คณะกรรมการบรหป

ทปรกษา : นายสชาต มงคล: รศ.ดร. ธชชย ส: นายววฒน พฤก: ศ. นพ. สาโรจน: ดร. มนญ อราม

นายกเพงผานพน : ผศ.ดร. บญสง นายกสมาคม : ผศ.ดร. สมพร อปนายกสมาคม : รศ.พล.ต.ดร. ช

: ผศ. ปรชา การสเลขาธการ : นายอารรตน คอผชวยเลขาธการ : นายวเชยร รตนธประธานฝายวชาการ : ดร. วรรณา เหรญญก : ดร. สรนาฏ เลานายทะเบยน : รศ. มลล ตณฑวปฏคม : นางรจนา ชนพทประชาสมพนธ : นายสพณ ปญญผชวยประชาสมพนธ : ร.อ. วรพจนบรรณาธการ : รศ. นเรศร จนทบรรณารกษ : นางวไลลกษณ แกรรมการกลาง : ดร. อาชอ าพล ข

: นายวทต เกษคป: รศ. สมยศ ศรส: นางสาวยพา จน: นายประเวทย แ

อนกรรมการฝายประชาสมพนธ: นางยศพณ สรเวช:นางศศพนธ คะว

อนกรรมการฝายวชาการ: ดร. ปรารถนา

คณะกรรมการสาขาตางจงหวด: รศ.ดร.ธวช ชตต: ผศ.นพวรรณ ศร

ส านกงาน : สมาคมนวเคลยรแC/O ส านกงานปรมโทร. 02-56201เวบไซต : http:/

จดพม

ารสมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทยพ.ศ. 2547-2548

พนธ : ศ.นพ. รมไทร สวรรณกมตร : ศ.ดร. ถรพฒน วลยทองษะวน : นายปฐม แหยมเกต วรรณพฤกษ : นายวเชยร อธสขรตนศวโมกษธรรมจองค ายณรงค เชดชทธนดวงแกวงชยเชออนตะหะโรจนพนธรฬหกษามาก โพธกนษฐ : นายสมล ใจมลนขาวพทยวบลยมพานนท : ศ.ดร. สรนช ลามศรจนทรต : รศ.พญ. ภาวนา ภสวรรณถตย : นายยทธพงศ ประชาสทธศกดทะชม : นายมานตย ซอนสขกวชวง : นายมนตชย ราบรนทวสข

ชะพนธ : นายธรวธ มหาเปารยะรตน

ควสวรรณ : ดร. เกศน เหมวเชยรระการ : รศ.ดร.วจตร เกดผลรตนประสทธ

หงประเทศไทยาณเพอสนต 16 ถนนวภาวดรงสต จตจกร กทม. 1090019 โทรสาร 02-5613013

/www.nst.or.thพ : พฤศจกายน 2548

ค าน า

ประเทศไทยเรามวตถดบส าหรบผลตเชอเพลงนวเคลยรหรอไม? เปนค าถามยอดฮตในยามทการใชพลงงานของโลกอยในขนวกฤตเนองจากน ามนดบมราคาสงขนเรอยๆ ปรมาณเชอเพลงส ารองประเภทฟอสซลอนไดแก กาซธรรมชาต น ามนดบและถานหนมอยอยางจ ากด และรองรบปรมาณการใชพลงงานของโลกไดอกไมนานนก คาดกนวาอกประมาณ 100 ป เชอเพลงเกอบทกชนดกจะหมดไปจากโลกหรอถามเหลอกเสาะหาไดยากเตมท ค าถามทควรจะถามอกคอ แลวถงเวลานนลกหลานของเราจะเอาเชอเพลงทไหนมาใช?

ปจจบนประเทศไทยเรามความตองการใชพลงงานไฟฟาในอตราเพมขนประมาณปละ 1,000เมกกะวตต ซงโดยสวนใหญเราใชกาซธรรมชาตในการผลตกระแสไฟฟาจ านวนมากกวา 70% สวนทเหลอผลตจากถานหน น ามนเตาและพลงน าจากเขอน พลงงานทดแทนชนดตาง ๆ เชน พลงงานแสงอาทตย พลงงานลมและพลงงานชวมวลนนมขอจ ากดไมสามารถผลตไฟฟาปรมาณมากตามความตองการได สามารถเปนไดเพยงพลงงานเสรมดวยปรมาณทไมมากนก

พลงงานนวเคลยรจงเปนสงจ าเปนส าหรบอนาคตของลกหลานเราทจะน ามาใชผลตกระแสไฟฟา สมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทยจงมการเตรยมพรอมในการเผยแพรความรเบองตนเกยวกบเชอเพลงนวเคลยรเพอใหผสนใจไดทราบถงทมาและวธการผลต ตลอดจนการจดการเกยวกบเชอเพลงนวเคลยรทใชแลว เปนเรองทอานงายไดสาระและความร เขยนโดยอาจารยปรชา การสทธ และอาจารยวทต เกษคปต ซงทานเคยเปนผตรวจเชอเพลงนวเคลยรประจ าทบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศ (IAEA) (ปจจบนพ.ศ. 2548 มการใชโรงไฟฟานวเคลยร 425 โรงใน 24 ประเทศ) ความรและประสบการณตรงททานไดถายทอดออกมาเปนเรองราวทนาอาน นาตดตามอยางยง เหมาะส าหรบผอานทวไปแมวาจะไมมความรพนฐานทางนวเคลยรมากอนกตาม

สมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทย ขอขอบคณตออาจารยปรชา การสทธ และอาจารยวทต เกษคปต ส าหรบงานเขยนอนมคณคาตอประชาชนเลมน

สมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทยตลาคม พ.ศ. 2548

สารบญ

เรอง หนามารจก เชอเพลงนวเคลยรกนเถอะ 1

ปฏกรยาฟชชน 6

ปฏกรยาฟวชน 7

ยเรเนยม-235 8

พลโทเนยม-239 11

ยเรเนยม-233 11

ไฮโดรเจน-2 หรอ ดวเทอเรยม 12

ไฮโดรเจน-3 หรอทรเทยม 12

วฏจกรเชอเพลงนวเคลยร 13

Mining & Milling 14

การเปลยนสภาพของยเรเนยม จาก U3O8 เปน UF6 15

การเสรมสมรรถนะ 16

การประกอบแทงเชอเพลง 18

การจดการเกยวกบเชอเพลงนวเคลยรใชแลว 20

การแปรสภาพเชอเพลงใชแลว 22

การวดการแผรงสจากแทงเชอเพลงใชแลว 24

เอกสารอางอง 24

มารจก เชอเพลงนวเคลยรกนเถอะ

วทต เกษคปต ปรชา การสทธ

เมอกลาวถงคาวา “ เชอเพลง (fuel) ” ผเขยนเชอวาทกคนคงรจก และมความเขาใจวาเชอเพลงเมอเผาไหมจะใหความรอนออกมา โดยความรอนนสามารถนาไปใชประโยชนตางๆได เชอเพลงดงกลาว เปนเชอเพลงธรรมดา การใหความรอนซงเปนพลงงานรปหนงออกมานน เปนผลจากการเกดปฏกรยาเคม แตเมอกลาวถงคาวา เชอเพลงนวเคลยร (nuclear fuel) ผอานบางทานอาจสนหวบอกไมรจก บางทานอาจขมวดควแลวบอกวารจกแตคาวา เชอเพลงปรมาณ บางทานอาจบอกวาเคยผานหผานตาจากการฟง อาน ขาว เรองโครงการนวเคลยรของเกาหลเหนอและอหราน บางทานอาจบอกวารจกคานแตไมแนใจวาคออะไร ชวยเลาใหฟงหนอยซ นเองเปนทมาของเรอง “ มารจก เชอเพลงนวเคลยร กนเถอะ ” ซงผเขยนจะขอเลาไปเรอยๆ แบบกวางๆ ไมเปนวชาการมากนก กอนเขาเรอง ผเขยนขอเลาอะไรเลกนอยเพอใหไดรจกคาศพท บางคาทตองเอยถงในเรองน สมมตวา ทานผอาน มกอนทองคาบรสทธรอยเปอรเซนตอยกอนหนง หรอเปนกอนของ ธาตบรสทธอะไรกได แลวใหลองคดดซวา ถาแบงกอนดงกลาวนใหเลกลงไปเรอยๆ มนจะไปสนสดตรงไหน จากแนวความคดของนกปรชญา ประกอบกบผลการคนควาวจยของนกวทยาศาสตรสมยแรกๆ สรปไดวาเมอแบงไป แบงไป เรอยๆจะไปสนสดทสวนเลกทสดทยงคงมคณสมบตทางเคมของธาตนนๆอย และเรยกสวนทเลกทสดนวาอะตอม (atom) ดงนนจะมทองคาอะตอม ไฮโดรเจนอะตอม ออกซเจนอะตอม ยเรเนยมอะตอม ฯลฯ อะตอมเปนคาทบศพทจากภาษาองกฤษ สมยกอนมการแปลเปนไทยวา ปรมาณ แตปจจบนไมคอยนยมใชกน จากนไป ขอใหผอานทาใจใหสงบ แลวนกใหเหนภาพตามการอานไปเรอยๆ เหมอนนวนยายทมตวละครชอตางๆ

