วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จากทอเรียม (Thorium Fuel Cycle)

อย่างที่เป็นที่ทราบแพร่หลายกันดี เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้อยู่ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทุกวันนี้ ใช้ธาตุยูเรเนียมเป็นส่วนประกอบสำคัญ อย่างไรก็ตาม ยังมีธาตุอีกชนิดหนึ่งที่พบได้ตามธรรมชาติและสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้ นั่นก็คือทอเรียม(Thorium) ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างการนำยูเรเนียมและทอเรียมมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นั้นก็คือการเป็นวัสดุฟิซไซล์และวัสดุเฟอร์ไทล์
ยูเรเนียมที่นำมาใช้ทำเชื้อเพลิงนั้นประกอบด้วยสองไอโซโทปหลักๆ ก็คือ U-235 และ U-238 U-235นั้นเป็นวัสดุฟิซไซล์ หรือ เป็นธาตุที่นิวเคลียสสามารถแบ่งแยกได้และนำไปสู่การเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ให้พลังงานสูง ส่วน U-238นั้นเป็นวัสดุเฟอร์ไทล์ คือเป็นวัสดุที่ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ด้วยตัวเองแต่สามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุฟิซไซล์ได้ U-238นั้นเืมื่อได้รับนิวตรอนเข้าไปก็จะเปลี่ยนเป็น Pu-239ซึ่งเป็นวัสดุฟิซไซล์ ส่วนทอเรียมนั้นมีไอโซโทปหลักคือTh-232ซึ่งเป็นวัสดุเฟอร์ไทล์ โดยลำพังธาตุทอเรียมเองแล้วจึงไม่สามารถเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้จนกว่าจะได้รับนิวตรอนเข้าไปแล้วกลายเป็น U-233 ซึ่งเป็นวัสดุฟิซไซล์เช่นกัน ดังนั้นการทำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จากทอเรียมจะต้องเริ่มจากการใส่ทอเรียมเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ผลิตเชื้อเพลิง (breeder reactor) แล้วจึงนำ U-233ที่ได้มาจากทอเรียมไปใส่ในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ปกติ

ข้อได้เปรียบของการนำทอเรียมมาเป็นเชื้อเพลิง

ธาตุทอเรียมบนพื้นผิวเปลือกโลกนั้นมีปริมาณมากถึงเกือบสี่เท่าของธาตุยูเรเนียม ดังนั้นการขุดหาแร่ควรจะเป็นไปได้ง่ายกว่า และยังมีปริมาณเพียงพอสำหรับการใช้ทำเชื้อเพลิงในอนาคตที่ไกลกว่า
Th-232มีneutron cross-section สูงกว่า U-238 จึงมีโอกาสรับนิวตรอนได้สูงกว่า และผลิตวัสดุฟิซไซล์ได้มากกว่า และวัสดุฟิซไซล์ที่ได้จาก Th-23 คือ U-233นั้นก็ให้นิวตรอนมากกว่าPu-239 และ U-235 เมื่อเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ นำไปสู่การให้พลังงานที่มากกว่าเมื่อคิดในหน่วยของพลังงานที่ได้ต่อมวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จากทอเรียมนั้นสามารถป้องกันการแพร่หลายของอาวุธนิวเคลียร์ได้ดีกว่าวัฏจักรยูเรเนียม ในวัฏจักรยูเรเนียมนั้น Pu-239 ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญที่ใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ ถูกผลิตขึ้นระหว่างปฏิกิริยา ทำให้การเก็บรังษาเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วต้องมีการระมัดระวังเป็นอย่างดี ส่วนวัฏจักรทอเรียมนั้นผลิต U-233 ซึ่งแยกออกมาจากเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วได้ยาก จึงเป็นการปลอดภัยกว่าในแง่ของการจารกรรมวัสดุเพื่อไปใช้ผลิตอาวุธ
ในแง่ของการกำจัดกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ยูเรเนียมออกไซด์ (UO₂)สามารถออกซิไดส์กลายเป็นสารประกอบอื่นๆเช่น U₃O₈ UO₃ ซึ่งสามารถปะปนออกมากับน้ำที่ซึมเข้าไปในบริเวณที่ิ้ทิ้งกากกัมมันตรังสี แต่ทอเรียมออกไซด์นั้นไม่สามารถละลายน้ำได้ จึงไม่เกิดปัญหาการรั่วไหลออกมาจากบริเวณเก็บกาก นอกจากนั้นผลผลิตจากปฏิกิริยานิวเคลียร์จากวัฏจักรทอเรียมมีธาตุหลังยูเรเนียม(transuranium)ในปริมาณน้อยกว่า ซึ่งเป็นผลดีเพราะธาตุหลังยูเรเนียมนั้นมีครึ่งชีวิตยาว

ข้อเสียของการนำทอเรียมมาเป็นเชื้อเพลิง

ถึงแม้ว่าทอเรียมบนผิวโลกจะมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียม แต่ว่าทอเรียมส่วนใหญ่อยู่ในสถานะทอเรียมออกไซด์ (ThO₂) ซึ่งไม่สามารถละลายน้ำได้ ทำในแร่ที่มีทอเรียมนั้นกระจัดกระจายอยู่ทั่วไปในความเข้มข้มที่น้อยมาก ส่วนยูเรเนียมนั้นสามารถละลายน้ำได้เล็กน้อยในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม ทำให้แร่ธาตุที่มียูเรเนียมอยู่ลอยตามน้ำมารวมกันและจับเป็นกลุ่มก้อน การขุดเหมืองยูเรเนียมจึงเป็นไปได้ง่ายกว่าการทำเหมืองทอเรียม
ทอเรียมไม่สามารถเกิดฟิชชั่นได้ด้วยตัวเอง จึงต้องมีการใช้เครื่องปฎิกรณ์ผลิตเืชื้อเพลิงซึ่งอาจก่อให้เกิดความยุ่งยาก

ดังนั้นแนวทางในการนำทอเรียมมาใช้ให้เกิดประโยชน์ในการทำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จริง อาจจะไม่ใช่การนำเอาทอเรียมออกไซด์ล้วนๆมาผลิตเป็นเชื้อเพลิง แต่ว่านำทอเรียมไปผสมกับยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมออกไซด์เพื่อให้ได้เป็นเชื้อเพลิงออกไซด์ผสมหรือ Mixed Oxide Fuel (MOX) ซึ่งในกรณีนี้ก็จะสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทอเรียมได้ โดยที่ยังใช้วัฎจักรเชื้อเพลิงอย่างเดิม

Nuclear Educational Project