Nuclear Science
STKC 2555

การผลิตน้ำมวลหนัก
Heavy Water Production

โกมล อังกุรรัตน์
ศูนย์ไอโซโทปรังสี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          น้ำมวลหนัก (D2O) เป็นส่วนสำคัญหลักของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่ใช้เพื่อการผลิตพลูโทเนียม จากยูเรเนียมธรรมชาติ ดังนั้นการผลิตน้ำมวลหนัก จึงต้องถูกเฝ้าตรวจสอบ และการส่งออกน้ำมวลหนัก จะต้องถูกควบคุม นอกจากนี้แหล่งที่มาของ ดิวเทอเรียม (deuterium) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิต ทริเทียม (tritium) และ LiD (Litium Deuterium) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญสองส่วน ที่จำเป็นในการผลิต อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear weapons) ประเทศที่กำลังมองหา ต้องการปริมาณน้ำมวลหนักจำนวนมาก ก็อาจเป็นไปได้ที่จะนำไปใช้เพื่อเป็นตัวหน่วงนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือ อาจจะกำลังวางแผนเพื่อที่จะผลิตพลูโทเนียม อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ CANDU (CANadian Deuterium Uranium) ที่ออกแบบและสร้างใน แคนาดา เพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าเพื่อการพาณิชย์
          น้ำมวลหนัก ก็คือน้ำที่อะตอมไฮโดรเจนสองตัวถูกแทนที่ด้วยดิวเทอเรียม และดิวเทอเรียมก็คือ ไอโซโทปหนึ่งของไฮโดรเจน ประกอบด้วย โปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว น้ำมวลหนักมีอยู่ตามธรรมชาติในน้ำ แต่มีปริมาณน้อยมาก คือน้อยกว่า หนึ่งส่วนในห้าพันส่วน (1/5,000) น้ำมวลหนักเป็นหนึ่งในสองวิธีการ ที่ใช้ใน การหน่วงนิวตรอน ที่จะทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงานได้ โดยการใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง ตัวหน่วงนิวตรอน อีกตัวหนึ่งที่ใช้ คือ แกรไฟต์ (reactor-grade graphite) ที่เป็นแกรไฟต์ที่มีโบรอนเจือปนอยู่น้อยกว่า ห้าส่วนในล้านส่วน (5/1,000,000) และมีความหนาแน่นมากกว่า 1.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (gm/cm3) เครื่องปฏกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรก ที่สร้างในปี 1942 ใช้แกรไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอน เยอรมนีได้มีความพยายามและมุ่งเน้น ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ในการที่จะใช้น้ำมวลหนักในการหน่วงนิวตรอน ในเครื่องปฏกรณ์นิวเคลียร์ ที่ใช้ยูเรเนียมธรมมชาติเป็นเชื้อเพลิง

          ความสำคัญของน้ำมวลหนักในการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ก็คื มันถูกใช้เป็นช่องทางหนึ่ง เพื่อการผลิตพลูโทเนียมสำหรับทำเป็นอาวุธนิวเคลียร์ โดยไม่ต้องใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ หรือระบบเทคนิคสนับสนุนโครงสร้างพื้นฐานอื่นที่เกี่ยวข้องทั้งหมด นอกจากนี้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้น้ำมวลหนักเป็นตัวหน่วงนิวตรอน สามารถใช้เพื่อการผลิต ทริเทียม

          แม้ว่าการพูดถึงการ “ผลิต” น้ำมวลหนัก อย่างไรก็ดี ดิวเทอเรียม ไม่ได้ผลิตขึ้นเป็นกระบวนการผลิต ถ้าจะพูดให้ถูกคือ โมเลกุลของน้ำมวลหนัก ถูกแยกออกมาจากปริมาณน้ำจำนวนมาก ที่ประกอบด้วย H2O หรือ HDO (โมเลกุลของน้ำที่มีดิวเทอเรียมเดี่ยว) ปนกัน และส่วนน้ำที่เหลือถูกกำจัดแยกทิ้งไป อีกทางเลือกหนึ่งคือ วิธีการ แยกน้ำด้วยไฟฟ้า ทำให้ได้ออกซิเจนและไฮโดรเจน ที่เป็นทั้งแก๊สไฮโดรเจนธรรมดา และดิวเทอเรียม ไฮโดรเจนสามารถทำให้เป็นของเหลวและกลั่น เพื่อแยกไฮโดรเจนธรรมดาและดิวเทอเรียม ในที่สุดดิวเทอเรียมที่ได้ จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิดเป็นน้ำมวลหนัก ทั้งนี้ไม่มีส่วนใดเกี่ยวข้องทางด้านนิวเคลียร์เกิดขึ้นเลย

