เรือพลังงานนิวเคลียร์

  • พลังงานนิวเคลียร์เหมาะสำหรับใช้ในการขับเคลื่อนเรือหรือเรือดำน้ำ ที่ต้องเดินทางอยู่ในทะเลเป็นเวลานานโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง
  • มีการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก มากกว่า 220 เครื่อง ในเรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์มากกว่า 150 ลำ ปฏิบัติการอยู่ในทะเล โดยมีเวลาปฏิบัติการสะสมทั้งหมดของเครื่องปฏิกรณ์ มากกว่า 12,000 ปี
  • เรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่เป็นเรือดำน้ำ โดยมีบางส่วนเป็นเรือทำลายน้ำแข็ง (icebreakers) และเรือบรรทุกเครื่องบิน (aircraft carriers)
  • ในอนาคต การขาดแคลนน้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือเดินทะเล มีการใช้กันแพร่หลายมากขึ้น
การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือเดินทะเล เริ่มต้นขึ้นในปี 1940 โดยสหรัฐเริ่มทดลองเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในปี 1953 เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ลำแรก ชื่อ USS Nautilus ถูกปล่อยลงทะเลในปี 1955 ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของเรือดำน้ำ จากเดิมที่เป็นเพียงยานใต้น้ำที่เชื่องช้า กลายเป็นเรือรบที่มีความเร็ว 20-25 knots สามารถดำน้ำได้นานหลายสัปดาห์

Nautilus เป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาเรือดำน้ำรุ่นต่อมา (Skate-class) ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้น้ำความดันสูง (pressurised water reactors) และเรือบรรทุกเครื่องบิน USS Enterprise ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์จำนวน 8 เครื่อง ในปี 1960 และเรือลาดตระเวน (cruiser) USS Long Beach ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ 2 เครื่อง โดยในปัจจุบันเรือ Enterprise ยังคงปฏิบัติงานอยู่

พลังงานนิวเคลียร์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนานใหญ่ในกองทัพเรือสหรัฐ ในปี 1962 กองทัพเรือสหรัฐ มีเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ปฏิบัติการอยู่ 26 ลำ และกำลังสร้างอีก 30 ลำ

สหรัฐมีการแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีกับอังกฤษ ขณะที่ฝรั่งเศส รัสเซียและจีนต่างมีการพัฒนาของตนเอง

หลังจากเรือดำน้ำรุ่น Skate-class แล้ว สหรัฐได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีการออกแบบเป็นชุดมาตรฐาน จัดสร้างขึ้น โดยบริษัท Westinghouse และ GE เรือแต่ละลำจะมีเครื่องปฏิกรณ์ 1 เครื่อง ส่วนอังกฤษได้ให้บริษัท Rolls Royce สร้างเครื่องปฏิกรณ์ลักษณะเดียวกันให้กับเรือดำน้ำของกองทัพเรือ และมีการพัฒนาการออกแบบต่อมาเป็นแบบ PWR-2

รัสเซียได้พัฒนาการออกแบบทั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง (PWR) และ เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยตะกั่วกับบิสมัท (lead-bismuth cooled reactor) ซึ่งแบบหลังนี้ไม่มีการใช้งานแล้ว รัสเซียมีเรือดำน้ำออกมาใช้งานทั้งหมด 4 รุ่น โดยรุ่นล่าสุด คือ Severodvinsk class ออกปฏิบัติการในปี 1995

เรือดำน้ำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดมีขนาด 26,500 ตัน เป็นของรัสเซียรุ่น Typhoon-class ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ PWR ขนาด 190 MWt 2 เครื่อง ซึ่งออกมาทำลายสถิติรุ่น Oscar-II class ที่มีขนาด 24,000 ตัน และใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกัน

