เชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกชนิดหนึ่งที่ประเทศไทยโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย เลือกใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า เพื่อให้เพียงพอต่อความต้องการใช้ไฟฟ้าปริมาณมากของคนไทย โดยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นี้ผลิตจากแร่ยูเรเนียม ที่ผ่านกระบวนการสกัด แปลงสภาพ และทำให้เข้มข้น (Enriched) ก่อนที่จะทำเป็นเม็ดแล้วนำไปบรรจุในท่อ ซึ่งจะนำไปรวมเป็นมัดเชื้อเพลิงบรรจุในแกนปฏิกรณ์เพื่อใช้งาน

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ให้ความร้อนโดยอาศัยปฏิกิริยาแตกตัว (Nuclear fission) แตกต่างจากเชื้อเพลิงทั่วไป ซึ่งให้ความร้อนโดยกระบวนการสันดาป นอกจากนี้ยังมีลักษณะเด่น ดังนี้

• มีสภาพทางกายภาพคงเดิมขณะที่ใช้และหลังใช้แล้ว
• เชื้อเพลิงไม่หมดทันทีในคาบแรกที่ใช้ และอาจสกัดใช้ใหม่ได้
• ขณะเกิดปฏิกิริยาแตกตัว จะมีธาตุอื่นซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงได้เกิดขึ้น คือ พลูโทเนียม - 239
• ไม่มีของเสียออกสู่ภายนอก เนื่องจากใช้หลักปฏิกิริยาแตกตัวทางนิวเคลียร์ในการผลิตความร้อน จึงไม่มีเขม่า ควัน หรือก๊าซจากการแตกตัวออกสู่บรรยากาศ
• ราคาเชื้อเพลิงไม่ผันผวน เพราะใน 1 รอบการเดินเครื่อง (cycle) จะใช้เชื้อเพลิงประมาณ 1 ใน 3 ของทั้งหมดที่อยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ เมื่อรวมกับเชื้อเพลิงสำรอง อีกประมาณ 1.5 เท่า จะทำให้สามารถเดินเครื่องได้ไม่ต่ำกว่า 4 รอบ โดยต้นทุน เชื้อเพลิงไม่เปลี่ยนแปลงเลย (1 รอบการเดินเครื่อง = 18 เดือน)
• กากเชื้อเพลิงที่เกิดขึ้นถูกกักอยู่ในแท่งเชื้อเพลิง เมื่อเลิกใช้งานแล้ว เชื้อเพลิงยังคงสภาพทางกายภาพในลักษณะเดิม

การจัดการเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ถูกต้องเหมาะสม จะต้องดำเนินการเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ คือ กระบวนการนำยูเรเนียม-233 มาแปลงสภาพให้อยู่ในรูปเชื้อเพลิงโดยเริ่มจากการทำเหมือง การสกัด การแปลงสภาพ การทำให้เข้มข้น การสร้างและการประกอบมัดเชื้อเพลิง และการจัดการเชื้อเพลิงใช้งาน

การสกัด

การสกัดคือกระบวนการทางเคมีที่ใช้แยกแร่ยูเรเนียมออกจากแร่ที่ขุดจากเหมือง เนื่องจากแร่ยูเรเนียมมักปะปนกับแร่อื่นๆ เช่น ทองคำ วาเนเดียม ฟอสเฟต ทองแดง หรือถ่านลิกไนต์ โดยนำแร่มาบดโม่แล้วนำไปชะล้าง จากนั้นใช้ตัวทำละลายสกัดยูเรเนียมออกไซด์ที่เรียกว่า Black oxide (U₃O₈) ออกมาและให้ตกตะกอนในแอมโมเนีย จากนั้นนำไปกรองและอบแห้ง จะได้ยูเรเนียมออกไซด์ที่เรียกว่า เค้กเหลือง (Yellow cake)

การทำให้เข้มข้น

ก๊าซยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ที่ได้จะต้องทำให้เข้มข้นโดยการแยกไอโซโทปของยูเรเนียม-238 ออก เพื่อให้สัดส่วนไอโซโทปยูเรเนียม-235 เพิ่มจากร้อยละ 0.7 เป็นร้อยละ 3 - 4 อันเป็นความเข้มข้นที่เหมาะสม อันจะเป็นการแปรสภาพ UF₆ กลับเป็น UO₂