          การผลิตน้ำมวลหนักในปริมาณมาก ๆ ต้องอาศัยโครงสร้างพื้นฐานด้านเทคนิค ซึ่งอย่างหนึ่งความคล้ายคลึงกับที่ใช้ผลิตแอมโมเนีย คือการกลั่นแอลกอฮอล์ และอีกกระบวนการหนึ่งทางอุตสาหกรรมที่พบอยู่ทั่วไป ซึ่งวิธีการหนึ่งในการแยกน้ำมวลหนักออกมาจากน้ำธรรมชาติ ก็คือดำเนินการ เสริมสมรรถนะ (enrich) ปริมาณของดิวเทอเรียมในแก๊สไฮโดรเจนก่อน เป็นไปได้ที่จะใช้ประโยชน์ในเรื่องความต่างกันของ จุดเดือด ของน้ำมวลหนัก คือ 101oC และน้ำปกติ คือ 100oC หรือใช้ความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของดิวเทอเรียม คือ -249.70oC และของไฮโดรเจน คือ -252.50oC อย่างไรก็ตาม เนื่องจากดิวเทอเรียมมีปรากฏอยู่เป็นจำนวนน้อย จะต้องใช้น้ำปริมาณมากมหาศาลมาทำให้เดือด เพื่อให้ได้ดิวเทอเรียมที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้ เพราะว่าน้ำต้องการความร้อนที่สูง เพื่อที่จะทำให้กลายเป็นไอน้ำ กระบวนการนำน้ำมาทำให้เดือดจึงต้องใช้เชื้อเพลิงและพลังงาน ที่มากมหาศาลเช่นกัน ในทางปฏิบัติ ใช้วิธีการที่อาศัยความแตกต่างทางเคมี ซึ่งในกระบวนการจะใช้พลังงานที่น้อยกว่า วิธีการแยกรวมทั้งการกลั่นไฮโดรเจนเหลว และอาศัยการแลกเปลี่ยนทางเคมีหลาย ๆ กระบวนการ ซึ่งใช้ประโยชน์ในข้อที่ดิวเทอเรียมและไฮโดรเจน มีแรงการจับยึดเป็นสารประกอบต่าง ๆ ที่แตกต่างกัน ทั้งหมดนี้รวมถึงระบบ แอมโมเนีย/ไฮโดรเจน (ammonia/hydrogen system) ซึ่งใช้โพแทสเซียมอาไมด์เป็นตัวเร่งปฏิกริยา และระบบไฮโดรเจนซัลฟายด์/น้ำ (hydrogen/water system)(Girdler Sulfide process)

          เปรียบเทียบส่วนประกอบการเสริมสมรรถนะของ ดิวเทอเรียม กับ ยูเรเนียม ในแต่ละขั้นตอนแล้ว จะได้ดิวเทอเรียมที่มีปริมาณมากกว่า ทั้งนี้เพราะมวลน้ำหนักที่แตกต่างกันมาก อย่างไรก็ตาม จะต้องชดเชยกันในข้อที่การเสริมสมรรถนะดิวเทอเรียม ต้องได้ค่าที่สูงกว่า ทั้งนี้เพราะในธรรมชาติจะมี ยูเรเนียม-235 อยู่ 0.7% และจะต้องเสริมสมรรถนะให้ได้ผลผลิตถึง 90% ขณะที่ดิวเทอเรียมมีอยู่เพียง 0.015% ของไฮโดรเจนในน้ำ และจะต้องเสริมสมรรถะให้ได้มากว่า 99% ถ้าไอน้ำที่ป้อนเข้ามามีน้ำมวลหนักอยู่ไม่น้อยกว่า 5% การใช้การกลั่นภายใต้สุญญากาศจะเหมาะ ที่จะเลือกสำหรับใช้ เพื่อการแยกน้ำมวลหนักออกจากน้ำปกติ

