----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ทอเรียม

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ทอเรียม เป็นธาตุชนิดหนึ่งในตารางธาตุ มีสัญลักษณ์ Th มีเลขอะตอม 90 เป็นธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ มีคุณสมบัติเป็นโลหะที่มีกัมมันตภาพรังสีเล็กน้อย สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้เช่นเดียวกับยูเรเนียม

คุณสมบัติ

ทอเรียมบริสุทธิ์เป็นโลหะสีขาวเงินโดยยังคงเป็นมันเงาอยู่แม้จะเก็บไว้เป็นเวลาหลายเดือน แต่ถ้ามีออกไซด์ปะปนอยู่ทอเรียมจะหมองลงช้าๆ เมื่อสัมผัสอากาศ จากนั้นจะกลายเป็นสีเทาและเป็นสีดำในที่สุด ทอเรียมไดออกไซด์ (Thorium dioxide, ThO2) มีชื่อเรียกว่า ทอเรีย (thoria) เป็นออกไซด์ที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุด (3300?C) เมื่อให้ความร้อนในอากาศ โลหะทอเรียมจะติดไฟและจะลุกไหม้โดยให้เปลวไฟเป็นแสงสีขาว

 
แร่โมนาไซต์ในควอรตซ์
 
ทรายโมนาไซต์

การนำมาใช้ประโยชน์

การนำทอเรียมมาใช้:

  • ไส้ตะเกียง (mantles) ในตะเกียงที่ใช้น้ำมันหรือแก๊ส เช่นตะเกียงเจ้าพายุ เมื่อได้รับความร้อนจากเปลวไฟของแก๊สไส้ตะเกียงจะส่องแสงสว่างจ้า (ไม่ได้เกิดจากกัมมันตภาพรังสี)
  • เมื่อทำให้อยู่ในรูปอัลลอยด์ของแมกนีเซียม จะทำให้มีความแข็งแรงมากและทนต่ออุณหภูมิสูง
  • มีการใช้ทอเรียมเคลือบลวดทังสเตนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อทำให้คาโทด (cathodes) ที่ได้รับความร้อนมีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้ดีขึ้น
  • มีการใช้ทอเรียมในขั้วทังสเตนที่ใช้ในการเชื่อมด้วยไฟฟ้าและเซรามิกส์ทนความร้อน (heat-resistant ceramics)
  • มีการใช้เทคนิคการหาอายุด้วยยูเรเนียม-ทอเรียม (Uranium-thorium age dating) เพื่อหาอายุของฟอสซิลมนุษย์โบราณ (hominid fossils)
  • ทอเรียมเป็นวัสดุเฟอร์ไทล์ (fertile material) ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ออกแบบมาสำหรับใช้กับทอเรียมและทำให้มีเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นได้
  • ทอเรียมใช้ทำวัสดุป้องกันรังสีได้ดี แม้ว่าจะไม่เป็นที่นิยมใช้ดังเช่นตะกั่วหรือ depleted uranium
  • ทอเรียมสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ต่ำกว่าวิกฤต (subcritical reactors) แทนยูเรเนียม ซึ่งปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง ทำให้มีกากกัมมันตรังสีน้อยกว่าและจะไม่สามารถเกิดเหตุการณ์ที่แกนเครื่องปฏิกรณ์ฯ ละลาย (meltdown)

การนำทอเรียมไดออกไซด์ (thorium dioxide, ThO2 ) มาใช้:

  • ใช้ควบคุมขนาดของเม็ดทังสเตนสำหรับใช้ในตะเกียงไฟฟ้า
  • ใช้ทำเบ้าหลอมสำหรับห้องปฏิบัติการอุณหภูมิสูง
  • ใช้เติมลงในแก้วเพื่อใช้ทำแก้วดัชนีหักเหสูงและมีการกระจายแสงต่ำ ใช้ผลิตเลนส์คุณภาพสูงสำหรับใช้ในกล้องถ่ายรูปและอุปกรณ์วิทยาศาสตร์
  • ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)
    o ในการเปลี่ยนแอมโมเนียเป็นกรดไนตริก
    o ในการแยกน้ำมันปิโตรเลียม (petroleum cracking)
    o ในการผลิตกรดกำมะถัน (sulfuric acid)
  • ทอเรียมไดออกไซด์เป็นส่วนผสมที่สำคัญ (active ingredient) ของ Thorotrast ซึ่งใช้เป็นส่วนประกอบในการวินิจฉัยด้วยรังสีเอกซ์ ซึ่งมีการใช้มากในการวินิจฉัยโรคมะเร็ง

