PBMR เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีเชื้อเพลิงเป็นทรงกลม

ภาพจำลองของเตาปฏิกรณ์ PBMR รุ่น Xe-100
ที่มาภาพประกอบ X-energy

          คงปฏิเสธไม่ได้ว่าการมาถึงของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดโมดูลขนาดเล็ก (Small Modular Reactors หรือ SMR) ได้ทำให้กระแสการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ในประเทศสหรัฐอเมริกาและหลายประเทศในทวีปยุโรปกลับมาคึกคักอีกครั้ง เพราะ SMR เป็นเตาปฏิกรณ์ที่มีความยืดหยุ่นในการพัฒนาให้เหมาะสมกับสภาพพื้นที่และโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งตอบสนองต่อเทคโนโลยีพลังงานยุคใหม่


          เมื่อไม่นานมานี้ ทาง U.S. Department of Energy Office of Nuclear Energy ซึ่งเป็นหน่วยงานด้านพลังงานนิวเคลียร์ของประเทศสหรัฐอเมริกา รวมถึงบริษัทเอกชนอีกหลายบริษัทกำลังให้ความสนใจในการพัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบถังกรวดแบบโมดูล (Pebble Bed Modular Reactor หรือ PBMR) ซึ่งเป็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดความร้อนสูงมาก (Very-High-Temperature Reactor หรือ VHTR) และมีการพัฒนาคาบเกี่ยวอยู่ระหว่างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ยุคที่ III+ กับยุคที่ IV


          แต่ก่อนที่เราจะคุยกันเรื่อง PBMR ผู้เขียนขอแนะนำว่าหากผู้อ่านท่านใดยังไม่ได้อ่านบทความเรื่อง “เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก คลื่นลูกใหม่ของเทคโนโลยีพลังงาน” ผู้เขียนอยากให้ท่านกลับไปอ่านบทความดังกล่าวก่อน เพื่อเป็นการปูพื้นฐานเรื่องเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่ แต่สำหรับท่านที่อ่านบทความนั้นแล้ว เราก็ไปลุยเรื่อง PBMR กันได้เลยครับ


          ผู้อ่านหลายท่านคงจะคุ้นเคยกับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบคลาสสิกที่มีแท่งเชื้อเพลิงทรงกระบอกยาวหลายแท่งบรรจุอยู่ภายในแกนปฏิกรณ์และใช้น้ำเป็นสารหน่วงนิวตรอน แต่ PBMR นั้นมีหน้าตาแตกต่างออกไปอย่างชัดเจน เพราะเชื้อเพลิงของ PBMR ไม่ได้มีลักษณะเป็นแท่ง แต่กลับมีลักษณะเป็นก้อนกลมขนาดประมาณ 6 เซนติเมตร (ขนาดพอๆ กับลูกเทนนิส) บรรจุอยู่ภายในแกนปฏิกรณ์ที่มีลักษณะเป็นถัง (Bin-Shaped) ภายในก้อนกลมนี้ประกอบด้วยเม็ดเชื้อเพลิงขนาดเล็กจำนวนมากเรียกว่า Tristructural-isotropic หรือ TRISO ซึ่งเกิดจากธาตุยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโตเนียมที่ถูกห่อหุ้มด้วยชั้นคาร์บอนคาร์ไบ และเม็ดเชื้อเพลิงทั้งหมดที่อยู่ภายในก้อนเชื้อเพลิงจะถูกหุ้มด้วยสารหน่วงนิวตรอนที่ทำจาก Pyrolytic Graphite อีกทีหนึ่ง ดังรูป

