การกลั่นแยก H2 และ D2 MO Memoir : Saturday 7 February 2569

ในตอนที่แล้ว (วันพฤหัสบดีที่ ๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๙) ได้กล่าวถึงการสกัด deuterium ออกจากแก๊สไฮโดรเจน (ที่ประกอบไปด้วย H₂, HD และ D₂) ด้วยแอมโมเนีย (NH₃) จากนั้นจึงนำ ND₃ ที่ได้ไปทำการออกซิไดซ์เพื่อให้ได้ heavy water หรือ D₂O แต่สำหรับวันนี้จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ โดยตรง

H₂ มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ -252.9ºC ในขณะที่ D₂ (ที่มีมวลมากกว่า) มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ -249.5ºC หรือต่างกันมากกว่า 3ºC ซึ่งถ้ามองในแง่ผลต่างอุณหภูมิแล้ว การกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันควรจะง่ายกว่าการกลั่นแยก NH₃ และ ND₃ ออกจากกัน เพราะคู่ NH₃ และ ND₃ นั้นมีอุณหภูมิจุดเดือดต่างกันเพียงแค่ 1ºC แต่ถ้ามองที่ไปที่อุณหภูมิจุดเดือดแล้วจะเห็นว่าการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันจะยากกว่าตรงที่ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำมากเพื่อทำให้ทั้ง H₂ และ D₂ กลายเป็นของเหลว โดยไม่สามารถใช้การเพิ่มความดันเพื่อทำให้มันเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ดังเช่นกรณีของ NH₃ และ ND₃ แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ก็ยังมีการพัฒนากระบวนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน (รูปที่ ๑ และ ๒) เพื่อเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการผลิต D₂ เพื่อนำไปใช้ผลิต heavy water ต่อไป

(หมายเหตุ : เราสามารถทำให้แก๊สกลายเป็นของเหลวได้ด้วยการเพิ่มความดันถ้าอุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) ซึ่งของ NH₃ อยู่ที่ 132.3ºC ในขณะที่ของ H₂ อยู่ -240ºC)

รูปที่ ๑ ตัวอย่างแผนผังกระบวนการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ ที่มีการยื่นจดสิทธิบัตรไว้ในปีค.ศ. ๑๙๕๙ (พ.ศ. ๒๕๐๒) 

 

รูปที่ ๒ อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการกลั่นแยก D₂ ออกจาก H₂ ที่มีการยื่นจดสิทธิบัตรไว้ในปีค.ศ. ๑๙๖๑ (พ.ศ. ๒๕๐๔)

โมเลกุลไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดจะอยู่ในรูป H₂ โดยมีส่วนน้อยที่อยู่ในรูป HD และส่วนน้อยมาก ๆ (หรืออาจถือได้ว่าแทบไม่มี) ที่อยู่ในรูปของ D₂ ดังนั้นสิ่งแรกที่ต้องทำก่อนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกันก็คือการทำให้มี D₂ ก่อน

กระบวนการผลิตเริ่มจากการเพิ่มความเข้มข้นให้กับ HD ในแก๊สไฮโดรเจนก่อน (ตัวอย่างแผนผังอย่างง่ายแสดงในรูปที่ ๓) ซึ่งตรงนี้สามารถทำได้ด้วยการกลั่นแยกแม้ว่าจะยากอยู่เหมือนกัน (H₂ และ HD มีจุดเดือดต่างกันไม่มาก) จากนั้นจึงนำ HD ที่ได้ไปทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอะตอมดังปฏิกิริยา 2HD ---> H₂ + D₂ จากนั้นจึงค่อยกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน

ปรกติเวลาโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนสัมผัสพื้นผิวโลหะ จากโมเลกุล H-H จะสามารถแตกออกเป็นอะตอม H 2 อะตอมบนพื้นผิวโลหะ และอะตอมที่แตกออกมานี้ก็สามารถรวมตัวกลับไปเป็นโมเลกุล H-H ได้ใหม่ เรื่องนี้เป็นความรู้พื้นฐานที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปในวงการตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ เวลาที่โมเลกุล H-D ลงมาเกาะ มันก็มีการแตกตัวออกเป็นอะตอม H และอะตอม D แต่เวลาที่มันจะรวมตัวกลับ อะตอม H ของ H-D ก็อาจไปจับกับอะตอม H ตัวอื่นกลายเป็นโมเลกุล H₂ หลุดออกไป และในทำนองเดียวกันอะตอม D ของ H-D ก็อาจไปจับกับอะตอม D ตัวอื่นกลายเป็นโมเลกุล D₂ หลุดออกไป และด้วยการเลือกใช้โลหะที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม ก็จะทำให้สัดส่วนโมเลกุล D₂ เพิ่มมากขึ้น จากนั้นจึงค่อยนำไปกลั่นแยก D₂ เพื่อเอาไปใช้ผลิต heavy water ต่อไป

