เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียม อนาคตของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ปลอดภัยและยั่งยืนกว่า!!!
ผู้คนทั่วโลกต่างเชื่อว่าเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในยุคปัจจุบันทีมีระบบป้องกันที่ซับซ้อนคงไม่สามารถเกิดเหตุการณ์ร้ายแรงแบบเชอร์โนบิลอีก แต่แล้วผู้คนก็ต้องเปลี่ยนความคิดเมื่อเกิดเหตุระเบิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะของญี่ปุ่นในวันที่ 11 มีนาคม 2554 นำไปสู่ความกังวลอย่างมากถึงเทคโนโลยีนิวเคลียร์ในปัจจุบันในประชาคมทั่วโลก เพราะปัจจุบันมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ยังเดินเครื่องอยู่ถึง 391โรงซึ่งมีอายุการใช้งานจนถึงสิ้นศตวรรษนี้ และดูเหมือนเรายังคงต้องพึงพามันต่อไปอีกระยะหนึ่งด้วย
แสดงแผนภาพจำนวนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และแผนการก่อสร้างเพิ่มเติมทั่วทั้งโลกในอนาคต Cr. https://www.visualcapitalist.com/the-nuclear-conundrum-aging-reactors/
แม้จะมีจากความกังวลเรื่องอุบัติเหตุจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่เราก็ไม่อาจปฏิเสธได้ว่าในยุคที่เชื้อเพลิงจากฟอสซิลที่ก่อมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม อาจจะไม่ไช่คำตอบที่ยั่งยืนในการเป็นแหล่งพลังงานในอนาคต แต่ความต้องการบริโภคพลังงานไฟฟ้าราคาถูกที่มากขึ้น และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมกลับเพิ่มขึ้นตลอดเวลา เราคงปฏิเสธไม่ได้ว่า "พลังงานนิวเคลียร์" ยังเป็นคำตอบที่ตอบโจทย์ที่สุดในขณะนี้ ขณะที่เทคโนโลยีฟิวชั่นหรือพลังงานทดแทนอื่นๆก็ยังไม่คุ้มทุนที่จะตอบโจทย์นี้
คำถามคือมีเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบไหนที่ดีพอจะตอบสนองความกะหายพลังงานในอนาคต ขณะเดียวกันก็มีความปลอดภัยและควบคุมได้ง่ายหากเกิดอุบัติเหตุ คำถามเหล่านี้อาจมีคำตอบนานแล้วและมันถูกล่ะทิ้งไปในช่วงประวัติศาสตร์ ใช่แล้วตำตอบคือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียม เจ้าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียมแตกต่างโดยสิ้นเชิงกับเครื่องปฏิกรณ์แบบเดิมที่ใช้ยูเรเนียม (U-235) เป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากมันควบคุมได้ง่ายกว่า อีกทั้งปริมาณแร่ทอเรียมสำรองก็มีมากกว่าแร่ยูแร่เนียมถึง 3 เท่า [1] แท้จริงแล้วการใช้เชื้อเพลิงทอเรียมมีข้อได้เปรียบมากกว่าการใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมหลายประการกล่าวคือ
เปรียบเทียบระหว่างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียม กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ยูเรเนียม Cr. "Liquid Fluoride Thorium Reactors by Robert Hargraves and Ralph Moir"
(1) ความปลอดภัยและราคาถูก ทั่วโลกมีปริมาณแร่ทอเรียมสะสมกว่า 3.3 ล้านตันโดยประมาณ [2] ซึ่งมากกว่าแร่ยูเรเนียมถึงสามเท่า นั่นคือเราจะมีแหล่งแร่สำรองมากพอที่จะใช้ได้อีกหลายร้อยปี โดยปกติจะพบแร่ทอเรียมในรูปทอเรียมไดออกไซด์ (Thorium dioxide, ThO2) หรือเรียกว่า ทอเรีย (thoria) ซึ่งเป็นออกไซด์ที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดถึง 3300 °C การขุดแร่ทอเรียมยังเป็นผลพลอยได้จากการขุดแร่กลุ่มธาตุหายากอื่นๆจึงผลิตได้ง่าย แถมมีราคาถูกว่ายูเรเนียมมากคือที่ราคาประมาณ 80 USD/kg เท่านั้น ตัวมันเองไม่สามารถนำไปผลิตอาวุธนิวเคลียร์ใดๆได้ รวมทั้งจะไม่เกิดการหลอมเหลวในแกนปฏิกรณ์ง่ายๆ เนื่องจากจุดหลอมเหลวที่สูงมากนั่นเอง
