การขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์

เรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์สร้างขึ้นโดยมีโรงงานนิวเคลียร์เป็นส่วนหนึ่งอยู่ภายในเรือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ประกอบด้วยถังบรรจุเครื่องปฏิกรณ์ (reactor vessel) ทำด้วยเหล็กกล้า ระบบแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องกำเนิดไอน้ำ ซึ่งจะเชื่อมต่อกันด้วยท่อ ปั๊มและวาล์ว เครื่องปฏิกรณ์แต่ละเครื่องมีฉนวนป้องกันรังสี ทำด้วยตะกั่วมากกว่า 100 ตัน ทำให้บางส่วนมีกัมมันตภาพรังสี เนื่องจากการสัมผัสกับสารกัมมันตรังสี หรือได้รับนิวตรอนทำให้กลายเป็นสารกัมมันตรังสี

การขับเคลื่อนเรือหรือเรือดำน้ำด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นตัวให้ความร้อน โดยเป็นความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชัน ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ กระบวนการฟิชชันนี้ให้รังสีออกมาด้วย จึงต้องมีระบบกำบังรังสีรอบเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อไม่ให้ลูกเรือได้รับรังสี

เครื่องขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ มีเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง ที่ออกแบบโดยมีระบบหมุนเวียนน้ำ 2 ระบบ โดยระบบแรกจะหมุนเวียนน้ำผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อนำความร้อนออกไปให้กับระบบผลิตไอน้ำ ระบบแรกมีความดันภายในสูงทำให้น้ำไม่เดือด เพื่อไม่ให้ประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนที่แกนเครื่องปฏิกรณ์ลดลง น้ำที่แลกเปลี่ยนความร้อนกับระบบผลิตไอน้ำแล้ว จะมีอุณหภูมิลดลงและจะถูกปั๊มกลับเข้าเครื่องปฏิกรณ์เพื่อรับความร้อนใหม่

ระบบหมุนเวียนน้ำระบบที่ 2 จะแยกส่วนจากน้ำของระบบแรก แต่จะมีเครื่องกำเนิดไอน้ำที่รับความร้อนจากระบบแรก แล้วกลายเป็นไอซึ่งจะไปขับกังหันของใบพัดเรือและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับป้อนภายในเรือ จากนั้นไอน้ำจะถูกควบแน่นกลับเป็นน้ำและปั๊มกลับคืนสู่เครื่องกำเนิดไอน้ำ
เนื่องจากพลังงานที่เกิดขึ้นไม่จำเป็นต้องใช้อากาศหรือออกซิเจน เรือดำน้ำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์จึงสามารถอยู่ใต้น้ำโดยไม่จำเป็นต้องขึ้นมารับอากาศเป็นเวลานาน

เครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือ มีการปรับเปลี่ยนให้เหมาะสมกับการใช้งานในเรือ ทำให้แตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ทางพลเรือน ที่ทำงานในสภาวะ steady state เนื่องจากลูกเรือต้องทำงานอยู่ใกล้กับเครื่องปฏิกรณ์ จึงมีการออกแบบให้มีความปลอดภัยสูงขึ้นทั้งทางด้านนิวเคลียร์ รังสี คลื่น เสียง และการบำรุงรักษา อุปกรณ์ที่ใช้ต้องออกแบบและผลิตโดยควบคุมคุณภาพให้สูงกว่ามาตรฐาน เครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือมีช่วงเวลาในการทำงานได้ยาวนานก่อนที่จะถึงเวลาบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนเชื้อเพลิง ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ ที่มีการเปิดออกเพื่อเปลี่ยนเชื้อเพลิงใหม่ทุก 18 เดือน

เครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือต้องมีการป้องกันและมีความยืดหยุ่น เพื่อให้สามารถปฏิบัติงานในสภาวะที่รุนแรงในทะเลได้เป็นเวลาหลายสิบปี เช่น เมื่อเรือจอดอยู่และมีคลื่นทำให้เรือโยนตัวอย่างรวดเร็ว มีคำสั่งให้เปลี่ยนกำลังการเดินเครื่อง หรืออาจจะอยู่ในภาวะสงคราม สภาวะเหล่านี้บวกกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงภายในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งวัสดุอุปกรณ์ต้องได้รับรังสีเป็นเวลานาน การสึกกร่อน อุณหภูมิและความดันสูง ทำให้จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีและความรอบคอบในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ ให้สามารถปฏิบัติงานที่เชื่อมั่นได้ และเชื่อได้ว่าเครื่องขับเคลื่อนพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือจะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในอนาคต

ตำแหน่งของตอนเครื่องปฏิกรณ์ ในเรือดำน้ำ
ตำแหน่งของตอนเครื่องปฏิกรณ์ ในเรือลาดตระเวน

เครื่องขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือ มีความแตกต่างออกไป ทั้งทางด้านขนาด การจัดวางส่วนประกอบ ความแข็งแรงทนทาน ความกะทัดรัด การออกแบบก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง และสภาวะในการปฏิบัติงาน ส่วนประกอบทางนิวเคลียร์ทั้งหมดถูกติดตั้งอยู่ภายในลำเรือโดยเป็นส่วนหนึ่งของเรือ ที่เรียกว่า ตอนเครื่องปฏิกรณ์ (reactor compartment) ซึ่งจะมีหน้าที่เดียวกันแต่อาจมีรูปร่างแตกต่างกันในเรือแต่ละชนิด สำหรับเรือดำน้ำ ตอนเครื่องปฏิกรณ์จะเป็นรูปทรงกระบอกแนวนอน โดยเป็นส่วนหนึ่งของลำตัวเรือ และมีฉนวนป้องกันรังสีที่ตอนปลายของแต่ละด้าน ตอนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือลาดตระเวน (cruiser) จะมีฉนวนป้องกันรังสีในแนวตั้งรูปทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยม ขึ้นกับรูปร่างและโครงสร้างของเรือ

เรือพลังงานนิวเคลียร์ยังคงมีรังสีออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ขับดัน แม้ว่าจะดับเครื่องแล้วหรือเคลื่อนย้ายแท่งเชื้อเพลิงออกไปแล้วก็ตาม เมื่อนำเชื้อเพลิงออกไปแล้ว fission product จะออกไปด้วย เนื่องจากมีการออกแบบ การผลิตและการทดสอบที่เชื่อมั่นได้ว่า fission product ทั้งหมดจะยังคงอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิง วัสดุกัมมันตรังสี มากกว่า 99.9% เป็นโครงสร้าง alloy ซึ่งเป็นส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์ กัมมันตภาพรังสีเกิดจากปฏิกิริยาของรังสีนิวตรอนกับเหล็กและธาตุที่เป็นโลหะอยู่ในอัลลอยด์ ในระหว่างที่เครื่องปฏิกรณ์ทำงาน อีก 0.1% เป็นกัมมันตภาพรังสี จากวัสดุที่สึกกร่อนออกมาจากโครงสร้าง และเข้าไปอยู่ในระบบหมุนเวียนของสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งจะมีกัมมันตภาพรังสี จากการเกิดปฏิกิริยากับรังสีนิวตรอน ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ แล้วตกตะกอบอยู่ภายในท่อ

เชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์เป็นยูเรเนียมที่มีเปลือกหุ้มเป็นโลหะ ยูเรเนียมเป็นหนึ่งในโลหะไม่กี่ชนิด ที่สามารถจะให้ความร้อนออกมาจากการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ เมื่อนิวตรอนทำให้อะตอมของยูเรเนียมแตกออกจากปฏิกิริยาฟิชชัน (fission) นิวเคลียสของยูเรเนียมจะแยกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เลขอะตอมลดลง เรียกว่าผลผลิตฟิชชัน (fission product) ซึ่งจะมีความเร็วสูงมากในตอนที่แตกออกมา fission product จะเคลื่อนที่ไปได้ในระยะทางเป็นไมโครเมตรเท่านั้น และจะหยุดลงอยู่ภายในเปลือกหุ้มเชื้อเพลิง ความร้อนที่เกิดขึ้นจากกระบวนการฟิชชัน ส่วนใหญ่เกิดจากการหยุดลงของ fission product ทำให้คายพลังงานจลน์ออกมาในรูปของความร้อน