1

เมอพบวาอะตอมมอยจรง นกวทยาศาสตรกคนควาตอไปวาอะตอมนนเปนอยางไร ซงกพบวาอะตอมเปนสงทเลกทสดในแงคณสมบตทางเคม แตไมเปนสงทเลกทสดในแงคณสมบตทางฟสกส ทงนโดยพบวาอะตอมมองคประกอบอย 2 สวน คอ สวนทหนงเปนแกนกลาง ทเรยกวานวเคลยส ( nucleus ) สวนทสองเปนกลมอนภาคอเลกตรอน (electron) โคจรรอบนวเคลยสเปนชนๆเหมอนดาวนพเคราะหโคจรรอบดวงอาทตยอนภาคอเลกตรอนมประจไฟฟาลบ หนงหนวย สาหรบแกนกลางหรอนวเคลยส นกวทยาศาสตรยงพบอกวา ประกอบดวยกลมอนภาคทสาคญอย 2 ชนด รวมอยดวยกน คอ โปรตอน (proton) ซงแตละอนภาคมประจไฟฟาบวกหนงหนวยและนวตรอน (neutron) ซงเปนอนภาคทไมมประจไฟฟา การทอนภาคทงสองกลมนอยรวมกนไดในนวเคลยสกดวยมแรงนวเคลยส (nuclear) ยดเหนยวกนไว ตามความจรงในนวเคลยส ยงมอนภาคยอยๆ อกหลายอนภาค เชน นวทรโน แอนไทนว ทรโน มซอน แตในทนจะไมกลาวถงเพราะไมมบทบาทในเรองทเราจะพดกน ในสภาพปกต แตละอะตอมจะมจานวนโปรตอนเทากบจานวนอเลกตรอน นนคอเปนกลางในแงของประจไฟฟา นอกจากน นกวทยาศาสตรยงพบอกวาธาตแตละธาตไมไดมอะตอมหรอนวเคลยสชนดเดยว แตจะมหลายชนดโดยแตละชนดในนวเคลยสจะมจานวนโปรตอนเทากน แตจานวนนวตรอนไมเทากน ตวอยางเชน ธาตไฮโดรเจน มอะตอมหรอนวเคลยส 3 ชนด ชนดแรก เปนอะตอมทนวเคลยสมโปรตอนหนงอนภาคเทานน ไมมนวตรอน ชนดทสอง เปนอะตอมทนวเคลยสมโปรตอนหนงอนภาคกบนวตรอนหนงอนภาค ชนดทสาม เปนอะตอมทนวเคลยสมโปรตอนหนงอนภาคกบนวตรอนสองอนภาค ในทางวทยาศาสตร ไมเรยกวาชนด แตเรยกวาไอโซโทป ดงนนจงตองพดวา ไฮโดรเจน ม 3 ไอโซโทป ออกซเจน ม 13 ไอโซโทป ยเรเนยมม 16 ไอโซโทป พลโทเนยม ม 15 ไอโซโทป เปนตน ไอโซโทปของแตละธาต บางไอโซโทปมอยแลวในธรรมชาต บางไอโซโทป ซงเปนสวนใหญจะเปนไอโซโทปทมนษยทาใหเกดขน อาจจะโดยจงใจ หรอ โดยบงเอญกตาม คณสมบตทางเคมของแตละไอโซโทปของธาตเดยวกนจะเหมอนกน เพราะปฏกรยาเคมจะเกดกบอเลกตรอน ทโคจรอยรอบนวเคลยส ซงทกไอโซโทปของธาตนนๆ จะมจานวนอเลกตรอนเทากน แตถาเปนคณสมบตทางฟสกสและทางนวเคลยรจะตางกน เพราะมจานวนนวตรอนทตางกนเขามาเกยวของดวยนนเอง เนองจากธาตแตละธาตมหลายไอโซโทปดงกลาวแลวดงนนการจะพดถงไอโซโทปใด จะตองมหลกเกณฑบงบอกใหเขาใจตรงกน ซงทใชกนคอ การเขยนแบบขางลางน (สมยกอน) หรอ (สมยใหม) A

Z X XAZ

2

เมอ X = สญลกษณของธาต A = เลขเชงมวล (mass number) มคาเทากบจานวนโปรตอนบวกกบจานวนนวตรอน ในนวเคลยสของไอโซโทปนน Z = เลขเชงอะตอม (atomic number) มคาเทากบจานวนโปรตอน ในนวเคลยสของไอโซโทปนน ถาเอาคา Z ลบออกจากคา A เราจะไดคาจานวนนวตรอนในนวเคลยสนน

ตวอยาง ถาตองการกลาวถง ยเรเนยมไอโซโทปทในนวเคลยสมนวตรอน 143 อนภาค จะเขยนบอกวาอยางไร สงแรก ตองทราบวา ยเรเนยม มสญลกษณของธาตวาอะไร ซงกคอ U สงตอไป ตองหาวาธาตยเรเนยมมโปรตอนอยในนวเคลยสจานวนเทาไร หรอมคาเลขเชงอะตอมเทาไร ซงกพบวาเทากบ 92 จากนเรากสามารถหาคาเลขเชงมวลไดวาเทากบ 92 + 143 = 235 ดงนน จงเขยนสญลกษณยเรเนยมไอโซโทปดงกลาวไดดงน หรอ 235

92 U U23592

มบางคน รวมทงผเขยนดวยทไมอยากเขยนตวเลขหอยขางบน หอยขางลาง เลยเขยนแบบงายๆ วา U –235 แลวอานวา ยเรเนยม 235 โดยตดคา 92 ออกไป เพราะอยางไรยเรเนยมไอโซโทปทกตวตางกมจานวนโปรตอนในนวเคลยสเทากบ 92 เหมอนกนอยแลว ดงนน จงละไวในฐานเขาใจได มคาศพททนาทราบอกคาหนง คอ นวไคลด (nuclide) เปนคาทใชเรยกอะตอม หรอนวเคลยสใดๆ ทตองมการบงบอกถงจานวนโปรตอนและนวตรอนในนวเคลยส เปนคาใชแบบกวางๆ เชน Na-23, Na-24, Na-25, K-40 เปนนวไคลดทแตกตางกน สวน Na-23 Na-24 Na-25 เปนไอโซโทปของโซเดยม ถา “ไอโซโทป” กบ “ นวไคลด ” จะพบวามการใชสลบแทนกนไปแทนกนมาเสมอ ซงกยอมรบกน มาถงตอนน เรารจกคา อะตอม นวเคลยส โปรตอน นวตรอน อเลกตรอน เลขเชงอะตอม เลขเชงมวล ไอโซโทป นวไคลด แลว ตอไปมาเขาเรองกน จากการคนควาวจยของนกวทยาศาสตรตอมา ทาใหพบวา ไอโซโทป หรอนวไคลด บางตว มพลงงานในรปของรงสแผออกมาดวย ซงเมอตรวจรงสดงกลาวกพบวามทสาคญ และมการกลาวถงเสมอ อย 3 ชนด คอ

3

1. เปนกระแสของอนภาคชนดหนง ซงแตละอนภาคประกอบดวยโปรตอน 2 อนภาคกบนวตรอน 2 อนภาค มจไฟฟาบวกสองหนวย รงสนมชอเรยกวา รงสอลฟา (alpha ray ; alpha radiation) สวนอนภาคเรยกวา อนภาคอลฟา จะสงเกตเหนวาอนภาคอลฟานมลกษณะเชนเดยวกบนวเคลยสของนวไคลด ฮเลยม - 4 สาหรบนวไคลด นแผรงสอลฟาออกไปแลว ตวเองจะกลายไปเปนนวไคลดของธาตใหมทนท ทงนเพราะโปรตอนหายไป 2 อนภาค และ นวตรอนหายไป 2 อนภาคนนเอง เชน เรเดยม-226 เมอแผรงสอลฟาออกไปแลวตวเองจะกลายเปนเรดอน-222 ดงสมการ

