พลังงานนิวเคลียร์สำเร็จรูป
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บรรจุเสร็จเคลื่อนย้ายได้

พลังงานนิวเคลียร์ ป้อนกระแสไฟฟ้า ให้แก่สหรัฐอเมริกา 20 % และ 16% ของโลก แต่ยิ่งมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์มากขึ้น ก็ยิ่งเป็นจุดอ่อน ให้มีการนำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไปใช้ในทางที่ผิด หรือถูกโจมตี โดยผู้ก่อการร้ายมากยิ่งขึ้น ทีมงาน Livermore ซึ่งเป็นส่วนหนึ่ง ของทีมความร่วมมือ ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (Department of Energy, DOE) จึงมีการศึกษา ถึงความต้องการใช้พลังงานนิวเคลียร์ และการป้องกัน การแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ ภายใต้แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่เรียกว่า SSTAR (small, sealed, transportable, autonomous reactor)

SSTAR ได้รับการออกแบบ ให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์สำเร็จรูป บรรจุอยู่ภายในคอนเทนเนอร์ทนแรงอัด โดยมีจุดประสงค์ให้ผลิตไฟฟ้า ผลิตความร้อน และน้ำบริสุทธิ์ได้ ในราคาเหมาะสม เชื่อถือได้ การออกแบบทำให้สามารถ ปรับไปใช้ในการผลิตไฮโดรเจน สำหรับเป็นพลังงานทางเลือก สำหรับใช้กับรถยนต์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในปัจจุบัน ส่วนมากเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ แบบระบายความร้อนด้วยน้ำ หรือ light-water reactors (LWRs) โดยออกแบบให้ผลิตไฟฟ้าได้ 1,000 เมกกะวัตต์ (MWe) ซึ่งต้องใช้เงินลงทุนสูง ในการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ และจัดการเกี่ยวกับกระบวนการ ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ประเทศกำลังพัฒนาส่วนใหญ่ มีอัตราการเพิ่มขึ้น ของการใช้ไฟฟ้าไม่สูงมาก และไม่มีการฝึกอบรม การเดินเครื่องปฏิกรณ์ รวมทั้งไม่มีโครงสร้างพื้นฐาน ด้านพลังงานที่จำเป็น สำหรับการติดตั้งโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ประเทศเหล่านี้ สามารถใช้ระบบพลังงาน ที่มีขนาดเล็กกว่า อย่างเช่น SSTAR ซึ่งมีการควบคุมการทำงาน แบบอัตโนมัติ ต้องการการบำรุงรักษาน้อย ให้พลังงานออกมา ได้ต่อเนื่องประมาณ 30 ปี ก่อนที่จะทำการเปลี่ยนเชื้อเพลิงใหม่ หรือเลิกใช้งาน

ใน 187 ประเทศ ที่ลงนามในสนธิสัญญา ไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ ในปี 1970 มีหลายประเทศ ที่มีความต้องการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ภายใต้ข้อตกลงนี้ จะไม่ให้มีการเคลื่อนย้ายอาวุธนิวเคลียร์ วัสดุที่ใช้ทำระเบิดนิวเคลียร์ หรือเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง โดยยกเว้นไว้ให้ 5 ประเทศ คือ สหรัฐอเมริกา รัสเซีย อังกฤษ ฝรั่งเศส และจีน ประเทศที่ลงนาม มีความเห็นร่วมกัน ที่จะไม่ผลิตอาวุธนิวเคลียร์ อุปกรณ์เกี่ยวกับระเบิดนิวเคลียร์ โดยจะใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ในทางสันติ แต่สนธิสัญญา NPT ฉบับนี้ ไม่สามารถใช้บังคับได้จริง เมื่ออิหร่านกับเกาหลีเหนือ ไม่ให้ความร่วมมือ แม้ว่าทั้งสองประเทศ ได้ลงนามในสนธิสัญญา NPT นี้ แต่ก็ยังมี โครงการด้านพลังงานนิวเคลียร์ ที่ไม่เป็นไปตามสนธิสัญญา