ลักษณะของตอนเครื่องปฏิกรณ์ในเรือแต่ละชนิด

ปฏิกิริยาฟิชชันทำให้มีกัมมันตภาพรังสี เนื่องจาก fission products ที่เกิดขึ้นมีกัมมันตภาพรังสีสูง ดังนั้นกัมมันตภาพรังสีของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่จึงเกิดจาก fission product วัสดุที่ใช้หุ้มเชื้อเพลิงยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ขับดันของกองทัพเรือ สามารถทนการกัดกร่อนและทนต่อรังสีได้สูง เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ถูกออกแบบ ผลิตและทดสอบ เพื่อให้เชื่อมั่นได้ว่า fission products ที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงนี้จะอยู่ภายในโครงสร้างของแท่งเชื้อเพลิง ในการทำงานปกติ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของกองทัพเรือจะไม่มี fission product เล็ดรอดออกมาภายนอกได้

ขณะที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงาน ปฏิกิริยาฟิชชันของยูเรเนียมจะให้รังสีนิวตรอนออกมาด้วย นิวตรอนส่วนใหญ่จะถูกดูดกลืนโดยอะตอมของเชื้อเพลิงและทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง แต่ยังคงมีรังสีนิวตรอนบางส่วนออกมาภายนอกแท่งเชื้อเพลิงและถูกดูดกลืนโดยวัสดุที่เป็นโครงสร้างส่วนติดตั้งแท่งเชื้อเพลิง หรือโครงสร้างของแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การสึกกร่อนที่ผิวหน้าของวัสดุเหล่านี้ที่เกิดขึ้นเล็กน้อย จะเข้าไปอยู่ในสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ สารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์จะพาสารกัมมันตรังสีเหล่านี้เข้าไปในระบบท่อ และส่วนใหญ่จะถูกดักออกไปจากระบบการกรอง นิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เหลืออยู่จะตกตะกอนอยู่ในระบบท่อภายใน

นิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง เมื่อถูกดูดกลืนโดยอะตอมของวัสดุที่เป็นโครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์ จะทำให้มีกัมมันตภาพรังสี เช่น เหล็ก ที่ในนิวเคลียสมี 54 อนุภาค (Fe-54) อยู่ในสภาวะที่เสถียร เมื่อได้รับนิวตรอน จะกลายเป็นเหล็ก 55 (Fe-55) ซึ่งมีกัมมันตภาพรังสี โดยจะคายพลังงานในรูปของรังสีออกมา แล้วเป็นเป็นแมงกานีส 55 (Mn-55) ที่เสถียร กระบวนการนี้เรียกว่า การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี (radioactive decay)
การปฏิบัติงานของเรือจำเป็นต้องทำให้ลูกเรือสามารถอยู่บนเรือได้อย่างปลอดภัย ตอนเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องออกแบบให้ป้องกันรังสี โดยทำให้ภายนอกผนังของตอนเครื่องปฏิกรณ์มีระดับรังสีต่ำมากๆ ในการเดินทางด้วยภาวะปกติ เรือ cruisers และ LOS ANGELES Class และเรือดำน้ำ OHIO Class มีระดับรังสีที่ผิวด้านนอกต่ำกว่า 1/200 mrem ต่อชั่วโมง


