STKC 2553

โปรแกรมเมกะตันเพื่อเมกะวัตต์

ตอนที่ 2 : HEU กับ LEU

โกมล อังกุรรัตน์
ผู้เชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์
ศูนย์ไอโซโทปรังสี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ในตอนที่แล้ว ได้กล่าวถึงโปรแกรมเมกะตันเพื่อเมกะวัตต์ ซึ่งเป็นความตกลงร่วมมือกันใน ค.ศ. 1993 ของสหรัฐอเมริกา กับรัสเซีย ในการป้องกันการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์โดยการเปลี่ยนยูเรเนียม-235 เสริมสมรรถนะสูง (HEU) ที่ได้จาก การรื้ออาวุธนิวเคลียร์ของรัสเซียมาทำเป็น ยูเรเนียม-235 เสริมสมรรถนะต่ำ (LEU) เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ในตอนที่ 2 นี้ จะได้ขยายความเพื่อความเข้าใจ HEU กับ LEU ในด้านเทคนิค

 ขั้นตอนการเปลี่ยน HEU เป็น LEU

1. การรื้อถอดส่วนประกอบหัวรบ

การที่จะเปลี่ยน HEU จากอาวุธนิวเคลียร์ของรัสเซียไปเป็น LEU เพื่อนำไปประกอบเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเชิงพาณิชย์ ของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ จะดำเนินการที่สถานีติดตั้งอาวุธนิวเคลียร์สองสามแห่งในรัสเซีย เริ่มต้นจาก การถอดออกของหัวรบ และ ส่วนประกอบของหัวรบ HEU ที่เป็นโลหะ ที่ส่วนจุดยุทธศาสตร์ติดตั้งขีปนาวุธ

2 . กระบวนการออกซิเดชัน (oxidation)

ณ.ที่ Siberian Chemical Enterprise (SChE) ใน Seversk และที่ Mayak Production Association (MPA) ใกล้ ๆ Ozersk ส่วนประกอบหัวรบ HEU จะถูกใสเป็นแผ่นบาง ๆ แล้วนำมาผ่านการให้ความร้อนเปลี่ยนเป็นออกไซด์ HEU และ ส่วนปนเปื้อนอื่น ๆ ถูกแยกออกโดยกระการทางเคมี

3. กระบวนการฟลูออริเนชัน (Fluorination)

ที่ SChE และที่ Electrochemical Plant (ECP) ใกล้ ๆ Krasnoyarsk ยูเรเนียมออกไซด์ HEU จะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูป ของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์เสริมสมรรถนะสูง (Hexafluoride; UF6) ส่วนประกอบนี้เมื่อให้ความร้อนจะเปลี่ยนสถานะ เป็นแก๊ส

4. กระบวนการเจือจาง (Dilution)

ที่ SChE ที่ ECP และที่ Urals Electrochemical Intergrated Plant (UEIP) ใกล้ ๆ Ekaterinburg สารประกอบ UF6 เสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาให้เป็นแก๊สด้วยไอน้ำร้อน แล้วนำมาผสมกับวัสดุอื่น ๆ เพื่อเจือจางให้ได้ยูเรเนียม-235 น้อยกว่า 5% ซึ่งเป็นระดับที่เสริมสมรรถนะต่ำไม่มีคุณค่าทางด้านการทหาร นอกจากนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า

5. กระการบรรจุถัง

จากโรงงานสามแห่งที่มีกระการเจือจางจนได้เป็น LEU ก็จะถูกตรวจสอบคุณสมบัติ ให้ได้ตามวัตถุประสงค์ แล้วนำมา บรรจุในถังโลหะขนาด 2.5 ตัน

6. ขนส่งไปที่เซต์ปีเตอร์สเบิร์ก (St. Petersburg)

LEU ที่บรรจุถังแล้วจะถูกขนส่งด้วย คอนเทนเนอร์ไปเก็บรวบรวมไว้ที่ St. Petersburg ซึ่งรับผิดชอบโดย USEC เพื่อที่จะ นำส่งให้ USEC ในสหรัฐอเมริกาต่อไป

7. กระบวนการเมื่อถึง USEC

ที่ USEC (เมื่อก่อนคือโรงงาน Portsmouth ปัจจุบันคือโรงงาน Paducah) LEU ที่ได้จะถูกตรวจสอบคุณสมบัติอีกครั้ง ถ้าจำเป็นอาจต้องมีการปรับแต่งระดับการเสริมสมรรถนะ เพื่อให้ได้ตามวัตถุประสงค์

8. ขนส่งไปโรงงานประกอบ

USEC ส่ง LEU ที่ได้นี้ไปที่โรงงาน (ที่ Global Nuclear Fuels ที่ Framatome หรือที่ Westinghouse) แล้วดำเนินการ เปลี่ยน UF6 ให้เป็นเม็ดยูเรเนียมออกไซด์ และประกอบเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หลังจากนั้นโรงงานประกอบก็จะนำส่ง เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ให้กับลูกค้าของ USEC ต่อไป

9. ความโปร่งใสของโปรแกรม HEU

เพื่อความเชื่อมั่นว่า LEU ที่ได้จากรัสเซียมาจากหัวรบนิวเคลียร์ของรัสเซียจริง หน่วยงาน U.S. Department of Energy และ National Nuclear Security Administration (NNSA) ได้จัดการให้โปรแกรมมีความโปร่งใสของ HEU ขึ้น โดย ภายใต้โปรแกรมนี้ NNSA จะเฝ้าตรวจทุก ๆ ขั้นตอนของการดำเนินการต่าง ๆ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ และมี ความเชื่อมั่นของการไม่เผยแพร่อาวุธนิวเคลียร์