Ra22688 → + Rn222

86 He42

(เรเดยม-226) (เรดอน-222) (อลฟา) 2. เปนกระแสของอนภาคอเลกตรอน อนภาคอเลกตรอน มประจไฟฟาลบหนงหนวย รงสนมชอวา รงสบตา (beta rays ; beta radiation) สวนอนภาคอเลกตรอนทแผออกมามชอเรยกวา อนภาค บตา (beta Particle) คงสงสยวาในนวเคลยสมแตโปรตอนกบนวตรอนทาไมมอเลกตรอนแผออกมาได คาอธบายคอ ในนวเคลยสนนเกดความไมเสถยรระดบหนง ทาใหนวตรอน สลายตวเปนโปรตอนกบอเลกตรอนและนวทรโน (neutrino) ดงสมการ

นวตรอน → โปรตอน + อเลกตรอน + นวทรโน โปรตอนทเกดขนนจะคงอยในนวเคลยส สวนอเลกตรอนและนวทรโน จะถกผลกออกจากนวเคลยส สาหรบนวทรโนเปนอนภาคยอย ทไมมมวลและไมมประจ เปนสงทนกวทยาศาสตรใชอธบายการคงอยของพลงงานในการสลายตวแบบแผรงสบตา ปรากฏการณนดแปลกๆ สาหรบพวกเรา แตในชนนขอใหเชอนกวทยาศาสตรบอกไวเพราะเขาพสจนแลว สาหรบนวไคลดทแผรงสบตาออกไปแลว ตวเองจะกลายไปเปนนวไคลดของธาตใหมทนท ทงนเพราะมโปรตอนทเกดจากการสลายตวของนวตรอนเพมขนมาอกหนงอนภาคนนเอง เชน ฟอสฟอรส – 32 เมอแผรงสบตาออกไปแลว ตวเองจะกลายเปนซลเฟอร–32 ดงสมการ

→ + + ν P3215 S32

160

1 e−

(ฟอสฟอรส-32) (ซลเฟอร-32) (บตา) (นวทรโน)

3. เปนคลนแมเหลกไฟฟา ทมความถสงมาก รงสนมชอเรยกวา รงสแกมมา (gamma ray ;gamma radiation) รงสแกมมานมคณสมบตความเปนอนภาคดวยเชนกน ปกตการแผรงสแกมมาจะรวมมาดวยกบการแผรงสอลฟา หรอ บตา

4

ไอโซโทปหรอนวไคลดทแผรงสดงกลาวขางบน เราเรยกวา ไอโซโทปรงส (radioisotope)หรอ นวไคลดรงส (radionuclide) ทานองเดยวกบวสดใดแผรงส เรากเรยกวาวสดกมมนตรงส (radioactive material) ปกตเมอพดถงไอโซโทปรงส นวไคลด รงส หรอ วสดกมมนตรงส ขอใหนกถงภาพทมอะตอม หรอนวเคลยสทไมเสถยรจานวนมากมายมหาศาลนบไมถวนรวมอยดวยกน สาหรบการแผรงสกไมไดเกดขนพรอมกนทเดยวหมดทกนวเคลยส แตจะเกดขนแบบสะเปะสะปะ ไมมใครเหนหรอวธใดบอกไดวา นวเคลยสไหนจะแผรงสอยางไรกตาม เมอนวเคลยสโนนแผรงส นวเคลยสนแผรงสนวเคลยสนนแผรงส เมอรวมกนกกลายเปนวามรงสแผออกมาอยตลอดเวลา สาหรบนวเคลยสทแผรงสออกไปแลว จะกลายเปนนวเคลยสของธาตใหมขนมา นนหมายความวา จานวนนวเคลยสหรออะตอมตวเดมจะลดลงและจะมจานวนนวเคลยสหรออะตอมใหมเพมขน ในทางวชานวเคลยร เราเรยกนวเคลยส หรออะตอม หรอนวไคลดหรอไอโซโทป ตวเดมทแผรงสนวา แม (parent) สวนตวใหมทเกดขน เรยกวา ลก (daughter) การทนวเคลยสหนง แมรงสแลวตวเองกลายเปนอกนวเคลยสหนง ซง เปนธาตตางชนดกนนน เราเรยกวา เกดการสลาย ในตาราภาษาองกฤษบางเลมใชคาวา decay บางเลมใช disintegration บางเลมใชคาวา transformation การสลาย ทาใหจานวนนวไคลดแม ลดลงเรอยๆการลดลงนเปนการลดดวยอตราคงท ซงแตละนวไดลครงสจะลดลงไมเหมอนกนหนวยทใชบอกเรองน คอ คาครงชวต ( half life ) ซงบอกถงระยะเวลาทจานวนนวไดลครงสลดลงเหลอครงหนงของจานวนนวไคลค รงสเรมตน ตวอยางเชนโคบอลต – 60 มคาครงชวต เทากบ 5.27 ป หมายความวา สมมตครงแรกมโคบอลต – 60 อย 100 นวเคลยส เมอเวลาผานไป 5.27 ป จะเหลอโคบอลต – 60 อย 50 นวเคลยส และถาผานไปอก 5.27 ป จะเหลอโคบอลต – 60 อย 25 นวเคลยส การลดลงจะเปนแบบนไปเรอยๆจนเมอเวลาผานไปนานๆ กจะเหลอโคบอลต – 60 ปรมาณนอยมาก คาครงชวตของนวโคลด รงสมตงแตนอยกวาวนาทจนถงหลายลานป เชน คารบอน – 16 มคาครงชวต 0.75 วนาท คารบอน – 14 มคาครงชวต 5730 ป ยเรเนยม – 235 มคาครงชวต 704 ลานป ขออนญาตนอกเรองชวครเกยวกบคาครงชวตน เพราะมประโยชนตอการเลอกใชนวเคลยสรงสในการศกษา คนควาวจยและใชจรงๆในงานตางๆไมวาจะในทางการแพทย ในทางอตสาหกรรมในทางเกษตรหรออนๆ นนคอเลอกใชพวกทมคาครงชวตไมยาวนก พอใชแลวหรอใชไปเรอยๆไมนานกจะเหลอรงสนอยมากจนถอวาไมมอนตราย นอกจากนในการขจดกากกมมนตรงสถารวากากนนเปนพวกมคาครงชวตเทาไร เรากเพยงกกเกบกากนนไวเฉยๆ รอจนปรมาณรงสลดนอยลงจนถงระดบทไมกอใหเกดอนตราย กจดการขจดกากดงกลาวเหมอนกากหรอขยะธรรมดา สาหรบกากกมมนตรงสทมคาครงชวตยาวมากกตองมวธการในการจดการกบกากนนเปนการพเศษ

5

ผอานอาจมคาถามวาทาไมผเขยนเดยวใชคาอะตอม เดยวใชคานวเคลยส เดยวใชคาไอโซโทป อานแลวงง ซงขอตอบวาเพอใหผอานคนกบคาเหลาน เพราะตามความจรง เปนการกลาวถงสงเดยวกนแตผอานตองสรางมโนภาพใหเปนรปรางขนมาเอง เชนดงพดถงอะตอมกใหมองวามนวเคลยสอยตรงกลางมอเลกตรอนโคจรอยรอบเปนชนๆ ถาพดถงนวเคลยสกดเฉพาะนวเคลยสทอยตรงกลาง สวนอเลกตรอนไมคดถง ทงๆทอเลกตรอนกยงโคจรอยรอบนวเคลยสนนๆอย สาหรบนวไคลดและไอโซโทป กเปนอยางทอธบายมาแลว การสลายของนวเคลยสทไมเสถยรโดยการแผรงสอลฟา รงสบตา รงสแกมมา ดงกลาวแลวถอวาเปนการเกดปฏกรยานวเคลยรแบบหนง และการเกดปรากฎการณเชนนทาใหนกวทยาศาสตรเชอวาภายในนวเคลยสจะตองมพลงงานอยเปนจานวนมากซงทาใหมการศกษาคนควาเพอนาพลงดงกลาวออกมาใช ผลจากการศกษาคนควา นกวทยาศาสตรกประสบผลสาเรจโดยพบวามปฏกรยานวเคลยรอย 2 แบบ ทสามารถทาใหเกดพลงงานจานวนมหาศาลออกมาในชวงเวลาอนสนได นนคอปฏกรยาแบงแยกนวเคลยส หรอฟชชน ( fission ) และปฏกรยาการหลอมนวเคลยส หรอฟวชน ( fusion ) ปฏกรยาฟชชน และปฏกรยาฟวชน เปนอยางไร ปฏกรยาฟชชน เปนปฏกรยาทนวเคลยสของธาตทหนกถกทาใหแยกออกจากกน แลวมพลงจานวนมหาศาลออกมาดวย ปจจบนธาตทวานมเพยงธาตยเรเนยม และพลโทเนยมเทานน อยางไรกตามใชวาไอโซโทปของธาตยเรเนยมหรอพลโทเนยมจะเกดปฏกรยาฟชชนไดทกตว จะมเพยงไอโซโทปบางตวเทานนทเกดปฏกรยาฟชชนและนาพลงงานทออกมาไปใชประโยชน นนคอยเรเนยม –235 ซงมอยในธรรมชาต และยเรเนยม –233 กบพลโทเนยม –239 ซงไมมอยในธรรมชาต เราตองผลตขนมาใชเอง สาหรบกระสนทใชยงเพอใหนวเคลยสของทงสามไอโซโทปดงกลาวแยกออกจากกนคอ อนภาคนวตรอนทมความเรวพอเหมาะ ปฏกรยาฟชชนนถกนาไปใชในเครองปฏกรณนวเคลยร ( บางคนเรยกเครองปฏกรณปรมาณ ) และทาระเบดปรมาณ สาหรบสมการปฏกรยาฟชชนสามารถเขยนแบบเขาใจงายๆ คอ

n + U-235 → X + Y + 2n + พลงงาน ( Pu-239) (U-233) เมอ n = อนภาคนวตรอนตามสมการขางบนเขยน 2n แตความจรงอาจเปน 1n , 3n ,4n กได สาหรบคาเฉลยคอ 2 . 5n X, Y = ผลผลตการแบงแยกนวเคลยส

