เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก คลื่นลูกใหม่ของเทคโนโลยีพลังงาน

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กสามารถขนย้ายด้วยรถบรรทุกได้
(ภาพจาก https://www.nuscalepower.com/)

ตั้งแต่เดือนมกราคม ค.ศ.2018 เป็นต้นมา ทาง U.S. Department of Energy - Office of Nuclear Energy ซึ่งเป็นหน่วยงานด้านพลังงานนิวเคลียร์ของประเทศสหรัฐอเมริกาได้ทำการเผยแพร่แนวทางการพัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่ นั่นคือเตาปฏิกรณ์ที่เรียกว่า Small Modular Reactors หรือเรียกสั้น ๆ ว่า SMRs แต่ก่อนที่ผู้เขียนจะอธิบายว่า SMRs คืออะไร ผู้เขียนจะขอเล่าที่มาที่ไปและรายละเอียดอย่างคร่าว ๆ เกี่ยวกับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์สักนิด


ย้อนเวลากลับไปเมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ.1942 ที่เมืองชิคาโก เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Chicago Pile-1 ซึ่งเป็นผลงานชิ้นเอกของทีมวิจัยของนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลนามว่า Enrico Fermi ประสบความสำเร็จในการสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) เป็นครั้งแรก หลังจากนั้นไม่นาน โลกก็ก้าวเข้าสู่ยุคแห่งพลังงานนิวเคลียร์อย่างเป็นทางการ จากวันนั้นจนถึงวันนี้ก็เป็นเวลากว่า 70 ปีแล้วที่พลังงานนิวเคลียร์อยู่เคียงคู่กับมนุษยชาติและถูกพัฒนาอย่างไม่หยุดยั้งมาโดยตลอด


เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีทั้งแบบที่ใช้ในการทำวิจัยเรียกว่า เตาปฏิกรณ์วิจัย (Research Reactor) และแบบที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าเรียกว่า เตาปฏิกรณ์กำลัง (Power Reactor) โดยเตาปฏิกรณ์จะประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ที่สำคัญ ดังนี้

1. แกนปฏิกรณ์ (Reactor Core) เปรียบเสมือนหัวใจของเตาปฏิกรณ์ เพราะมีแท่งเชื้อเพลิง (Fuel Rod) ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับนิวตรอนที่ถูกยิงเข้ามา โดยแท่งเชื้อเพลิงส่วนใหญ่จะทำจากไอโซโทปของธาตุยูเรเนียม
2. สารหล่อเย็น (Coolant) ทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากปฏิกิริยาฟิชชันไปยังระบบผลิตไอน้ำ และคอยป้องกันไม่ให้แท่งเชื้อเพลิงเกิดการหลอมเหลว สารหล่อเย็นที่นิยมใช้มีทั้งน้ำธรรมดา น้ำมวลหนัก (Heavy Water หรือ D2O) โซเดียมเหลว แก๊สไนโตรเจน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และฮีเลียม
3. สารหน่วง (Moderator) ทำหน้าที่ลดพลังงานของนิวตรอนให้เหมาะสมกับการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน สารหน่วงนิวตรอนที่นิยมใช้ได้แก่ น้ำธรรมดา น้ำมวลหนัก และแกรไฟต์
4. แท่งควบคุม (Control Rod) ทำหน้าที่ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันของเชื้อเพลิง สารที่นิยมใช้คือโบรอน แคดเมียม และไอโอดีน
5. สารสะท้อน (Reflector) ทำหน้าที่สะท้อนนิวตรอนเพื่อลดการสูญเสียนิวตรอนภายในเตาปฏิกรณ์ สารที่นิยมใช้คือ เบริลเลียมและคาร์บอน

ส่วนประกอบต่าง ๆ เหล่านี้จะอยู่ในถังทนความดัน (Vessel) ซึ่งอยู่ภายในอาคารคลุมปฏิกรณ์ (Containment) อีกทีหนึ่ง เมื่อเตาปฏิกรณ์ถูกประกอบเข้ากับระบบผลิตไอน้ำ (Stream Supply System) ระบบผลิตกระแสไฟฟ้า (Electrical Generator) และระบบหล่อเย็น (Cooling System) ทั้งหมดนี้ก็จะถูกเรียกว่า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (Nuclear Power Plant)

ภาพแสดงส่วนประกอบของเตาปฏิกรณ์
(ภาพจาก http://idahoptv.org/sciencetrek/topics/nuclear_energy/facts.cfm)

ภาพแสดงการทำงานของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน (PWR) ซึ่งเป็นชนิดที่นิยมใช้กันมาก
(ภาพจาก https://bit.ly/2areaWg)