 ก็มาถึงคำถามที่ว่าทำไมต้องเป็น ยูเรเนียม 235

แร่ยูเรเนียมที่อยู่ในเหมืองจะมีส่วนผสมของยูเรเนียม ไอโซโทปต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นยูเรเนียม-238 แต่ไอโซโทป ของยูเรเนียมที่เราจะใช้พลังงานจากมันก็คือ ยูเรเนียม-235 โดยจะมีความแตกต่างจากยูเรเนียม-238 ตัวยูเรเนียม-235 จะเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้เมื่อถูกชนโดยนิวตรอนช้า ทำให้นิวเคลียสเกิดการแบ่งแยกออกเป็นสองส่วน มีการ ปลดปล่อยพลังงานออกมา และได้นำพลังงานนี้ไปใช้ประโยชน์ โดยปกติยูเรเนียมในธรรมชาติจากเหมืองผลิตจะมี ไอโซโทปของ ยูเรเนียม-235 อยู่ 0.711% แต่มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังบางชนิด สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ เป็นเชื้อเพลิงได้ เช่นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ CANDU ในแคนาดา แลเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Magnox ของ สหราชอาณาจักร โดยปกติทั่วไป เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังที่ใช้ผลิตไฟฟ้า จะใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะไม่ต่ำกว่า 4% เป็นเชื้อเพลิง แต่ถ้าเป็นหัวรบอาวุธนิวเคลียร์ ต้องใช้ยูเรเนียม-235 เสริมสมรรถนะสูงอย่างน้อยที่สุดไม่ต่ำกว่า 90%

 Separative Work Unit

คือหน่วยที่แสดงถึงขนาดความพยายาม ที่ต้องการใช้ในการแยกไอโซโทป 2 ไอโซโทปของธาตุ โดยสัดส่วนของ ไอโซโทปหนึ่งเพิ่มขึ้นในผลผลิตที่ต้องการ ใช้สัญลักษณ์ SWU โดยทั่วไป SWU’s จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่จะเพิ่ม ปริมาณเปอร์เซ็นต์ของยูเรเนียม 235 ซึ่งใช้อธิบายถึงศักยภาพของโรงงานแยกไอโซโทปของธาตุต่อปี (SWUs ต่อปี) และความต้องการเชื้อเพลิงของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ มันคือหน่วย SWU ที่ถูกขาย เช่นโรงไฟฟ้าพลังงาน นิวเคลียร์ขนาด 1300 เมกะวัตต์ ต้องการเชื้อเพลิงยูเรเนียม-235 เสริมสมรรถนะ 3.75% ประมาณ 25 ตัน ซึ่งปริมาณ เชื้อเพลิงขนาดนี้สามารถเตรียมมาจากยูเรเนียมธรรมชาติ 210 ตัน ต้องใช้ 120 ตัน SWUs ในสหรัฐอเมริกา ผู้ต้องการ ใช้ประโยชน์จะต้องซื้อ Separative Work Unit จากกระทรวงพลังงาน (Department of Energy) อนึ่ง SWU ถ้าไม่ใช้ ในหน่วย กิโลกรัม (ในเยอรมัน ใช้ kg UTA) ก็อาจใช้ หน่วย ตัน SWU (หนึ่งตัน คือ 1000 กิโลกรัม) ขนาดของ SWU ก็คือมวล

ถึงแม้ว่า SWU ส่วนมากจะแสดงค่าในหน่วยของพลังงาน แต่จะไม่แสดงค่าดังตารางด้านล่าง

กระบวนการ

พลังงานที่ใช้ต่อ SWU

Gaseous Diffusion

2400 kilowatt-hours (8600 megajoules)

Modern Gas Centrifuge

50 kilowatt-hours (180 megajoules)

 ขอบเขตเส้นแบ่งระหว่าง HEU กับ LEU

 

ยูเรเนียม –235 (%)

ยูเรเนียมธรรมชาติ (Natural Uranium)

0.711 %

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (High-Enriched Uranium; HEU)

มากกว่า 20% ขึ้นไป

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ (Low-Enriched Uranium; LEU)

น้อยกว่า 20% ลงมา

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเล็กน้อย (Slightly-Enriched Uranium; SEU)

น้อยกว่า 1.5 % ลงมา ใช้สำหรับเป็นส่วนผสม ทำให้ HEU เป็น LEU

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

ใช้ LEU ต่ำกว่า 5% เป็นเชื้อเพลิง

เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยในปัจจุบัน

มีทั้งที่ใช้ HEU และ LEU เป็นเชื้อเพลิง แต่ในอนาคต ด้วยโครงการไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ และภายใต้ข้อกำหนดของทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) จะให้ใช้ LEU ต่ำกว่า 20% เป็นเชื้อเพลิง

หัวรบอาวุธนิวเคลียร์ ระเบิดนิวเคลียร์

ใช้ HEU มากว่า 90% ขึ้นไปเป็นเชื้อเพลิง

 เรียบเรียง/ถอดความจาก

http://en.wikipedia.org/wiki/Megatons_to_Megawatts_Program

http://www.usec.com/megatons to megawatts.htm