บิสมัทกับการสกัดพลูโตเนียม MO Memoir : Tuesday 10 February 2569

ช่วงเดือนมีนาคม ๒๕๖๘ ทางการจีนได้ประกาศควบคุมการส่งออกแร่หายากเพื่อตอบโต้มาตรการกีดกันทางการค้าที่โดนกระทำ และหนึ่งในแร่ที่มีการควบคุมแม้ว่าจะไม่ใช่แร่หายากก็คือบิสมัท (Bismuth - Bi)

เรื่องของบิสมัสเคยเขียนไว้ในบทความเรื่อง "แคลเซียม, แมกนีเซียม และบิสมัท กับการผลิตอาวุธทำลายล้างสูง" เมื่อวันอังคารที่ ๑๗ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๖๗ โดยเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1C229 โดยตอนนั้นได้กล่าวไว้ว่าบทบาทของบิสมัทคือสามารถป้องกันรังสีแกมม่าได้ดีในขณะที่ยอมให้นิวตรอนผ่านไปได้ แต่จะว่าไปบทบาทที่สำคัญเริ่มแรกของบิสมัทคือใช้ในกระบวนการทางเคมีเพื่อสกัดพลูโตเนียมออกจากเชื้อเพลิงยูเรเนียม โดยกระบวนการดังกล่าวมีชื่อว่า "Bismuth Phosphate" ที่คิดค้นโดย S.G. Thompson และ G.T. Seaborg (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ สิทธิบัตรวิธีการสกัดพลูโตเนียมออกจากยูเรเนียม พึงสังเกตว่ายื่นจดในปีค.ศ. ๑๙๔๔ ซึ่งเป็นเวลาก่อนที่สงครามโลกครั้งที่ ๒ จะสิ้นสุด (สิ้นสุดค.ศ. ๑๙๔๕) แต่มาได้สิทธิบัตรในอีก ๑๓ ปีถัดมา (ค.ศ. ๑๙๕๗)

การแยกสารประกอบของโลหะหลายตัวที่ผสมกันอยู่ที่เป็นของแข็งมีด้วยกันหลายวิธี เช่นใช้เทคนิคการละลาย (dissolution) ที่เลือกสภาวะและตัวทำละลายที่เหมาะสม เพื่อให้สารบางตัวละลายออกมาและบางตัวไม่ละลายออกมา การแยกสารละลายที่ประกอบด้วยโลหะหลายตัวละลายรวมกันอยู่ก็สามารถใช้เทคนิคการตกตะกอน (precipitation) ที่ใช้การปรับสภาพสารละลายเพื่อให้สารบางตัวนั้นตกตะกอนออกมาโดยที่สารตัวอื่นยังคงค้างอยู่ในรูปสารละลาย

กระบวนการ Bismuth phosphate เริ่มจากการนำเอาเชื้อเพลิง U-238 ที่ผ่านการฉายรังสีนิวตรอนมาละลายด้วยกรดไนตริก (HNO₃) เชื้อเพลิง U-238 ที่ผ่านการฉายรังสีจะประกอบไปด้วย U-235 ที่ยังไม่แตกตัว, U-238 ที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ใด ๆ, ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการแตกตัวของ U-235 และ Pu-239 ที่เกิดจากการดูดซับนิวตรอนของ U-238

หลังจากที่ได้สารละลายแล้วก็จะทำการเติมกรดกำมะถัน (H₂SO₄) เพื่อป้องกันการตกตะกอนของยูเรเนียม จากนั้นเติมสาร BiONO₃ (Bismuth oxynitrate ที่เตรียมได้จากการละลายโลหะบิสมัทด้วยกรดไนตริก), กรดไนตริก จากนั้นจึงค่อย ๆ หยดกรดฟอสฟอริก (H₃PO₄) ลงไปในสารละลาย ในขณะนี้พลูโตเนียมในสารละลายจะเป็น Pu⁴⁺ ซึ่งจะทำให้พลูโตเนียมตกตะกอนร่วมลงมากับ Bismuth phosphate จากนั้นจึงแยกเอาตะกอนไปละลายซ้ำอีกครั้งด้วยกรดไนตริก และทำการออกซิไดซ์พลูโตเนียมจาก 4+ ให้กลายเป็น 6+ ซึ่ง Pu⁶⁺ จะค้างอยู่ในสารละลายร่วมกับไอออนโลหะตัวอื่น (รวมทั้งบิสมัสด้วย) แต่สัดส่วนของพลูโตเนียมในสารละลายจะเพิ่มขึ้น จากนั้นก็จะทำการรีดิวซ์ Pu⁶⁺ ให้กลายเป็น Pu⁴⁺ ใหม่เพื่อให้ตกตะกอน แล้วก็ทำการละลายตะกอนนั้นใหม่ ทำการตกตะกอนสารละลายที่ได้ซ้ำอีก และเมื่อทำซ้ำไปหลาย ๆ ครั้งก็จะได้สารละลายที่มีพลูโตเนียมความเข้มข้นสูงและความบริสุทธิ์สูง รายละเอียดวิธีการสามารถอ่านได้ในสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ หรือจากแผนผังสรุปที่นำมาแสดงในรูปที่ ๒ - ๔

รูปที่ ๒ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate

รูปที่ ๓ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate ที่เผยแพร่ไว้ในสิทธิบัตรที่นำมาแสดงในรูปที่ ๑ จะเห็นว่ามีการตกตะกอน, การละลายซ้ำ และการตกตะกอนใหม่หลายครั้ง

เตาปฏิกรณ์บางชนิด (เช่นชนิดใช้ heavy water เป็น neutron moderator) สามารถใช้แร่ยูเรเนียมธรรมชาติที่มี U-235 อยู่ประมาณ 0.7% เป็นเชื้อเพลิงได้โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเข้มข้น (หรือที่เรียกว่าเพิ่มสมรรถนะ) ของ U-235 ให้สูงขึ้น (วิธีการหลักในปัจจุบันคือการใช้เทคนิค gas centrifuge) นอกจากนี้เตาปฏิกรณ์ชนิดนี้ยังสามารถใช้เป็นแหล่งผลิต Pu-239 ได้ และการแยกธาตุที่แตกต่างกันด้วยกรรมวิธีทางเคมีนั้นมันง่ายกว่าการแยกไอโซโทปของธาตุเดียวกันออกจากกัน เส้นทางนี้จึงเป็นอีกเส้นทางหนึ่งในการได้มาซึ่ง Pu-239 สำหรับผลิตอาวุธนิวเคลียร์โดยไม่ต้องมีหน่วยเพิ่มสมรรถนะยูเรเนียม

รูปที่ ๔ แผนผังกระบวนการ Bismuth phosphate ที่ลดขนาดเพื่อทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ (จากเอกสาร "Contaminants of the Bismuth Phosphate Process as Signifiers of Nuclear Reprocessing History", FY-2010 Final Report โดย J.M. Schwantes และ L.E. Sweet)

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