สินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Items : DUI) ตอนที่ ๗ MO Memoir : Friday 6 September 2562

ตอนเรียนวิชาพื้นฐานวิศวกรรมไฟฟ้านั้นก็ได้เรียนเรื่องเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct current motor) และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternative current motor) สิ่งหนึ่งที่ได้เรียนรู้ในตอนนั้นคือการปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจะทำได้ง่ายกว่า ส่วนการปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับนั้นทำได้ยากกว่าเพราะต้องไปปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้า
 

(หมายเหตุ : ความเร็วรอบการหมุน (รอบต่อนาที) ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับคำนวณได้จากสมการ (120f/p) เมื่อ f คือความถี่ของกระแสไฟฟ้า (บ้านเราคือ 50 Hz) ส่วน p คือจำนวนขั้วของมอเตอร์ที่มีจำนวนเป็นเลขคู่เสมอ ความเร็วรอบนี้เรียกว่าความเร็วซิงโครนัส (synchronus speed) ถ้าเป็น synchronus motor ก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบนี้ แต่ถ้าเป็น induction motor (ภาษาไทยแปลว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ มอเตอร์แบบวนี้เป็นตัวที่เห็นกันทั่วไป) ก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบที่ต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสอยู่หน่อยเพราะมันมีการเกิด slip)
 

ช่วงที่ผมเรียนจบใหม่ ๆ (ก็เมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้ว) อุปกรณ์พวกอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronic) จัดว่าเป็นเรื่องค่อนข้างใหม่ในบ้านเรา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นำมาใช้ในการควบคุมระบบไฟฟ้ากำลัง (ที่ใช้ความต่างศักย์สูงและกระแสสูง) และงานหนึ่งที่มีการนำเข้ามาใช้คือใช้เพื่อควบคุมความเร็วรอบการหมุนของมอเตอร์เหนี่ยวนำ เช่นควบคุมความเร็วรอบการหมุนของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ แทนการใช้การปรับระดับการเปิด-ปิดวาล์วด้านขาออก (ที่มีการสูญเสียพลังงานที่ตัววาล์ว) แต่สมัยนั้นอุปกรณ์พวกนี้มักจะไว้วางใจไม่ค่อยได้ มันก็เลยกลายเป็นเรื่องฝังใจวิศวกรในสมัยนั้น (บางคน) มาจนปัจจุบัน เรื่องนี้เคยเล่าไว้เมื่อ ๒ ปีที่แล้วใน Memoir ปีที่ ๑๐ ฉบับที่ ๑๔๓๖ วันอาทิตย์ที่ ๑๐ กันยายน ๒๕๖๐ เรื่อง "การประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง"
 

ระบบไฟฟ้ากระแสสลับนั้น ถ้าหากเป็นมอเตอร์ที่ไม่ได้มีกำลังมาก ก็จะใช้ไฟเพียงแค่เฟสเดียว แต่ถ้าเป็นมอเตอร์ที่ให้กำลังมาก ก็จะใช้ไฟทั้ง 3 เฟสเพื่อกระจายไม่ให้กระแสในแต่ละเฟสมากเกินไป ตรงนี้คงต้องขอทบทวนนิดนึงว่าความสูญเสียในตัวนำไฟฟ้าเนื่องจากความต้านทานของตัวนำนั้น แปรผันตามกระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง (I²R เมื่อ I คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำ และ R คือความต้านทานของตัวนำ) และถ้าเป็นมอเตอร์ที่ให้กำลังมาก ก็จะใช้ความต่างศักย์ที่สูงขึ้นเพื่อที่จะลดกระแสที่ต้องใช้ลง (พลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับผลคูณระหว่างกระแส I กับความต่างศักย์ V ที่ค่าผลคูณ IV เท่ากัน อุปกรณ์ที่ใช้ V สูงกว่าอีกตัวหนึ่งเท่าตัว จะมีกระแส I ไหลผ่านเพียงครึ่งเดียว แต่การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานจะเหลือเพียงแค่ 1 ใน 4 ของอีกตัวหนึ่ง) แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นมอเตอร์ขนาดไหน ถ้ามีจำนวนขั้วเท่ากันและใช้ไฟฟ้าที่ความถี่เดียวกัน มันก็จะหมุนด้วยความเร็วรอบประมาณเดียวกัน
 

อุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นหม้อแปลงที่ใช้แปลงความต่างศักย์นั้น ที่ออกแบบมาสำหรับไฟฟ้าเฟสเดียว แต่ก็สามารถนำหม้อแปลงดังกล่าวจำนวน 3 ตัวมาต่อเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับไฟฟ้า 3 เฟสได้ ดังนั้นในการพิจารณาอุปกรณ์ไฟฟ้า ก็อย่างเพิ่งด่วนสรุปว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ออกแบบมาใช้สำหรับไฟฟ้า 1 เฟส ไม่สามารถนำมาใช้กับระบบไฟฟ้า 3 เฟส
 

ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับของระบบจ่ายไฟฟ้าที่ใช้กันในปัจจุบันเห็นจะมีอยู่ 2 ความถี่ กล่าวคือถ้าเป็นระบบไฟฟ้าความต่างศักย์ 100-120 V ก็จะมีความถี่ 60 Hz แต่ถ้าเป็นระบบไฟฟ้าความต่างศักย์ 200-240 V ก็จะมีความถี่ 50 Hz ดังนั้นแม้ว่าเราจะสามารถนำเอามอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟ 100-120 V มาใช้กับไฟฟ้า 200-240 V ได้ด้วยการใช้หม้อแปลงแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าให้ลดต่ำลง แต่มอเตอร์ดังกล่าวก็จะหมุนช้าลงไปด้วย ถ้าเป็นกรณีของปั๊มหอยโข่งก็อาจจะพบว่าความสามารถในการทำงานลดต่ำลง เป็นเพราะใบพัดของปั๊มมันหมุนช้าลง
  

รูปที่ ๑ ภาพจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 7,967,893 B2 "Supercritical fluid enrichment of isotopes" แก๊ส UF₆ ถูกป้อนเข้าทางท่อ F ไหลลงมาตามแนวแกนของเพลาหมุน U-235 ที่เบากว่าจะไหลวนกลับขึ้นไปทางด้านบนได้มากกว่าและไหลออกทางช่อง product - P ทำให้แก๊สส่วนนี้มี U-235 เข้มข้นมากขึ้น ในขณะที่ U-238 ที่หนักกว่าจะถูกดูดออกทาง Bottom Scoop (11) ด้านล่างและไหลออกทางช่องทาง waste - W โดยแก๊สส่วนนี้จะมีสัดส่วน U-235 ที่ลดต่ำลง

ในตอนที่ ๔ ของบทความชุดนี้ (ฉบับเมื่อวันอังคารที่ ๒๗ สิงหาคม ๒๕๖๒) ได้กล่าวถึงการแยกไอโซโทปของยูเรเนียมด้วยการใช้เครื่อง gas centrifuge ซึ่งเครื่องนี้มีการออกแบบที่หลากหลาย แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือจะมีส่วนแกนกลางหรือโรเตอร์ (rotor) ที่หมุนด้วยความเร็วรอบที่สูงเรียกว่าอยู่ในระดับหลักหมื่นรอบต่อนาทีขึ้นไปก็ได้ เพราะประสิทธิภาพในการแยกจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อความเร็วรอบการหมุนเพิ่มขึ้น ด้วยอัตราเร็วในการหมุนขนาดนี้จึงทำให้ความเร็วเชิงเส้นที่ผิวนอกสุดของตัวโรเตอร์สูงเกินกว่าความเร็วเสียง (ที่มีค่าประมาณ 340 m/s) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ต้องใช้โลหะที่มีความแข็งแรงสูงในการสร้างตัวโรเตอร์ และในกรณีของแก๊ส UF₆ โลหะดังกล่าวยังต้องทนต่อการกัดกร่อนของแก๊สนี้ด้วย
   

ด้วยความเร็วรอบการหมุนขนาดนี้ การใช้การปรับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้กับมอเตอร์น่าจะเป็นวิธีการที่ดีสุดในการปรับความเร็วรอบ เช่นสมมุติว่าปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้าเป็น 700 Hz และมอเตอร์มี 4 ขั้ว จำนวนรอบการหมุนก็จะอยู่ที่ประมาณ (120 x 700)/4 หรือ 21,000 รอบต่อนาที
    

รูปที่ ๒ รายละเอียดบางส่วนของรายการ 3A225 ตัวเลข 3 คือส่วนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อักษร A หมายถึงระบบ อุปกรณ์ หรือชิ้นส่วน เลข 2 ตัวถัดมาหมายถึงเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่มีที่มาจากรายการของ Nuclear Supplier Group (NSG) ส่วนเลข 25 คือลำดับรายการ

ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ที่สามารถปรับความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับให้สูงขึ้นและมีเสถียรภาพ จึงเป็นอุปกรณ์สำคัญตัวหนึ่งในการทำงานของเครื่อง gas centrifuge ที่ใช้แยกไอโซโทปของยูเรเนียม

