วิวัฒนาการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 1

วิวัฒนาการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

แหล่งไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการดำรงชีพของมนุษย์ในปัจจุบัน โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ได้รับความนิยมในหลายๆประเทศ แต่สิ่งหนึ่งที่ดูเหมือนจะเป็นยาขมสำหรับการเริ่มตอกเสาเข็มสร้างโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ในประเทศไหนสักแห่งหนึ่งคือเรื่องความปลอดภัยที่หลายต่อหลายคนยังกังขาสงสัยและดูเหมือนจะเป็นประเด็นสำคัญที่ฉุดรั้งให้ประเทศไทยไม่ขยับก้าวไปไกลสักเท่าไหร่ในเรื่องของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์

โรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่อาศัยการสร้างพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission nuclear reaction) ซึ่งหลักการทำงานโดยทั่วไปจะเหมือนกับโรงงานผลิตไฟฟ้าในประเภทอื่นไม่ว่าจะใช้ น้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง การทำงานของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์นั้นสามารถแบ่งส่วนการทำงานออกเป็น 2 ส่วนหลักๆ คือ

1. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานสำหรับใช้ในการผลิตไฟฟ้า พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะใช้ในการผลิตไอน้ำสำหรับหมุนกังหันผลิตไฟฟ้าต่อไป
2. ระบบผลิตไฟฟ้า เป็นส่วนที่รับไอน้ำจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แล้วส่งไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า ซึ่งส่วนนี้เป็นองค์ประกอบที่มีในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทุกชนิด

สำหรับโรงงานผลิตไฟฟ้าทั่วไปก็จะแบ่งเป็นสองส่วนเช่นกันโดยส่วนของการผลิตพลังงานเพื่อเอาไปต้มน้ำให้ร้อน และส่วนของระบบผลิตไฟฟ้า ซึ่งขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่นำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงนั้นเอง

“เรื่องของโรงงานไฟฟ้าโดยทั่วไป การก่อสร้างจะ แยกเป็น สองส่วน หนึ่งคือส่วนของตัวผลิตพลังงานเพื่อเอาไปต้มน้ำให้ความร้อน อีกส่วนเป็นส่วนของ ระบบผลิตไฟฟ้าปกติ โรงไฟฟ้าโดยทั่วไป จะคล้ายๆกันคือ จะใช้ลักษณะของกังหันไปหมุนมอเตอร์ แล้วปั่นไฟออกมาส่วนที่ต่างกันคือวัตถุดิบขึ้นอยู่กับว่าเอาอะไรมาเช่นใช้ก๊าซ เอาไปต้มน้ำ น้ำก็ออกมาเป็นไอหมุนกังหัน หรือใช้ ถ่านหิน ไปต้มน้ำ ใช้น้ำมัน ทุกตัวใช้ต้มน้ำทั้งหมด
ส่วน โรงงานนิวเคลียร์เราใช้นิวตรอนที่ได้มา วิ่งผ่านน้ำ น้ำก็ร้อนเดือดกลายเป็นไอ เป็นกังหันเพราะงั้นก็มีหลักการคล้ายกัน”

โรงงานไฟฟ้ามีวิวัฒนาการมายอย่างยาวนาน แบ่งออกได้เป็นหลายยุคหากจะแบ่งออกอย่างละเอียดอาจจะแบ่งออกได้ 7-8 ยุคเลยทีเดียว แต่โดยทั่วๆไปแล้วมียุคที่สำคัญอยู่ 4 ยุค

1. ปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นที่ 1 (1st Generation Nuclear Reactor)

ในช่วงแรกของวิวัฒนาการของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์เกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2493 – 2512 โดย ได้พยายามค้นคว้าทดลองเพื่อนำความรู้ดังกล่าวมาใช้งานจริง เชื้อเพลิงที่ใช้ในยุคนี้ส่วนใหญ่จะเป็นยูเรเนียม ความแตกต่างของปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นแรกอยู่ที่ รูปทรง และสารประกอบของเชื้อเพลิง ลักษณะของแกนปฏิกรณ์ที่เป็นแหล่งความร้อน ชนิดของสารพาความร้อน

“วิวัฒนาการ ก็มีหลายๆรุ่น มีการออกไปไว้ถึง เจ็ด-แปด ด้วยซ้ำ ตอนนี้เราใช้รุ่นสอง ใกล้หมดกระแสแล้วล่ะตอนนี้ที่กำลังสร้างกันส่วนใหญ่คือ รุ่นสาม สามบวก ขึ้นมา ซึ่งเน้นเรื่องความปลอดภัย
รุ่นแรก เป็นการทดลองมากกว่า จะนำไปใช้ยังไง ทดลอง ใช้ก๊าซ น้ำ มีการทดลองหลายแบบ เป็นการเก็บรวมรวมความรู้เพื่อประยุกต์ใช้จริงๆ
ส่วนรุ่นที่สอง จะเป็นการนำมาเอาความรู้ในยุคแรกมาสร้างเป็นโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์เพื่อผลิตใช้ไฟฟ้าจริงๆ ก็มีด้วยกันหลายแบบ ทั้งแบบ น้ำเดือด น้ำความดันสูง และการใช้น้ำมวลหนัก”

2. ปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นที่สอง (2nd Generation Nuclear Reactor)

