เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบกำลัง

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบกำลัง

• การผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบัน ส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูเพียง 2 แบบ ซึ่งพัฒนาขึ้นมาใช้ตั้งแต่ปี 1950
• การออกแบบขึ้นใหม่ในเวลาต่อมา มีบางแบบที่มีการใช้งานโดยเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่มีรุ่นเดียวไปจนหมดอายุการใช้งาน
• การผลิตไฟฟ้าในโลกนี้ใช้พลังงานนิวเคลียร์มากกว่า 16% มาตั้งแต่ปี 1960

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการผลิตและควบคุมการปลดปล่อยพลังงานที่เกิดจากการแตกตัวของอะตอมของธาตุ ในเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้า พลังงานที่ปลดปล่อยออกมา จะนำความร้อนมาทำให้เกิดไอน้ำเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้า (ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบวิจัย จะใช้ประโยชน์จากนิวตรอนที่เกิดขึ้นบริเวณแกนเครื่องปฏิกรณ์ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์ในเรือรบ จะใช้ไอน้ำขับให้ใบพัดของเรือหมุน)

เครื่องปฏิกรณ์ต้องมีการดับเครื่องเพื่อเปลี่ยนเชื้อเพลิง จึงออกแบบถังความดัน (pressure vessel) ให้สามารถเปิดด้านบนออกได้ เชื้อเพลิงจะมีการเปลี่ยนทุก 1-2 ปี โดยสลับตำแหน่งของเดิม และใส่แท่งเชื้อเพลิงใหม่ลงไป 1/4 หรือ 1/3 แกนเครื่องปฏิกรณ์แบบ CANDU และ RBMK ใช้ pressure tube แทน pressure vessel บรรจุแกนเครื่องปฏิกรณ์ และสามารถเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิงใหม่โดยการปลด pressure tube แต่ละชุด

ถ้าใช้ graphite หรือ heavy water เป็น moderator จะเดินเครื่องปฏิกรณ์ผลิตไฟฟ้า้โดยใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้ โดยไม่ต้องใช้ enriched uranium ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นธาตุที่มีองค์ประกอบของไอโซโทป เช่นเดียวกับที่ได้จากการทำเหมือง โดยมี 0.7% U-235 และ U-238 มากกว่า 99.2% enriched uranium มี U-235 ซึ่งเป็น fissile isotope เพิ่มมากขึ้นจากกระบวนการที่เรียกว่า enrichment โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นเป็น 3.5 – 5.0% ทำให้สามารถใช้น้ำธรรมดาเป็น moderator จึงเรียกเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ว่า light water reactors เนื่องจากน้ำมวลเบา (light water) ที่ใช้ลดพลังงานของนิวตรอน มีการดูดกลืนนิวตรอนด้วย จึงทำให้ประสิทธิภาพในการเป็น moderator น้อยกว่า heavy water หรือ graphite

เชื้อเพลิงทั้งหมดอยู่ในรูป ceramic ของยูเรเนียมออกไซด์ โดย UO₂ มีจุดหลอมเหลว 2800^oC และส่วนใหญ่ผ่านการ enrich แล้ว เม็ดเชื้อเพลิง (fuel pellet) มักมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง  1 cm ยาว 1.5 cm จัดเรียงเป็นแท่งเชื้อเพลิง (fuel rod) โดยบรรจุไว้ในท่อ zirconium alloy (zircaloy) เซอร์โคเนียม (zirconium)* มีความแข็งแรง ทนการกัดกร่อน และสามารถให้นิวตรอนผ่านได้ดี แท่งเชื้อเพลิงจะเรียงไว้ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ และสามารถเปิดด้านบนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ให้สามารถนำแท่งเชื้อเพลิงเข้าออกได้ ในส่วนนี้ของเครื่องปฏิกรณ์โดยทั่วไปจะมีความยาว 3.5เมตร

*เซอร์โคเนียม (Zr) เป็นแร่ที่สำคัญสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปกติจะมี hafnium ซึ่งดูดกลืนนิวตรอนสูงปะปนอยู่  ‘nuclear grade’ Zr ที่ใช้ทำ zircaloy จึงต้องมีความบริสุทธิ์สูง โดยใช้ 98% Zr ผสมดีบุก เหล็ก โครเมียมและนิเกิล เพื่อเพิ่มความแข็ง