ถ้าเปรียบเทียบถึงระดับความปลอดภัยกับสหรัฐแล้ว รัสเซียมีการเกิดอุบัติเหตุร้ายแรงจำนวนหลายครั้ง โดยมีปัญหาจากเครื่องปฏิกรณ์ 5 ครั้ง มีการรั่วไหลของรังสีอีกมากกว่านั้น แต่หลังจากปี 1970 ซึ่งได้ออกเรือดำน้ำที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ PWRs รุ่นที่สาม รัสเซียได้ให้ความสำคัญกับระบบความปลอดภัยมากขึ้น


ผังแสดงโครงสร้างระบบขับดันของเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ของอังกฤษ
กองเรือพลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Naval Fleets)

ตั้งแต่ปี 1950 ถึงปี 2003 รัสเซียสร้างเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์จำนวน 248 ลำ เรือผิวน้ำ 5 ลำ ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 468 เครื่อง โดยยังมีการปฏิบัติงานอยู่ในปัจจุบัน 60 ลำ ตอนปลายสงครามเย็น ในปี 1989 คาดว่ารัสเซียมีเรือดำน้ำที่กำลังสร้างและที่ปฏิบัติการอยู่รวม 400 ลำ แต่ต่อมาได้มีการยกเลิกไป 250 ลำ จากโครงการลดกำลังอาวุธ ในปัจจุบันรัสเซียและสหรัฐมีเรือดำน้ำที่ใช้งานอยู่ในแต่ละประเทศมากกว่า 100 ลำ ขณะที่อังกฤษและฝรั่งเศสมีน้อยกว่า 20 ลำ ส่วนจีนมี 6 ลำ รวมแล้วมีเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ทั้งหมดประมาณ 160 ลำ

สหรัฐเป็นประเทศที่มีเรือบรรทุกเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์มากที่สุด จำนวน 11 ลำ ส่วนเรือลาดตระเวน (cruisers) สหรัฐมี 9 ลำ รัสเซียมี 4 ลำ รัสเซียมีเรือทำลายน้ำแข็งพลังงานนิวเคลียร์ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน 8 ลำ กองทัพเรือสหรัฐมีสถิติของชั่วโมงปฏิบัติการในการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั้งหมด 5500 ปี โดยไม่มีอุบัติเหตุ ข้อมูลในเดือนสิงหาคม ปี 2004 มีเรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ปฏิบัติการอยู่จำนวน 80 ลำ ใช้เครื่องปฏิกรณ์จำนวน 105 เครื่อง ขณะที่รัสเซียมีสถิติของชั่วโมงการใช้เครื่องปฏิกรณ์ในการเดินเรือทั้งหมด 6000 ปี

เรือบรรทุกเครื่องบิน USS Enterprise
เรือบรรทุกเครื่องบิน USS Eisenhower

การใช้ในเรือทางพลเรือน (Civil Vessels)

ยานขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ มีความสำคัญต่อรัสเซียทั้งทางเทคนิคและการประหยัดงบประมาณ โดยเฉพาะกับรัสเซียทางตอนเหนือ (Russian Arctic) ที่ต้องใช้เรือทำลายน้ำแข็ง (icebreakers) การที่น้ำแข็งมีความหนา 3 เมตร และการเติมเชื้อเพลิงทำได้ยากถ้าใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่น กองเรือนิวเคลียร์ (nuclear fleet) ได้ทำให้การเดินเรือด้านอาร์กติก (Arctic) เพิ่มขึ้นจากปีละ 2 เดือนเป็นปีละ 10 เดือน และทำให้ด้านอาร์กติกตะวันตก (Western Arctic) สามารถเดินเรือได้ทั้งปี

เรือทำลายน้ำแข็ง Lenin เป็นเรือผิวน้ำพลังงานนิวเคลียร์ลำแรกของโลก มีขนาด 20,000 dwt มีการใช้งานอยู่ 30 ปี โดยมีการเปลี่ยนเครื่องปฏิกรณ์ในปี 1970 ต่อมาได้มีการพัฒนาให้เรือทำลายน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น โดยผลิตรุ่น Arktika-class ที่มีขนาด 23,500 dwt ออกมาในปี 1975 จำนวน 6 ลำ แต่ละลำมีเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 56 MW ในการขับเคลื่อนจำนวน 2 เครื่อง เพื่อปฏิบัติการในน้ำลึกของทวีปอาร์กติก เรือ Arktika เป็นเรือผิวน้ำลำแรกที่สามารถไปถึงขั้วโลกเหนือในปี 1977