เพื่อแก้ปัญหาข้อนี้ DOE จึงให้งบประมาณ ในการพัฒนา เพื่อออกแบบ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู ที่สามารถจัดส่ง พลังงานนิวเคลียร์ ไปให้ประเทศกำลังพัฒนา เพื่อลดการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ ขณะที่ส่งเสริมการใช้พลังงานนิวเคลียร์ มีห้องปฏิบัติการระดับชาติ ของอเมริกา เข้าร่วมในโครงการนี้ 3 แห่ง มี Lawrence Livermore เป็นผู้นำ และทำหน้าที่วิจัยวัสดุ และสารหล่อเย็น สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฯ และการจัดทำแบบโครงสร้าง Argonne ทำหน้าที่ออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฯ และ Los Alamos ช่วยเหลือด้านระบบระบายความร้อน และเชื้อเพลิง

การออกแบบ SSTAR ตามวัตถุประสงค์ของ DOE คือ การทำให้อเมริกา ส่งเครื่องปฏิกรณ์ฯ บรรจุภายในแบบปิดผนึก ไปให้ประเทศที่ไม่มีโรงงานนิวเคลียร์ ซึ่ง SSTAR จะทำให้ไม่ต้องกังวล ในเรื่องของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เพราะเมื่อใช้แล้ว จะส่งกลับคืน ไปยังโรงงาน เพื่อซ่อมบำรุง หรือสกัดกลับมาใช้ใหม่

การออกแบบ SSTAR จะทำให้นำไปใช้ที่ใดก็ได้ในโลก รวมทั้งรองรับความต้องการ ภายในประเทศของอเมริกาเองด้วย เนื่องจากในอเมริกา มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ภายใต้การดูแลของ Nuclear Regulatory Commission (NRC) มากกว่า 100 โรง ที่สร้างขึ้นระหว่างในทศวรรษปี 1960 ถึง 1970 SSTAR จึงเป็นระบบที่ จะใช้ทดแทนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เก่า ที่กำลังจะหมดอายุ และโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิล  

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore, Los Alamos และ Argonne ของอเมริกา ได้ออกแบบเครื่องปฏิกรณ์สำเร็จรูป แบบบรรจุภายใน คอนเทนเนอร์ทนแรงอัด เรียกว่า SSTAR (small, sealed, transportable, autonomous reactor) ซึ่งถือว่า เป็นเครื่องปฏิกรณ์รุ่นใหม่ มีกำลังผลิตไฟฟ้า 10 ถึง 100 เมกกะวัตต์ สามารถขนส่งได้ทั้งทางเรือ หรือรถบรรทุกขนาดใหญ่ ในรูป เป็นการออกแบบ ให้เครื่องปฏิกรณ์อยู่ภายในตัวถังสำหรับใช้ในการขนส่ง 

เครื่องเดียวใช้ได้หลายประโยชน์
SSTAR ออกแบบมาเป็นระบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้นิวตรอนเร็ว ระบายความร้อนด้วยตะกั่ว (lead-cooled fast reactor, LFR) ให้กำลังไฟฟ้า 10 ถึง 100 เมกกะวัตต์ เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ ระบายความร้อนด้วยโลหะเหลว เช่น ตะกั่ว ตะกั่ว-บิสมัท หรือโซเดียม แทนที่จะเป็นน้ำ ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ LFRs นิวตรอนที่ใช้ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีพลังงานจลน์ประมาณ 250 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีพลังงานสูงกว่า เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำ (LWRs) ซึ่งไฮโดรเจนในน้ำ จะเป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน ทำให้มีพลังงานประมาณ 0.025 ถึง 0.05 อิเล็กตรอนโวลต์ จากการที่ใช้นิวตรอนพลังงานสูง ทำให้ SSTAR สามารถผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบฟิสไซล์ (Fissile) ซึ่งจะเกิดขึ้น ในขณะที่กำลังเดินเครื่อง เพื่อผลิตพลังงานออกมา เชื้อเพลิงใช้แล้ว ที่อยู่ในรูปของยูเรเนียมกับพลูโตเนียม จะยังคงอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้า ได้นานประมาณ 30 ปี เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แล้ว สามารถส่งกลับคืนไปยังโรงงานเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เพื่อสกัดแยกเชื้อเพลิง และจัดเก็บกากกัมมันตรังสี

