เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Pebble bed

ตอนที่ 1

เครื่องปฏิกรณ์ pebble bed (PBR) หรือ pebble bed modular reactor (PBMR) เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบก้าวหน้าชนิดหนึ่ง ซึ่งใช้เทคโนโลยีที่มีความปลอดภัยและประสิทธิภาพสูงมากขึ้น เครื่องปฏิกรณ์ทั่วไป ใช้น้ำเป็นสารหน่วงนิวตรอน และใช้เป็นสารระบายความร้อนด้วย ขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ pebble bed ใช้ pyrolytic graphite เป็นสารหน่วงนิวตรอน และใช้ก๊าซเฉื่อย เช่น ก๊าซฮีเลียม ก๊าซไนโตรเจน หรือก๊าซคาร์บอนไดออไซด์ เป็นสารระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงมาก ในการขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง ทำให้ไม่ต้องใช้ระบบเครื่องกำเนิดไอน้ำที่มีความซับซ้อน รวมทั้งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงาน (transfer efficiency) โดยทำให้สัดส่วนของการผลิตไฟฟ้าต่อความร้อน มีค่าประมาณ 50% นอกจากนั้น ก๊าซจะไม่ละลายส่วนประกอบที่ปนเปื้อนรังสีออกมา และไม่ดูดกลืนนิวตรอนเหมือนกับการใช้น้ำ ดังนั้น แกนเครื่องปฏิกรณ์จึงมีของเหลวที่มีกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่า ทำให้ต้นทุนต่ำกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลเบา (light water reactor)

เทคโนโลยีนี้พัฒนาขึ้นครั้งแรกในเยอรมัน แต่ด้วยปัญหาทางการเมืองและเศรษฐกิจ เทคโนโลยีนี้จึงถูกระงับไป ปัจจุบัน มีการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ออกมาหลายรูปแบบ โดย MIT ในสหรัฐ บริษัท PBMR ของแอฟริกาใต้ บริษัท General Atomics ของสหรัฐอเมริกา บริษัท Romawa B.V. และ Adams Atomic Engines ของเนเธอร์แลนด์ INL และบริษัท Chinergy ของสาธารณรัฐประชาชนจีน ซึ่งดำเนินงานโดยมหาวิทยาลัย Tsinghua

เมื่อกลางปี 2005 มีรายงานว่า จะมีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ PBR ตัวใหม่ที่เมือง Koeberg ประเทศแอฟริกาใต้ ซึ่งตรงข้ามกับข้อมูลของกลุ่มรณณรงค์ด้านสิ่งแวดล้อม และกลุ่ม lobby เช่น Earthlife Africa และ Koeberg Alert ซึ่งกังวลถึงเรื่องผลกระทบสิ่งแวดล้อมและการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์

หอระบายความร้อนของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์
เม็ดเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ pebble bed

การออกแบบของ Pebble bed

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ pebble bed เป็นการรวมความก้าวหน้าทางวิศวกรรมนิวเคลียร์ 2 อย่างเข้าด้วยกัน คือ การใช้แกนเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ ที่เคยมีการทดลองมาแล้วในอดีต กับการออกแบบเชื้อเพลิงใหม่ ทำให้มีความซับซ้อนน้อยลง ขณะที่มีความปลอดภัยสูงขึ้น

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโตเนียม ที่เป็นสารประกอบออกไซด์หรือคาร์ไบด์ จะทำให้อยู่ในรูปเซรามิกส์ บรรจุอยู่ใน pyrolytic graphite ทรงกลมขนาดเล็ก ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นสารหน่วงนิวตรอน (neutron moderator) ทรงกลมแต่ละก้อนจะเป็นเสมือนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดจิ๋ว (mini-reactor) ที่มีความสมบูรณ์ในตัวเอง เมื่อแยกออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ตัวใหญ่ เมื่อนำเชื้อเพลิงทรงกลมขนาดเล็กเหล่านี้มารวมกันมากพอ ก็จะทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นต่อเนื่องถึงค่าวิกฤต (criticality) ได้

สิ่งที่นับเป็นความก้าวหน้าหลักของเครื่องปฏิกรณ์ pebble bed คือการออกแบบให้สามารถควบคุมได้ด้วยตัวเอง เช่น เมื่อเครื่องปฏิกรณ์มีความร้อนสูงมากขึ้น นิวตรอนจะมีพลังงานสูงขึ้น และจะทำปฏิกิริยากับ U-235 ได้น้อยลง ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันน้อยลง ทำให้เชื้อเพลิงมีอุณหภูมิต่ำลง เป็นการควบคุมกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์ได้เองตามธรรมชาติ

