เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ MO Memoir : Friday 20 December 2567

ใน EU List มีการระบุชนิดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) ที่จัดว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางไว้หลายที่ แต่เท่าที่สังเกตดูเห็นว่าพอจะจัดออกได้เป็น 3 กลุ่มดังนี้

กลุ่มแรกเป็นพวกที่ใช้กับการแยกไอโซโทปยูเรเนียม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้จะกระจายอยู่ในหัวข้อหลัก 0B001 คุณลักษณะหลักคือทำจากวัสดุทนการกัดกร่อน การรั่วไหลต่ำ (เพราะทำงานกับสารกัมมันตภาพรังสี และไม่ได้ทำงานที่อุณหภูมิและความดันสูง

กลุ่มที่สองเป็นพวกที่ใช้กับสารเคมีที่มีการกัดกร่อนสูง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้อยู่ในหัวข้อ 2B350.d คุณลักษณะจะเน้นไปที่การทำจากวัสดุที่ทนการกัดกร่อนสูง (โดยเฉพาะจากแก๊สฟลูออรีนและไฮโดรเจนฟลูออไรด์ที่ใช้ในการผลิตอาวุธเคมี และใช้ในการสกัดไอโซโทปยูเรเนียม) แต่กำหนดขนาดพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนไว้สูงสุดเพียงแค่ 20 m²

กลุ่มที่สk,เป็นพวกที่ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในกลุ่มนี้อยู่ในหัวข้อ 0A001.i (รูปที่ ๑) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกลุ่มนี้จะทำงานที่อุณหภูมิและความดันที่สูง และมีขนาดใหญ่

รูปที่ ๑ คุณลักษณะเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เป็นสินค้าควบคุมเพราะออกแบบมาเพื่อใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

Shell and Tube Heat Exchanger เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สามารถเรียกได้ว่าใช้งานกันมากที่สุดในอุตสาหกรรม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดนี้ทำหน้าที่ส่งผ่านความร้อนจากของไหล (ของเหลวหรือแก๊ส) ที่มีอุณหภูมิสูง (เพื่อลดอุณหภูมิของมัน) ไปยังของไหล (ของเหลวหรือแก๊ส) ที่มีอุณหภูมิต่ำ (เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของมัน) โดยของไหลตัวหนึ่งจะไหลอยู่ในท่อ และมีของไหลอีกตัวหนึ่งไหลผ่านรอบนอกท่อ ส่วนที่ว่าจะให้ของไหลตัวไหนไหลด้านในด้านนอกท่อนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ เช่นถ้าเป็นการต้มน้ำให้เดือดกลายเป็นไอน้ำ ก็มักจะให้ของไหลที่ร้อนนั้นไหลด้านในท่อ แต่ถ้าเป็นการควบแน่นไอน้ำให้กลายเป็นของเหลว ก็มักจะให้ของไหลที่ร้อนนั้นไหลอยู่ด้านนอกท่อ (ตรงนี้อย่าไปยึดติดว่ามันต้องเป็นอย่างนี้ตลอดนะ เพราะบางทีมันก็สลับกันได้ ต้องดูที่ตัวกระบวนการเป็นหลัก)

ในหัวข้อ 0A001.i (รูปที่ ๑) นั้น มีการกล่าวถึงการใช้งานกับ "primary" กับ "intermediate" coolant circuit ของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นตัวทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด Shell and Tube ที่ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์นี้แตกต่างไปจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดียวกันที่ไม่ได้ใช้กับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ดังนั้นเพื่อที่จะเข้าใจว่าทำไมมันจึงแตกต่างกัน เราจึงควรมาทำความรู้จักกับการผลิตไอน้ำโดยอาศัยความร้อนจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์กันก่อนดีกว่า

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Pressurized Water Reactor (PWR) ที่ใช้น้ำภายใต้ความดันสูงเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

