บทความนี้มีที่มาจากเมื่อวันก่อนผมได้ไปอ่านกระทู้หนึ่ง https://ppantip.com/topic/36026544 เห็นมีบทความบอกว่า “พาชมภาพจาก “โรงงานผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์” เจาะลึกกระบวนการทุกขั้นตอน!!” โดยเป็นขั้นตอนการเอาเค้กเหลืองที่สกัดเข้มข้นแล้วมาบรรจุทำเป็นเชื้อเพลิง มันก็รู้สึกว่ายังขาดอะไรไป เรารู้ว่าแร่ยูเรเนียมในยุคปัจจุบันจะมีความเข้มข้นของไอโซโทปกัมมันตรังสีเพียง 0.72% ซึ่งเจือจางกว่าจะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่ต้องการความเข้มข้นประมาณ 3-4% จึงจะสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ แล้วเราทำให้สินแร่นี้ เข้มข้น สกัดแยกมาได้อย่างไรในเมื่อธาตุไอโซโทปมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน ดังนั้น เรามารู้จักกับการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมกันดีกว่า

---

ยูเรเนียม 235 มีสมบัติทางเคมีเหมือนกับ ยูเรเนียม 238 แต่สมบัติทางกายภาพของยูเรเนียมทั้งสองชนิดมีความต่างกันเล็กน้อยด้วยมวลอะตอม ซึ่งด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์ จากกฎการแพร่ของเกรแฮม ระบุว่า “อัตราการแพร่และอัตราการแพร่ผ่านของแก๊สจะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส ภายใต้อุณหภูมิและความดันเดียวกัน”^[1] ในตรงนี้ ถ้าเราทำยูเรเนียมให้อยู่ในรูปก๊าซได้ เราย่อมจะสามารถกรองแยกเพิ่มความเข้มข้นได้
ในเชิงเคมี ยูเรเนียม เมื่อทำปฏิกิริยากับฟลูออรีน มันจะเกิดเป็น ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นของแข็งที่สามารถระเหิดเป็นก๊าซได้ที่อุณหภูมิ 56 องศาเซลเซียส ซึ่งไม่สูงเกินไป และสามารถใช้การกรองแยกด้วยเยื่อ membrane การที่เลือกใช้ฟลูออรีน เป็นตัวทำปฏิกิริยาให้เป็นก๊าซนี้ มีข้อสำคัญคือ ฟลูออรีน มีไอโซโทปเดียว ดังนั้น มวลโมเลกุลของ UF₆ จะมีส่วนต่างที่เกิดจากมวลอะตอมของ U235 และ U238 เท่านั้น



ในการทำปฏิกิริยายูเรเนียมให้เป็นก๊าซ ก็อาศัยขั้นตอนทางเคมี เปลี่ยนออกไซด์ของยูเรเนียมให้เป็นสารละลายด้วยกรดไนตริก สกัดด้วยตัวทำละลายแยกสารปนเปื้อน แล้วทำปฏิกิริยากับแอมโมเนีย -> ไฮโดรเจน -> กรดกัดแก้ว แล้วทำปฏิกิริยากับฟลูออรีน มันก็จะเกิดเป็น ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ UF₆ ที่เราต้องการ^[2]



หลังจากนั้น UF₆ จะถูกนำมากรองผ่านเมมเบรน ด้วยมวลโมเลกุลที่ต่างกันนี้ อัตราการแพร่ของ UF₆ ที่เป็น U235 จะเร็วกว่า U238 เพียง 0.4% แต่ เมื่อกรองหลายต่อหลายครั้งเข้า มันก็จะเกิดการแยกที่ค่อยๆชัดเจนเข้มข้นขึ้น งานหลักที่สำคัญของโปรเจกแมนฮัตตันก็คือการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมด้วยวิธีการนี้ ^[3]



ในยุคปัจจุบัน การเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมได้ถูกแทนที่ด้วยวิธีการเหวี่ยงหนีศูนย์ (Gas Centrifuge) ซึ่งมันก็คือการให้ก๊าซแยกชั้นตามมวลโมเลกุล ระบบการเหวี่ยงหนีศูนย์แต่ละขั้นจะทำให้เกิดการแยกไม่มากนักแต่เมื่อทำเป็นซีรี่ส์ ก็จะสามารถทำการแยกด้วยต้นทุนพลังงานที่ลดลงกว่าการใช้หลักการแพร่ 50 เท่า [4]



ในอนาคตอันใกล้นี้ การเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมด้วยการเหวี่ยงหนีศูนย์น่าจะถูกแทนที่ด้วยกระบวนการเสริมสมรรถนะด้วยเลเซอร์ ที่ใช้ความถี่ของโฟตอนกระตุ้นการเกิดไอออไนซ์เฉพาะ ยูเรเนียม 235 และแยกออกมา กระบวนการนี้จะสามารถลดการใช้พลังงานในการผลิตแร่พลังงานนี้เป็นอย่างมาก จากหน้าเพจโรงงานต้นแบบการเสริมสมรรถนะด้วยเลเซอร์ บ. SILEX ของ ออสเตรเลีย สถานะอยู่ระหว่างการพิสูจน์ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ ซึ่งเริ่มมาเมื่อปี 2013 นี้ และถ้าสำเร็จก็จะนำไปสู่การสร้างโรงงานผลิตแร่ยูเรเนียมรุ่นใหม่ต่อไป^[5]

สิ่งที่อยากให้สังเกตก็คือ เทคโนโลยี และความรู้ที่จะต้องใช้ในการเสริมสมรรถนะนิวเคลียร์ ไม่ใช่เรื่องที่ซับซ้อนขนาดนั้น หลักการแพร่ของเกรแฮม มีมาตั้งแต่ปี 1848 รวมถึงความรู้ทางเคมีที่จำเป็นในการทำปฏิกิริยาของสาร แม้ว่าทางฮอลลีวู้ดเขาจะอยากให้เราเชื่อว่าเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นเรื่องซับซ้อน ไอ้การสร้างให้ปลอดภัยมันก็คงจะซับซ้อนจริงละ แต่โดยหลักการ มันไม่ใช่เรื่องที่ยากเกินเข้าใจขนาดนั้นละนะ

---

_{อ้างอิง
[1] http://vichakarn.triamudom.ac.th/comtech/studentproject/final54/cheme343/gas-กฎการแพร่ของเกรแฮม.html
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_hexafluoride
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Gaseous_diffusion
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Enriched_uranium
[5] http://www.silex.com.au/SILEX-Laser-Uranium-Enrichment-Technology}