การใช้งานสำหรับกรณีน้ำตื้น เช่น ปากน้ำหรือในแม่น้ำ มีการสร้างเรือต้นแบบขึ้นมา 2 ลำ ในฟินแลนด์ เป็นเรือทำลายน้ำแข็งรุ่น Taymyr-class ขนาด 18,260 dwt ใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 38 MW โดยใช้ระบบผลิตไอน้ำที่ทำในรัสเซีย โดยมีวัตถุประสงค์ในการสร้างเพื่อแสดงให้เห็นว่าเรือพลังงานนิวเคลียร์ ที่สร้างขึ้นเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยสากล (international safety standards) เรือรุ่นนี้เริ่มออกปฏิบัติการในปี 1989

การพัฒนาเรือพลังงานนิวเคลียร์พาณิชย์ เริ่มขึ้นในทศวรรษ 1950 แต่ไม่ประสบผลสำเร็จในทางการค้า สหรัฐได้สร้างเรือ NS Savannah ขนาด 22,000 ตัน ใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 74 MWt ให้กำลังในการขับใบพัด 16.4 MW ได้รับอนุญาตในปี 1962 และเลิกใช้ใน 8 ปีต่อมา เรือที่สร้างขึ้นประสบความสำเร็จในทางเทคนิค แต่ไม่คุ้มค่าในทางการค้า เยอรมันสร้างเรือพลังงานนิวเคลียร์ชื่อ Otto Hahn ขนาด 15,000 ตัน ใช้เครื่องปฏิกรณ์ 1 เครื่องขนาด 36 MWt ให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 8 MW เป็นเรือบรรทุกสินค้าและการวิจัย ในการใช้งาน 10 ปี มีการเดินเรือ 126 เที่ยว ด้วยระยะทาง 650,000 ไมล์ทะเล โดยไม่มีปัญหาทางเทคนิค แต่ก็แสดงให้เห็นว่าค่าใช้จ่ายในการเดินเรือสูงเกินไป และได้เปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นน้ำมันดีเซลในปี 1982

เรือ Mutsu ขนาด 8000 ตันของญี่ปุ่น เป็นเรือพลังงานนิวเคลียร์ทางพลเรือนลำที่ 3 เริ่มใช้งานในปี 1970 ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 1 เครื่อง ขนาด 36 MWt ใช้เชื้อเพลิงแบบ low-enriched uranium (3.7 - 4.4% U-235) ให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 8 MW เรือลำนี้ไม่ประสบผลสำเร็จ เนื่องจากมีปัญหาทั้งทางเทคนิคและปัญหาทางการเมือง

ในปี 1988 รัสเซียได้ออกเรือ NS Sevmorput สำหรับใช้ที่ท่าเรือตอนเหนือของไซบีเรีย (Siberian ports) เรือลำนี้มีขนาด 61,900 ตัน เป็นเรือบรรทุกขนาดเบาสำหรับใช้กับท่าเรือน้ำตื้น ที่ติดตั้งชุดทำลายน้ำแข็ง โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 135 MWt แบบ KLT-40 เช่นเดียวกับที่ใช้ในเรือทำลายน้ำแข็งขนาดใหญ่ ให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 30 MW มีการเติมเชื้อเพลิงใหม่ครั้งเดียวเมื่อปี 2003