รังสีนิวตรอนและผลผลิตฟิชชันทีมเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน
การเลิกใช้และการถอดแท่งเชื้อเพลิง (Decommissioning and Defueling)
เรือพลังงานนิวเคลียร์ของกองทัพเรือสหรัฐจะเลิกใช้งานและถอดเชื้อเพลิงออกเมื่อสิ้นสุดอายุของเชื้อเพลิง เมื่อค่าใช้จ่ายในการปฏิบัติการต่อไปไม่คุ้มกับสมรรถนะที่ได้รับ หรือเรือเหล่านั้นไม่จำเป็นต่อการใช้งานอีกต่อไป กองทัพเรือต้องเผชิญกับสภาวะความจำเป็นในการลดขนาดกองเรือ ทำให้เรือลาดตระเวนพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ต้องปลดประจำการ เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์รุ่น LOS ANGELES Class บางส่วนก็อยู่ในแผนการปลดระวางเช่นกัน สุดท้ายกองทัพเรืออาจต้องปลดระวางเรือดำน้ำรุ่น OHIO Class เช่นกัน

การถอดแท่งเชื้อเพลิงของเรือพลังงานนิวเคลียร์ จะทำในช่วงที่ดับเครื่องปฏิกรณ์และไม่มีลูกเรือ กระบวนการถอดแท่งเชื้อเพลิงจะเริ่มจากการเคลื่อนย้ายเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ออกจากถังความดัน (pressure vessel) ของเครื่องปฏิกรณ์ และเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ที่มีกัมมันตภาพรังสีออกไป การถอดแท่งเชื้อเพลิงเป็นงานประจำที่ปฏิบัติโดยใช้กระบวนการและอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ที่ท่าเรือที่ใช้สนับสนุนงานด้านเครื่องปฏิกรณ์

ถ้าการปฏิบัติงานของเรือพลังงานนิวเคลียร์ไม่คุ้มกับค่าใช้จ่าย หรือไม่มีความจำเป็นต้องใช้งานแล้ว ต้องมีวิธีการจัดการเฉพาะในการจัดการกับตอนเครื่องปฏิกรณ์ที่ถอดเชื้อเพลิงแล้ว เรือที่หมดความจำเป็นในการใช้งานแล้ว อาจจะจัดเก็บไว้ในสถานที่ที่มีการป้องกันชั่วคราว เพื่อรอเวลาในการจัดการที่ถาวร หรือผ่านกระบวนการหมุนเวียนเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ สถานที่เก็บตอนเครื่องปฏิกรณ์ที่เลิกใช้งานแล้ว อยู่ที่ Low Level Waste Burial Grounds เมือง Hanford กรุง Washington ของกระทรวงพลังงาน (Department of Energy) ของสหรัฐ

เรือที่เลิกใช้งานแล้วสามารถเก็บไว้ในบริเวณที่มีการป้องกัน โดยให้ลอยลำอยู่ได้เป็นเวลานาน โดยไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อม เรือแต่ละลำจะถูกนำขึ้นจากน้ำทุก 15 ปี เพื่อตรวจสอบความเรียบร้อยและทาสีใหม่ ซึ่งเรือที่อยู่ในแผนการที่จะเลิกใช้อย่างถาวรอาจจะไม่ผ่านกระบวนการนี้ทั้งหมด ส่วนเชื้อเพลิงใช้แล้วจากเครื่องปฏิกรณ์จะถูกนำไปเก็บไว้ในสถานที่เก็บที่ระดับลึกตามกฎหมายการจัดการกากนิวเคลียร์ (Nuclear Waste Policy Act of 1982)

ค่าใช้จ่ายในการเก็บตอนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือดำน้ำรุ่น LOS ANGELES Class ประมาณ 10.2 ล้านเหรียญ รุ่นOHIO Class ประมาณ 12.8 ล้านเหรียญ และประมาณ 40 ล้านเหรียญสำหรับเรือลาดตระเวน (cruiser)

 

ถอดความจาก Nuclear Propulsion
เวบไซต์ http://www.fas.org/