แม้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์จะมีโอกาสเกิดความผิดพลาดหรืออุบัติเหตุร้ายแรงน้อยมาก แต่หลายคนคงจำได้ว่าล่าสุดเมื่อปี ค.ศ.2011 แผ่นดินไหวและคลื่นสึนามิโทโฮคุ (Tohoku) ได้สร้างความเสียหายให้กับระบบปฏิบัติการณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะไดอิชิ (Fukushima Daiichi) ทำให้สารกัมมันตรังสีรั่วไหลออกมา ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและการส่งออกอาหารทะเลในระดับหนึ่ง เพื่อลดโอกาสในการเกิดเหตุการณ์ที่เลวร้าย โรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นใหม่จึงถูกออกแบบให้มีความปลอดภัยมากขึ้นเรื่อย ๆ

ภาพแสดงแนวทางการพัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในแต่ละยุค
(ภาพจาก https://www.nuclic.nl/)

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะไดอิชิถูกจัดอยู่ในรุ่นที่ 2 (Generation II) โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในยุคนั้นยังใช้ระบบควบคุมความปลอดภัยแบบ Active Safety ซึ่งต้องมีเจ้าหน้าที่และระบบจ่ายไฟสำรอง แต่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นปัจจุบันมีระบบแบบ Passive Safety ซึ่งอาศัยกฎทางฟิสิกส์มาควบคุมความปลอดภัยของเตาปฏิกรณ์ เช่น

1. ใช้สารหน่วงที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (Negative Temperature Coefficient) หรือก็คือเมื่อแกนปฏิกรณ์มีอุณหภูมิสูงขึ้นจนผิดปกติ นิวตรอนจะทำปฏิกิริยากับแท่งเชื้อเพลิงน้อยลงและหยุดโดยอัตโนมัติ

2. มีการติดตั้งถังน้ำอยู่ด้านบนเหนือเตาปฏิกรณ์ เมื่อเกิดเหตุฉุกเฉิน น้ำในถังจะไหลผ่านวาล์วเข้าไปในเตาปฏิกรณ์ด้วยแรงโน้มถ่วงโดยอัตโนมัติ

3. มีระบบที่อาศัยแก๊สอัดความดันในภาชนะบรรจุสารหล่อเย็นเป็นปั๊มธรรมชาติ กล่าวคือเมื่อเตาปฏิกรณ์สูญเสียสารหล่อเย็น (Loss of Coolant Accident) ความดันภายในระบบจะลดลง ทำให้แก๊สอัดความดันขยายตัวแล้วผลักสารหล่อเย็นสำรองเข้าไปในเตาปฏิกรณ์โดยอัตโนมัติ

ทั้งนี้ ระบบ Passive Safety มีการออกแบบที่หลากหลายจนผู้เขียนไม่สามารถนำมาเล่าได้หมด ผู้อ่านที่สนใจสามารถเข้าไปอ่านเพิ่มเติมได้ในเอกสาร Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants ของ IAEA


โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่ที่มีขนาดมากกว่า 1,000 เมกะวัตต์ ได้รับความนิยมสูงมากในอดีต เพราะสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าปริมาณมหาศาลได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ข้อเสียของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่ก็มีหลายข้อ ยกตัวอย่างเช่น

1.    มีระบบการทำงานที่ซับซ้อน ต้องใช้เจ้าหน้าที่ในการดูแลรักษาจำนวนมาก
2.    ระบบต่าง ๆ ของโรงไฟฟ้าอยู่แยกกัน จึงใช้พื้นที่ก่อสร้างมาก ไม่สามารถสร้างในพื้นที่ขนาดเล็กได้
3.    ต้องอาศัยน้ำจำนวนมากในการหล่อเย็น จึงต้องสร้างใกล้กับแหล่งน้ำขนาดใหญ่อย่างทะเล แม่น้ำ ทะเลสาบ และบางกรณีต้องสร้างบ่อน้ำระบายความร้อน (Cooling Pond) หรือหอระบายความร้อน (Cooling Tower) ร่วมด้วย
4.    ใช้เวลาก่อสร้างนานนับ 10 ปี ทั้งยังไม่สะดวกต่อการปรับปรุง เปลี่ยนแปลง และรื้อถอน
5.    หากเกิดเหตุการณ์สุดวิสัย ปริมาณรังสีที่รั่วไหลอาจมีมาก เจ้าหน้าที่จึงเข้าควบคุมได้ยาก

