั้นเบากว่าเพื่อน แต่มีปริมาณน้อยนิด เลยไม่ต้องคิดให้เปลืองสมอง
  • สำหรับ “พี่กลาง” หรือ U-235 นั้นหนักขึ้นมาอีกนิด และสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้โดยตรง เพราะเมื่อโดนเทอร์มัลนิวตรอนพุ่งชนก็จะแตกตัวเป็นธาตุที่เบากว่า แล้วให้พลังงานออกมา (ตามสูตร E = mc ยกกำลัง 2) แต่ปัญหาก็คือ “พี่กลาง” ดันมีปริมาณแค่ 0.7% (โดยน้ำหนัก) ของปริมาณธาตุยูเรเนียมทั้งหมด กล่าวคือ หากนำยูเรเนียมตามธรรมชาติมา 1 กิโลกรัม จะพบว่ามี U-235 เพียงแค่ 7 กรัม            
  • ส่วน “พี่ใหญ่” หรือ U-238 นั้น แม้จะหนักที่สุด แต่นำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไม่ได้โดยตรง

ดังนั้น หากต้องการใช้งานยูเรเนียม ก็ต้องหาทางเพิ่มสัดส่วนของปริมาณ “พี่กลาง” หรือ U-235 ให้มากขึ้น (กว่า 0.7%) เรียกว่า การเพิ่มความเข้มข้นของยูเรเนียม หรือการเสริมสมรรรถนะยูเรเนียม (uranium enrichment)

ทั้งนี้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์จะต้องการปริมาณ U-235 ราว 3.5% (หรือมากกว่านี้เล็กน้อย) ส่วนระเบิดอะตอมมหาประลัยนั้นต้องการ U-235 ไม่ต่ำกว่า 90% (ไม่น่าแปลกใจเลยใช่ไหมครับ)

แล้วในทางปฏิบัติทำยังไง?

เริ่มต้นก็ต้องแปลงกายเค้กเหลือง (หรือ U3O8) ให้กลายเป็นแก๊สยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (uranium hexafluoride, UF6) ซะก่อน เรียกว่า การเปลี่ยนรูปยูเรเนียม (uranium conversion) ตรงนี้มีขั้นตอนย่อยหลายขั้น แต่จุดสำคัญก็คือการใช้ธาตุฟลูออรีน (fluorine หรือ F) เนื่องจากฟลูออรีนมีไอโซโทปเพียงแบบเดียว ซึ่งหมายความว่า โมเลกุลของแก๊ส UF6 จะเบาหรือหนัก ก็จะขึ้นกับธาตุยูเรเนียมเท่านั้น นั่นคือ หากเป็น U-235 ก็จะเบา แต่หากเป็น U-238 ก็จะหนัก            

การที่โมเลกุลของแก๊ส UF6 หนักเบาไม่เท่ากันนี่เองทำให้แยกออกจากกันได้ เช่น หากทำให้แก๊สแพร่ผ่านผนังที่มีรูพรุนเล็กๆ โมเลกุลตัวที่เบากว่าก็จะมีโอกาสหลุดรอดออกไปมากกว่า เรียกว่า กระบวนการแพร่ของแก๊ส (gaseous diffusion process) หรือหากใช้การหมุนเหวี่ยงภาชนะบรรจุแก๊ส ก็จะทำให้โมเลกุลของแก๊สที่เบากว่ามาออกันอยู่ตรงกลาง แล้วลอยขึ้นไปตามท่อด้านบนที่ต่อไว้ ส่วนโมเลกุลที่หนักกว่าก็จะโดนเหวี่ยงไปอยู่ใกล้ๆ ผนังภาชนะ เรียกว่า กระบวนการหมุนเวี่ยง (centrifuge process) เป็นต้น

แต่เนื่องจาก โมเลกุลของแก๊ส UF6 ที่ประกอบด้วย U-235 และ U-238 หนักต่างกันเพียงนิดเดียว  (แค่ 0.85%) จึงต้องใช้เครื่องมือหลายๆ ชุดต่อกัน (ไม่ว่าจะแบบแพร่หรือหมุนเหวี่ยง) จากเครื่อง 1 ไป 2 ไป 3 .. จนได้ความเข้มข้นของ U-235 เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามต้องการ

ในที่สุด แก๊ส UF6 จะถูกเปลี่ยนเป็นผง UO2 แล้วนำไปอัดเป็นแท่งทรงกระบอกเล็กๆ เรียกว่า เม็ดเชื้อเพลิง (fuel pellet) ซึ่งจะถูกเผาให้เนื้อแน่นและไม่แตกหักง่าย เม็ดเชื้อเพลิงที่สมบูรณ์จะถูกบรรจุในท่อที่ทนทานต่อแรงอัด อุณหภูมิ และการสึกกร่อน เรียกว่า แท่งเชื้อเพลิง (fuel rod) จากนั้นก็จะนำแท่งเชื้อเพลิงหลายๆ แท่งมาประกอบเป็น มัดเชื้อเพลิง (fuel bundle หรือ fuel assembly) เพื่อนำไปใช้ในปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต่อไป

มหาลัย’ เหมืองแร่ยูเรเนียมนี้ไฮเทคกว่าเหมืองแร่ทั่วไปแน่ แต่จะสนุกเหมือนกับเหมืองแร่ของคุณอาจินต์ ปัญจพรรค์หรือเปล่านั้น สักวันหนึ่งคนไทยอาจจะได้รู้เองก็เป็นได้!

บันทึกนี้เขียนที่ GotoKnow โดย 

คำสำคัญ (keywords): วิทยาศาสตร์
หมายเลขบันทึก: 73273
เขียน:
แก้ไข:
ดอกไม้: 1
อ่าน:
สัญญาอนุญาต: สงวนสิทธิ์ทุกประการ

ความเห็น (0)