รูปที่ ๒ เป็นข้อกำหนดอุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้าที่เป็นสินค้าควบคุม จะเห็นว่าข้อกำหนดนั้นไม่ได้ระบุว่าอุปกรณ์ตัวนี้ใช้กับไฟฟ้ากระแสสลับ 1 เฟสหรือ 3 เฟส กำหนดเพียงแค่พลังงานที่จ่ายออกมาได้ ช่วงความถี่ที่ผลิตได้ และเสถียรภาพของความถี่ที่สร้างขึ้น
  

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างที่วิทยากรของ Mitsubishi Electric ยกมาบรรยายให้ฟังในระหว่างการสัมมนาที่ Keio Hotel กรุงโตเกียวในช่วงบ่ายของวันพุธที่ ๓๑ กรกฎาคม ๒๕๖๒ โดยเป็นกรณีของอุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้าที่ใช้กับกระแสไฟฟ้า 1 เฟส แต่ว่าสามารถนำอุปกรณ์ตัวนี้ 3 ตัวมาประกอบเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับไฟฟ้า 3 เฟสได้

  

รูปที่ ๓ ตัวอย่างประกอบการบรรยายที่วิทยากรจาก Mitsubishi Electric นำขึ้นมาเป็นตัวอย่าง กรณีนี้เป็นกรณีของอุปกรณ์แปลงความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ
    

อุปกรณ์ปรับความถี่กระแสไฟฟ้านี้ปรากฏเป็นรายการควบคุมอยู่ใน Category 0 (Nuclear Materials, Facilities and Equipment) ในหัวข้อ 0B001 ที่เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับ gas centrifuge โดยตรง แต่ก็ยังไปปรากฏใน Category 3 (Electronics) ในหัวข้อ 3A225 ด้วย ตรงนี้ถ้าดูเผิน ๆ ตรงที่ค่าผลคูณระหว่างกระแส (I) กับความต่างศักย์ (V) ที่มีหน่วยเป็น VA (โวลต์-แอมแปร์) มึค่าเพียง 30 VA ก็ไม่น่าจะเข้าข่าย แต่ถ้านำ 3 เครื่องมาต่อเข้าด้วยกันเพื่อใช้กับระบบไฟฟ้า 3 เฟสมันก็จะสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ 90 VA (ข้อ a.) ก็เลยทำให้มันเข้าข่ายเป็นสินค้าควบคุม

   

รูปที่ ๔ ผลการวินิจฉัยพบว่า แม้ว่าเครื่องแปลงความถี่ที่ใช้กับไฟเฟสเดียวนั้นจะไม่เป็นสินค้าควบคุมตามหัวข้อ 0B001 แต่สามารถนำอุปกรณ์นี้ 3 เครื่องมาต่อกันเพื่อใช้กับไฟ ๓ เฟสได้ ทำให้สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้เกินกว่า 40 VA และเมื่อพิจารณาในแง่นี้ก็พบว่าสินค้าชิ้นนี้เข้าข่ายเป็นสินค้าควบคุม

สำหรับบ้านเรานั้น ณ เวลานี้เรื่องการวินิจฉัยสินค้าเหล่านี้เรียกว่าเป็นเรื่องใหม่ โดยความเห็นส่วนตัวแล้วเห็นว่าการวินิจฉัยว่าสินค้าที่ส่งมาให้วินิจฉัยนั้นเข้าข่ายสินค้าควบคุมหรือไม่ เป็นเรื่องที่ง่ายกว่าการมองหาว่าสินค้าใดที่ควรต้องได้รับการวินิจฉัย ทั้งนี้เป็นเพราะผู้ที่ทำการวินิจฉัยเบื้องต้นจำเป็นต้องรู้ว่ากระบวนการผลิตอาวุธทำลายล้างสูงนั้นมีขั้นตอนการทำงานอย่างใดบ้าง และในขั้นตอนเหล่านั้นจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ชนิดใดที่มีชื่อเรียกเหมือนอุปกรณ์ที่ใช้งานกันทั่วไปในชีวิตประจำวัน (เช่นเครื่องปรับความถี่กระแสไฟฟ้าเพื่อปรับความเร็วรอบมอเตอร์ ก็มีการใช้งานกับเครื่องปรับอากาศระบบอินเวอร์เตอร์) แต่มีคุณลักษณะที่พิเศษกว่าที่จำเป็นสำหรับงานทั่วไป เพื่อที่จะดึงเอาสินค้าดังกล่าวมาตรวจสอบคุณลักษณะโดยละเอียดอีกที