การสร้างและประกอบมัดเชื้อเพลิง

ผง UO₂ จะนำไปอัดเป็นเม็ดคล้ายแท่งชอล์ก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณหนึ่งเซนติเมตร ยาวประมาณสองเซนติเมตร และนำไปบรรจุในท่อขนาดความยาวประมาณ 4 เมตรที่ทำด้วยโลหะผสมเซอร์โคเนียม เรียกว่า ท่อเซอร์คัลลอยด์ ซึ่งมีคุณสมบัติทนทานต่อแรงกดดันสูง และความร้อน รวมทั้งการกัดกร่อนเป็นพิเศษ และที่สำคัญคือคุณสมบัติการดูดซับนิวตรอนต่ำ แท่งเชื้อเพลิงนี้จะนำไปอัดก๊าซฮีเลียม เพื่อช่วยพาความร้อนได้ดียิ่งขึ้น

แท่งเชื้อเพลิงจะนำไปรวบเข้าไว้เป็นมัด เรียกว่า มัดเชื้อเพลิง ภายในมีช่องเพื่อให้สารระบายความร้อนผ่านไปได้ จำนวนแท่งเชื้อเพลิงในมัดจะแตกแต่างไปตามชนิดปฏิกรณ์ 179 - 264 แท่ง

การผลิตพลังงาน

การผลิตพลังงานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เกิดจากปฏิกิริยาแตกตัว โดยการยิงอนุภาคนิวตรอนพลังงานต่ำเข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ทำให้นิวเคลียสแตกตัวพร้อมให้พลังงานความร้อนมหาศาลกว่า 200 Mev (ล้านอิเล็กตรอนโวลต์) และเกิดอนุภาคนิวตรอนใหม่ ซึ่งจะไปทำปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อไป

ยูเรเนียม 1 ตันสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้กว่า 45 ล้านกิโลวัตต์ 4 ชั่วโมง เทียบได้กับถ่านหิน 20,000 ตัน หรือก๊าซธรรมชาติ 30 ล้านลูกบาศก์เมตร

การจัดการเชื้อเพลิง

หลังจากที่เริ่มใช้งานแล้ว มัดเชื้อเพลิงจะถูกสับเปลี่ยนตำแหน่งกับมัดอื่นๆ ในแต่ละปี โดยจะนำมัดที่อยู่ใจกลางแกนปฏิกรณ์ออกและนำมัดที่อยู่วงนอกเข้ามาแทน ในที่สุดมักที่ใช้มาแล้วประมาณ 3 - 4 ปี ก็จะเปลี่ยนออกไปเพื่อนำมัดเชื้อเพลิงใหม่มาแทน ในการจัดการเชื้อเพลิงนี้จะใช้คณิตศาสตร์ชั้นสูงมาช่วยในการคำนวณเพื่อช่วยยึดอายุเชื้อเพลิง ซึ่งไม่สามารถทำได้กับเชื้อเพลิงชนิดอื่น

แท่งเชื้อเพลิงที่ใช้และนำออกจากแกนปฏิกรณ์ จะยังคงมีอุณหภูมิสูง และแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลา จะต้องนำไปแช่ในสระน้ำเพื่อกำบังรังสีและหล่อเย็น จากนั้นแท่งเชื้อเพลิงจะถูกตัดออกเป็นท่อน นำไปใส่ในกรดไนตริกเพื่อทำละลาย เชื้อเพลิงในรูปสารละลายจะนำไปสกัดเพื่อแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียมออกจากผลิตผลิตฟิชชันอื่น และทำให้บริสุทธิ์อีกครั้ง โดยขั้นตอนสุดท้ายจะได้สารละลายยูเรเนียมและพลูโตเนียมไนเตรด ผลิตผลฟิชชันอื่นๆ เพื่อนำไปใช้ทางการแพทย์และอุตสาหกรรมต่อไป

อ้างอิง

• การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์. กรกฎาคม 2550.
• ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคล
• Thailand Junior Encyclopedia Project