นับถึงปี 2003 รัสเซียมีชั่วโมงการปฏิบัติงานกับเครื่องปฏิกรณ์ ของเรือพลังงานนิวเคลียร์ในทวีปอาร์กติก 250 ปี และมีโครงการที่จะสร้างเรือทำลายน้ำแข็งพลังงานนิวเคลียร์ขนาด 32,400 dwt ซึ่งให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 60 MW และมีแผนที่จะสร้างเรือที่มีกำลังสูงขึ้น ให้มีขนาด 110 MW net และ 55,600 dwt

เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ USS Nautilus
เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ USS San Francisco
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของกองทัพเรือเป็นแบบใช้น้ำความดันสูง (pressurised water) แต่มีความแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์ ได้แก่:

  • เครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กกว่ามากแต่ให้กำลังสูง ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมแบบ highly-enriched มียูเรเนียม-235 (U-235) มากกว่า >20% ซึ่งเดิมใช้แบบ 97% แต่ปัจจุบันเรือดำน้ำสหรัฐใช้แบบ 93% ประเทศยุโรปตะวันตกใช้แบบ 20-25% ส่วนรัสเซียใช้แบบ 45%
  • เชื้อเพลิงไม่ได้อยู่ในรูปยูเรเนียมออกไซด์ (UO2) แต่เป็นอัลลอยด์ยูเรเนียมเซอร์โคเนียม (uranium-zirconium) หรือยูเรเนียมอลูมิเนียม (uranium-aluminium ) ซึ่งใช้ 15%U ที่มีการ enrichment เป็น 93% หรือใช้ยูเรเนียมมากขึ้น แต่ enrichment ต่ำลง เช่น 20%U-235 หรืออาจอยู่ในรูปโลหะเซรามิกส์ (metal-ceramic) เช่นแบบ Kursk ใช้เชื้อเพลิงเป็นวงแหวน U-Al ที่มี 20-45%enrichment มีปลอกหุ้มเป็นอัลลอยด์ของเซอร์โคเนียม (zircaloy) ทำให้แกนเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 200 MW มี U-235ประมาณ 200kg
  • แกนเครื่องปฏิกรณ์มีอายุยาวนาน การเติมเชื้อเพลิงใหม่แต่ละครั้งจะห่างกันมากกว่า 10 ปี มีการออกแบบให้เปลี่ยนแกนเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ ที่อายุ 50 ปีในเรือบรรทุก และ 30-40 ปีสำหรับเรือดำน้ำ
  • มีการออกแบบถังความดัน (pressure vessel) ให้มีขนาดเล็กแต่ยังคงมีความปลอดภัยสูง ถังความดันของเรือ Sevmorput ซึ่งถือเป็นเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ มีความสูง 4.6 m มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.8 m ส่วนแกนเครื่องปฏิกรณ์มีความสูง 1 m เส้นผ่าศูนย์กลาง 1.2 m
  • ประสิทธิภาพในการให้ความร้อนต่ำกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทางพลเรือน เนื่องจากต้องการความยืดหยุ่นในการปรับกำลังการเดินเครื่อง และการจำกัดของพื้นที่ระบบผลิตไอน้ำ
แกนเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอายุยาวนานเนื่องจากการใช้ยูเรเนียมชนิด high enrichment และมีระบบ "burnable poison" เช่นการใส่ gadolinium ลงไปในแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อลดการเกิดของ fission products และการสะสมของ actinides ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงลดลง ถังความดันของเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดเล็กแต่มีอายุการใช้งานนาน เนื่องจากมีระบบป้องกันนิวตรอนอยู่ภายใน

เรือดำน้ำรุ่น Alfa-class ของรัสเซีย ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบ liquid metal cooled reactor (LMR) 1 เครื่อง ซึ่งยูเรเนียมแบบ enrichment สูงมาก มีกำลัง 155 MWt แต่มีปัญหาในการปฏิบัติงาน เนื่องจากต้องทำให้ตะกั่วบิสมัท (lead-bismuth) ที่ใช้ระบายความร้อนอยู่ในสภาพแข็งตัวเมื่อดับเครื่องปฏิกรณ์ เรือรุ่นนี้มีการสร้างขึ้น 8 ลำ เรือดำน้ำรุ่นนี้ ถือว่าไม่ประสบความสำเร็จในการออกแบบ