สิทธิบัตรในรูปที่ ๔ บอกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมคือโลหะใน Group VIII แต่ตรงนี้ต้องขอทบทวนการเรียกธาตุต่าง ๆ ว่าเป็นธาตุในหมู่ไหน (ดูรูปที่ ๕ ประกอบ) คือการนับหมู่จะเริ่มจากหมู่ 1 ที่อยู่ทางซ้ายสุดของตารางธาตุ การนับแบบเดิมนั้นจะเริ่มจากหมู่ IA (หรือ alkaline) ตามด้วย IIA (หรือ alkaline earth) พอถึงหมู่ถัดมาจะเป็น IIIB คือเข้าอนุกรมโลหะทรานซิชัน จากนั้นก็นับต่อไปจนถึงหมู่ VIIB สามหมู่ถัดมาจะเรียกว่าหมู่ VIII จากนั้นจึงเป็นหมู่ IB, IIB และขึ้น IIIA ใหม่ไปจนถึง VIIIA แต่ต่อมามีการเปลี่ยนวิธีการนับคือนับเรียงจากหมู่ 1 ทางซ้ายไปเรื่อย ๆ จนถึงหมู่ขวาสุดคือหมู่ที่ 20 ดังนั้นหมู่ VIII เดิมจึงกลายเป็นหมู่ 8-10 ของการนับแบบใหม่

 

รูปที่ ๓ แผนผังอย่างคร่าวของกระบวนการผลิต Heavy water ผ่านการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน รูปนี้มีที่มาจากแหล่งเดียวกับรูปที่ ๖ (มี URL เอกสารต้นเรื่องอยู่ในรูปที่ ๖)

รูปที่ ๔ สิทธิบัตรที่มีการกล่าวถึงตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำหรับการแลกเปลี่ยนอะตอม H และ D เพื่อผลิต D₂

รูปที่ ๕ เปรียบเทียบการนับหมู่ในตารางธาตุแบบเก่าและแบบใหม่ ธาตุในหมู่ VIII คือที่อยู่ในกรอบสีแดง ที่นำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาก็มีเฉพาะ 3 แถวบน ส่วนแถวล่างสุดที่มี Hs, Mt และ Ds เป็นธาตุที่สังเคราะห์ขึ้น ไม่มีในธรรมชาติ

รูปที่ ๖ แผนผังกระบวนการกลั่นแยก H₂ และ D₂ ออกจากกัน หอซ้ายสุดเป็นหอกลั่นซ้อน 3 ชั้นเพื่อเพิ่มความเข้มข้น HD จากไม่ถึง 300 ppm เป็น 900 ppm ก่อนทำการกลั่นแยก HD (95%) ออกในหอที่สอง

หอกลั่นแยกไฮโดรเจนจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1B228 (รูปที่ ๗ ข้างล่าง) ด้วยการที่อะตอมไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็ก (ประกอบด้วยโปรตอนเพียงตัวเดียว) ดังนั้นเวลาที่โมเลกุลไฮโดรเจนกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนเกาะอยู่บนอะตอมโลหะที่อยู่บนพื้นผิวนั้น ด้วยการที่อะตอมโลหะมีขนาดใหญ่ ช่องว่างระหว่างอะตอมก็เลยมีสิทธิที่จะใหญ่ตามไปด้วย (ขึ้นกับการเรียงตัวของอะตอมในโครงร่างผลึก) ด้วยเหตุนี้สำหรับโลหะหลายชนิด อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะอยู่บนพื้นผิวจะสามารถแพร่ผ่านผิวโลหะนั้นไปได้โดยเคลื่อนตัวผ่านไปตามช่องว่างระหว่างอะตอมโลหะ และถ้าหากอะตอมไฮโดรเจนที่กำลังแพร่อยู่ในเนื้อโลหะนั้นเกิดการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ก็จะทำให้เกิดฟองแก๊สในเนื้อโลหะที่สามารถทำให้ผนังโลหะนั้นเกิดความเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ในข้อกำหนด 1B228 จึงต้องมีการระบุว่าควบคุมเฉพาะวัสดุที่ใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก (cryogenic) และใช้งานได้กับไฮโดรเจน (ข้อ c.)