โครงสร้างของก้อนเชื้อเพลิงสำหรับเตาปฏิกรณ์ PBMR
 

         ก้อนเชื้อเพลิง PBMR มีความแข็งแรงและสามารถทนทานต่อความร้อนได้สูงเกือบ 2,000 องศาเซลเซียส เมื่อใส่ก้อนเชื้อเพลิงลงในถังปฏิกรณ์ก็จะเกิดช่องว่างระหว่างก้อนเชื้อเพลิงแต่ละก้อน ทำให้สามารถระบายความร้อนด้วยแก๊สเฉื่อยที่ดูดกลืนนิวตรอนและรังสีได้น้อยอย่าง ฮีเลียม ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นจึงใช้แก๊สร้อนดังกล่าวไปขับเคลื่อนกังหันโดยตรงหรือถ่ายเทความร้อนให้กับของไหลอื่น ทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงาน (Transfer Efficiency) มีค่าอยู่ระหว่าง 40-50% ซึ่งสูงกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบคลาสสิกที่มีค่าราว 33%

 

         นอกจากก้อนเชื้อเพลิงทรงกลมจะสามารถหน่วงนิวตรอนด้วยตัวเองและมีช่องว่างระหว่างก้อนให้แก๊สระบายความร้อนไหลผ่านได้แล้ว ข้อดีอีกประการของก้อนเชื้อเพลิงทรงกลมก็คือมันสามารถเปลี่ยนถ่ายก้อนเชื้อเพลิงได้อย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง โดยก้อนเชื้อเพลิงจะเคลื่อนที่เข้าและออกหมุนเวียนอยู่ในถังปฏิกรณ์จนกว่าจะหมดอายุการใช้งาน ในขณะที่เตาปฏิกรณ์แบบคลาสสิกต้องชะลอหรือหยุดการดำเนินเครื่องไปชั่วระยะเวลาหนึ่งขณะทำการเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิง ในด้านความปลอดภัยและการติดตั้ง PBMR เป็นเตาปฏิกรณ์ที่มีระบบควบคุมความปลอดภัยแบบ Passive Safety และสามารถเพิ่มหรือลดกำลังการผลิตไฟฟ้าได้โดยสร้างเป็นโมดูลเช่นเดียวกับ SMR แบบปกติ

        
โครงสร้างและระบบการทำงานของเตาปฏิกรณ์ PBMR
 

          เมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ.2018 ทาง Office of Nuclear Energy ได้รายงานว่าบริษัท X-energy กำลังพัฒนา PBMR ขั้นสูงที่มีชื่อว่า Xe-100 ซึ่งมีกำลังการผลิตประมาณ 76 เมกะวัตต์ต่อเครื่อง เตาปฏิกรณ์ดังกล่าวใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงและใช้ฮีเลียมเป็นสารระบายความร้อน โดยทางบริษัทคาดว่าตัวเตาปฏิกรณ์ Xe-100 จะออกแบบแล้วเสร็จในช่วงปลายปี ค.ศ.2019 ส่วนก้อนเชื้อเพลิงของเตาปฏิกรณ์รุ่นเดียวกันจะเผยโฉมสู่สาธารณะในปี ค.ศ.2020

 

          ความจริงแล้ว PBMR ก็ไม่ใช่เตาปฏิกรณ์หน้าใหม่ เพราะแนวคิดการออกแบบก้อนเชื้อเพลิงทรงกลมและระบายความร้อนด้วยแก๊สมีมาตั้งแต่ช่วงหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ทั้งยังเคยมีการสร้าง PBMR เครื่องนำร่องมาก่อนแล้วในประเทศเยอรมัน จีน และแอฟริกาใต้ แต่ด้วยปัจจัยบางอย่างในช่วงเวลานั้นก็ทำให้ PBMR ยังไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควร อย่างไรก็ตาม จากวันนั้นจนถึงวันนี้ เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพและความปลอดภัยเพิ่มสูงขึ้นกว่าแต่ก่อนมาก และคงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นว่าเทคโนโลยีนิวเคลียร์รุ่นใหม่จะนำพาโลกไปในทิศทางไหน ซึ่งอีกไม่นานเราคงได้รู้กันครับ

 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

อ้างอิง

• https://www.energy.gov/ne/articles/x-energy-developing-pebble-bed-reactor-they-say-cant-melt-down?fbclid=IwAR2r_osXyZsJKUyCieqQVVIwBSOZMscHu2bwGodjefvZrNCr1j82BPZBveM
• http://nuclear.energy.group.tripod.com/id3.html
• http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/dfg/#[2]