วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

วัฏจักรเชื้อเพลิงนวเคลียร์ เริ่มจากการทำเหมือง (Mining) เพื่อสกัดยูเรเนียม จากนั้นจึงเปลี่ยนรูป (Conversion) ยูเรเนียม ให้อยู่ในรูปของก๊าซ ก่อนจะเสริมสมรรถนะ (Enrichment) ให้ยูเรเนียม-235 มีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเป็น 2-3% สำหรับผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ หรือเสริมสมรรถนะ ให้ยูเรเนียม-235 มีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 90% สำหรับใช้ในอาวุธนิวเคลียร์

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว อาจสกัดซ้ำ (Reprocessing) เพื่อแยกกากนิวเคลียร์ออก และสกัดเชื้อเพลิงกลับมาใช้ใหม่ หรือสกัดพลูโตเนียม สำหรับผลิตอาวุธนิวเคลียร์ หรือเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

บทนำ :: การทำเหมืองยูเรเนียม

ยูเรเนียมเป็นวัตถุดิบที่ใช้ในโครงการนิวเคลียร์ ทั้งทางทหารและพลเรือน การทำเหมืองยูเรเนียมมี ทั้งการทำเหมืองเปิด และการทำเหมืองขุดลงไปใต้พื้นดิน แม้ว่ายูเรเนียมจะมีอยู่ทั่วไปตามธรรมชาติ ทั่วทุกแห่งในโลก แต่มีเพียงไม่กี่แห่ง ที่พบแหล่งแร่ที่มีความเข้มข้นสูง

เมื่ออะตอมของยูเรเนียมจำนวนหนึ่ง แตกออกในปฏิกิริยาต่อเนื่อง และให้พลังงานออกมา กระบวนการนี้ เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) ภายในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปฏิกิริยาฟิชชัน จะค่อยๆ เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ส่วนอาวุธนิวเคลียร์จะเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว ซึ่งทั้งสองกรณี ต้องควบคุมปฏิกิริยาด้วยความระมัดระวัง

ปฏิกิริยาฟิชชันจะเกิดได้ดีที่สุด เมื่อใช้ไอโซโทป (อะตอมที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน) ของยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ซึ่งรู้จักกันในชื่อ ไอโซโทปฟิสไซล์ (fissile isotope ) เนื่องจากมีความโน้มเอียงที่จะแตกออกและเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง โดยปล่อยพลังงานออกมาในรูปของความร้อน

เมื่ออะตอมของยูเรเนียม-235 แตกออก จะปล่อยนิวตรอนออกมา 2-3 นิวตรอน ถ้ามียูเรเนียม-235 อะตอมอื่นอยู่ นิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะเข้าชน ทำให้อะตอมของยูเรเนียม-235 แตกออกและให้นิวตรอนเพิ่มมากขึ้น

ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะดำเนินต่อไปได้ ถ้ามีจำนวนอะตอมของยูเรเนียม-235 มากเพียงพอ ที่จะทำให้กระบวนการยังคงเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งปริมาณที่ต้องใช้นี้ เรียกว่า มวลวิกฤต (critical mass) อะตอมของยูเรเนียมในธรรมชาติ 1000 อะตอม เป็นยูเรเนียม-235 เพียง 7 อะตอม ส่วนอีก 993 อะตอม เป็นยูเรเนียม-238

การเปลี่ยนรูป (conversion)

ในกระบวนการสกัด แร่ยูเรเนียมจะถูกส่งไปยังโรงงานเพื่อบดให้เป็นผงละเอียด และทำให้บริสุทธิ์ ด้วกระบวนการทางเคมี และทำให้เป็นของแข็ง เรียกว่า เค้กเหลือง (yellow cake) เนื่องจากมีสีเหลือง เค้กเหลืองประกอบด้วยยูเรเนียม 60-70% และมีกัมมันตภาพรังสี โดยนักวิทยาศาสตร์ทางด้านนิวเคลียร์ มีจุดมุ่งหมายที่จะเพิ่มจำนวนอะตอมของ ยูเรเนียม-235 ด้วยกระบวนการเสริมสมรรถนะ (enrichment) โดยละลายเค้กเหลืองในกรดไนตริก และผ่านกระบวนการทางเคมีอีกหลายขั้นตอน จนได้ก๊าซยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (uranium hexafluoride) และเพิ่มอุณหภูมิจนสูงกว่า 64 เซลเซียส เพิ่มส่งเข้าไปในเครื่องหมุนเหวี่ยง (centigrade) ก๊าซยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ มีความไวและมีความกัดกร่อนสูง จึงต้องควบคุมดูแลอย่างระมัดระวัง ท่อและปั๊มของโรงงงานแปรรูป (conversion) มีการสร้างขึ้นพิเศษ จากอัลลอยด์ของอลูมิเนียมกับนิเกิล นอกจากนั้น ต้องดูแลไม่ให้ก๊าซสัมผัสกับน้ำมันและสารหล่อลื่น เพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น