(2) สร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ง่ายและมีประสิทธิภาพที่สูงกว่าเตาปฏิกรณ์ที่มีเชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียม หากเทียบขนาดโรงไฟฟ้าที่ผลิตขนาดเท่ากันแล้ว ทอเรียม 1 ตันสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้เทียบเท่าการใช้ยูเรเนียมถึง 250 ตัน นั่นคือมันมีประสิทธิภาพมากกว่าถึง 200-300% ด้วยขนาดที่เล็กทำให้สร้างโรงไฟฟ้าได้เร็วกว่าด้วย นอกจากนี้กากนิวเคลียส์ที่เหลือจากเตาปฏิกรณ์ทอเรียมยังมีครึ่งอายุการแผ่กัมมันภาพรังสีที่ต่ำแค่ไม่กี่ร้อยปี ทำให้การกักเก็บกากนิวเคลียร์ปลอดภัยกว่าของยูเรเนียมมาก
ปริมาณแร่ทอเรียมสำรองทั่วโลกที่ประมาณ 3.3 ล้านตันซึ่งมากกว่าแหล่งแร่ยูเรเนียมถึง 3 เท่าทำให้มันเป็นแหล่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่น่าสนใจสำหรับอนาคต Cr. "Liquid Fluoride Thorium Reactors by Robert Hargraves and Ralph Moir"
กากกัมมันตภาพรังสีที่ได้จากเตาปฏิกรณ์ทอเรียมซึ่งใช้เชื้อเพลิงผสมแบบ Th-U จะมึครึงอายุการแผ่รังสีที่น้อยกว่าเชื้อเพลิงแบบ U-Pu ปกติมาก แค่อายุไม่กี่ร้อยปีก็หยุดแผ่กัมมันภาพรังสีที่เป็นอันตราย จึงมีความปลอดภัยในการกักเก็บมากกว่า
อย่างไรก็ตามสาเหตุที่ทำให้เตาปฏิกรณ์ทอเรียมไม่ได้รับการพัฒนาในเชิงพานิชย์มากพอ เนื่องมาจากหลายสาเหตุกล่าวคือ ประการแรกการผลิตแท่งเชื้อเพลิงทอเรียมมีต้นทุนที่สูงมากเพราะทอเรียมไดออกไซด์มีจุดหลอมเหลวสูง อีกทั้งการให้ความร้อนตอนแปรรูปยังเร่งให้มันปลดปล่อยรังสีแกมม่าที่เป็นอันตรายจึงต้องลงทุนป้องกันสูงจนอาจไม่คุ้มทุนในการแปรรูป ประการที่สองคือต้นทุนในการออกแบบเทคโนโลยีที่ยังสูงมากและต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านในการออกแบบ ทำให้หลายประเทศเลิกสนใจโครงการพัฒนานี้ ถึงอย่างไรก็ตามจากความได้เปรียบในเรื่องความปลอดภัยของเตาปฏิกรณ์ทอเรียม ทำให้มีนักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มสามารถพัฒนาเทคโนโลยีที่ใช้ได้จริงแล้ว ซึ่งรูปแบบเตาปฏิกรณ์สองแบบที่นิยมและมีความก้าวหน้ามากที่สุดคือ [1] เตาปฏิกรณ์ทอเรียมแบบ liquid fluoride thorium reactor (LFTR) และ [2] เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียมแบบถังกรวดโมดูล (Pebble Bed Modular Reactor หรือ PBMR)
หลักการทำงานของเตาปฏิกรณ์ทอเรียมแบบถังกรวดโมดูล (Pebble Bed Modular Reactor หรือ PBMR)
[1] เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทอเรียมแบบถังกรวดโมดูล (Pebble Bed Modular Reactor หรือ PBMR) เตาปฏิกรณ์แบบนี้แท้จริงมีแนวคิดในการพัฒนามาตั้งแต่ทศวรรษที่ 1950 แล้วแต่ขาดเทคโนโลยีที่เพียงพอ หลักการทำงานของมันอาจจะแปลกๆกว่าเตาแบบอื่นเนื่องจากเชื้อเพลิงไม่ได้มีลักษณะเป็นแท่ง แต่กลับมีลักษณะเป็นก้อนกลมขนาดประมาณ 6 cm ที่ถูกบรรจุอยู่ในแกนปฏิกรณ์รูปถัง โดยภายในก้อนกลมนี้ประกอบด้วยเม็ดเชื้อเพลิงขนาดเล็กจำนวนมากเรียกว่า Tristructural-isotropic หรือ TRISO