เม็ดเชื้อเพลิง (pebbles) จะบรรจุอยู่ในถังหรือกระบอก (can) และมีก๊าซเฉื่อย เช่น ก๊าซฮีเลียม ก๊าซไนโตรเจน หรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไหลเวียนผ่านช่องว่างระหว่างเม็ดเชื้อเพลิง เพื่อพาความร้อนออกไปจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ตามแนวคิดแล้ว ก๊าซร้อนจะถูกส่งไปหมุนกังหัน (turbine) โดยตรง แต่ก๊าซเหล่านี้อาจมีกัมมันตภาพรังสี จากการทำปฏิกิริยากับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ จึงอาจส่งผ่านความร้อน ไปที่ระบบแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) เพื่อให้ความร้อนกับก๊าซอีกระบบหนึ่ง หรือนำไปผลิตไอน้ำ ก๊าซที่ออกมาจากการขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแล้ว ยังมีความร้อน จึงอาจใช้ทำความอบอุ่นให้กับอาคารหรือโรงงงานเคมี หรือเพิ่มความร้อนให้กับเครื่องทำความร้อนได้

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำ มีต้นทุนสูงมากในระบบระบายความร้อนที่มีความซับซ้อน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบความปลอดภัย ที่ต้องการทั้งระบบความปลอดภัยและระบบสำรองที่สูงมาก โดยทั่วไป เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำ จะดูมีขนาดเล็กมาก เมื่อเทียบกับหอระบายความร้อนที่ตั้งอยู่ใกล้ๆ กัน นอกจากนั้น น้ำและวัสดุที่ละลายออกจากโครงสร้างภายใน เมื่อได้รับนิวตรอนจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ก็จะมีกัมมันตภาพรังสี ความดันที่สูงมากจะทำให้ท่อในระบบท่อภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์มีความเปราะ จึงต้องเปลี่ยนใหม่ และต้องมีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง

แผนภาพแสดงเม็ดเชื้อเพลิงทรงกลม ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ pebble bed

เครื่องปฏิกรณ์แบบ pebble bed ระบายความร้อนด้วยก๊าซ มีความดันต่ำกว่า ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ไม่ต้องมีระบบท่อ โดยสารระบายความร้อน สามารถไหลผ่านไปตามช่องว่างระหว่างเม็ดเชื้อเพลิง สารระบายความร้อนไม่มีองค์ประกอบของไฮโดรเจน ระบบท่อจึงไม่มีความเปราะที่เกิดจากนิวตรอนและไฮโดรเจน ก๊าซที่ใช้ ส่วนใหญ่เป็นก๊าซฮีเลียม เนื่องจากไม่ค่อยเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอน จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีกัมมันตภาพรังสีต่ำกว่าน้ำ

สิ่งที่เป็นความก้าวหน้าของเครื่องปฏิกรณ์แบบ pebble bed เหนือเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลเบา (light-water reactor) คือการทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า เครื่องปฏิกรณ์สามารถส่งผ่านความร้อนให้ของไหล เพื่อไปขับกังหันก๊าซ (gas turbines) ที่ความดันต่ำได้โดยตรง การทำงานที่อุณหภูมิสูง ทำให้กังหันเกิดพลังงานกลได้มากกว่าด้วยความร้อนที่เท่ากัน ระบบนี้จึงใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าด้วยกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้เท่ากัน

ความก้าวหน้าทางเทคนิคอีกประการหนึ่ง คือ การออกแบบให้ควบคุมด้วยอุณหภูมิ ไม่ใช่ควบคุมด้วยแท่งควบคุม (control rods) เครื่องปฏิกรณ์จึงมีความซับซ้อนน้อยกว่า เนื่องจากไม่จำเป็นต้องปรับการเดินเครื่อง ตามการเปลี่ยนแปลงของความเข้มของนิวตรอน โดยค่อยๆ ถอนแท่งควบคุม ในการบำรุงรักษาแท่งควบคุม จึงต้องใช้สารดูดกลืนนิวตรอน (absorbers) บรรจุลงในท่อ และติดตั้งไว้ที่ส่วนสะท้อนนิวตรอน (neutron reflector) ที่อยู่รอบแกนเครื่องปฏิกรณ์ฯ

ถ้าใช้การควบคุมด้วยอุณหภูมิ เครื่องปฏิกรณ์สามารถเปลี่ยนกำลังการเดินเครื่องได้อย่างรวดเร็ว โดยการปรับอัตราการไหลของสารระบายความร้อน การออกแบบให้ควบคุมด้วยสารระบายความร้อน จะทำให้ปรับกำลังการเดินเครื่องได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น โดยการเปลี่ยนความหนาแน่นของสารระบายความร่อน หรือความจุความร้อน (heat capacity)

ความก้าวหน้าอย่างอื่น ได้แก่ การใช้เชื้อเพลิงแบบเม็ด ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์แบบอื่น และอาจแตกต่างกันไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกัน ผู้ออกแบบยืนยันว่า เครื่องปฏิกรณ์ pebble-bed บางรุ่นสามารถใช้ทอเรียม พลูโตเนียม และยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่มีการเสริมสมรรถนะได้ เช่นเดียวกับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ โดยอยู่ในโครงการพัฒนาเม็ดเชื้อเพลิงและเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (MOX fuel) ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียมกับพลูโตเนียม ที่ได้จากอาวุธนิวเคลียร์ที่หมดอายุการใช้งานแล้ว

โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ pebble bed

การออกแบบ Stationary designs

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ pebble-bed ส่วนใหญ่ จะมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิงได้อย่างต่อเนื่อง แทนที่จะต้องดับเครื่องเป็นเวลาหลายสัปดาห์เพื่อเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิง เม็ดเชื้อเพลิงสามารถส่งเข้าไปในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นรูปถัง (bin-shaped) โดยเม็ดเชื้อเพลิงจะถูกหมุนเวียนจากด้านล่างขึ้นด้านบนประมาณสิบครั้งด้วยเวลาหลายปี ก่อนจะทดสอบและเคลื่อนย้ายออก เมื่อเชื้อเพลิงถูกใช้หมด จะถูกนำออกไปเก็บไว้บริเวณที่เก็บกากกัมมันตรังสี และนำเม้ดเชื้อเพลิงชุดใหม่เข้าไปแทน

หลักการของเครื่องปฏิกรณ์ pebble-bed คิดค้นขึ้นโดยศาสตราจารย์ Dr. Rudolf Schulten ในปี 1950 โดยใช้แนวคิดที่ต้องการให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ปลอดภัยสูง มีความเรียบง่าย ใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบธรรมดา พัฒนาการที่สำคัญ คือแนวคิดในการรวมโครงสร้าง อาคารครอบเครื่องปฏิกรณ์ (containment) เชื้อเพลิง และสารหน่วงนิวตรอน (neutron moderator) ไว้ภายในลูกทรงกลมขนาดเล็ก หลักการนี้นำมาใช้จริงทางวิศวกรรม โดยทำให้อยู่ในภายในซิลิกอนคาร์ไบด์ และ pyrolytic carbon ซึ่งมีความแข็งแรงสูงมาก แม้จะมีอุณหภูมิสูงถึง 2000 ?C (3600 ?F) การออกแบบให้อยู่ในรูปทรงกลมปิด (close-packed spheres) ทำให้มีโพรงที่เกิดจากช่องว่างของของทรงกลมแต่ละลูก การทำให้มีความปลอดภัยได้ง่าย เนื่องจากแกนเครื่องปฏิกรณ์มี power density ต่ำ โดยมี power density ประมาณ 1/30 ของเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลเบา (light water reactor)

แกนเครื่องปฏิกรณ์ให้กำลังออกมาน้อยความการเพิ่มขึ้นของความร้อน จึงไม่สามารถขึ้นไปถึงค่าวิกฤตได้ในเวลาอันสั้น ถ้าเกิดอุบัติเหตุ และเนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์มี power density ต่ำ จึงสามารถออกแบบให้ถ่ายเทความร้อนให้กับผนังได้มากกว่าความร้อนที่ผลิตขึ้น การจะทำให้มีกำลังสูงขึ้น ทำได้โดยการทำให้เย็นลง โดยส่งผ่านกำลังไปให้สารระบายความร้อน

การใช้หลักการปรับขนาดได้หรือ modular ของเครื่องปฏิกรณ์ pebble bed เป็นการใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กหลาย เครื่องอยู่ภายในโรงไฟฟ้า ทำให้เกิดความสะดวกที่จะค่อยๆ ลงทุนเพิ่มขึ้น ตามความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า บริเวณใดที่ต้องการกำลังผลิตมากขึ้น สามารถติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มขึ้นได้ง่าย ทำให้สามารถออกแบบขนาดให้มีความประหยัด และเชื่อมั่นได้มากขึ้น เมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์หลายเครื่องกระจายกำลังการผลิตกัน ทำให้สามารถเลือกหรือปรับการใช้งาน ถ้าบางส่วนเกิดปัญหา

การออกแบบให้ปรับขนาดได้ ทำให้สามารถใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กผลิตไฟฟ้าปริมาณมากได้ ทำให้ลดต้นทุนของวงจรในการตรวจสอบคุณภาพและทำใบอนุญาตความปลอดภัย (safety-certification and design qualification) ระบบที่สามารถปรับขนาดได้ ทำให้อุปกรณ์ที่ใช้ลดอุณหภูมิที่ออกมาจากการหมุนกังหัน (turbine) ต้องปรับให้เหมาะสมกับแต่ละแห่ง ระบบระบายความร้อนที่ปรับค่าได้ ส่วนใหญ่จะใช้หอระบายความร้อน (cooling tower) แต่ถ้าโรงไฟฟ้าตั้งอยู่ใกล้แหล่งน้ำ การใช้น้ำระบายความร้อนจะช่วยลดต้นทุนลงได้มาก เนื่องจากการระบายความร้อนปริมาณมากออกมา จะทำให้ลดขนาดของอุปกรณ์ให้มีขนาดเล็กลงไปได้มาก

 
ถอดความจาก pebble bed reactor
เวบไซต์ www.wikipedia.com