หน้าตาของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเป็นอย่างไร
ชนาธิป ทิพยกุล
กลุ่มปฏิบัติการเทคโนโลยีนิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เคยสงสัยไหมว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีลักษณะเป็นอย่างไร จะเหมือนกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น ๆ เช่น ถ่านหิน น้ำมัน หรือแก๊สธรรมชาติหรือเปล่า และหลังจากใช้แล้วเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเปลี่ยนเป็นลักษณะอย่างไร จะกลายเป็นเศษเถ้าฟุ้งกระจายได้หรือเปล่า บทความนี้อาจจะช่วยตอบคำถามเหล่านี้ได้

โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันนี้ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงเป็นหลัก ซึ่งยูเรเนียมที่นำมาใช้นี้ได้จากการทำเหมืองแร่ยูเรเนียมที่กระจายอยู่ในหลายภูมิภาคของโลก ยูเรเนียมตามธรรมชาติประกอบไปด้วยไอโซโทปหลัก 2 ชนิด คือ ยูเรเนียม-235 และ ยูเรเนียม-238 อย่างไรก็ตามยูเรเนียม-235 ซึ่งเป็นวัสดุเกิดฟิชชันได้มีน้ำหนักเพียงประมาณ 0.7% ของยูเรเนียมธรรมชาติ จึงไม่สามารถนำยูเรเนียมธรรมชาติมาใช้งานได้ทันทีในโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์แบบใช้น้ำเป็นตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (light water reactors) ซึ่งเป็นโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ได้ความนิยมมากที่สุด ดังนั้นจึงต้องมีการเสริมสมรรถนะแร่ยูเรเนียมให้มีความเข้มข้นของยูเรเนียม-235 ระหว่าง 3–5 %โดยน้ำหนัก

ยูเรเนียมที่ผ่านการเสริมสมรรถนะแล้วจะผลิตอยู่ในรูปของยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO2) ซึ่งมีลักษณะเป็นผง หลังจากนั้นเชื้อเพลิงยูเรเนียมไดออกไซด์นี้จะถูกอัดให้เป็นก้อนรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 ซ.ม. และสูงประมาณ 2 ซ.ม. ที่มีชื่อเรียกว่าเม็ดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel pellet) ดังแสดงในรูปที่ 1

 
 
รูปที่ 1 เม็ดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
โดยเม็ดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นี้จะถูกนำไปบรรจุซ้อน ๆ กันในท่อขนาดเล็กความยาวประมาณ 3 เมตร ซึ่งเรียกว่าแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel rod) ท่อเหล่านี้ทำจากโลหะผสมจำพวกเซอร์โคเนียม (zirconium alloy) ซึ่งมีอัตราการดูดกลืนนิวตรอนต่ำแต่ทนความร้อนได้สูง หลังจากนั้นก็นำแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลาย ๆ แท่งมามัดรวมกันกลายเป็นชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel assembly) ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยที่จำนวนแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในแต่ละชุด เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะมีแตกต่างกันไป ขึ้นกับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แต่ละชนิด (อาจมีจำนวนตั้งแต่ 30 – 300 แท่งต่อ 1 ชุดเชื้อเพลิง)
รูปที่ 2 ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต่าง ๆ

ในการใช้งานนั้น ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลายร้อยชุดจะถูกบรรจุในแกนเครื่องปฏิกรณ์ โดยจะมีทั้งชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไหม่และชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว และจำนวนชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ขึ้นกับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แต่ละชนิด ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แต่ละชุดจะสามารถนำมาใช้งานได้ประมาณ 3 รอบการเดินเครื่อง โดยแต่ละรอบการเดินเครื่องใช้เวลาประมาณ 1–1.5 ปี นั่นคือ ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สามารถใช้ได้นานประมาณ 3–4.5 ปีจนกว่าชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นั้นจะหมดสมรรถนะ ในระหว่างการเดินเครื่องปฏิกรณ์ อนุภาคนิวตรอนจะทำปฏิกิริยาฟิชชันกับนิวเคลียสของยูเรเนียม-235ในชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียม-235 ซึ่งมีขนาดใหญ่แบ่งแยกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุขนาดเล็ก 2 นิวเคลียส ซึ่งนิวเคลียสของธาตุขนาดเล็กทั้งสองที่เกิดจากการแบ่งแยกนิวเคลียสนี้เรียกโดยรวม ๆ ว่า ผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission products) และผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสที่เกิดขึ้น ส่วนใหญ่จะยังอยู่ในสภาพที่ยังไม่เสถียร และต้องปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีต่าง ๆ เพื่อจะเปลี่ยนเป็นสภาพที่เสถียร ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าการเดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำให้ยูเรเนียม-235 ถูกใช้ไปและเกิดไอโซโทปของธาตุอื่น ๆ มาแทนที่ นอกเหนือจากอนุภาคนิวตรอนจะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันกับนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 แล้ว อนุภาคนิวตรอนบางส่วนยังถูกดูดกลืนโดยยูเรเนียม-238 ที่มีในชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แล้ว จะทำให้เกิดการแปรธาตุเป็นธาตุพลูโทเนียม-239 ซึ่งเมื่อสกัดออกมาก็สามารถนำมาใช้ เป็นเชื้อเพลิงในโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ ร่วมกับหรือทดแทนยูเรเนียม-235 ได้

หลังจากใช้งานประมาณ 3 รอบการเดินเครื่องแล้ว ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะมีปริมาณยูเรเนียม-235 ต่ำกว่าที่จะใช้งานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้ ชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เหล่านี้จะกลายสภาพเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (spent nuclear fuel) ดังนั้นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วจึงมีลักษณะภายนอกเช่นเดียวกับชุดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ก่อนใช้ โดยผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสที่เกิดขึ้น ระหว่างการเดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ก็ยังคงถูกกักอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ โดยไม่มีการหลุดลอดออกมา เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่เพิ่งเลิกใช้ใหม่ ๆ จะมีกัมมันตภาพรังสีสูงมาก เนื่องจากผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส ที่ถูกกักอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วนมากยังไม่เสถียรและปล่อยรังสีต่าง ๆ เพื่อจะเปลี่ยนเป็นสภาพที่เสถียร เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่เพิ่งถูกเลิกใช้ใหม่ ๆ จึงจะถูกนำมาเก็บในบ่อเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (spent fuel pool) ดังแสดงในรูปที่ 3 โดยน้ำในบ่อจะทำหน้าที่หล่อเย็นและกำบังรังสี เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว จะถูกเก็บไว้ในบ่อเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วชั่วคราว เป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปี เพื่อให้กัมมันตภาพรังสีลดลง หลังจากนั้นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเหล่านี้ จะถูกส่งต่อไปยังศูนย์เก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วถาวร หรือโรงงานแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับนโยบายของแต่ละประเทศ
 
 
รูปที่ 3 บ่อเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว
สรุปว่า เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ถูกผลิตให้อยู่ในรูปเม็ดของแข็ง ซึ่งบรรจุอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หลังจากใช้งานแล้วเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว ก็ยังอยู่ในสภาพเดิม เหมือนกับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ก่อนใช้ เพียงแต่ส่วนประกอบภายในเปลี่ยนไปเท่านั้นเอง ดังนั้น เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว จึงไม่เป็นเศษเถ้าที่ฟุ้งกระจายได้