ตะเกียงและไส้ตะเกียงเจ้าพายุที่มีส่วนผสมของทอเรียม

ความเป็นมา

ทอเรียมได้รับการค้นพบในปี 1828 โดยนักเคมีชาวสวีเดน Jons Jakob Berzelius และได้ตั้งชื่อธาตุชนิดว่าทอร์ (Thor) ซึ่งเป็นเทพสายฟ้าของชาวนอร์เวย์ แต่ก็ยังไม่มีนำโลหะทอเรียมมาใช้ประโยชน์จนกระทั่งมีการประดิษฐ์ไส้ตะเกียงในปี 1885
ในปี 1925 Anton Eduard van Arkel และ Jan Hendrik de Boer ได้ค้นพบกระบวนการ crystal bar process หรือ Iodide process ทำให้สามารถผลิตโลหะทอเรียมที่มีความบริสุทธิ์สูงได้
ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสี 230Th ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เกิดจากการสลายตัวในอนุกรมของ 238U และในตอนแรกได้ตั้งชื่อว่าไอโฮเนียม (ionium) โดยใช้สัญลักษณ์ Io ก่อนที่จะพบว่า ไอโอเนียมมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกับทอเรียม

การเกิดขึ้นของทอเรียม

ทอเรียมพบได้ปริมาณเล็กน้อยในดินและหิน โดยมีมากกว่ายูเรเนียมประมาณ 3 เท่า และมีใกล้เคียงกับตะกั่ว ดินทั่วไปมีทอเรียมโดยเฉลี่ยประมาณ 6 ส่วนในล้านส่วน (ppm) มีทอเรียมอยู่ในแร่หลายชนิด ที่พบมากคือแร่ทอเรียมฟอสเฟตในกลุ่มธาตุหายาก (rare earth-thorium-phosphate mineral) หรือ monazite ซึ่งมีทอเรียมออกไซด์ประมาณ 12% และพบว่ามีการสะสมเป็นแหล่งใหญ่ในหลายประเทศ 232Th มีการสลายตัวช้ามาก เนื่องจากมีครึ่งชีวิตประมาณ 3 เท่าของอายุโลก แต่มีไอโซโทปอื่นของทอเรียมที่เกิดขึ้นในอนุกรมการสลายตัวของทอเรียมกับยูเรเนียม ซึ่งมีครึ่งชีวิตสั้นและมีกัมมันตภาพรังสีสูงกว่า 232Th จึงไม่นำมาคิดเป็นมวลของธาตุทอเรียม

การใช้ทอเรียมทำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

ทอเรียมสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้เช่นเดียวกับยูเรเนียมกับพลูโตเนียม แม้ว่าทอเรียมเองจะไม่ใช่วัสดุฟิชไซล์ แต่เมื่อดูดกลืนนิวตรอนแล้วจะกลายเป็นยูเรเนียม-233 (uranium-233, 233U) ซึ่งเป็นวัสดุฟิชไซล์ จึงเป็นวัสดุเฟอร์ไทล์เช่นเดียวกับยูเรเนียม-238 238U ความจริง 233U ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้ดีกว่าวัสดุฟิชไซล์อีก 2 ชนิด คือ 235U กับ plutonium-239 (239Pu) เนื่องจากเมื่อดูดกลืนนิวตรอนแล้วจะให้นิวตรอนออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชันได้มากกว่า มีการนำไปใช้ในผลิตเชื้อเพลิงโดยวิธี breeding cycle โดยใช้วัสดุฟิชไซล์ เช่น 235U หรือ 239Pu เป็นเชื้อเพลิงตั้งต้น ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าการเปลี่ยน 238U ไปเป็น 239Pu ดังที่ใช้อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอน (slow-neutron reactors) ในปัจจุบัน 232Th ที่ดูดกลืนนิวตรอนจะกลายเป็น 233Th และสลายตัวไปเป็น protactinium-233 (233Pa) และสลายตัวอีกครั้งเป็น 233U เมื่อนำเชื้อเพลิงออกจากเครื่องปฏิกรณ์มาสกัด 233U ออกจากทอเรียมด้วยกระบวนการทางเคมี ซึ่งใช้วิธีการที่ง่ายและราคาถูกกว่าการใช้กระบวนการเสริมสมรรถนะ (enrichment) จากนั้นจึงขึ้นรูปและนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต่อไป