หัวหน้าโครงการนี้คือ Craig Smith ซึ่งเป็นวิศวกรนิวเคลียร์ของ Livermore’s Energy and Environment Directorate กล่าวว่า ตัวเครื่องปฏิกรณ์ฯ จะมีความสูงประมาณ 15 เมตร กว้าง 3 เมตร มีน้ำหนักไม่เกิน 500 ตัน มีขนาดเล็ก และน้ำหนักเบา สามารถขนส่งได้ด้วยเรือ หรือรถบรรทุกขนาดใหญ่ การใช้ SSTAR ทำให้ประเทศที่ใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบของโรงไฟฟ้า และเครื่องปฏิกรณ์ฯ ขนาดใหญ่ เพื่อให้คุ้มกับพลังงานที่ได้มา ประเทศผู้ผลิต จะรับผิดชอบ ทั้งในเรื่องของเครื่องปฏิกรณ์ฯ และการบริการเรื่องเกี่ยวกับเชื้อเพลิง ทั้งการจัดหาเชื้อเพลิงยูเรเนียม และการจัดการกากนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว

นอกจากนั้น SSTAR ยังได้รับการออกแบบมา ให้ป้องกันการที่ผู้ก่อการร้าย จะนำวัสดุนิวเคลียร์ ไปใช้ในทางที่ผิด โดยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะถูกปิดผนึก และบรรจุอยู่ในตัวถัง ของเครื่องปฏิกรณ์ฯ ตั้งแต่เริ่มการขนส่ง ไปจนถึงจุดหมาย และไม่มีการเปิดออกไปจนถึงเวลาส่งคืนกลับ ให้โรงงานแปรสภาพ

SSTAR ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนเชื้อเพลิง ในช่วงที่มีการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ ป้องกันการเข้าถึง โดยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะอยู่ในที่เดิมตลอดการใช้งาน การออกแบบ ได้รวมถึงการตรวจจับ การกระทำที่มีผลต่อระบบความปลอดภัย ของเครื่องปฏิกรณ์ด้วย เนื่องจากเป็นเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก จึงสามารถออกแบบ ให้เครื่องดับลงได้เอง เมื่อระบบหรือการควบคุมมีความผิดปกติ  

เมื่อจับตั้งขึ้น SSTAR จะมีความสูงประมาณ 15 เมตร กว้าง 3 เมตร มีน้ำหนักรวมไม่เกิน 500 ตัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดกะทัดรัด ทำให้สามารถขนส่งเตาปฏิกรณ์ ไปทางเรือหรือรถบรรทุกขนาดใหญ่ได้ 

ลดค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่อง
SSTAR มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไป เนื่องจากใช้ตะกั่วหรือตะกั่ว-บิสมัทเป็นสารหล่อเย็น แทนที่จะเป็นน้ำซึ่งต้องใช้ปริมาณมาก มีความดันในตัวถังสูง และต้องใช้ท่อเป็นทางเดินของสารหล่อเย็น การใช้ตะกั่วเป็นสารหล่อเย็น ทำให้ความดันต่ำกว่า และทำให้ตัวเครื่องปฏิกรณ์ฯมีขนาดเล็กกว่า เนื่องจากระบบผลิตไอน้ำสามารถอยู่ในตัวถังเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์ นอกจากนั้นระบบนี้ ยังไม่ต้องเพิ่มหรือเปลี่ยนเชื้อเพลิงตลอดการใช้งาน ไม่ต้องมีที่จัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว เครื่องปฏิกรณ์สามารถทำงานผลิตไฟฟ้าได้ต่อเนื่องโดยใช้คนควบคุมน้อยกว่า

SSTAR ลดค่าใช้จ่ายในการขนส่ง เครื่องปฏิกรณ์แบบใช้นิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยตะกั่ว (LFR) สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูง (ได้ถึงประมาณ 800 oC) ทำให้สามารถใช้ความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ในการผลิตไฮโดรเจนซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง และในเครื่องยนต์ไฮบริดที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยการเผาไหม้ของไฮโดรเจน ต่อไปน้ำมันจะมีราคาสูงขึ้น และถูกจำกัดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ การหาแหล่งพลังงานทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล จึงมีความสำคัญมากขึ้น SSTAR จึงเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพทั้งในระดับชาติและระดับนานาชาติ  