มีการใช้ poison ในเชื้อเพลิงหรือสารหล่อเย็นเพื่อยืดเวลาการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ หรือการเพิ่มเชื้อเพลิงใหม่ โดยเป็นสารที่ดูดกลืนนิวตรอนได้สูงและสลายลดลงไปเมื่อได้รับนิวตรอน ทำให้การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงสูงขึ้น poison ที่รู้จักกันดีที่สุดคือ gadolinium ซึ่งเป็นส่วนผสมที่สำคัญในเครื่องปฏิกรณ์ของเรือรบ ซึ่งการเปลี่ยนเชื้อเพลิงทำได้ยาก จึงออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ให้เดินเครื่องได้นานกว่าสิบปีก่อนที่จะเปลี่ยนเชื้อเพลิง

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้น้ำความดันสูง
Pressurised Water Reactor (PWR)

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้มีการใช้งานมากที่สุด โดยใช้ในการผลิตไฟฟ้ามากกว่า 230 เครื่อง และใช้ในขับเคลื่อนเรือรบอีกหลายร้อยเครื่อง ในตอนแรกเป็นการออกแบบสำหรับใช้ในเรือดำน้ำ โดยใช้น้ำธรรมดาเป็นทั้ง moderator และสารหล่อเย็น จุดเด่นของเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้คือ การมีระบบระบายความร้อนความดันสูง ไหลผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เป็นวงจรแรก และมีระบบระบายความร้อนวงจรที่สอง ผลิตไอน้ำเพื่อใช้ขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

PWR ใช้แท่งเชื้อเพลิงประมาณ 200-300 แท่งต่อหนึ่งมัด จัดเรียงในแนวตั้งอยู่ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์ สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่อาจจะมีมัดเชื้อเพลิง 150-250มัด โดยใช้ยูเรเนียม 80-100 ตัน

น้ำในแกนเครื่องปฏิกรณ์จะมีอุณหภูมิประมาณ 325?C จึงต้องทำให้อยู่ภายใต้ความดัน 150 เท่าของความดันบรรยากาศจึงจะไม่เดือด โดยรักษาคามดันด้วยไอของ pressuriser ระบบระบายความร้อนวงจรแรกทำหน้าที่ moderator ด้วย ถ้ากลายเป็นไอจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ลดลง ผลสะท้อนทางลบนี้จึงทำให้หน้าที่เป็นระบบความปลอดภัยอย่างหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์ โดยมีการปล่อยโบรอนเข้าไปในระบบระบายความร้อนของวงจรแรก และเป็นระบบปิดการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ระบบที่สอง

ระบบระบายความร้อนระบบที่สอง มีความดันต่ำกว่าจึงทำให้น้ำเดือด และทำให้ส่วนแลกเปลี่ยนความร้อนนี้เป็นส่วนผลิตไอน้ำ (steam generator) ไอน้ำจะไปขับกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หลังจากนั้น จะถูกควบแน่นกลายเป็นน้ำ เพื่อส่งกลับเข้าส่วนแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบแรก

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำเดือด
Boiling Water Reactor (BWR)

BWR มีการออกแบบที่คล้ายกับ PWR ในหลายจุด ต่างกันที่ระบบหล่อเย็นมีระบบเดียว ซึ่งใช้น้ำที่มีความดันต่ำกว่า โดยมีความดันประมาณ 75 เท่าของความดันบรรยากาศ ทำให้มีสภาพเป็นน้ำเดือด โดยมีอุณหภูมิประมาณ 285^oC เมื่อเคลื่อนที่ผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ ขณะที่เดินเครื่องอยู่ เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้จะมีน้ำอยู่ในสภาวะของไอน้ำ อยู่เหนือแกนเครื่องปฏิกรณ์ ประมาณ 12-15% เนื่องจากการหน่วงนิวตรอนของไอน้ำน้อยกว่าน้ำ จึงทำให้ BWR มีประสิทธิภาพน้อยกว่า PWR

เมื่อไอน้ำผ่าน drier plates ที่ด้านบนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งทำหน้าที่แยกไอน้ำแล้วส่งไปที่กังหันโดยตรง ทำให้กังหันเป็นส่วนหนึ่งของระบบเครื่องปฏิกรณ์ด้วย เนื่องจากน้ำที่อยู่รอบแกนเครื่องปฏิกรณ์มีการปนเปื้อนสารกัมมันตรังสีอยู่ ดังนั้นบริเวณกังหันจึงต้องมีระบบป้องกันรังสีและต้องมีการรักษาความปลอดภัยทางรังสี ขณะที่เจ้าหน้าที่ทำการบำรุงรักษา เครื่องปฏิกรณ์แบบ BWR มีการออกแบบที่ซับซ้อนน้อยกว่า จึงมีต้นทุนที่ต่ำกว่า สารกัมมันตรังสีในน้ำ ส่วนใหญ่มีอายุสั้นมาก และส่วนใหญ่เป็น N-16 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 7 วินาที จึงสามารถเข้าไปในห้องของกังหันได้ในเวลาไม่นานหลังจากที่ดับเครื่องปฏิกรณ์

ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์ของ BWR มีมัดเชื้อเพลิง (fuel assembly) 750 มัด แต่ละมัดมีแท่งเชื้อเพลิง 90-100 แท่ง ซึ่งใช้ยูเรเนียมประมาณ 140 ตัน ระบบควบคุมระบบที่สอง เป็นการควบคุมการไหลของน้ำผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ น้ำที่ไหลผ่านน้อยลงจะทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิชชันลดลง เนื่องจากไอน้ำมีการหน่วงนิวตรอนน้อยกว่า

เครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลหนัก
Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR or CANDU)

เครื่องปฏิกรณ์แบบ CANDU มีการออกแบบและพัฒนาในแคนาดา มาตั้งแต่ปี 1950 โดยใช้ยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติ ซึ่งมี 0.7% U-235 เป็นเชื้อเพลิง จึงต้องใช้สารหน่วงนิวตรอน (moderator) ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า โดยเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ใช้น้ำมวลหนัก (heavy water) หรือ D₂O ทำให้เครื่องปฏิกรณ์แบบ CANDU มีต้นทุนลดลง เนื่องจากมีการ enrich ที่ moderator ไม่ใช่ที่เชื้อเพลิง

moderator บรรจุอยู่ภายในถังขนาดใหญ่ เรียกว่า calandria ซึ่งมี pressure tube วางอยู่ในแนวนอนหลายร้อยท่อ สำหรับบรรจุเชื้อเพลิง โดยมีระบบหล่อเย็นระบบแรกเป็น heavy water ที่มีความดันสูง จะระบายความร้อนออก ทำให้มีอุณหภูมิประมาณ 290^oC ระบบหล่อเย็นระบบแรกจะถ่ายเทความร้อน ทำให้เกิดไอน้ำไปหมุนกังหันในระบบหล่อเย็นระบบที่สอง คล้ายกับ PWR การออกแบบของ pressure tube ที่แยกจากกันกับระบบหล่อเย็น ทำให้สามารถเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิงได้โดยไม่ต้องดับเครื่องปฏิกรณ์

มัดเชื้อเพลิง (fuel assembly) ของ CANDU ประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิงความยาวครึ่งเมตร จำนวน 37 แท่ง โดยเป็น ceramic fuel pellet อยู่ภายใน zircaloy tube และมีโครงสร้างของ fuel channel รองรับที่ส่วนปลายแต่ละด้านของชุดมัดเชื้อเพลิงทุก 12 มัด แท่งควบคุมจะถูกส่งเข้าไปใน calandria ทางแนวดิ่ง โดยมีระบบดับเครื่องระบบที่สอง ที่มีการเติม gadolinium ลงไปใน moderator ระบบหมุนเวียนของ moderator ซึ่งใช้น้ำมวลหนักไหลผ่านช่องของ calandria จะทำให้มีความร้อนสูงขึ้นเช่นกัน

Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR or CANDU) Advanced Gas-cooled Reactor (AGR)

เครื่องปฏิกรณ์แบบใช้แก๊ส Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ใช้แก๊สรุ่นที่สองของอังกฤษ ซึ่งใช้กราไฟท์เป็น moderator และใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารหล่อเย็น เชื้อเพลิงเป็นเม็ดยูเรเนียมออกไซด์ enrich ขึ้นไป 2.5-3.5% อยู่ภายในท่อ stainless steel คาร์บอนไดออกไซด์ที่หมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์จะมีอุณหภูมิประมาณ 650oC ซึ่งจะถูกส่งไปยังส่วนผลิตไอน้ำภายนอกแกนเครื่องปฏิกรณ์ แต่ยังคงอยู่ภายในอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กของ pressure vessel แท่งควบคุมจะส่งเข้าไปใน moderator ส่วนระบบดับเครื่องระบบที่สอง ใช้การส่งไนโตรเจนเข้าไปในสารหล่อเย็น เครื่องปฏิกรณ์แบบ AGR พัฒนามาจากเครื่องปฏิกรณ์ Magnox ซึ่งใช้กราไฟท์ในการ moderate และใช้ CO2 เป็นสารหล่อเย็นเช่นกัน เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ยังมีการใช้งานอยู่หลายเครื่องในอังกฤษ โดยใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติในรูปของโลหะ

Light water graphite-moderated reactor (RBMK)

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ออกแบบโดย Soviet ซึ่งพัฒนามาจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตพลูโตเนียม ใช้ pressure tube แนวตั้งแบบยาว (7 เมตร) ใช้กราไฟท์เป็น moderator และใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น โดยทำให้เดือดเมื่อผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่อุณหภูมิประมาณ 290oC ซึ่งใกล้เคียงกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ BWR ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมออกไซด์แบบ low-enrich ขึ้นรูปเป็นแท่งเชื้อเพลิงความยาว 3.5 เมตร จากการใช้กราไฟท์ทำให้เกิด moderation ได้ดี จึงสามารถปล่อยให้เกิดการเดือดได้มาก โดยการดูดกลืนนิวตรอนไม่ไปขัดขวางการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน แต่อาจทำให้เกิดปัญหา positive feedback ขึ้นได้

เครื่องปฏิกรณ์แบบก้าวหน้า
Advanced reactors

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สามารถแบ่งออกได้หลายรุ่นอย่างชัดเจน

• เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 1 พัฒนาขึ้นในช่วงปี 1950-60 โดยยังมีบางเครื่องที่ยังเดินเครื่องอยู่ในปัจจุบัน เครื่องปฏิกรณ์รุ่นนี้เกือบทั้งหมด ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติ และใช้กราไฟท์เป็น moderator
• เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 2 เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่แสดงถึงยุคการขยายตัวทางนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกา และส่วนใหญ่ยังเดินเครื่องอยู่ในปัจจุบัน เชื้อเพลิงที่ใช้ส่วนมากเป็น enriched uranium โดยใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็นและ moderator
• เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 3 เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบก้าวหน้า โดย 3 เครื่องแรกอยู่ในญี่ปุ่น ส่วนของประเทศอื่นยังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง หรือรอการเดินเครื่อง มีการพัฒนามาจากเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 2 โดยเพิ่มระบบความปลอดภัยให้สูงขึ้น
• เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 4 ยังอยู่ในระยะของการออกแบบ และยังไม่มีการเดินเครื่อง จนกว่าจะถึงปี 2020 หรือช้ากว่านั้น โดยจะหยุดการใช้เชื้อเพลิงใหม่ แต่จะนำ actinide ที่มีอายุยาวนานจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วกลับมาใช้ ซึ่งจะทำให้ fission product จะมีแต่เพียงกากนิวเคลียร์รังสีสูง (high-level waste) ที่มีอายุสั้น เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้นิวตรอนเร็ว (fast neutron reactors)

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 3 หรือแบบก้าวหน้า อีกกว่าโหลยังอยู่ในระยะของการพัฒนา บางเครื่องพัฒนาการออกแบบมาจาก PWR, BWR และ CANDU บางแบบก็แหวกแนวออกไป เครื่องปฏิกรณ์ชนิด Advanced Boiling Water Reactor แบบเดิมมีการใช้งานอยู่ในปัจจุบัน 2 เครื่อง บางส่วนกำลังก่อสร้าง การออกแบบขึ้นใหม่ที่แหวกแนวและรู้จักกันดี คือแบบ Pebble Bed Modular Reactor ซึ่งใช้ฮีเลียมที่มีอุณหภูมิสูงมากเป็นสารหล่อเย็น และใช้ขับกังหันของเครื่องผลิตไฟฟ้า

มีการพิจารณาที่จะหยุดการใช้เชื้อเพลิง แต่จะหมุนเวียน plutonium จากเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 1-3 กลับมาใช้ โดยคาดว่าเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ 4 จะสามารถนำ actinide กลับมาใช้ได้เต็มรูปแบบ

เครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็ว
Fast neutron reactors

เครื่องปฏิกรณ์บางแบบใช้นิวตรอนเร็วโดยไม่ได้ใช้ moderator ผลิตไฟฟ้าจากพลูโตเนียมที่เกิดขึ้นจากไอโซโทป U-238 ที่อยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิงหรืออยู่รอบแท่งเชื้อเพลิง ซึ่งจะให้พลังงานออกมามากกว่าเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไป ที่ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงกว่า 60 เท่า เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ มีค่าก่อสร้างสูง และต้องใช้เวลาในการรอให้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์เพียง 1 เครื่อง