รูปที่ ๗ หอกลั่นแยกไฮโดรเจนจัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางในหมวด 1B228

สำหรับฉบับนี้ ก็คงจบลงเพียงแค่นี้

การสกัด Deuterium ด้วย NH3 MO Memoir : Thursday 5 February 2569

ธาตุไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดในธรรมชาติ นิวเคลียสจะมีโปรตอนเพียงแค่ 1 ตัว (¹H) โดยอีกไอโซโทปนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว (²H) ไอโซโทปตัวนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่า deuterium หรือใช้สัญลักษณ์ว่า D ดังนั้นในงานที่ต้องการระบุว่าอะตอมไฮโดรเจนที่สนใจนั้นคือ deuterium ก็จะใช้ D แทน H เช่นโมเลกุลน้ำทั่วไปจะใช้สูตรเคมีว่า H₂O แต่ถ้าต้องการเน้นว่าอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมนั้นเป็น deuterium ก็จะเขียนสูตรเคมีเป็น D₂O น้ำที่มีสูตรโมเลกุลเป็น D₂O จะเรียกว่าเป็น heavy water เพราะมันมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำปรกติทั่วไป

เมื่อนิวเคลียสของอะตอมถูกยิงด้วยนิวตรอน นิวตรอนก็อาจสะท้อนหรือถ่ายเทพลังงานให้กับอะตอมที่มันชน หรือถ้าอะตอมที่ถูกนิวตรอนชนนั้นดูดซับตัวนิวตรอนเข้าไป อะตอมที่ดูดซับนิวตรอนนั้นก็อาจเกิดการแตกออกเป็นนิวเคลียสที่มีชนาดเล็กลง ปฏิกิริยานี้เรียกว่านิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) หรือไม่ก็ไม่แตกออกแต่เกิดการเปลี่ยนแปลงกลายเป็นธาตุตัวใหม่ ส่วนที่ว่าจะเกิดแบบไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับไอโซโทปของธาตุและพลังงานของนิวตรอนที่ชน อย่างเช่นถ้าเป็นอะตอมของธาตุเบา (เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน) ก็จะเป็นการสะท้อนหรือถ่ายเทพลังงาน แต่ถ้าเป็นอะตอมของธาตุหนัก ก็จะมีทั้งการแตกออกและเกิดเป็นธาตุใหม่

รูปที่ ๑ กระบวนการผลิต heavy water ด้วยการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแอมโมเนีย (จากเอกสาร Heavy water producion - A review of process จัดทำโดย D.M. Levins ของ Australian atom energy commission research establishment, Lucas Height, September 1970)

ยูเรเนียมมีไอโซโทปที่สำคัญ 2 ตัว ตัวที่มีมากที่สุดคือ U-238 โดยมี U-235 เพียงส่วนน้อย แต่ U-235 นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้เมื่อถูกยิงด้วยนิวตรอนพลังงานต่ำ แล้วมันก็จะคายพลังงานและปลดปล่อยนิวตรอน (ที่มีพลังงานสูงกว่าตัวที่ยิงเข้าไป) ออกมาอีกหลายตัว ดังนั้นถ้าต้องการให้นิวตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันนั้นสามารถทำให้อะตอม U-235 อะตอมอื่นเกิดการแตกตัวได้ ก็ต้องหาทางลดพลังงานของนิวตรอนที่เกิดขึ้น และสารที่นำมาใช้งานดังกล่าวก็จะเรียกว่า neutron moderator

U-238 แตกตัวได้ถ้าถูกยิงด้วยนิวตรอนพลังงานสูง มันก็เลยถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงเสริมในระเบิดนิวเคลียร์ คือให้นิวตรอนพลังงานสูงที่เกิดจากการระเบิดก่อนหน้าไปทำให้อะตอม U-238 แตกตัวคายพลังงานออกเพิ่มเติม แต่ถ้ามันถูกยิงด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานพอเหมาะ มันก็จะดูดกลืนนิวตรอนตัวนั้น และอะตอม U-238 เป็นจะเปลี่ยนเป็นธาตุใหม่คือพลูโทเนียม (Pu) โดยไอโซโทปที่ได้คือ Pu-239

และที่สำคัญคือ Pu-239 สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้ง่ายเช่นเดียวกับ U-235 และยังสามารถผลิตได้จาก U-238 ที่มีปริมาณมากกว่า U-235 อยู่มาก

ความเข้มข้น U-235 ที่ใช้ในเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ผลิตความร้อนนั้น มีทั้งแบบที่มีความเข้มข้นสูงกว่าที่มีในธรรมชาติ (enriched uranium) และแบบที่มีความเข้มข้นเท่ากับที่มีในธรรมชาติ (natural uranium) ส่วนที่ว่าจะใช้แบบไหนก็ขึ้นกับว่าเน้นการผลิตความร้อนเพื่อไปผลิตไฟฟ้าหรือผลิต Pu-239 เพื่อนำไปผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต่อ