รูปที่ ๒-๔ นำมาจากเอกสารเรื่อง "Heat Exchangers in Nuclear Power Plants" โดย George T. Lewis Jr. และคณะ ตีพิมพ์ในวารสาร Advances in Nuclear Science and Technology, Vol. 2, ปีค.ศ. 1964 sohk 41-106 แม้ว่าเอกสารนี้จะเก่ามากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน แต่มันก็อยู่ในยุคที่การผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์อยู่ในช่วงที่กำลังพัฒนา เนื้อหาในบทความจึงทำให้เห็นว่าในระหว่างการพัฒนานั้นมีการประสบและ/หรือเล็งเห็นปัญหาอะไรบ้าง จึงทำให้เกิดกฎเกณฑ์ต่าง ๆ ตามมา ตรงนี้ทำให้แตกต่างจากบทความที่มีการเผยแพร่กันภายหลัง ที่มักจะละสิ่งที่จะอธิบายว่าทำไมต้องมีกฎเกณฑ์เหล่านี้ หรือบอกแต่เพียงว่าว่าต้องทำอย่างนั้นอย่างนี้โดยไม่ได้ให้คำอธิบายว่าทำไม

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่เราใช้กันอยู่อาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันทำให้เกิดความร้อน เมื่อเตาปฏิกรณ์ร้อนก็ต้องใช้ของไหลมาระบายความร้อนออกจากเตาปฏิกรณ์เพื่อป้องกันไม่ให้เตาปฏิกรณ์ร้อนจัดจนเกิดความเสียหายได้ ของไหลที่ใช้ก็มีทั้งแก๊สและของเหลว เช่น Air Cooled Nuclear Reactor ที่ใช้อากาศเป็นตัวระบายความร้อน, Pressurized Water Reactor (PWR) ที่ใช้น้ำภายใต้ความดันสูง (เพื่อให้น้ำนั้นคงสถานะเป็นของเหลว) เป็นตัวระบายความร้อน, Liquid Metal Cooled Nuclear Rector (LMR) ที่ใช้โลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ (ปรกติก็มักจะเป็นโซเดียม) เป็นตัวระบายความร้อน PWR มีข้อดีคือน้ำเป็นสารที่ไม่อันตราย แต่ต้องใข้ความดันที่สูงในการคุมให้น้ำยังคงมีสถานะเป็นของเหลว ส่วนข้อดีของ LMR คือไม่ต้องใช้ความดันที่สูงในการทำให้โลหะนั้นไม่เดือดกลายเป็นไอ (จุดหลอมเหลวของโซเดียมอยู่ที่ประมาณ 98ºC)

รูปที่ ๒ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Pressurized Water Reactor (PWR) เนื่องจากน้ำมีอุณภูมิวิกฤต (critical temperature) ที่ 374ºC ดังนั้นอุณหภูมิของน้ำร้อนจึงถูกจำกัดไว้ไม่เกินค่านี้ (ส่วนที่ว่าจะได้อุณหภูมิสูงเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ความดันเท่าใด ถ้าต้องการน้ำร้อนอุณหภูมิสูงขึ้นก็ต้องใช้ความดันสูงขึ้นตาม) น้ำร้อนนี้จะไปถ่ายเทความร้อนให้กับ Steam generator เพื่อผลิตไอน้ำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ จากนั้นจึงกลับมารับความร้อนที่เครื่องปฏิกรณ์ใหม่ วงรอบการไหลนี้ก็คือ "Primary coolant circuit"

เหตุผลที่ไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้มน้ำให้เดือดเป็นไอแล้วไปขับกังหันไอน้ำโดยตรงก็เพราะ น้ำที่ไหลในวงรอบนี้สัมผัสกับแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จึงมีสารกัมมันตภาพรังสีปะปน การจำกัดวงรอบการไหลเวียนจึงเป็นการจำกับบริเวณที่สัมผัสกับสารกัมมันตภาพรังสี