ซึ่งเกิดจากธาตุยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโตเนียมที่ถูกห่อหุ้มด้วยชั้นคาร์บอนคาร์ไบ และเม็ดเชื้อเพลิงทั้งหมดที่อยู่ภายในก้อนเชื้อเพลิงจะถูกหุ้มด้วยสารหน่วงนิวตรอนที่ทำจาก Pyrolytic Graphite อีกทีหนึ่ง เมื่อเริ่มปฏิกิริยานิวเคลียร์ก้อนเชื้อเพลิงจะปลดปล่อยความร้อนและนิวตรอนออกมาซึ่งถูกระบายความร้อนด้วยแก๊สเฉื่อยที่ดูดนิวตรอนได้เช่น ฮีเลียม ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ แล้วจะถูกพัดไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำเพื่อหมุนกังหันเทอร์ไบน์ผลิตไฟฟ้าอีกทีหนึ่ง จะสังเกตว่าเตาปฏิกรณ์แบบนี้มีโอกาสที่เชื้อเพลิงจะหลอมเหลวน้อยมากเพราะแก๊สเฉื่อยมีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนพลังงาน (Transfer Efficiency) ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 40-50% สูงกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบเดิมที่มีค่าราว 33% มันจึงมีประสิทธิภาพสูงมาก อีกทั้งยังเปลี่ยนก้อนเชื้อเพลิงได้ง่ายโดยไม่ต้องปิดเครื่องเพียงแค่ ถ่ายก้อนกรวดเชื้อเพลิงออกจากแกนได้โดยตรง ในราวกลางปี ค.ศ.2018 ทาง Office of Nuclear Energy ของสหรัฐได้รายงานว่าบริษัท X-energy กำลังพัฒนา PBMR ขั้นสูงที่มีชื่อว่า Xe-100 ที่มีกำลังขนาด 76 เมกะวัตต์ ซึ่งคาดว่าจะสามารถใช้งานในเชิงพานิชย์ได้ราว ค.ศ.2020
หลักการทำงานของเตาปฏิกรณ์ทอเรียมแบบ liquid fluoride thorium reactor (LFTR)
[2] เตาปฏิกรณ์ทอเรียมแบบ liquid fluoride thorium reactor (LFTR) เตาปฏิกรณ์แบบนี้เพิ่งได้รับการพัฒนาในช่วงไม่กี่สิบปีมานี้เอง ความพิเศษของเตาปฏิกรณ์แบบนี้คือเชื้อเพลิงมีสถานะเป็นของเหลวโดยเกิดจากการรวมกันของเกลือทอเรียมและยูเรเนียมฟลูออไรด์ (U-233 / U-235) ซึ่งมันมีจุดหลอมเหลวอยู่ในช่วง 400-700 °C โดยเกลือหลอมเหลวนี้จะถูกควบคุมให้เกิดปฏิกิริยาโดยแท่งควบคุมปริมาณนิวตรอน (Control rod) เมื่อเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เกลือเหลวเหล่านี้จะถูกปั๊มเพื่อไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับโลหะเหลวอีกทีหนึ่ง ซึ่งจะถ่ายโอนความร้อนต่อให้กับน้ำในท้ายที่สุดเพื่อนำไปปั่นกังหันเทอร์ไบน์ผลิตกระแสไฟฟ้า เตาปฏิกรณ์แบบนี้มีระบบนิรภัยในตัวมันที่ค่อนข้างปลอดภัยเนื่องจากเมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์หยุดลงจะไม่เกิดความร้อน เกลือทอเรียมและยูเรเนียมฟลูออไรด์จะหยุดหลอมเหลวแล้วแข็งตัวไปเองจนกว่าจะเริ่มเดินเครื่องใหม่ จึงไม่ต้องกังวลเรื่องความปลอดภัยจากแกนปฏิกรณืร้อนเกินควบคุม ปัจจุบันเตาปฏิกรณ์ LFTR กำลังได้รับการพัฒนาอย่างก้าวหน้าจากทั่วโลกเพราะข้อดีเหล่านี้นี้เอง
แน่นอนว่าความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจากการออกแบบเตาปฏิกรณ์ทอเรียมดังที่ได้กล่าวข้างต้น นอกจากจะเพื่อเพิ่มความปลอดภัยจากอุบัติเหตุนิวเคลียร์แล้ว เทคโนโลยีนี้ยังช่วยสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นในอนาคตได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้มันยังช่วยรักษาสภาพแวดล้อมได้อีกทางโดยลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่เป็นอันตรายนั่นเอง
อ้างอิง
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