จากการพิจารณา เราจะพบว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่มีข้อจำกัดอยู่มาก นักฟิสิกส์และวิศวกรนิวเคลียร์จึง “คิดมุมกลับ” โดยออกแบบเตาปฏิกรณ์ให้เล็กลงจนมีขนาดไม่เกิน 300 เมกะวัตต์ หรือที่เรียกว่า SMRs นั่นเอง ซึ่งในปัจจุบัน SMRs ก็ถูกลดขนาดลงเรื่อย ๆ จนกลายเป็น เตาปฏิกรณ์ขนาดเล็กมาก (Microreactors) ซึ่งอาจมีกำลังการผลิตเพียงหลักสิบเมกะวัตต์หรือต่ำกว่านั้น การลดขนาดเตาปฏิกรณ์มีข้อดี ดังนี้

1.    เตาปฏิกรณ์ขนาดเล็กมีความซับซ้อนน้อย จึงใช้เจ้าหน้าที่ดูแลไม่มาก
2.    ระบบต่าง ๆ มีขนาดเล็กหรืออาจรวมอยู่ในโมดูลเดียวกัน ทำให้ใช้พื้นที่ก่อสร้างไม่มาก
3.    ความร้อนที่เกิดขึ้นในระบบมีน้อย จึงสามารถระบายความร้อนด้วยแก๊สหรือน้ำปริมาณน้อย ๆ ได้
4.    มีระบบการเชื่อมต่อแบบ Plug and Play จึงเหมาะสมกับโรงงานอุตสาหกรรม พื้นที่ชนบท พื้นที่ประสบภัยพิบัติ และโครงข่ายไฟฟ้าขนาดเล็ก (Microgrid)
5.    ใช้เวลาในการติดตั้งไม่นาน สามารถเพิ่มหรือลดกำลังการผลิตได้ง่าย และรื้อถอนได้รวดเร็ว
6.    สามารถขนย้ายเตาปฏิกรณ์ด้วยรถบรรทุก เรือ และเครื่องบินได้
7.    มีปริมาณรังสีน้อยและสามารถติดตั้งที่ชั้นใต้ดินเพื่อลดโอกาสการรั่วไหลของสารกัมมันตรังสีได้
8.    แท่งเชื้อเพลิงสามารถใช้งานได้นานกว่า 10 ปีโดยไม่ต้องทำการเปลี่ยน
9.    ในอนาคตอาจใช้การควบคุมจากระยะไกลด้วยรีโมทคอนโทรลได้

SMRs อาจกลายเป็นแหล่งพลังงานให้กับโคโลนีของมนุษย์บนดาวอังคาร
(ภาพจาก NASA)

สำหรับประเทศไทย โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ก็ไม่ใช่ประเด็นใหม่ เพราะมีการบรรจุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่เอาไว้ในแผนพัฒนากำลังผลิตไฟฟ้ามานานแล้ว แต่ในปัจจุบันก็ยังไม่เกิดขึ้นจริงเพราะหลายฝ่ายยังคงมีความกังวลในเรื่องความปลอดภัย สำหรับประเด็นนี้ ผู้เขียนเคยตั้งคำถามว่ามีความเป็นไปได้หรือไม่ที่จะนำโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเล็กมาใช้ในประเทศไทยโดยสร้างใกล้แหล่งน้ำที่มีขนาดเหมาะสม ซึ่งประเทศของเรามีบึงขุด บึงธรรมชาติ และทะเลสาบอยู่เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะบึงปิดที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งน้ำภายนอกจะช่วยลดความกังวลเรื่องการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมลงไปได้มาก อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าประเทศไทยจะมีหรือไม่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่ผู้เขียนก็เชื่อว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเล็กเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจ เพราะเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพทางพลังงานสูง มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน มีความปลอดภัยสูงมาก และยังแสดงให้เห็นถึงความพยายามอย่างไม่ลดละของนักฟิสิกส์กับวิศวกรที่ต้องการพัฒนาแหล่งพลังงานที่มั่นคงให้กับมวลมนุษย์อีกด้วย



 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] หนังสือ วิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ โดย ดร.นวลฉวี รุ่งธนเกียรติ (2545)
• [2] หนังสือ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดย สุวพันธ์ นิลายน (2554)
• [3] เอกสาร Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants โดย IAEA
• [4] https://www.iaea.org/topics/small-modular-reactors
• [5] http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx
• [6] https://www.energy.gov/ne/articles/what-nuclear-microreactor
• [7] https://www.lanl.gov/newsroom/science-columns/top-columns-and-blogs/2018/space-kilopower-reactors.php?fbclid=IwAR38B7OBmSIqNG_EXHtdU00UcyocmIoT6I206FA3YBdE5oRSdktvxELmfag
• [8] https://www.ornl.gov/news/nuclear-remote-controlled-reactors?fbclid=IwAR2kqRTL8WPRbj7OqzwgPwB6ZT3ic81RTgzt6wtRDr32SKuEk5L0rWfFaJo