6

จากสมการจะเหนวาเรมตนมอนภาคนวตรอนเพยงหนงอนภาค แตเกดปฏกรยาฟชชนแลวจะไดนวตรอนสองอนภาคทเกดขนกจะทาใหเกดปฏกรยาฟชชนตอไป เกดนวตรอนเปนสอนภาค แลวนวตรอนสอนภาคนกไปทาใหเกดปฏกรยาฟชชนตอไปอก ซงปรากฏการณนจะมตอไปเรอยๆพลงงานทเกดขนกจะทวคณขนเรอยๆ แบบน เราเรยกวาเกดปฏกรยาลกโซ ( chain reaction ) ในเครองปฏกรณนวเคลยร ( เครองปฏกรณปรมาณ ) เราทาการควบคมปฏกรยาลกโซไมใหเกดเกนขดจากดทตงไว แตในระเบดปรมาณเราไมควบคม ดงนนจงตางกน เอามาเปรยบเทยบหรออางองถงกนในเรองการกอใหเกดอนตรายไมไดโดยสนเชง

รปท 1 ยเรเนยมฟชชน

ปฏกรยาฟวชน เปนปฏกรยาทนวเคลยสของธาตทเบาสองนวเคลยสมารวมกน แลวกลายเปนนวเคลยสทหนกกวาพรอมกบมพลงมหาศาลออกมาดวย การเกดปฏกรยานนวเคลยสเบานนจะมความเรวสงมาก หรออยในสภาพทมความรอนสงมากหลายรอยลานองศาจงจะรวมกนได ปจจบนธาตทเบาทเกดปฏกรยาฟวชนคอไฮโดรเจน ธาตไฮโดรเจนม 3 ไอโซโทปคอ ไฮโดรเจน-1 กบไฮโดรเจน-2 ทมชอเฉพาะเรยกวา ดวเทอเรยม ( deuterium ) ซงมอยแลวในธรรมชาต และไฮโดรเจน-3 ทไมมอยในธรรมชาต มนษยตองผลตขนมาโดยตรงหรอเกดขนโดยผลทมนษยทาขนมา ไฮโดรเจน-3 นมชอเฉพาะเรยกวา ตรเตยม ( tritium )

7

เทาทพบแลวมปฏกรยาฟวชนหลายแบบทเกดจากไอโซโทปทง 3 ชนดของไฮโดรเจน แตอยางไรกตามมอย 4 แบบทคาดวาจะเกดขนไดเรว และพอเพยงในอณหภมและความเรวทสามารถทาขนได โดยสมการเขยนไดดงน

2H + 2H → 3He + 1n + พลงงาน

2H + 2H → 3He + 1H + พลงงาน

3H + 2H → 4He + 1n + พลงงาน

3H + 3H → 4He + 21n + พลงงาน เมอ 2H = ดวเทอเรยม 3H = ตรเตยม 3He = ฮเลยม-3 4He = ฮเลยม-4 ปฏกรยาทเกดขนในดวงอาทตยคอ ปฏกรยาฟวชน ปฏกรยาฟวชนใชในทาการระเบดไฮโดรเจน ขณะนมการคนควาวจยเรองปฏกรยาฟวชนกนอยในประเทศใหญๆ โดยหวงวาถาสามารถทาใหเกดขนไดและรกษาใหดารงอยตลอดไป และสามารถควบคมได เรากจะมพลงงานนวเคลยรใชอยางมากมายมหาศาลและเปนพลงงานทสะอาดดวย เทาทผเขยนทราบมการทาใหเกดขนไดแลว แตปรากฏเกดขนไดในชวงเวลาสนมากยงไมสามารถนามาใชในเชงพาณชยได คงตองใชเวลาอกนาน จากทกลาวมาแลวจงพอสรปไดวา เชอเพลงนวเคลยรของปฏกรยาฟชชน คอ ยเรเนยม-235 พลโทเนยม-239 สวนเชอเพลงนวเคลยรของปฏกรยาฟวชนคอ ไฮโดรเจน-2 (ดวเทอเรยม) และไฮโดรเจน-3 (ตรเตยม) ตอไปเรามาดรายละเอยดของแตเชอเพลง ยเรเนยม-235 ธาตยเรเนยมมหลายไอโซโทป แตไอโซโทปทมอยแลวในธรรมชาตม 3 ชนด คอ ยเรเนยม-234 มประมาณ 0.01% (0.0057%) ยเรเนยม-235 มประมาณ 0.7% (0.7204%) และยเรเนยม-238 มประมาณ 99.3% (99.2739%) ปกตจะมการพดถงยเรเนยม-235 กบยเรเนยม-238 เทานน สวนยเรเนยม-234 จะไมคอยพดถงกนเพราะมปรมาณนอยมากนนเอง ในการพดถงเชอเพลงยเรเนยม ปกตเขาจะใชเปอรเซนตของยเรเนยม-235 ทมอยในยเรเนยมเปนหลกในการแบงกลมของยเรเนยม ปจจบนมการแบงเปนกลมใหญอย 3 กลมคอ

8

1. ยเรเนยมทมยเรเนยม-235 อย 0.7% เรยกวา แนชเชอรล ยเรเนยม (natural uranium) หรอยเรเนยมธรรมชาต

2. ยเรเนยมทมยเรเนยม-235 มากกวา 0.7% เรยกวา เอนรช ยเรเนยม (enriched uranium)หรอ ยเรเนยมเสรมสมรรถนะ ซงกแบงเปนกลมยอยอก 2 กลม คอ ถามยเรเนยม-235 นอยกวา 20% เรยกวา โลว เอนรช ยเรเนยม (low enriched uranium) แตถามยเรเนยม-235 เทากบหรอเกน 20% เรยกวา ไฮ เอนรช ยเรเนยม (high enriched uranium)

3. ยเรเนยมทมยเรเนยม-235 นอยกวา 0.7% เรยกวา ดพลทเทด ยเรเนยม (depleted uranium) หรอ ยเรเนยมดอยสมรรถนะ

จากขางบนขอท 2 คอ ยเรเนยมเสรมสมรรถนะ ถอวาสาคญเพราะจะใชเปนเชอเพลงในเครองปฏกรณนวเคลยรทงเพอการวจยและในโรงไฟฟานวเคลยรเปนสวนใหญ ตลอดจนใชเปนเชอเพลงในระเบดนวเคลยร ( ระเบดปรมาณ ) ดวย สาหรบขอท 1 คอ ยเรเนยมธรรมชาต กมการใชเปนเชอเพลงในโรงไฟฟานวเคลยรแบบแคนด (CANDU = Canadian Deuterium Uranium) เหมอนกน สวนขอท 3 ยเรเนยมดอยสมรรถนะ ใชเปนเชอเพลงไมได เขาจงใชในงานทตองการวตถทหนก ความหนาแนนสง แตมปรมาณหรอขนาดเลก เชน ใชเปนภาชนะบรรจวสดกมมนตรงส ใชสาหรบถวงใหเกดการสมดลในเครองบน หรออาจใชเปนตนกาเนดผลตพลโทเนยม-239