ไอน้ำที่ Steam generator ผลิตขึ้นเป็นไอน้ำอิ่มตัว (saturated steam) mujอาจถูกนำไปใช้ขับเคลื่อนกังหันไอน้ำโดยตรง หรือมีการติดตั้งหน่วยให้ความร้อนเพิ่มเติม (จากพลังงานฟอสซิล) เพื่อทำให้มันเป็นไอร้อนยิ่งยวด (superheated steam) ก่อนขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ เมื่อไอน้ำออกจากกังหันไอน้ำแล้วก็ไหลเข้าสู่ Vacuum condenser ที่มีน้ำหล่อเย็นมาระบายความร้อนออก ทำให้ไอน้ำควบแน่นกลายเป็นของเหลวก่อนถูกสูบกลับไปรับความร้อนที่ steam generator ใหม่อีกครั้ง

ถ้าทุกอย่างปรกติ น้ำในวงรอบการไหลนี้ไม่ควรจะมีสารกัมมันภาพรังสีปนเปื้อน เว้นแต่ว่า steam generator เกิดการรั่วไหล ก็จะทำให้น้ำในวงรอบการไหลนี้มีการปนเปื้อนได้ เพราะความดันใน Primary coolant circuit นั้นมีค่าสูงกว่า

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Liquid Metal Reactor (LMR) ที่ใช้โลหะโซเดียมหลอมเหลวเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

รูปที่ ๓ เป็นแผนผังกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิด Liquid Metal Reactor (LMR) ที่ใช้โลหะโซเดียมหลอมเหลวเป็นตัวระบายความร้อนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในรูปแบบนี้ความร้อนที่โซเดียมเหลวรับมาจากเครื่องปฏิกรณ์นั้น (Primary sodium coolant loop) ไม่ได้ถ่ายเทให้กับน้ำโดยตรง แต่จะถ่ายเทให้กับโลหะโซเดียมเหลวใน Secondary sodium coolant loop ซึ่งโลหะโซเดียมเหลวในวงรอบการไหลที่สองนี้จะถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตไอน้ำอีกที การที่ต้องมี coolant loop ที่สองเข้ามาก็เพราะโซเดียมกับน้ำทำปฏิกิริยากันรุนแรง ถ้าให้น้ำรับความร้อนจาก primary loop โดยตรง และถ้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดการรั่วไหล น้ำก็จะไหลเข้าไปทำปฏิกิริยากับโซเดียมเหลวใน primary loop ที่ปนเปื้อนสารกัมมันตภาพรังสี (ความดันฝั่งน้ำจะสูงกว่าฝั่งโลหะโซเดียม)

แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบไหนก็ตาม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้ใน primary coolant loop ควรมีโอกาสที่จะเกิดการรั่วไหลต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้

รูปที่ ๔ เหตุผลที่ว่าทำไมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิด Shell and Tube ที่ใช้ใน Primary coolant จึงมีราคาสูง

การป้องกันเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ให้เกิดการรั่วไหลขึ้นอยู่กับการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน และการควบคุมคุณภาพของไหลที่ไหลในแต่ละฝั่งที่อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีจากสิ่งปนเปื้อนที่อยู่ในของไหลนั้นได้ (คือตัวของไหลเองนั้นไม่มีปัญหาใด ๆ กับวัสดุ (เช่นน้ำกับเหล็กกล้าไร้สนิม) แต่สิ่งที่ปนเปื้อนในของไหล (เช่นไอออนบางชนิดในน้ำ) สามารถทำให้วัสดุที่ของไหลนั้นสัมผัสเกิดการผุกร่อนได้) ในส่วนนี้เป็นส่วนที่การออกแบบทั่วไปมีการคำนึงถึงอยู่แล้ว

แต่ในส่วนของการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันนั้น ในกรณีของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อน จำเป็นต้องมีมาตรฐานสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเดียวกันที่ใช้ในงานอื่นมาก รูปที่ ๔ เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่ว่าทำไมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อนจึงมีราคาสูงกว่ามากเมื่อเทียบกับแบบใช้งานทั่วไปที่มีขนาดเท่ากัน อันเป็นผลจากชนิดวัสดุที่ต้องใช้เกรดที่สูงกว่า, ขั้นตอนการประกอบต่าง ๆ (เช่นการเชื่อมโลหะ), การควบคุมคุณภาพการผลิต ฯลฯ ซึ่งต่างต้องเข้มงวดมากกว่า (ที่บทความบอกว่าสูงกว่า 8-9 เท่านั้นเป็นราคาเมื่อ ๖๐ ปีที่แล้ว)