กำลังของเครื่องปฏิกรณ์มีขนาดตั้งแต่ 10 MWt ในรุ่นต้นแบบ ไปจนถึง 200 MW ในเรือดำน้ำขนาดใหญ่ และ 300 MWt ในเรือผิวน้ำ เช่นเรือลาดตระเวน Kirov-class เครื่องปฏิกรณ์ของเรือดำน้ำรุ่น Rubis-class ของฝรั่งเศส มีกำลัง 48 MW ปฏิบัติงานได้โดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงใหม่เป็นเวลา 30 ปี ส่วนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือรุ่น Oscar-II class ของรัสเซียมีกำลัง 190 MWt

เรือของรัสเซีย สหรัฐและอังกฤษ ใช้กังหันไอน้ำในการขับเคลื่อน ส่วนเรือของฝรั่งเศสและจีนใช้กังหันผลิตไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อน เรือดำน้ำติดตั้งขีปนาวุธของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์ 2 เครื่อง เช่นเดียวกับเรือ Enterprise ส่วนเรือดำน้ำแบบอื่นส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องเดียว

เรือทำลายน้ำแข็งขนาดใหญ่ของรัสเซีย ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ KLT-40 ซึ่งมีมัดเชื้อเพลิง (fuel assembly) 241หรือ 274 มัด ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมแบบ 30-40% enrichment มีช่วงเวลาการเติมเชื้อเพลิงใหม่ทุก 3-4 ปี กำลังที่ใช้ขับกังหันไอน้ำ สามารถหมุนใบพัดเรือด้วยกำลัง 33 MW (44,000 hp) ส่วนเรือ Sevmorput ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกันนี้ โดยใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม 90% enrichment

เรือทำลายน้ำแข็งรุ่นต่อไปของรัสเซีย จะออกแบบให้ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดแทนการใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำความดันสูง (PWR)

เรือทำลายน้ำแข็ง Sovetskij Sojuz ของรัสเซีย
เรือทำลายน้ำแข็ง Yamal ของรัสเซีย
เรือของรัสเซีย สหรัฐและอังกฤษ ใช้กังหันไอน้ำในการขับเคลื่อน ส่วนเรือของฝรั่งเศสและจีนใช้กังหันผลิตไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อน เรือดำน้ำติดตั้งขีปนาวุธของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์ 2 เครื่อง เช่นเดียวกับเรือ Enterprise ส่วนเรือดำน้ำแบบอื่นส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องเดียว

เรือทำลายน้ำแข็งขนาดใหญ่ของรัสเซีย ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ KLT-40 ซึ่งมีมัดเชื้อเพลิง (fuel assembly) 241หรือ 274 มัด ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมแบบ 30-40% enrichment มีช่วงเวลาการเติมเชื้อเพลิงใหม่ทุก 3-4 ปี กำลังที่ใช้ขับกังหันไอน้ำ สามารถหมุนใบพัดเรือด้วยกำลัง 33 MW (44,000 hp) ส่วนเรือ Sevmorput ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกันนี้ โดยใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม 90% enrichment

เรือทำลายน้ำแข็งรุ่นต่อไปของรัสเซีย จะออกแบบให้ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดแทนการใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำความดันสูง (PWR)

โอกาสในอนาคต (Future prospects)

การเพิ่มขึ้นของแก๊สเรือนกระจกจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิลในการเดินทางและขนส่งทางอากาศและทางเรือ ประกอบกับสถิติความปลอดภัยในการใช้เรือพลังงานนิวเคลียร์ จึงมีความเป็นไปได้สูงที่จะมีผู้หันมาใช้เรือเดินทะเลที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์

 

ถอดความจาก Nuclear-powered Ships
เวบไซต์ http://www.uic.com