เชอเพลงทใชในเครองปฏกรณนวเคลยรเพอการวจยทตงอยทสานกงานปรมาณเพอสนตหลงมหาวทยาลยเกษตรศาสตรทบางเขน เปนยเรเเนยมทมคาเอนรชเมนต (enrichment) เทากบ 20% สาหรบเชอเพลงทใชในการระเบดนวเคลยรจะตองเปนยเรเนยมทมคาเอนรชเมนตมากกวา 95% ดงนนประเทศใดทตองการทาเชอเพลงยเรเนยมเพอนาไปใชประโยชนในเครองปฏกรณนวเคลยรหรอทาระเบดนวเคลยรดวยตนเองตองมโรงงานททายเรเนยมธรรมชาตใหเปนเอนรชยเรเนยมใหได โรงงานนมชอเรยกวา ยเรเนยม เอนรชเมนต พลานต (Uranium Enrichment Plant) หรอเรยกยอๆ วา เอนรชเมนต พลานต หลกการทานนมหลกงายๆ คอ ทาอยางไรกไดใหขจดอะตอมของยเรเนยม-238ออกไปใหไดมากๆ เพอวาสดสวนของยเรเนยม-235 เมอเทยบกบยเรเนยม-238 ทเหลออยจะไดสงขน นนคอเปอรเซนตของยเรเนยม-235จะเพมขนเรอยๆ เมอยเรเนยม-238 ถกขจดออกมากขนๆ สาหรบกระบวนการทใชทรจกกน คอ

1. แกสเชยส ดฟฟวชน (Gaseous Diffusion) กระบวนการคอทายเรเนยมใหอยในสภาพ เปนแกสในรปของยเรเนยมเฮกซะฟลออไรด (UF6) แลวสงผานเขา diffusion chamber ซงทาตวเหมอนเปนแผนเยอ (membrane) โดยการนอะตอมของยเรเนยม-238ทมขนาดใหญและวงชากวาอะตอมของยเรเนยม-235 จะถกสกดออกไปบางสวน เมอวงผานแชมเบอรแตละครง ดงนนถาใหวงผานแชมเบอรตอไปเรอยๆ สดสวนของยเรเนยม-235ตอยเรเนยม-238 จะเพมขนเรอยๆ จนไดเอนรชเมนตตามทตองการ

9

เพอใหเขาใจงาย ขอใหดตวอยางขางลาง สมมตเรมแรกมยเรเนยม-235 จานวน 28 อะตอมกบยเรเนยม-238 จานวน3972 อะตอม โดยใหผานแชมเบอร 3 ตว

U-238 = 3972 → U-238 = 400 → U-238 = 20 → U-238 = 1

U-235 = 28 → U-235 = 27 → U-235 = 27 → U-235 = 26 ยเรเนยมม ยเรเนยมม ยเรเนยมม ยเรเนยมม ยเรเนยม-235 0.7% เอนรชเมนต 6.3% เอนรชเมนต 57.4% เอนรชเมนต 96.3% (ยเรเนยมธรรมชาต) จากตวอยางขางบนจะพบวาเรมแรกเปนยเรเนยมธรรมชาต แตพอถงขนสดทายจะไดยเรเนยมทมยเรเนยม-235 เทากบ 96.3% สวนยเรเนยม-238 จานวน 3972- 1= 3971อะตอมกบยเรเนยม-235 จานวน 28 - 26 = 2 อะตอมทถกสกดไวจะกลายเปนยเรเนยมทมยเรเนยม-235 อย 0.5% ซงจะกลายเปน ยเรเนยมดอยสมรรถนะ

2. กระบวนการแกสเซนตรฟวจ (Gas Centrifuge process) ทาโดยการปนแกสยเรเนยมเฮกซะฟลออไรดในทอทรงกระบอกดวยความเรวสง ซงกจะทาใหอะตอมของยเรเนยม-235 ถกเหวยงกระเดนออกจากยเรเนยม-238 เอาสวนทมยเรเนยม-235 เพมขนไปเหวยงตอไปเรอยๆ ในทสดกจะไดเอนรชยเรเนยมตามทตองการ

3. การแบงแยกโดยใชสนามแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic Separation) หลกการคอ การทาใหยเรเนยมกลายเปนแกสทแตกตว (ionized gas) แลวนาไปผานสนามแมเหลกไฟฟากาลงสง โดยการนยเรเนยม-235 และยเรเนยม238 จะถกเบยงเบนเปนทางโคงดวยมมตางกน จากนนกรวบรวมสวนทตกลงตรงสวนทยเรเนยม-235ตกลงมา นากลบไปทาซาอกเรอยๆจะไดเอนรชยเรเนยมตามทตองการ เครองมอแบบนมชอเรยกวา แคลทรอน (callutrons)

4. เทอรมล ดวฟวชน (Thermal diffusion) หลกการของกระบวนการนถอหลกทวาอะตอมหรอโมเลกลทเบาจะสะสมในเขตทมอณภมสงกวา ดงนนถาเราม diffusion columns ทขางในมทอ 2 ทอทมจดศนยกลางรวมกน โดยทอในทาใหรอน สวนทอนอกทาใหเยน จากนนใหยเรเนยมวงผานทวางระหวางสองทอนน ยเรเนยม-235กจะมาเกาะตดสะสมไดแตละสวนไปผาน diffusion columns ตอไปอก ทาอยางไปเรอยๆ กจะไดเอนรชยเรเนยมตามทตองการ

ทงสวธทกลาวถงนวธทสองคอ แกสเซนตรฟวจ เปนวธทนยมใชกนในปจจบนในประเทศทมการผลต ยเรเนยมเสรมสมรรถนะ

10

พลโทเนยม –239 ธาตพลโทเนยม เปนธาตทไมมในธรรมชาต เราตองผลตขนเอง ธาตพลโทเนยมมหลายไอโซโทปแตไอโซโทปทสามารถกอใหเกดปฏกรยาฟชชนไดคอ พลโทเนยม-239 เราผลตพลโทเนยม-239 ไดโดยการใหอนภาคนวตรอนวงไปชนแลวทาปฏกรยากบนวเคลยสของยเรเนยม-238 ดงสมการดงน γ+→+ UnU 239

9210

23892

eNpU 01

23993

23992 −+⎯⎯→⎯สลายตว

ePuNp 01

23994

23993 −+⎯⎯→⎯สลายตว

เมอทราบวาพลโทเนยม-239 เกดจากยเรเนยม-238 และทราบวาเชอเพลงทใชในเครองปฏกรณนวเคลยรไมวาชนดใด จะเพอการคนควาวจยหรอเพอผลตกระแสไฟฟา ตางใชยเรเนยมเปนเชอเพลง นนคอมทงยเรเนยม-235 และยเรเนยม-238 ดวยเหตผลนเมอเดนเครองปฏกรณนวเคลยร ยเรเนยม-235 จะเกดปฏกรยาฟชชนจานวนยเรเนยม-235 จะลดลงเรอยๆสวนยเรเนยม-238 จะกลายเปนพลโทเนยม-239 เพมขนเรอยๆซงกสามารถสกดออกมาใชได พลโทเนยม-239 เปนเชอเพลงทใชในระเบดปรมาณ เชน เดยวกบยเรเนยม-235 มการพยายามทจะใชพลโทเนยม-239 เปนเชอเพลงในเครองปฏกรณนวเคลยรเพอการผลตไฟฟา ขณะนอยในขนทดลองใชเทานน เชอเพลงทวานมชอวา มอก ฟเอล (Mox fuel) เปนเชอเพลงทม ยเรเนยมผสมรวมกบพลโทเนยม ยเรเนยม-233 ยเรเนยม-233 ไมมในธรรมชาต เราตองผลตขนมาเอง สมการการเกดยเรเนยม-233 คอ γ+→+ ThnTh 233