ความท้าทายต่อผู้อกแบบ
การออกแบบ SSTAR มีความท้าทายหลายอย่างต่อทีมงาน ก่อนการออกแบบเครื่องต้นแบบของ SSTAR จะสำเร็จลง ทีม Livermore ต้องพัฒนาวัสดุที่ใช้ สำหรับเป็นเชื้อเพลิง และอุปกรณ์ที่ใช้ร่วมกับสารหล่อเย็น ที่เป็น ตะกั่ว หรืออัลลอยด์ของตะกั่ว-บิสมัท ซึ่งมีแนวโน้ม ที่จะกัดกร่อนวัสดุหุ้มเชื้อเพลิง และโครงสร้างที่เป็นเหล็กกล้า การควบคุมปริมาณออกซิเจน จะช่วยลดการกัดกร่อนลงได้ นอกจากนั้น ทีมนี้ยังต้องหาวัสดุที่ดีที่สุด ที่ทนต่อการสึกกร่อน เมื่อได้รับรังสีนิวตรอนเป็นเวลานาน ซึ่งโครงสร้างอาจบวมหรือเปราะ ทำให้เป็นตัวจำกัดอายุการใช้งานของเครื่องปฏิกรณ์

ในปี 2003 ห้องปฏิบัติการของทีม SSTAR ได้ศึกษาความเป็นไปได้ ร่วมกับทีมจาก Central Research Institute for Electric Power Industry (CRIEPI) ประเทศญี่ปุ่น ในการศึกษานี้ ทั้งสองทีม ได้ประเมินการออกแบบ และพัฒนาของทีมญี่ปุ่น สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก ที่ใช้โลหะเหลว ของโซเดียม เป็นสารหล่อเย็น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จาก CRIEPI ได้เข้าร่วมปฏิบัติงานอยู่ที่ Livermore โดยทั้งสองทีม ได้ร่วมกันแลกเปลี่ยนความคิดเห็น และประสบการณ์ ในโครงการของแต่ละฝ่าย

มีการพัฒนาระบบความปลอดภัยแบบอิสระ เพื่อให้เชื่อมั่นได้ว่า เมื่อเกิดความผิดปกติขึ้น ระบบควบคุม จะสั่งปิดการทำงาน ของเครื่องปฏิกรณ์ ระบบการพาความร้อน จะเริ่มทำงานเองโดยธรรมชาติ เพื่อพาความร้อน ออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ และคอนเทนเนอร์ ของเครื่องปฏิกรณ์ การทำงานในลักษณะนี้ จะเป็นไปตามรูปร่าง และระบบกลไก ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เนื่องจาก เครื่องปฏิกรณ์ใช้แล้วจะมีกัมมันตภาพรังสี ทีมผู้ออกแบบจึงต้องพัฒนาระบบห่อหุ้มและขนส่ง เพื่อให้สามารถ เคลื่อนย้ายเครื่องปฏิกรณ์ ได้อย่างปลอดภัย ซึ่งต้องออกแบบ ระบบทำความเย็นให้เครื่องปฏิกรณ์ ขณะที่ขนส่งไปยังโรงงานแยกเชื้อเพลิงด้วย

ออกใบอนุญาตเมื่อได้รับการรับรองผลการทดสอบ
NRC มีแผนที่จะรับรองการออกแบบ SSTAR โดยใช้ใบอนุญาตใหม่ ซึ่งเป็นแบบที่อนุญาตจากการทดสอบ (license-by-test approach) แทนที่จะเป็นการอนุญาตจากการออกแบบ (license-by-design approach) ดังที่ใช้อยู่ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ปัจจุบัน กระบวนการ license-by-test ของ NRC’s คล้ายกับกระบวนการ ออกใบอนุญาต ที่องค์การการบินสหรัฐ (U.S. Federal Aviation Administration) ใช้กับสายการบินพาณิชย์ ในการออกใบอนุญาต เครื่องต้นแบบของ SSTAR จะต้องแสดงผลการทดสอบ ว่ามีความปลอดภัย ในสถานการณ์ที่เกิดอุบัติเหตุ รวมทั้ง สภาพที่ระบบการปิดตัวเองล้มเหลว หรือระบบการลดความร้อนหลังจากปิดตัวเองเกิดล้มเหลว

ทีมผู้ออกแบบมีแผนจะปรับปรุงการออกแบบ SSTAR และพัฒนาเครื่องต้นแบบให้พร้อมที่จะทดสอบได้ในปี 2015 ทีม Livermore เชื่อมั่นว่า SSTAR จะเป็นเครื่องปฏิกรณ์ยุคใหม่ ซึ่งมีความปลอดภัย สามารถป้องกันการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ และสามารถใช้งานที่ใดก็ได้ในโลก

ถอดความจาก
Nuclear Energy to Go
A Self-Contained Portable Reactor
โดย —Gabriele Rennie
เวบไซต์ llnl.gov