ดังนั้นถ้าสงสัยว่า steam generator นั้นเป็นชนิดที่ออกแบบมาใช้กับของไหลที่มีสารกัมมันตภาพรังสีปนเปื้อนหรือเปล่า ก็คงต้องพิจารณาตรงนี้ประกอบว่า มันใช้มาตรฐานสูงเกินจำเป็นในการสร้างเพื่อใช้งานสำหรับงานทั่วไปหรือไม่

แคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท กับการผลิตอาวุธทำลายล้างสูง MO Memoir : Tuesday 17 December 2567

โลหะอัลคาไลน์และอัลคาไลน์เอิร์ธเป็นตัวรีดิวซ์ที่แรง อย่างเช่นโซเดียม (Na) ที่สามารถรีดิวซ์อะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลน้ำให้กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนได้ แมกนีเซียม (Mg) เองก็ถูกใช้เป็นโลหะกัดกร่อนหรือ (เรียกว่า sacrificial anode หรือ galvanic anode) โดยตัวมันเองจะจ่ายอิเล็กตรอนออกไปเพื่อป้องกันไม่ให้เหล็กถูกกัดกร่อน ในอุตสาหกรรมเช่นการถลุงโลหะ (เช่นเหล็ก) ก็มีการใช้แคลเซียม (Ca) ในการรีดิวซ์สารประกอบออกไซด์ของโลหะ เพื่อรีดิวซ์ไอออนโลหะให้กลายเป็นอะตอมโลหะ โดยแคลเซียมจะกลายเป็นสารประกอบออกไซด์แทน

แต่ทั้งแคลเซียมและแมกนีเซียม (ที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก) ถูกจัดให้เป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Item หรือ DUI) โดยอยู่ในหัวข้อ 1C227 และ 1C228 (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ โลหะแคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท ที่มีความบริสุทธิ์สูง ถูกจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C227, 1C228 และ 1C229 ตามลำดับ

ถ้าดูจากหมวดหมู่ที่โลหะเหล่านี้ถูกจัดเอาไว้ เลข "1" ตัวแรกหมายถึง "Special Materials and Related Equipment" ตัวอักษร "C" ถัดมาหมายถึง Materials และตัวเลข "2" ตัวถัดมาหมายถึงถูกกำหนดโดย Nuclear Supplier Group (NSG) Dual-Used List จึงเป็นจุดที่น่าสนใจคือโลหะแคลเซียมและแมกนีเซียมนี้มันเกี่ยวข้องกับการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้อย่างไร

²³⁵U เป็นองค์ประกอบสำคัญของระเบิดนิวเคลียร์แบบ Fission แต่ยูเรเนียมส่วนใหญ่ในธรรมชาตินั้นเป็น ²³⁸U โดยมี ²³⁵U เพียงเล็กน้อย อีกธาตุหนึ่งที่สามารถนำมาทำระเบิดนิวเคลียร์ได้ก็คือ ²³⁹Pu ซึ่งเตรียมจากการระดมยิงนิวตรอนให้ ²³⁸U ดูดซับไว้แล้วค่อยสลายตัวกลายเป็น ²³⁹Pu จากนั้นจึงค่อยแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียมออกจากกัน แล้วจึงค่อยเปลี่ยนสารประกอบพลูโตเนียมที่ได้ (ที่อาจอยู่ในรูปของ PuO₂ หรือ PuF₄) ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมอีกที

การเปลี่ยน Pu⁴⁺ ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมมีด้วยกันหลายวิธี แต่ส่วนหนึ่งที่เหมือนกันคือการใช้โลหะแคลเซียมหรือแมกนีเซียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (ดูรูปที่ ๑) เป็นตัวรีดิวซ์ โดย Pu⁴⁺ จะถูกรีดิวซ์ให้กลายเป็น Pu⁰ ส่วน Ca และ Mg ก็จะกลายไปเป็น Ca²⁺ และ Mg²⁺ ตัวอย่างของวิธีการรีดิวซ์แสดงไว้ในรูปที่ ๒-๔

