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

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

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

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

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)

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