รู้จักกระบวนการเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

การเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” คือหนึ่งในเหตุผลที่สหรัฐอเมริกาและอิสราเอลใช้โจมตีอิหร่าน ด้วยเหตุนี้ Thai PBS Sci & Tech จึงขอพาไปทำความเข้าใจกระบวนการ Ultracentrifugation ที่ใช้ในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง “นิวเคลียร์” ว่ามีกระบวนการอย่างไรบ้าง

.

รู้จักไอโซโทปยูเรเนียม

.

เมื่อมีการขุดยูเรเนียม จะพบว่ามีส่วนประกอบของยูเรเนียม-238 (U-238) ประมาณ 99.3% ยูเรเนียม-235 (U-235) 0.7% และยูเรเนียม-234 (U-234) น้อยกว่า 0.01% เหล่านี้คือไอโซโทปต่าง ๆ ของยูเรเนียม ไอโซโทปของยูเรเนียมมีโปรตอน 92 ตัวอยู่ที่ใจกลางหรือ นิวเคลียสของอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นสิ่งที่ทำให้อะตอม นั้นเรียก ว่า "ยูเรเนียม") อะตอม U-238 มีนิวตรอน 146 ตัว อะตอม U-235 มีนิวตรอน 143 ตัว และอะตอม U-234 มีนิวตรอนเพียง 142 ตัว จำนวนโปรตอนรวมกับนิวตรอนจะให้ค่ามวลอะตอมของแต่ละไอโซโทป ซึ่งก็คือ 238, 235 หรือ 234 ตามลำดับ ในระดับอะตอม ขนาดและน้ำหนักของไอโซโทปเหล่านี้แตกต่างกันเล็กน้อย ซึ่งหมายความว่าหากมีอุปกรณ์ที่เหมาะสมและภายใต้สภาวะที่ถูกต้อง ไอโซโทปเหล่านี้ก็สามารถแยกออกจากกันได้

.

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม

.

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำเป็นต้องมีความเข้มข้นของไอโซโทป U 235 สูงกว่า ที่มีอยู่ในแร่ยูเรเนียมธรรมชาติ เมื่อ U 235มีความเข้มข้นสูง (หรือ "เสริมสมรรถนะ") จะสามารถเกิด ปฏิกิริยาฟิชชันได้ ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (ซึ่งเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่พบมากที่สุดในสหรัฐอเมริกา) ระหว่างปฏิกิริยา ฟิ ชชัน นิวเคลียสของอะตอมจะแตกออก ทำให้เกิดทั้งความร้อนและนิวตรอนส่วนเกิน ภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้ นิวตรอนส่วนเกินเหล่านี้สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับอะตอมใกล้เคียงเพิ่มเติมได้ และปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถดำเนินต่อไปได้ พลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้ ในเชิงพาณิชย์ไอโซโทป U 235 จะถูกเสริมสมรรถนะให้มีความเข้มข้น 3 ถึง 5% (จากสถานะธรรมชาติที่ 0.7%) แล้วจึงนำไปแปรรูปเพิ่มเติมเพื่อสร้างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

.

ที่โรงงานแปรรูป ยูเรเนียมออกไซด์จะถูกแปลงเป็นยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF6) ในรูปสารเคมีเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมได้ UF6 ถูกนำมาใช้ด้วยเหตุผลสองประการ คือ 1) ธาตุฟลูออรีนมีไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเพียงไอโซโทปเดียว ซึ่งเป็นประโยชน์ในระหว่างกระบวนการเสริมสมรรถนะ (เช่น ในขณะแยก U235 ออกจาก U238 ฟลูออรีนจะไม่ส่งผลต่อความแตกต่างของน้ำหนัก) และ 2) UF6 อยู่ในสถานะก๊าซที่อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสม

.

