รู้จักกระบวนการเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
การเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” คือหนึ่งในเหตุผลที่สหรัฐอเมริกาและอิสราเอลใช้โจมตีอิหร่าน ด้วยเหตุนี้ Thai PBS Sci & Tech จึงขอพาไปทำความเข้าใจกระบวนการ Ultracentrifugation ที่ใช้ในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง “นิวเคลียร์” ว่ามีกระบวนการอย่างไรบ้าง
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)
การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (Uranium Enrichment)
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
รู้จักกระบวนการเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
การเสริมสมรรถนะ “ยูเรเนียม” คือหนึ่งในเหตุผลที่สหรัฐอเมริกาและอิสราเอลใช้โจมตีอิหร่าน ด้วยเหตุนี้ Thai PBS Sci & Tech จึงขอพาไปทำความเข้าใจกระบวนการ Ultracentrifugation ที่ใช้ในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง “นิวเคลียร์” ว่ามีกระบวนการอย่างไรบ้าง
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)
การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (Uranium Enrichment)
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