9010

23290

ePaTh 01

23391

23390 −+⎯⎯→⎯สลายตว

eUPa 0

123392

23391 −+⎯⎯→⎯สลายตว

11

จากสมการขางบนจะเหนวา ยเรเนยม-233 เกดจากทอเรยม-232 (Thorium-232) ซงมอยในธรรมชาตดงนนการผลต คอ เอาทอเรยม-232 ใสเขาไปในแกนเครองปฏกรณนวเคลยร หลงจากนนนามาสกดเอายเรเนยม-233ออกมา เหมอนกบการสกดเอาพลโทเนยม-239 ออกมาดงทกลาวมาแลว ทอเรยม-232 พบมากในแรโมนาไซต แรโมนาไซตจะพบปนอยในทรายโมนาไซต (monazite sand) หรอพบในหางแรดบก ประเทศไทยในอนาคตขางหนา ถาเราไมขายทรายโมนาไซตหรอหางแรดบกใหตางประเทศจนหมดประเทศเราจะมแหลงตนกาเนดของเชอเพลงยเรเนยม-233 กบเขาบาง ปจจบนการศกษาคนควาวจยเรองของยเรเนยม-233 เพอนามาใชเปนเชอเพลงในเครองปฏกรณนวเคลยรยงมไมมาก ดงนนจงไมมการกลาวถงยเรเนยม-233 กนมากนก ไฮโดรเจน-2 หรอดวเทอเรยม ไอโซโทปของธาตไฮโดรเจนทมอยในธรรมชาต คอ ไฮโดรเจน-1 (H-1) ม 99.985 % และไฮโดรเจน-2 (H-2) ม 0.015% ไดมการใชหรอศกษากระบวนการแยกไอโซโทปหลายแบบเพอทาใหเปอรเซนตของไฮโดรเจน-2 เพมสงขนจาก 0.015% เปน 99.7 % หรอมากกวา แตปรากฏวายงไมมกระบวนการอะไรทดกวากระบวนการอนๆ แบบใหเหนเดนชด อยางไรกตามมวธหนงทใชในโครงการแมนแฮตตน (Manhattan Project) ซงเปนโครงการศกษาคนควาสรางระเบดปรมาณของอเมรกา คอใช catalytic steam-hydrogen exchange กบ water distillation เพอใหไดไฮโดรเจน-2 ทมเปอรเซนตเพมสงขนระดบหนงกอนทจะเขาสกระบวนการ electrolysis ในขนสดทายนอกจากนภายหลงสงครามโลกครงทสอง ไดมการใชระบบ dual temperature chemical exchange แลวตอดวย water distillation และจบลงดวย electrolysis นาธรรมดาทเรารจกกนเขยนเปนสตรเคมวา H2O โดย H คอไฮโดรเจน-1 แตถาเปนนาทเปนโมเลกลของไฮโดรเจน-2 หรอ ดวเทอเรยม จะเขยนเปนสตรเคมวา D2O นเรยกวา “นามวลหนก” (heavy water) มเครองปฏกรณนวเคลยรบางแบบใชนามวลหนกเปนตวหนวงความเรว (moderator) นวตรอน ตามทกลาวมาแลววา เชอเพลงของปฏกรยาฟวชน คอ ดวเทอเรยม ดงนนจะเหนวาถาเราสามารถผลตและควบคมปฏกรยาฟวชนได เราจะมเชอเพลงนวเคลยรจานวนมากมหาศาลทเดยว เพราะทใดมไฮโดรเจนทนนจะมดวเทอเรยมดวย

ไฮโดรเจน-3 หรอตรเตยม ไฮโดรเจน-3 หรอตรเตยม (T) เปนไอโซโทปของธาตไฮโดรเจนทไมมในธรรมชาต เราตองผลตขนมาเอง สมการการเกดตรเตยมคอ

12

HeHnLi 42

31

10

63 +→+

วธการโดยการนาลเทยมเขาไปอาบนวตรอนในเครองปฏกรณนวเคลยรจากนนนาไปแยกเอาตรเตยมออกมา ตรเตยมนอกจากใชเปนเชอเพลงของปฏกรยาฟวชนแลว ยงใชประโยชนในการผสมกบสารเรองแสงเพอใหเกดแสงเรองแสงตลอดเวลาโดยไมตองพงแสงสวางไปกระตน ทงนเพราะตรเตยมแผรงสบตาอยตลอดเวลาแลวรงสบตานจะเปนตวกระตนสารเรองแสงใหแผแสงเรองออกมา นอกจากนกใชเปนตวศกษาการเคลอนทของนาในระบบสงมชวตตางๆ เมออานมาถงตอนน ผอานคงรจกเชอเพลงนวเคลยรทกอยางแลว

เมอรวาอะไรเปนเชอเพลงนวเคลยรแลว ตอไปเรามาลองคดดวา เราจะไดมาอยางไร สาหรบเรองทจะขอเลาตอไปน ผเขยนจะไมขอพดถงเชอเพลงนวเคลยรของปฏกรยาฟวชน เพราะปฏกรยาฟวชนนนยงอยในระดบการคนควาวจยเพอหาทางควบคมปฏกรยาใหสามารถคงอยไดเปนเวลานานๆเพอใชในทางสนตได แตจะเลาถงเฉพาะเชอเพลงนวเคลยรทกอใหเกดปฏกรยาฟชชน ทมการใชกนอยางกวางขวางในเครองปฏกรณนวเคลยรทวโลก นนคอยเรเนยม-235 ดงไดกลาวมาตอนแรกๆแลววา ยเรเนยม-235เปนไอโซโทปหนงของธาตยเรเนยม ทมอยในธรรมชาต เมอมอยในธรรมชาต กหมายความวาจะตองมแรยเรเนยมในธรรมชาต เปนจดเรมตน แรยเรเนยมในธรรมชาต ทมการพบแลวอยในรปของ หนทราย ( Sandstone ) หรอ หนแขง ( Hard rock ) ซงเปนแรยเรเนยมทมคณภาพระดบตา ขนาดรอยละ 0.1 ของยเรเนยม กบระดบขนาด รอยละ 20 ของยเรเนยม และมคณสมบตทเหมาะสมทจะสกดเปนเชอเพลงตอไป เชอเพลงนวเคลยรชนด U-235 ทจะนาไปใชเปนตนกาเนดพลงงานในเครองปฎกรณนวเคลยรของโรงไฟฟานวเคลยรหรอเพอการศกษาวจย จาเปนตองผานขบวนการหลายขนตอน โดยเรมจากแรยเรเนยมจากธรรมชาต ผานขนตอนทเรยกวา mining & milling conversion enrichment การปรบแตงเปนแทงเชอเพลง หลงจากใชงานในเครองปฎกรณนวเคลยร ในชวงระยะเวลาหนงแลว เชอเพลงนวเคลยรนนจะเรยกวาเปนเชอเพลงใชแลว ซงจะตองผานขบวนการขนตอไป การนาไปเกบเปนการชวคราว การแปรสภาพเชอเพลงใชแลว เพอนากลบมาใชเปนเชอเพลงนวเคลยรใหม รวมถงการจดการเกยวกบกากกมมนตรงส รวมถงการเลกดาเนนการดวย การปฎบตการทกขนตอนทเกยวของกบเชอเพลงนวเคลยร น เรยกวา เปน วฎจกรเชอเพลงนวเคลยร ( Nuclear Fuel Cycle )

13

รปท 2 วฎจกรเชอเพลงนวเคลยร ขนท 1 Mining & Milling ผลจากการสารวจแหลงแรยเรเนยมทมความเขมขนมากพอทจะนามาใชเปนเชอเพลงไดในปจจบนน ไดแก ออสเตเรย มอยมากทสด 27 % ( ปรมาณของยเรเนยมทมอยในโลก ทงหมด ประมาณ 3.3 ลานตนในรปของ U3O8 ) Kazakhstan 17% Canada 15% South Africa 11 % Namibia 8% Brasil 7% Russia 5% USA 4% และ Uzbekistan 4% แรยเรเนยมจะผานขบวนการชะละลาย(leaching) ดวยสารละลายกรด และทาใหบรสทธ ผลผลตสดทายไดตะกอนอยในรปของ ยเรเนยมออคไซด ( U3O8) เปนผงสเหลอง เรยกกนวา Yellow cake โรงไฟฟานวเคลยรขนาด 1000 MWe ตองการ Yellow cake ประมาณ 200 ตน ตอป

14

รปท 3 แร ยเรเนยม รปท 4 Yellow cake

รปท 5 แหลงแรยเรเนยมเชงพาณชย ขนท 2 การเปลยนสภาพ ของ ยเรเนยม จาก U3O8 เปน UF6

โดยทวไปเครองปฎกรณนวเคลยรตองการยเรเนยมทเสรมสมรรถนะ ยเรเนยมทอยในรปเปน ยเรเนยมเฮกซาฟลออไรด ( UF6 ) มความบรสทธทางเคมสง อยในสถานะทเปนแกส และเหมาะสมกบขบวนการเสรมสมรรถนะตอไป

15

รปท 6 ขบวนการผลตผงยเรเนยม

ขนท 3 การเสรมสมรรถนะ เครองปฎกรณนวเคลยรเพอการผลตกระแสไฟฟาทเดนเครองอยในปจจบนน ใชเชอเพลงยเรเนยม – 235 ทเสรมสมรรถนะ 1 - 4 % ในขบวนการเสรมสมรรถนะ ยเรเนยม – 238 จะถกดงออกไปถง 85 % ผลผลตทไดจากขบวนการนจะเปน 2 ทาง คอ ทางทหนงได ยเรเนยมเสรมสมรรถนะตามตองการ อกทางหนงจะได ยเรเนยมทม U-235 นอยกวาทมในธรรมชาต เรยกกนวา ยเรเนยมดอยสมรรถนะ ( Depleted Uranium) ซงจะไมใชประโยชนการเปนเชอเพลง ในการผลตพลงงาน แตเนองจาก ยเรเนยมดอยสมรรถนะน มความหนาแนนสง มากกวา ตะกวถง 1.7 เทา จงนาไปใชประโยชน เปนอปกรณกาบงรงสไดด