ปัญหาของการผลิตเชื้อเพลิงด้วยวิธีนี้ นอกจากจะมีราคาสูงในส่วนของการขึ้นรูป (fabrication) เชื้อเพลิงแล้ว 233U ยังมีกัมมันตภาพรังสีสูงจากการปนเปื้อนของไอโซโทปรังสี 232U ซึ่งมีอายุสั้น และการนำทอเรียมกลับมาใช้ก็จะมีกัมมันตภาพรังสีสูงจาก 228Th รวมทั้งมีความเสี่ยงกับการที่จะมีการนำ 233U ไปใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งปัญหาทางเทคนิคในการนำเชื้อเพลิงกลับมาใช้ใหม่ ยังต้องมีการพัฒนาวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม (thorium fuel cycle) ก่อนที่จะนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งต้องมีความพยายามอย่างสูง เนื่องจากยังมียูเรเนียมให้ใช้ได้อยู่ในปริมาณมาก

อย่างไรก็ตาม วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ก็ถือว่าเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพสูงในระยะยาว เนื่องจากเป็นผลิตเชื้อเพลิง (breeding fuel) โดยไม่ต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็ว (fast neutron reactors) ทอเรียมนั้นมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียม จึงเป็นกุญแจสำคัญของความยั่งยืนของพลังงานนิวเคลียร์

อินเดียเป็นประเทศที่มีปริมาณสำรองของทอเรียมอยู่มาก และเป็นประเทศเดียวที่มีแผนในการพัฒนาโครงการพลังงานนิวเคลียร์จากทอเรียม โครงการขนาดใหญ่นี้ ใช้ทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวคลียร์สำหรับผลิตเชื้อเพลิง ทั้งแบบเทอร์มัลนิวตรอนและแบบใช้นิวตรอนเร็ว โดยเร่มต้นโครงการด้วยเครื่องปฏิกรณ์ใช้น้ำมวลหนักแบบก้าวหน้า (Advanced Heavy Water Reactor) กับเครื่องปฏิกรณ์ KAMINI
ปริมาณสำรองแร่ทอเรียมในปัจจุบัน

  • อินเดีย 360,000 ตัน
  • ออสเตรเลีย 300,000 ตัน
  • นอร์เวย์ 170,000 ตัน
  • สหรัฐอเมริกา 160,000 ตัน
  • แคนาดา 100,000 ตัน
  • อัฟริกาใต้ 35,000 ตัน
  • บราซิล 16,000 ตัน
  • ประเทศอื่นๆ 95,000 ตัน
 
การขึ้นรูปเชื้อเพลิงทอเรียมผสมวัสดุฟิชไซล์

ไอโซโทปของทอเรียม

ทอเรียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ มีไอโซโทปเดียวคือ 232Th ส่วนไอโซโทปรังสีของทอเรียมที่ตรวจพบแล้วมี 25 ไอโซโทป มีน้ำหนักอะตอมตั้งแต่ 212 amu (212Th) ไปจนถึง 236 amu (236Th) โดย 232Th เป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุด มีครึ่งชีวิต 14.05 พันล้านปี ถัดมาเป็น 230Th มีครึ่งชีวิต 75,380 ปี 229Th มีครึ่งชีวิต 7,340 ปี และ 228Th มีครึ่งชีวิต 1.92 ปี ส่วนที่เหลือเป็นไอโซโทปรังสีที่มีครึ่งชีวิตน้อยว่า 30 วัน และส่วนใหญ่มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 10 นาที ไอโซโทปของทอเรียม

ข้อควรระวัง

ผงโลหะทอเรียมนั้นติดไฟได้เอง (pyrophoric) จึงควรใช้ความระมัดระวัง
ปัจจุบันยังไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับบทบาทของธาตุทอเรียมในสิ่งมีชีวิต แต่การสูดละอองทอเรียมเข้าไปอาจจะทำให้เพิ่มความเสี่ยงในการเป็นมะเร็งปอด ตับและเม็ดโลหิต การรับทอเรียมเข้าไปในร่างกายจะทำให้เพิ่มความเสี่ยงในการเป็นมะเร็งตับ

การทดลองที่เป็นข่าว

David Hahn, ซึ่งมีชื่อเรียกว่าลูกเสือกัมมันตรังสี (radioactive boy scout) ได้ทำการทดลองในโรงรถ โดยการยิงทอเรียมที่อยู่ในไส้ตะเกียงด้วยนิวตรอน เพื่อผลิตวัสดุที่เกิดฟิชชันได้ (fissionable material) ต่อมาได้ล้มเลิกโครงการไป เนื่องจากเขาได้ตรวจพบว่ามีระดับรังสีสูงขึ้นในบ้านหลายหลังที่อยู่ถัดออกไป

ในปี 1999 กลุ่มนักศึกษาของมหาวิทยาลัยชิคาโก ได้ทำโครงงานโดยการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กที่สามารถทำงานได้

 
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิต U-233 จาก Th-232
 
ถอดความจาก Thorium
เวบไซต์ www.wikipedia.com