มีพัฒนาการในช่วงระหว่างปีพ.ศ. 2512 - 2533 เป็นการนำความรู้ที่ได้จากยุคที่หนึ่งสู่การใช้งานจริงโดยมีเป้าประสงค์เพื่อผลิตพลังงานซึ่งมีต้นทุนต่ำ โรงงานในยุคนี้ไม่มีความซับซ้อนมากนัก โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ยังใช้อยู่ในประเทศต่างๆในปัจจุบันกว่า 400 โรง ยังคงเป็นโรงงานในยุคที่ 2 ที่ยังหลงเหลือมานั้นเอง
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นที่สองที่แพร่หลายในโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ในปัจจุบันทั่วโลก สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 แบบ ได้แก่

2.1 โรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์แบบน้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor, PWR)
โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ระบบนี้เป็นระบบที่ได้รับความนิยมสูงที่สุดในยุคที่ 2 โดยอาศัยหลักการทำงานด้วยการถ่ายเทพลังงานความร้อนให้กับน้ำจนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 320 องศาเซลเซียส ภายในถังขนาดใหญ่ที่มีความดันสูงประมาณ 15 เมกะปาสคาล (MPa) หรือประมาณ 150 เท่าของความดันบรรยากาศทั่วไป โดยในวงจรแรกทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำจะเป็นระบบปิดทำให้ไม่มีปัญหาการปนเปื้อนของสารกัมตภาพรังสี น้ำเดือดดังกล่าวจะถ่ายเทความร้อนให้แก่ให้แก่น้ำหล่อเย็นอีกระบบหนึ่งผ่านท่อถ่ายเทความร้อน (heat exchanger) ซึ่งน้ำในระบบหล่อเย็นนี้สามารถเดือดและกลายเป็นไอน้ำได้

ข้อดีของโรงงานไฟฟ้าแบบนี้คือ มีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานสูง ไม่มีปัญหาเรื่องการปนเปื้อนของสารกัมตภาพรังสี รวมถึงการ ใช้น้ำเป็นตัวระบายความร้อนและตัวหน่วงนิวตรอนซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและสามารถหาได้ง่ายก็นับเป็นจุดเด่นอีกประการของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์แบบนี้สำหรับข้อเสียของระบบนี้คือการที่แยกวงจรออกเป็นสองส่วนแม้จะช่วยในเรื่องการปนเปื้อนของสารกัมตภาพรังสีได้ดีแต่ปัญหาที่ตามมาคือ ทำให้ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำที่ใช้ขับกังหันมีกำจัด

สามารถผลิตไอน้ำได้โดยตรง จากการต้มน้ำภายในถังปฏิกรณ์ ซึ่งควบคุมความดันภายใน ที่มีความดันประมาณ 7 MPa ต่ำกว่าโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์แบบน้ำความดันสูง (PWR) ซึ่งทำให้ระบบรองรับน้ำความดันสูงและอุปกรณ์ช่วยอื่นๆ ก็ลดลง ก็แต่ก็ยังคงมีความจำเป็นที่ต้องสร้างอาคารที่สามารถป้องกันรังสีและความร้อนไว้เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าแบบ PWR

2.3 โรงไฟฟ้าแบบน้ำมวลหนักความดันสูง (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR)
โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ในระบบนี้ประเทศแคนนาดาเป็นผู้คิดค้นขึ้นดังนั้นจึงมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า “CANDU” ซึ่งย่อมาจากคำว่า CANada Deuterium Uranium โดยอาศัยหลักการทำงานเดียวกับ แบบ PWR แต่ใช้น้ำมวลหนัก “น้ำมวลหนัก” (Heavy Water, D2O) แทน “น้ำ” (H2O) มาเป็นตัวระบายความร้อน เนื่องจากน้ำมวลหนักมีการดูดกลืนนิวตรอนน้อยกว่าน้ำธรรมดา และหน่วงนิวตรอนได้ช้ากว่าน้ำธรรมดา ทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นได้ง่าย จึงสามารถใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่สกัดมาจากธรรมชาติ ซึ่งมียูเรเนียม 235 ประมาณร้อยละ 0.7 ได้ โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการปรังปรุงให้มีความเข้มข้นสูงขึ้น จุดเด่นของระบบนี้คือสามารถเปลี่ยนเชื้อเพลิงได้ในขณะที่ยังเดินเครื่องอยู่ แต่ข้อเสียของระบบคือการที่ต้องใช้ขนาดของแกนปฎิกรณ์ใหญ่กว่าแกนปฎิกรณ์ธรรมดาถึง 5-10 เท่าในกำลังการผลิตที่เท่ากัน ทั้งการดูแลรักษาค่อนข้างยากและโรงงานชนิดนี้มีผู้ผลิตคือแคนนาดาเพียงประเทศเดียวทำให้เกิดการผูกขาด

แม้เตาปฏิกรณ์รุ่นที่สองมีการยอมรับและใช้งานอย่างแพร่หลายแต่กระนั้นก็ยังมีปัญหาที่ต้องปรับบปรุงแก้ไขอีกมากมายไม่ว่าจะเป็นระบบความปลอดภัยที่ควรจะมีมากขึ้น ระยะเวลาการใช้งานที่ยาวนาน ตลอดจนไปถึงพัฒนาประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของพลังงานให้สูงขึ้น กว่าเดิม อันนำไปสู่การแก้ไขปรับปรุงในยุคที่ 3