การเสริมสมรรถนะยูเรเนียมโดยวิธีหมุนเหวี่ยง

มานิตย์ ซ้อนสุข
ยูเรเนียมเป็นธาตุเหมือนกับธาตุต่าง ๆ เช่น ธาตุเหล็กที่เรารู้จักกันเป็นอย่างดี กรรมวิธีของการแยกแร่ยูเรเนียมจากสินแร่จนเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 กระบวนการแปรสภาพแร่ยูเรเนียมจากสินแร่จนเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

ยูเรเนียมบริสุทธิ์นั้นแยกออกมาจากสินแร่ยูเรเนียม โดยส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของออกไซด์ของยูเรเนียม ซึ่งในธรรมชาติยูเรเนียมจะประกอบด้วยไอโซโทป 2 ชนิด คือ ยูเรเนียม – 235 และยูเรเนียม – 238 โดยจะมียูเรเนียม – 238 ประมาณ 99% ของปริมาณยูเรเนียมทั้งหมด ในการนำเอายูเรเนียมมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หรือระเบิดนิวเคลียร์จะต้องใช้ยูเรเนียม – 235 เป็นหลัก ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องแยก หรือเพิ่มปริมาณของยูเรเนียม – 235 ให้มีมากขึ้น กรรมวิธีการเพิ่มปริมาณของยูเรเนียม – 235 เรียกว่าการเสริมสมรรถนะ (enrichment) ซึ่งมีอยู่หลายวิธี และวิธีหมุนเหวี่ยง (centrifuge) ก็เป็นวิธีการหนึ่ง เนื่องจากยูเรเนียม – 235 จะมีน้ำหนักเบากว่ายูเรเนียม – 238 โดยอาศัยความแตกต่างของน้ำหนัก เราสามารถที่แยกยูเรเนียม – 235 ออกมาได้

ขั้นตอนแรก นำเอายูเรเนียมออกไซด์ มาทำปฎิกิริยากับกรดไฮโดรฟูลริก (hydrofluoric acid) ก็จะได้ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ โดยยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ จะสามารถอยู่ได้ทั้งสามสถานะ คือ ของแข็ง (ดังแสดงในรูปที่ 2 ) ของเหลว และแก๊ส ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน

รูปที่ 2 ลักษณะของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ที่เป็นของแข็ง มีลักษณะเป็นผลึกสีขาว
สำหรับการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมโดยวิธีหมุนเหวี่ยง มักจะใช้ในสถานะเป็นแก๊ส เมื่อนำแก๊สนี้เข้าไปในเครื่องหมุนเหวี่ยง โดยการหมุนที่มีความเร็วรอบสูงมาก ก็จะเกิดแรงเหวี่ยง รุนแรงกว่าแรงโน้มถ่วงหลายพันเท่า เป็นผลทำให้ยูเรเนียม – 238 ซึ่งหนักกว่า จะถูกแยกไปอยู่บริเวณผนังของเครื่องหมุนเหวี่ยง ส่วนยูเรเนียม – 235 ซึ่งเบากว่า จะอยู่บริเวณส่วนกลางของเครื่อง ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 ลักษณะของเครื่องหมุนเหวี่ยง
 รูปที่ 4 ลักษณะของเครื่องหมุนเหวี่ยงที่เรียงต่อกัน เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของ ยูเรเนียม – 235 ให้สูงขึ้น

เนื่องจากทั้งสองไอโซโทปของยูเรเนียม มีความแตกต่างของมวลไม่มากนัก ในการหมุนเหวี่ยงหนึ่งครั้ง จะสามารถแยกยูเรเนียม – 235 ออกจากยูเรเนียม – 238 ได้ไม่มากนัก ดังนั้น ถ้าต้องการที่จะให้มีปริมาณของอะตอมของยูเรเนียม – 235 มากขึ้น จำเป็นต้องนำเอาแก๊สที่ผ่านการหมุนเหวี่ยงครั้งแรก มาหมุนเหวี่ยงซ้ำอีกหลาย ๆ ครั้ง ในทางปฏิบัติ ก็จะมีเครื่องหมุนเหวี่ยงวางต่อกัน เป็นจำนวนหลายพันเครื่อง ดังแสดงในรูปที่ 4 ผลผลิตสุดท้ายจะได้ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ที่มีอะตอมของยูเรเนียม -235 ที่มีปริมาณสูงกว่าที่มีอยู่ในธรรมชาติ มากน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนเครื่องหมุนเหวี่ยง

เทคโนโลยีการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมโดยวิธีหมุนเหวี่ยง ได้มีการพัฒนาและใช้ในหลายประเทศ สำหรับตัวเครื่องหมุนเหวี่ยง จะต้องมีความสามารถในการหมุนได้เร็วไม่น้อยกว่า 100,000 รอบต่อนาที ทำจากวัสดุที่นำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อน ต้องมีความสมดุลย์ขณะหมุน

สุดท้าย เป็นการเปลี่ยนยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ให้เป็นโลหะยูเรเนียม โดยการทำปฏิกิริยากับแคลเซียม จะได้เกลือแคลเซียมฟลูออไรด์และโลหะยูเรเนียม

 

เอกสารอ้างอิง

Marshall Brain. "What's a uranium centrifuge?". October 26,2006 http://science.howstuffworks.com/uranium-centrifuge.htm (February 03, 2007)