16

การเสรมสมรรถนะของยเรเนยมทาไดหลายวธ ไดแก การแพรของแกส ( gas diffusion) การหมนเหวยงของแกส ( gas centrifuge ) laser technique เปนตน ในปจจบนเทคนคการหมนเหวยงแกสเปนทนยมใชในการเสรมสมรรถนะ เปนวธการทมประสทธภาพสง และสรางเปนโรงงานใชสถานทไมใหญโตมาก ซงใชหลกการแยกไอโซโทป ยเรเนยม – 238 และ ยเรเนยม – 235 ในรปแกสเฮกซาฟลออไรดออกจากกนดวยการหมนทความเรวสงมากในเครองหมนเหวยงรปทรงกระบอก ยเรเนยม-238 ทหนกกวาจะถกเหวยงใหเคลอนทอยรอบนอกชดกบผนงของเครองหมนเหวยง ยเรเนยม – 235ซงเบากวาจะถกเหวยงไปลอยขนบรเวณตอนกลางของเครองหมนเหวยง และเขาสเครองหมนเหวยงถดๆไป ซงตอเรยงกนเปนอนกรม จนกวาจะไดยเรเนยม – 235ทมสมรรถนะตามตองการ

รปท 7 การเสรมสมรรถนะของ ยเรเนยม

17

รปท 8 โรงงานเสรมสมรรถนะของยเรเนยม แบบการหมนเหวยงของแกส การประกอบแทงเชอเพลง ( fuel fabrication ) เปนขบวนการประกอบชดเชอเพลงนวเคลยร( fuel assembly ) โดยการนายเรเนยมเฮกซาฟลออไรดทไดเสรมสมรรถนะแลวมาเปลยนสภาพ เปน ยเรเนยมออคไซด ( UO2 ) ทาใหเปนผงและอดเปนเมดทรงกระบอกทมเสนผาศนยกลางประมาณ 1 เซนตเมตร และสงประมาณ 2 เซนตเมตร เรยกวา เมดเชอเพลง ( fuel pellet ) นาไปเผาในบรรยากาศ ของไฮโดรเจน เพอใหมความหนาแนนสงและอยในสภาพทเปนเซรามคส เมดเชอเพลงทไดแตงผวใหเรยบคดเลอกแลวบรรจลงในทอโลหะผสมเซอรโคเนยม เชอมปดปลายหวทายทอโลหะผสมเซอรโคเนยม ทอนยาวประมาณ 3 เมตร เรยกวา แทงเชอเพลง นาแทงเชอเพลงนมาประกอบเขาดวยกน เรยกวา ชดเชอเพลงนวเคลยร ชดเชอเพลงของโรงไฟฟานวเคลยรแบบนาอดความดน ( Pressurized water reactor ; PWR ) ประกอบดวยแทงเชอเพลงมดรวมกนขนาดตางๆ ขนอยกบการออกแบบ เปนชนด 17 x17 16 x16 หรอ 15 x 15 แทงเชอเพลง แตถาเปนโรงไฟฟานวเคลยรแบบนาเดอด ( Boiling Water Reactor; BWR ) ชดเชอเพลงนจะมขนาดเลกกวา ประกอบดวยแทงเชอเพลง ขนาด 6 x 6 หรอ 8 x 8 แทง

18

รปท 9 ขนตอนการประกอบมดเชอเพลง

รปท 10 มดเชอเพลง PWR รปท 11 มดเชอเพลง BWR

19

ตามปกตโรงไฟฟานวเคลยรจะเดนเครองปฎกรณนวเคลยร เปนเวลานาน 12 - 18 เดอนตดตอกน และดบเครองปฎกรณฯ เพอเปลยนเชอเพลงนวเคลยรใหมประมาณ หนงในสาม ดงนนชดเชอเพลงนวเคลยรแตละมดจะอยในเครองปฎกรณนวเคลยรประมาณ 3 ป หลงจากนนชดเชอเพลงนวเคลยรจะถกนาออกจากเครองปฎกรณนวเคลยรและเกบไวในบอนาทใชเกบเชอเพลงนวเคลยร ( nuclear spent fuel )ใชแลวเพอรอการจดการเกยวกบเชอเพลงใชแลวตอไป การจดการเกยวกบเชอเพลงนวเคลยรใชแลว เชอเพลงนวเคลยรทประกอบขนมาใหม ( fresh fuel ) ทใชในโรงไฟฟานวเคลยรประกอบดวย ยเรเนยม- 235 1 – 4 % หรอทใชในเครองปฎกรณนวเคลยรเพอการวจยโดยทวไปจะใชเชอเพลงนวเคลยร ม ยเรเนยม – 235 นอยกวา 20 % เมอถงระยะเวลาของการใชงานแลว และยายเอาชดเชอเพลงนวเคลยรออกจากเครองปฎกรณนวเคลยร ชดเชอเพลงนวเคลยรนซงเรยกวา เชอเพลงใชแลว จากผลของการเกดปฏกรยานวเคลยรฟชชน ในแทงเชอเพลง จะมพลโทเนยมเกดขนมา ประมาณ 1 % ยเรเนยม - 238 และ ยเรเนยม – 235 ทเหลออย ผลตผลจากการแบงแยกนวเคลยส ( fission products ) และ กลมสารทรานยเรเนยม ทมเลขมวลมากกวา 92 เชอเพลงใชแลวเมอยายออกจากเครองปฎกรณนวเคลยรใหมๆ จะยงคงรอนอยและมระดบรงสสงมาก ตองเกบไวในบอนา บอนาทใชเกบเชอเพลงใชแลวเรยกวาเปนการเกบชวคราว ในการขนยายเชอเพลงใชแลวสนเปลองคาใชจายมาก จงมความจาเปนทจะตองมสถานทเกบไวเปนเวลานาน สาหรบเครองปฎกรณนวเคลยรเพอการวจยจะออกแบบใหมบอนาทเกบเชอเพลงใชแลวไดนานถง 30 - 40 ป กอนทจะสงไปโรงงานแปรสภาพเชอเพลง ( reprocessing plant ) หรอมสถานทเกบเชอเพลงใชแลวอยางถาวร เชอเพลงใชแลวทสงไปยงโรงงานแปรสภาพ จะเสยคาใชจายสง และไมคมกบมลคาของ ยเรเนยม และ พลโทเนยมทไดแยกออกมา แลวนาไปผลตเปนแทงเชอเพลงเพอนากลบมาใชใหม นอกจากนนผลจากการแปรสภาพเชอเพลงใชแลวจะไดกากกมมนตรงสทมระดบรงสสงมากจะถกสงกลบมายงผทเปนเจาของเชอเพลงใชแลว หรอโรงงานแปรสภาพ จะคดคาบรการเกยวกบการจดการกากกมมนตรงสสงนและการเกบรกษา การจดการเกยวกบเชอเพลงใชแลวขนอยกบสถานภาพของแตละประเทศ ในบางประเทศเชอเพลงใชแลวหลงจากเกบไวเปนการชวคราวในโรงไฟฟานวเคลยรชวระยะเวลาหนงในบอนา หลงจากนนจะจดการเกบในระยะยาวโดยไมสงไปโรงงานแปรสภาพ โดยยายแทงเชอเพลงใชแลวทอยในบอนามาเปนการเกบแบบแหง ดวยการเกบอยในบรรยากาศของแกสฮเลยมในภาชนะคอนกรตขนาดใหญทเหมาะสมตอการปองกนอนตรายจากการแผรงส สถานทเกบระยะยาวนกจะอยในอาณาเขตบรเวณของโรงไฟฟานวเคลยร ในบางประเทศไมมโรงงานแปรสภาพเชอเพลงใชแลวและไมประสงคจะสงไปยงโรงงานแปรสภาพทประเทศอนๆ แตจะสงเชอเพลงนวเคลยรใชแลวไปยงโรงงานเปลยน

