การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (Uranium Enrichment)

อาภรณ์ บุษมงคล
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม (uranium enrichment) เป็นกระบวนการในการแยกยูเรเนียม-235 ออกจาก ยูเรเนียม-238 และทำให้ยูเรเนียม-235 เข้มข้นสูงกว่าในธรรมชาติเพื่อ นำไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่ใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะ หรือความเข้มข้นของยูเรเนียม-235 สูงกว่าในธรรมชาติเท่านั้น

โดยปกติในธรรมชาติจะมียูเรเนียม-235 ประมาณ 0.71 เปอร์เซ็นต์ เมื่อผ่านกระบวนการเสริมสมรรถนะแล้ว จะได้ยูเรเนียมเข้มข้นสูงขึ้นถึง 3-5 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งนำไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา (light-water reactor) ส่วนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบผลิตเชื้อเพลิง (fast breeder reactor) และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อการวิจัย (research reactor) บางชนิดนั้นต้องใช้ยูเรเนียม-235 เข้มข้นสูง 20-90 เปอร์เซ็นต์ วิธีที่ใช้เสริมสมรรถนะยูเรเนียม-235 นั้นมีหลายวิธีแต่ในที่นี้จะกล่าวถึงเพียง 3 วิธีคือ

1.
 การแพร่แก๊ส (gaseous diffusion)  วิธีนี้อาศัยหลักการที่ว่าเมื่อแก๊ส 2 ชนิดผสมกันอยู่แก๊สที่มีโมเลกุลเบากว่าจะเดินทางได้เร็วกว่าแก๊สที่มีโมเลกุลหนักกว่า  ดังนั้นโมเลกุลที่เบากว่าจะมีโอกาสชนผนังภาชนะมากกว่าโมเลกุลที่หนักกว่า และเมื่อทำให้ผนังภาชนะนั้นมีลักษณะเป็นรูพรุนเล็ก ๆ (porous) พอที่จะให้แก๊สโมเลกุลเล็ก ๆ ผ่านไปได้แต่ไม่ให้แก๊สโมเลกุลใหญ่ผ่านได้  ดังนั้นโมเลกุลที่มีขนาดเล็กกว่าจะสามารถผ่านออกนอกภาชนะได้  ส่วนที่เหลือในภาชนะจะเป็นพวกที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่กว่า  ซึ่งในกรณีของยูเรเนียมนั้นการเสริมสมรรถนะจะเกิดในรูปของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF6) ในสถานะแก๊ส แต่อย่างไรก็ตามเนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลของ 235UF6 และ 238UF6 ใกล้เคียงกันมากจึงเป็นการยากที่จะแยก 235UF6 และ 238UF6 ออกจากกันโดยผ่านเครื่องมือเพียงครั้งเดียว  ดังนั้นจึงต้องทำเครื่องมือหลาย ๆ ชุดต่อกันโดยให้แก๊สที่ออกจาก เครื่องมือชุดที่ 1 ผ่านเข้าเครื่องมือชุดที่ 2 , 3 ... ต่อกันไปเรื่อย ๆ (cascade) เพื่อให้ได้ความเข้มข้นของยูเรเนียม-235 ตามที่ต้องการ
 
2.
 การหมุนเหวี่ยงแก๊ส (gas gentrifuge) วิธีนี้แก๊สที่จะถูกแยกจะใส่อยู่ในภาชนะซึ่งหมุนได้  หลังจากนั้นหมุนภาชนะด้วยความเร็วสูงมาก ซึ่งจะทำให้แก๊สโมเลกุลหนักกว่า เคลื่อนที่มาอยู่รอบนอกของภาชนะ ในขณะที่แก๊สโมเลกุลเบากว่าจะรวมกันและลอยขึ้นบริเวณตรงกลาง  ลักษณะของเครื่องมือนี้จะออกแบบให้แก๊สไหลวนอยู่บริเวณตรงแกนกลางของภาชนะ  เมื่อปล่อยให้แก๊ส UF6 เข้าไปจะไหลวนอยู่บริเวณแกนกลางของภาชนะ โมเลกุลของ 235UF6 ซึ่งเบากว่าจะเคลื่อนที่ขึ้นทางด้านบนของภาชนะ และถูกดึงเข้าทางช่องบนแล้วไหลออกทางด้านบนของภาชนะ  ส่วน 238UF6 ซึ่งเป็นโมเลกุลที่หนักกว่า จะพุ่งออกมาด้านผนังของภาชนะ และมาเข้าทางช่องล่าง แล้วไหลออกทางด้านบนของภาชนะ ซึ่งเป็นคนละทางกับที่ 235UF6 ไหลออก ในวิธีนี้ก็จำเป็นต้องใช้เครื่องมือต่อกันหลาย ๆ ชุดเป็น cascade เช่นเดียวกับวิธี การแพร่กระจายของแก๊ส เพื่อให้ได้ ยูเรเนียม-235 เข้มข้นสูง ๆ
 
3.

การพ่นแก๊สด้วยหัวฉีดแบบเบกเกอร์ (Becker jet nozzle process) ในวิธีนี้ส่วนผสมของแก๊ส UF6 และแก๊สไฮโดรเจนจะเคลื่อนผ่านหัวฉีดโค้ง (nozzle curve) ด้วยความเร็วสูงกว่าความเร็วเสียง  แล้วทำให้เกิดความดันแตกต่างกันของแก๊สที่ไหลเข้ามา  ดังนั้นโมเลกุลที่หนักกว่าจะเคลื่อนออกทางด้านขอบนอกของภาชนะเช่นเดียวกับวิธีแรงเหวี่ยงของแก๊ส ส่วนโมเลกุลที่เบากว่าจะถูกแยกออกจากกัน โดยใช้วัสดุที่เล็กและแหลมวางกั้นที่ขอบอีกด้านหนึ่งของหัวฉีดโค้ง ในวิธีของ Becker นี้ เครื่องมือ 1 ชุด จะสามารถแยก ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 ออกจากกันได้ดีกว่าวิธี การแพร่แก๊ส