อันตรายหลักสองประการที่อาจเกิดขึ้นในโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียม ได้แก่ อันตรายจากสารเคมีที่อาจเกิดขึ้นจากการรั่วไหลของ UF6 และอันตรายจากภาวะวิกฤตที่เกี่ยวข้องกับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ

.

โลหะสีเงินที่ซ่อนอยู่ในหินและดินมีชื่อว่า "ยูเรเนียม" มันมีพลังงานมหาศาลและมีอันตรายเต็มเปี่ยม เพราะมี กัมมันตภาพรังสี ที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ในตารางธาตุ ยูเรเนียมมี เลขอะตอม 92 นับตามจำนวนอนุภาคที่เรียกว่าโปรตอนในใจกลางของอะตอม ซึ่งทำให้มันเป็น "ธาตุหนัก"

.

สิ่งที่น่าสนใจคือยูเรเนียมในธรรมชาติ มี 2 ไอโซโทป คือ

.

- ยูเรเนียม-238 (U-238) มีโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 146 ตัว คิดเป็นประมาณร้อยละ 99.27 ของยูเรเนียมทั้งหมด

.

- ยูเรเนียม-235 (U-235) มีโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 143 ตัว มีสัดส่วนเพียงร้อยละ 0.72 เท่านั้น

.

แต่ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยของจำนวนนิวตรอนที่ห่างกันเพียง 3 ตัวนี้ กลับมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ "ปฏิกิริยานิวเคลียร์"

.

เฉพาะยูเรเนียม-235 เท่านั้นที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction) ได้ในปฏิกิริยานี้ นิวตรอนจะเข้าชนและแยกนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลพร้อมกับนิวตรอนตัวใหม่ ซึ่งจะไปชนอะตอมอื่น ๆ ต่อไปเรื่อย ๆ นี่คือหลักการพื้นฐานที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อผลิตไฟฟ้า และในทางกลับกันก็คือหลักการทำงานของระเบิดปรมาณูที่สร้างพลังทำลายล้างมหาศาลจากการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่รวดเร็วและควบคุมไม่ได้

.

ดังนั้น เพื่อให้ยูเรเนียมสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้าหรือเป็นวัสดุสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ จำเป็นต้องเพิ่มสัดส่วนของยูเรเนียม-235 ให้สูงขึ้นจากระดับธรรมชาติ กระบวนการนี้เรียกว่า การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (Uranium Enrichment)

.

วิธีเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (Uranium Enrichment) ในปัจจุบัน

.

วิธีการที่นิยมใช้ในปัจจุบัน คือ การใช้เครื่องเหวี่ยงแก๊ส (Gas Centrifuge) อาศัยหลักการของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ก๊าซยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF6) ซึ่งเป็นสารประกอบของยูเรเนียม จะถูกป้อนเข้าไปในกระบอกสูบที่เรียกว่าโรเตอร์ ซึ่งจะหมุนด้วยความเร็วสูงมาก 70,000 รอบ/นาที

.

ด้วยแรงเหวี่ยงนี้ จะทำให้โมเลกุลของยูเรเนียม-238 ที่หนักกว่าจะถูกผลักออกไปด้านนอกของโรเตอร์ ในขณะที่โมเลกุลของยูเรเนียม-235 ที่เบากว่าจะยังคงรวมตัวอยู่ใกล้ศูนย์กลาง การสกัดก๊าซจากส่วนต่าง ๆ ของเครื่องเหวี่ยงจะช่วยให้ได้ยูเรเนียม-235 ที่มีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

.

เนื่องจากการแยกในแต่ละครั้งมีประสิทธิภาพจำกัด จึงจำเป็นต้องเชื่อมต่อเครื่องเหวี่ยงหลายเครื่องเข้าด้วยกันเป็นชุดที่เรียกว่า "ชุดเครื่องเหวี่ยง" (Cascades) เพื่อดำเนินการแยกซ้ำแล้วซ้ำเล่า จนกว่าจะถึงระดับความเข้มข้นที่ต้องการ