20

สภาพจากชดเชอเพลงนวเคลยรโดยการแยกแทง เชอเพลงออกเปนแทงๆ และเกบแทงเชอเพลงทไดแยกออกมาแลวโดยคงสภาพไวเพอการแปรสภาพตอไปในอนาคต โดยจะเกบไวในสถานทเกบทมระบบปองกนอนตรายจากการแผรงสและอยในสถานทปลอดภยตอการทสารกมมนตรงสจะแพรกระจายสสงแวดลอม เชนเหมองเกลอทเลกใชงานแลว โรงงานแปรสภาพเชอเพลงใชแลวทยงเดนเครองอยในปจจบนน มอยทประเทศฝรงเศส สหราชอาณาจกร และ ประเทศญปนซงจะรบการแปรสภาพเชอเพลงใชแลวจากโรงไฟฟานวเคลยรในประเทศเทานน ในสหรฐอเมรกาไมอนมตใหมการแปรสภาพเชอเพลงใชแลวมาตงแตป ค.ศ. 1977 โรงไฟฟานวเคลยรในสหรฐอเมรกาจงตองใชวธการเกบเชอเพลงใชแลวในบอนาในโรงไฟฟานวเคลยร ในบางโรงงานมการเกบเชอเพลงนวเคลยรใชแลวไวในบอนาเปนเวลานานมากกวา 20 ป โดยไมมผลกระทบตอสงแวดลอม โรงงานเกบเชอเพลงใชแลวซงจะใชเปนสวนกลางของรฐคาดวาจะเรมใชงานไดประมาณป ค.ศ. 2010 ในปจจบนนเพอทจะลดพนทสถานทเกบเชอเพลงใชแลว โรงไฟฟานวเคลยรตางๆ ในสหรฐอเมรกาจงใชวธการในการลดพนทในการเกบเชอเพลงใชแลว คอ

รปท 12 บอเกบเชอเพลงใชแลว

21

การเกบแบบแหงเปนการเกบเชอเพลงใชแลวในภาชนะทเปนโลหะหรอคอนกรตและใชแกสเปนตวระบายความรอนและมระบบปองกนอนตรายจากการแผรงส สถานทเกบอาจเปนพนทภายในหรอภายนอกโรงไฟฟานวเคลยร การแยกแทงเชอเพลงออกเปนชนสวน เพอลดพนทในการเกบรกษา มระบบระบายความรอนและใชภาชนะทมขนาดเลกสะดวกตอการขนยาย

การแปรสภาพเชอเพลงใชแลว โรงงานแปรสภาพเชอเพลงใชแลวเชงพาณชยทเดนเครองในปจจบนม อยทประเทศฝรงเศส 2 โรง อยท Marcoule และท La Hague ประเทศองกฤษ อยท Sellafield และทประเทศญปน อยท Tokai mura การแปรสภาพเชอเพลงใชแลวใชวธการสกดดวยตวทาละลาย ซงเปนขบวนการรากฐานทใชกนทวไป และรจกกนในชอของ PUREX Solvent Extraction ตวทาละลายประกอบดวย TBP ละลายอยใน Kerosine ผลผลตจากขบวนการนจะได ยเรเนยมทบรสทธ พลโทเนยมทบรสทธ และผลตผลฟชชนทมระดบรงสสง ดงแสดงในของขบวนการแปรสภาพเชอเพลงใชแลว

22

รปท 13 ขบวนการแปรสภาพเชอเพลงใชแลว

23

การวดการแผรงสจากแทงเชอเพลงใชแลว การวดรงสแกมมาหรอนวตรอนทแผออกจากแทงเชอเพลงใชแลวเพอใชหาปรมาณของยเรเนยมและพลโทเนยมหรอปรมาณการเผาไหม ( Fuel burnup) ไมสามารถทาการวดไดโดยตรง เนองจากมระดบรงสรอบขางสงมากมารบกวน จงตองใชเทคนคทางออม ตวอยางเชนตองการหาคา burnup ของแทงเชอเพลงใชแลวจะใชวธการหาสดสวนของรงสแกมมาทปลอยออกมาจากผลผลตพลอยไดของ ไอโซโทป Cs-134 ตอ Cs- 137 การวดหาปรมาณของรงสแกมมาทงหมดดวยหววด Ion Chamber ทบรเวณสวนบนของแทงเชอเพลง อนเปนผลมาจากการแผรงสของ Co-60 Co- 58 และ Mn-54 ซงเปนสารทใชทาโครงสรางของแทงเชอเพลง การวดแกมมาพลงงานสง 2186 keV ของ Cs-134 ดวยหววด Be ( γ,n ) ซงเปน U-235 ฟชชนแชมเบอร ( Fission chamber ) หมดวยโพลเอทลน และลอมรอบดวยเบรลเลยมซงเปนการวดอนหนงของผลผลตฟชชน การวดอยางละเอยดเพอหาคาเผาไหมของแทงเชอเพลงดวยหววดรงส เยอรมาเนยม (high resolution germanium ) โดยการวดหาความเขมขนของผลผลตฟชชนแตละตวซงมความสมพนธกบคาการเผาไหมของเชอเพลง แทงเชอเพลงใชแลวจากเครองปฎกรณนวเคลยร ยงมเชอเพลงยเรเนยมทเหลออยและม พลโทเนยมทเกดขนมา จากปฎกรยาแบงแยกนวเคลยส ซงเปนเชอเพลงทอยภายใตการควบคมและดแล (Safeguards)ตามขอตกลงกบทบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศ ประเทศทไมมโรงงานแปรสภาพเชอเพลงใชแลว หรอหองปฎบตการเกยวกบการแปรสภาพเชอเพลงใชแลว แทงเชอเพลงใชแลวทเกบอยในบอนาจะตองอยในสภาพเดมเหมอนกบแทงเชอเพลงใหม จะนาไปแปรสภาพไมได ทบวงการฯ จะสงเจาหนาทมาตรวจสภาพแทงเชอเพลงใชแลวอยางนอยปละ 1 ครง หรอทกๆ 3 เดอน ขนอยกบปรมาณของแทงเชอเพลงใชแลวทเกบรกษาไว การเปลยนแปลงทเกบรกษากจะตองแจงใหทบวงการฯทราบเปนการลวงหนา

รปท 14 การวดรงสเชอเพลงใชแลวในบอนา

24

เอกสารอางอง:

1. Robert G. Cochran and Nicholas Tsoulffanidis : The Nuclear Fuel Cycle Analysis and Management

2. Doug Reilly, Norbert Ensslin, Haslings Smith.Jr and Sarah Kreiner: Passive Nondestructive Assay of Nuclear Material

3. เอกสารเผยแพร British Nuclear Fuel PLC 4. เอกสารเผยแพร ABB Atom Sweden 5. www.uic.com

________________________________________________________

25

ปรชา การสทธประวตยอ

นายปรชา การสทธ เรยนจบปรญญาตร (เกยรตนยม)ดานฟสกส จากจฬาลงกรณมหาวทยาลยใน ป พ.ศ. 2506 และปรญญาโทภาควชานวเคลยรเทคโนโลย จฬาลงกรณมหาวทยาลยในป พ.ศ. 2516 อดตเคยรบราชการทส านกงานพลงงานปรมาณเพอสนต (ปจจบนเปลยนชอเปน ส านกงานปรมาณ

เพอสนต) จากนนไดด ารงต าแหนงผชวยศาสตาจารยประจ าภาควชานวเคลยรเทคโนโลย คณะวศวกรรมศาสตร จฬาลงกรณมหาวทยาลย ในป พ.ศ. 2525ไดเดนทางไปท างานททบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศ (IAEA) ทกรงเวยนนา ประเทศออสเตรย ในต าแหนงผตรวจดานพทกษความปลอดภยเชอเพลงนวเคลยร (Nuclear Safeguards Inspector) จนเกษยณอายเมอป พ.ศ. 2543

ปจจบนไดชวยงานดานนวเคลยรของประเทศไทยโดยเปนกรรมการผทรงคณวฒของคณะอนกรรมการความปลอดภยของโรงงานนวเคลยร และเปนอปนายกคนท 2 ของสมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทย

วทต เกษคปตประวตยอ

นายวทต เกษคปต เรยนจบปรญญาตร (เกยรตนยม)ดานฟสกส จากจฬาลงกรณมหาวทยาลย และปรญญาโทดานHeath Physics จาก University of Rochester ประเทศสหรฐอเมรกา อดตเคยรบราชการทส านกงานพลงงานปรมาณเพอสนต (ปจจบนเปลยนชอเปนส านกงานปรมาณเพอสนต) โดย

ด ารงต าแหนงสดทายคอ ผอ านวยการกองสขภาพ จากนนไดเดนทางไปท างานททบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศ (IAEA) ทกรงเวยนนา ประเทศออสเตรย ในต าแหนงผตรวจดานพทกษความปลอดภยเชอเพลงนวเคลยร (Nuclear Safeguards Inspector) จนเกษยณอายเมอป พ.ศ. 2542

ปจจบนไดชวยงานดานนวเคลยรของประเทศไทยโดยเปนกรรมการในคณะอนกรรมการก าหนดมาตรฐานการรบรองเจาหนาทความปลอดภยทางรงส เปนกรรมการสมาคมนวเคลยรแหงประเทศไทย เปนคณะท างานจดท าศพทานกรมนวเคลยรและอรรถาภธานศพทนวเคลยรฉบบภาษาไทย