เค้กเหลือง

การเสริมสมรรถนะ (Enrichment)

จุดมุ่งหมายของการเสริมสมรรถนะ คือ การเพิ่มสัดส่วนของอะตอมยูเรเนียม-235 ในยูเรเนียม เนื่องจากยูเรเนียมที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ต้องเสริมสมรรถนะให้มียูเรเนียม-235 เพิ่มขึ้นเป็น 2-3% ขณะที่ยูเรเนียมในอาวุธนิวเคลียร์ ต้องเสริมสมรรถนะให้มียูเรเนียม-235 มากกว่า 90% วิธีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่ใช้กันทั่วไป คือ การหมุนเหวี่ยงก๊าซ (gas centrifuge) ซึ่งก๊าซยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ จะถูกปั่นด้วยความเร็วสูงในท่อทรงกระบอก เพื่อให้ไปโซโทปของยูเรเนียม-238 ที่หนักกว่ายูเรเนียม-235 เล็กน้อย แยกออกจากกัน ยูเรเนียม-238 ในกระบอก จะถูกดึงลงสู่ด้านล่างและแยกออกไป ขณะที่ยูเรเนียม-235 จะจับกลุ่มสะสมอยู่ใกล้กับแกนกลางของกระบอก ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะยูเรเนียม-235 จากเครื่องหมุนเหวี่ยงก๊าซในกระบอกแรก จะส่งไปที่เครื่องถัดไป เพื่อผ่านกระบวนการซ้ำ โดยมีชุดของเครื่องหมุนเหวี่ยงต่อกันเป็นทอดๆ ยูเรเนียมที่เหลืออยู่ จากการสกัดยูเรเนียม-235 ออกไปแล้ว ทำให้เกือบทั้งหมดเป็นอะตอมของยูเรเนียม-238 เรียกว่า depleted uranium ซึ่งเป็นโลหะหนักที่มีกัมมันตภาพรังสีเล็กน้อย สามารถนำไปใช้เป็นส่วนประกอบ กระสุนเจาะเกราะ และยุทโธปกรณ์อีกหลายชนิด การเสริมสมรรถนะอีกวิธีหนึ่งที่ใช้กัน คือ การแพร่ก๊าซ (diffusion) การทำงานของวิธีนี้ ใช้หลักการที่ไอโซโทปของยูเรเนียม ในก๊าซเฮกซะฟลูออไรด์ นั้น ยูเรเนียม-235 มีน้ำหนักน้อยกว่า จึงสามารถแพร่ผ่านผนังที่มีรูขนาดเล็ก (porous barrier) ได้ดีกว่ายูเรเนียม-238 วิธีการนี้ ต้องผ่านกระบวนการซ้ำหลายๆ ครั้ง เช่นเดียวกับการเสริมสมรรถนะ ด้วยเครื่องหมุนเหวี่ยงก๊าซ

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม ด้วยเครื่องหมุนเหวี่ยง

เครื่องปฏิกรณ์ (Reactor)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ทำงานโดยใช้หลักการที่ การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) มีการให้ความร้อนออกมา จึงสามารถนำไปใช้ต้มน้ำให้เป็นไอ เพื่อขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องปฏิกรณ์โดยทั่วไป ใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ ในรูปของเม็ดเชื้อเพลิง (fuel pellet) ซึ่งมีรูปร่างเป็นหลอดขนาดเล็ก มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณเหรียญบาท มีความยาวประมาณ 1 นิ้ว เม็ดเชื้อเพลิงจะถูกนำไปบรรจุในแท่งเชื้อเพลิง (fuel rod) ยาวๆ ก่อนจะรวมกันเป็นมัดเชื้อเพลิง (bundle) และติดตั้งในถังทนแรงดันสูง (pressurised chamber)

มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นิวเคลียร์จำนวนมาก ที่ติดตั้งมัดเชื้อเพลิงไว้ใต้น้ำ เพื่อลดอุณหภูมิ ขณะที่บางแห่ง ใช้คาร์บอนไดออกไซด์ หรือโลหะเหลว (liquid metal) ระบายความร้อนออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ (reactor core)

การทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงานได้ โดยเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน และให้ความร้อนออกมาอย่างต่อเนื่อง ยูเรเนียม-235 ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ต้องมีปริมาณมากพอถึงระดับวิกฤต (critical) ซึ่งหมายถึง ต้องเสริมสมรรถนะยูเรเนียมให้สูงพอ ที่จะทำให้แกนเครื่องปฏิกรณ์ รักษาสถานะในการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้อย่างต่อเนื่อง (chain reaction)

การควบคุมกระบวนการนี้ ใช้วิธีการใส่แท่งควบคุม (control rods) ลงไปในแกนเครื่องปฏิกรณ์ แท่งควบคุมทำด้วยวัสดุ ที่ดูดกลืนนิวตรอนในแกนเครื่องปฏิกรณ์ได้สูง เช่น แคดเมียม เมื่อนิวตรอนมีจำนวนลดลง จะทำให้ปฏิกิริยาต่อเนื่องลดลงไปด้วย กระบวนการฟิชชันจึงเกิดขึ้นช้าลง

ปัจจุบัน มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลก ประมาณ 400 แห่ง ผลิตไฟฟ้าประมาณ 17% ของกำลังผลิตทั้งหมด นอกจากนั้น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยังมีการใช้งานในเรือรบและเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ เช่นกัน

1. แกนเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor core)
2. ปั๊มสารหล่อเย็น (Coolant pump)
3. แท่งควบคุม (Control rods)
4. เครื่องกำเนิดไอน้ำ (Steam generator)
5. ไอน้ำถูกปั๊มไปยังกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า
6. อาคารครอบเครื่องปฏิกรณ์ (Containment)

กระบวนการสกัดซ้ำ (Reprocessing)

กระบวนการสกัดซ้ำ เป็นการใช้วิธีการทางเคมี ในการนำเชื้อเพลิงใช้แล้ว มาแยกเอาเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ ออกจากกากนิวเคลียร์ แท่งเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว เมื่อถอดเอาเปลือกนอกที่เป็นโลหะออก และนำไปละลายในกรดไนตริกที่อุณหภูมิสูง จะแยกออกมาเป็นยูเรเนียมประมาณ 96% กากรังสีระดับสูง (highly radioactive waste) ประมาณ 3% และพลูโตเนียมประมาณ 1%

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกชนิด สามารถทำให้เกิดพลูโตเนียมได้ แต่เครื่องปฏิกรณ์ชนิดที่ใช้ทางการทหาร จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าชนิดอื่น นอกจากนั้น โรงงานที่ใช้ในการสกัดซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ กับเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตพลูโตเนียม ควรอยู่ในการควบคุมดูแล เพื่อไม่ให้มีการนำพลูโตเนียม ไปใช้ในโครงการอาวุธนิวเคลียร์

โรงงานสกัดซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว

ระเบิดยูเรเนียม (Uranium bomb)

ผู้ที่ออกแบบระเบิดนิวเคลียร์ จะต้องทำให้มวลของเชื้อเพลิง อยู่ในสภาวะเหนือวิกฤต (supercritical mass) เพื่อให้ปฏิกิริยาต่อเนื่องคงสถานะอยู่ และปล่อยพลังงานกับความร้อนสูงออกมา