          กระบวนการนี้ก็เหมื่อนกับที่ใช้ในการกลั่นบรั่นดีจากไวน์ ความแตกต่างที่มองเห็นได้คือ การใช้ Phosphor-bronze บรรจุในท่อกลั่น โดยผ่านกรรมวิธีการทางเคมี เพื่อปรับปรุงความสามารถในการทำให้เปียกของท่อกลั่น แทนที่จะใช้บรรจุท่อกลั่นด้วยทองแดง ของเหลวอินทรีย์จะเป็นพวกไม่มีขั้วทางไฟฟ้า (non-polar) และเกาะตัวที่โลหะใด ๆ ทำให้เปียก ขณะที่โมเลกุลของน้ำมีขั้วทางไฟฟ้าที่สูงกว่า มีแรงตึงผิวที่สูง จะเกาะตัวทำให้โลหะเปียกเป็นส่วนน้อย กระบวนการนี้ดำเนินการได้ดีที่อุณหภูมิต่ำ ๆ ซึ่งการไหลของน้ำมีขนาดที่น้อย ดังนั้นการทำให้สิ่งที่บรรจุในท่อกลั่นเปียก จึงเป็นส่วนที่สำคัญ phosphor-bronze คือโลหะผสมของทองแดง ประกอบด้วยตะกั่ว .02-.05% เหล็ก.05-.15% ดีบุก .05-.11% และฟอสฟอรัส .01-.35%

          น้ำมวลหนักมีแหล่งผลิตที่ประเทศอาร์เจนตินา แคนาดา อินเดีย และนอร์เวย์ มีข้อสันนิษฐานว่า ห้าประเทศที่ประกาศตัวว่าเป็นรัฐที่มีอาวุธนิวเคลียร์ สามารถผลิตน้ำมวลหนักได้ โรงงานที่ผลิตน้ำมวลหนักเพื่อการพานิชย์เป็นแห่งแรกคือ Norsk Hydro ในนอร์เวย์ ที่ก่อสร้างในปี 1934 มีปริมาณผลิตได้ 12 metric tons ต่อปี โรงงานนี้ถูกโจมตีโดยฝ่ายพันธมิตร เพื่อไม่ให้ส่งน้ำมวลหนักให้เยอรมัน ดังที่กล่าวไว้ โรงงานผลิตที่ใหญ่ที่สุดคือโรงงาน Bruce ในแคนาดา สร้างในปี 1979 มีกำลังผลิต 700 metric tons ต่อปี ของอินเดียก็มีกำลังการผลิตสูงเช่นกันแต่โครงการมีปัญหา เกิดอุบัติเหตุ และปิดการเดินเครื่อง ทำให้มีข้อจำกัดในปริมาณผลิต

Norsk-Hydro Vemork plant at Rjukan. Courtesy of Norsk Hydro ASA.
 

          โรงงานผลิตน้ำมวลหนักที่ Bruce ในออนแทริโอ ประเทศแคนาดา เป็นโรงงานที่ใหญ่ที่สุดในโลก ที่ผลิต D2O ใช้กระบวนการ Girdler Sulfide (GS) ในการผลิต ซึ่งในแต่ละขั้นตอนใช้การลดหลั่นลงสองเท่า ในส่วนบน เป็นส่วนที่เย็น 30-40oC ดิวเทอเรียมจากไฮโดรเจนซัลไฟด์ จะชอบที่จะย้ายตัวเองลงไปในน้ำ ในส่วนตอนล่างเป็นส่วนที่ร้อน 120-140oC ดิวเทอเรียมจะชอบที่จะย้ายตัวเอง จากน้ำไปยังไฮโดรเจนซัลไฟด์ การจัดการลดหลั่นที่เหมาะสม ทำให้ไดผลสำเร็จของการเสริมสมรรถนะ ในขั้นแรกสุด แก๊สจะถูกเสริมสมรรถนะจากดิวเทอเรียม 0.015% เพิ่มเป็น 0.07% ในท่อที่สองเสริมสมรรถนะเป็น 0.35% และในท่อที่สามทำให้ได้ผลการเสริมสมรรถนะระหว่าง 10% และ 30% ผลผลิดดิวเทอเรียม นี้จะถูกส่งไปที่หน่วยกลั่น เพื่อกลั่นให้ได้ผลสำเร็จ 99.75% เป็นน้ำมวลหนัก ชนิดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในปริมาณน้ำที่ป้อนเข้าระบบ จะมีดิวเทอเรียมเพียงหนึ่งในห้าเท่านั้น ที่เปลี่ยนเป็นผลผลิตน้ำมวลหนัก ผลผลิตที่ได้น้ำมวลหนัก 1 ปอนด์ ต้องใช้ปริมาณน้ำป้อนเข้าระบบผลิตถึง 340,000 ปอนด์

ถอดความจาก http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/heavy.htm

โพสต์เมื่อ : 14 พฤษภาคม 2555