 

รูปที่ ๒ กระบวนการรีดิวซ์สารประกอบพลูโนเนียมไดออกไซด์ (PuO₂) ให้กลายเป็นโลหะพลูโตเนียมด้วยการใช้โลหะแคลเซียมเป็นตัวรีดิวซ์ (จากบทความเรื่อง "Plutonium Processing at Los Alamos" เผยแพร่โดย Los Alamos National Laboratory, Actinide Research Quarterly, 3rd Quarter 2008)

ในการเกิดปฏิกิริยา Nuclear fission นั้น นิวตรอนจำนวนหลายตัวที่เกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมตัวแรก อย่างน้อยหนึ่งตัวจะต้องพุ่งเข้าชนนิวเคลียสของอะตอมถัดไป ปฏิกิริยาจึงจะเกิดอย่างต่อเนื่องได้ แต่เนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าขนาดอะตอมมาก โอกาสที่นิวเคลียสของอะตอมถัดไปจะถูกชนจึงมีไม่มาก เว้นแต่จะเพิ่มจำนวนเชื้อเพลิงที่ล้อมรอบนิวเคลียสที่แตกตัวให้มากขึ้น จำนวนที่น้อยที่สุดที่ทำให้การแตกตัวเกิดอย่างต่อเนื่องได้เรียกว่า "มวลวิกฤต" หรือ critial mass ขนาดของมวลวิกฤตนี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอะตอมที่สามารถแตกตัวได้ ถ้าอะตอมนั้นอยู่ในรูปสารประกอบ มันก็จะอยู่ห่างกัน แต่ถ้าอยู่ในรูปของโลหะ มันก็จะอยู่ใกล้กัน ทำให้โอกาสที่จะรับนิวตรอนที่เกิดจากการแตกตัวจะสูงขึ้น ขนาดของมวลวิกฤตก็จะลดลง ทำให้ปริมาตรของเชื้อเพลิงก็ลดตามไปด้วย ซึ่งสำคัญกับขนาดอาวุธ)

รูปที่ ๓ อีกตัวอย่างหนึ่งของการสังเคราะห์โลหะพลูโตเนียมด้วยการรีดิซซ์ Pu⁴⁺ ในสารประกอบ PuO₂ ด้วยโลหะแคลเซียม (จากบทความเรื่อง "Direct Reduction of ²³⁸PuO₂ and ²³⁹PuO₂ to Metal" โดย L.J. Mullins และ C.L. Foxx, February 1982)

รูปที่ ๔ สิทธิบัตรการรีดิวซ์สารประกอบ PuO₂ ให้แลายเป็นโลหะพลูโดยเนียม ด้วยการใช้โลหะแมกนีเซียมเป็นตัวรีดิวซ์

บิสมัท (Bismuth - Bi) เป็นโลหะอีกตัวหนึ่งที่ถูกระบุว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหัวข้อ 1C229 (รูปที่ ๑) โลหะบิสมัทความบริสุทธิ์สูงสามารถป้องกันรังสีแกมม่าได้ดี ในขณะที่ยอมให้อนุภาคนิวตรอนผ่านไปได้ (รูปที่ ๕) จึงเหมาะสำหรับงาน Neutron bombardment (การระดมยิงธาตุด้วยนิวตรอน) ที่ต้องการป้องกันการรบกวนจากรังสีแกมม่าโดยที่ยอมให้นิวตรอนผ่านได้

รูปที่ ๕ บิสมัทความบริสุทธิ์สูง 7N5 N ในที่นี้ย่อมาจาก Nine หรือเลข 9 ดังนั้นความหมายของ 7N5 คือมีความบริสุทธิ์ระกับเลข 9 จำนวน 7 ตัวคือ 99.99999 และปิดท้ายด้วยเลข 5 ซึ่งรวมเป็น 99.999995% แต่ในหัวข้อ 1C229 กำหนดความบริสุทธิ์ของบิสมัทไว้เพียงแค่ 99.99% เท่านั้นเอง