การออกแบบอย่างง่ายที่สุด เรียกว่า แบบจุดระเบิดด้วยการยิง (gun) โดยภายในลูกระเบิด มีก้อนยูเรเนียม 2 ก้อน ที่มีมวลต่ำกว่าวิกฤต (subcritical) เมื่อจุดระเบิดเพื่อยิงก้อนยูเรเนียมที่มีมวลน้อย ไปยังยูเรเนียมที่มีมวลมากกว่า ทำให้มวลทั้งสองรวมกันแล้ว มีผลรวมของมวลมากกว่าค่าของมวลวิกฤต หรือเกิดสภาวะของมวลที่เหนือวิกฤต (supercritical) และเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันต่อเนื่องอย่างรวดเร็ว จนระเบิดออกมา กระบวนการนี้ใช้เวลาไม่ถึงวินาที

การผลิตเชื้อเพลิงสำหรับทำระเบิดยูเรเนียม ต้องเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ให้สูงมาก แล้วเปลี่ยนรูปเป็นยูเรเนียมออกไซด์ ก่อนจะทำให้อยู่ในรูปของโลหะยูเรเนียม

ระเบิดปรมาณูแบบฟิชชัน ที่เคยมีการผลิตขึ้นมา มีแรงระเบิดสูงสุด 50 กิโลตัน แรงระเบิดสามารถทำให้เพิ่มขึ้นได้ โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า boosting โดยการใช้จุดระเบิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

ฟิวชันเป็นปฏิกิริยา ที่นิวเคลียสของไอโซโทปของไฮโดรเจนมารวมกัน แล้วกลายเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นได้ ไฮโดรเจนต้องอยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก ซึ่งทำให้เกิดสภาวะนี้ได้ โดยใช้ระเบิดนิวเคลียร์แบบฟิชชัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน สามารถให้นิวตรอนพลังงานสูง ซึ่งจะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ที่มีแรงระเบิดที่สูงมากขึ้น ระเบิดนิวเคลียร์แบบ ฟิชชัน-ฟิวชัน-ฟิชชัน (fission-fusion-fission) เรียกว่าระเบิดไฮโดรเจน (hydrogen bombs) หรือระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear)

ระเบิดปรมาณูแบบฟิชชันจุดระเบิดด้วยการยิง

ระเบิดพลูโตเนียม Plutonium bomb

พลูโตเนียม มีจุดเด่นเหนือกว่ายูเรเนียมหลายประการ ในการนำไปใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ พลูโตเนียมน้ำหนักเพียง 4 กิโลกรัม ก็สามารถใช้ทำระเบิดได้ โดยมีแรงระเบิดประมาณ 20 กิโลตัน การผลิตพลูโตเนียม 12 กิโลกรัมต่อปี ใช้เพียงโรงงงานสกัดซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีขนาดเล็กเท่านั้น

หัวรบที่บรรจุพลูโตเนียมทรงกลม จะมีชั้นของเบริลเลียมหุ้มอยู่ภายนอก เพื่อทำหน้าที่สะท้อนนิวตรอน ให้กลับมาเสริมกระบวนการฟิชชัน พลูโตเนียมจึงมีมวลวิกฤต (ซึ่งจะรักษาสภาวะของปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้) ต่ำกว่ายูเรเนียม กลุ่มผู้ก่อการร้าย หรือบางประเทศที่ต้องการ จึงสามารถหาพลูโตเนียม จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทางพลเรือน ได้ง่ายกว่าการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม เพื่อนำไปใช้ทำระเบิดนิวเคลียร์

ผู้เชี่ยวชาญเชื่อว่า ผู้ก่อการร้ายสามารถออกแบบระเบิดพลูโตเนียมอย่างหยาบๆ ได้ โดยไม่จำเป็นต้องมีประสบการณ์สูงมากไปกว่า กลุ่มลัทธิ AUM ซึ่งโจมตีรถไฟใต้ดินของญี่ปุ่น ด้วยก๊าซทำลายประสาท เมื่อปี 1995 ระเบิดนิวเคลียร์แบบนี้ สามารถทำให้เกิดแรงระเบิดเท่ากับ TNT ขนาด 100 ตัน ซึ่งมากกว่า 20 เท่าของระเบิดขนาดใหญ่ที่สุดที่ผู้ก่อการร้ายเคยใช้มา

การออกแบบระเบิดนิวเคลียร์แบบฟิชชัน
 
ถอดความจาก The Nuclear Fuel Cycle
เวบไซต์ www.bbc.co.uk