รูปที่ ๒ อีกกระบวนการหนึ่งสำหรับผลิต heavy water ด้วยการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแอมโมเนีย (จากเอกสาร Heavy water producion - A review of process จัดทำโดย D.M. Levins ของ Australian atom energy commission research establishment, Lucas Height, September 1970)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear) มีหลากหลายรูปแบบ รูปแบบหนึ่งที่สามารถนำมาใช้สำหรับผลิต Pu-239 ได้ก็คือชนิดที่ใช้ heavy water (D₂O) เป็น neutron modulator (เรียกว่า Heavy Water Reactor หรือ HWR) ข้อดีข้อหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้คือสามารถใช้ natural uranium เป็นเชื้อเพลิงได้ แต่มันก็มีข้อเสียอยู่ตรงที่ต้องจัดหา heavy water มาใช้งาน

วิธีการแยกอะตอม D ออกจากอะตอม H นั้นมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี วิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้ในการผลิต heavy water ในระดับอุตสาหกรรมคือการให้แก๊สไฮโดรเจน (ที่มีอะตอม D ร่วมอยู่ด้วย) ทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเหลว (liquid NH₃) ภาย ภายใต้อุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม โมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนกับแอมโมเนียจะมีการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนกัน ทำให้สัดส่วนอะตอม D ในแอมโมเนียเพิ่มสูงขึ้น ด้วยการที่ NH₃ และ ND₃ มีอุณหภูมิจุดเดือดต่างกันอยู่ประมาณ 1ºC จึงยังพอจะแยกออกจากกันด้วยการกลั่นได้ (รูปที่ ๑ มุมขวาบนที่เขียนว่า Finishing Distillation Columns คือหอกลั่นแยก โดย ND₃ จะออกมาทางด้านล่างของหอกลั่น) เมื่อได้ ND₃ ความเข้มข้นสูงมาแล้วก็จะนำไปเผากับออกซิเจน ก็จะได้ D₂O ความเข้มข้นสูงออกมา (มุมล่างขวาของรูปที่ ๑ บอกว่าได้ความเข้มข้น 99.75%)

ในการทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนในหอสัมผัสนั้น แอมโมเนียจะถูกปล่อยให้ไหลลงล่างโดยมีแก๊สไฮโดรเจนวิ่งสวนขึ้นข้างบน เพื่อให้ได้การแลกเปลี่ยนอะตอมที่มากพอ ขนาดของหอสัมผัส (บรรดา tower ต่าง ๆ ในรูปที่ ๒) จึงมีความสูงมากอยู่เหมือนกัน คือในระดับ 100 เมตร

รูปที่ ๓ ปั๊มสำหรับไหลหมุนเวียนสารละลาย KNH₂ ในแอมโมเนียเหลวจัดว่าเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual Use Item DUI) ในหมวด 1B230

ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนระหว่างแก๊สไฮโดรเจนและแอมโมเนียนั้นจะรวดเร็วขึ้นถ้าหากมีการเติมสารประกอบ amide บางชนิดเข้าไปในแอมโมเนียเหลวนั้น และสารตัวหนึ่งที่ทำหน้าที่นี้ได้ดีก็คือ potassium amide (KNH₂) ซึ่งก็ดูเหมือนว่าตัวนี้น่าจะเป็นตัวที่ดีที่สุด เพราะเมื่อไปค้นสิทธิบัตรหรือบทความที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ก็พบว่ามีการพูดถึงสารประกอบ amide หลากหลายชนิดว่าสามารถใช้ได้ แต่ถ้าจะให้คุ้มค่าที่จะนำมาใช้ผลิตในเชิงพาณิชย์ก็คงต้องเป็น KNH₂ ตัวนี้ เพราะขนาดรายชื่อสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่ระบุไว้ใน EU List ยังระบุควบคุมปั๊มสำหรับไหลหมุนเวียนสารละลาย KNH₂ ในแอมโมเนียเหลว แทนที่จะเขียนกว้าง ๆ เพื่อให้ครอบคลุมไปยังสารประกอบ amide ตัวอื่นด้วย

(หมายเหตุ : เมื่อลองค้นหาความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของ NH₃ กับ ND₃ ปรากฏว่าข้อมูลของ ND₃ นั้นไม่ชัดเจน ขนาดข้อมูลภาพรวม AI ของ google เองก็ยังบอกตรงข้ามกัน ขึ้นกับคำถามที่ถาม (ดังเช่นที่จับภาพหน้าจอมาให้ดูในสองรูปถัดไป)  แต่บอกเหมือนกันว่าต่างกันประมาณ 1ºC) แต่จากข้อมูลในรูปที่ ๑ ที่ ND₃ ออกทางด้านล่างของหอกลั่นนั้น แสดงว่า ND₃ น่าจะเป็นตัวที่มีจุดเดือดสูงกว่า)