Nuclear Update อนาคตพลังงานนิวเคลียร์ในโลกที่ร้อนขึ้นทุกวัน
จากบทความล่าสุดที่พูดถึงการเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนของจีน ซึ่งจริง ๆ แล้วยังมีอีกหนึ่งแหล่งพลังงานสะอาดที่กำลังถูกมองข้ามแต่ก็ไม่ได้หยุดพัฒนานั่นก็คือพลังงานนิวเคลียร์ แต่ไม่ใช่นิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างที่หลายคนรอคอยหากเป็นพลังงานนิวเคลียร์ฟิชชั่นหรือแบบแตกตัวที่มีใช้กันมานานแล้วนั่นเอง
ย้อนไปช่วงปี 2000 ที่ปัญหาโลกร้อนเริ่มกระทบการรับรู้ของคนหมู่มาก พลังงานนิวเคลียร์กำลังถูกพิจารณาเป็นทางเลือกหนึ่งในการสู้โลกร้อน เพราะแท้จริงแล้วมันคือพลังงานสะอาดที่ไร้การปล่อยก๊าซเรือนกระจกและมลพิษ(แม้จะถูกโจมตีถึงการจัดการกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และความเสี่ยงของอุบัติการณ์ด้านรังสี)
แต่โชคก็ไม่เข้าข้างเพราะสึนามิที่ถาโถมเข้าถล่มโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะที่ญี่ปุ่นซึ่งไม่เพียงแต่สร้างความเสียหายอย่างหนักให้กับญี่ปุ่น แต่มันก็ได้ซัดให้กระแสของการใช้พลังงานนิวเคลียร์มาสู้โลกร้อนหายไปเกลียวคลื่นด้วย
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะไดอิจิ ก่อนที่จะโดนสึนามิถล่ม
แต่แม้จะถูกกดดันด้วยประเด็นข้อกังวลเรื่องความปลอดภัยและคำถามถึงการรับมือกับเหตุสุดวิสัยที่เกินกว่ามนุษย์จะรับมือได้รวมถึงการก่อวินาศกรรม แต่นั่นก็ไม่ได้ทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิชชั่นนั้นหยุดลง
ได้มีความร่วมมือระหว่างประเทศของกลุ่มประเทศผู้ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการพัฒนาโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุคใหม่ มีการจัดประชุม Generation IV International Form ซึ่งเป็นการประชุมสัมมนาวิชาการเพื่อคัดเลือกการออกแบบโรงไฟฟ้านิวเคลียร์รูปแบบใหม่ที่จะสามารถตอบโจทย์และแก้ความกังวลให้กับสังคมได้
ในปี 2001 ผู้เชี่ยวชาญด้านนิวเคลียร์กว่าร้อยชีวิตซึ่งประกอบด้วยสมาชิกจาก 13 ชาติและกลุ่มประเทศสหภาพยุโรป, IAEA และ OECD Nuclear Energy Agency ได้พิจารณาข้อเสนอการออกแบบเตาปฏิกรณ์รุ่นใหม่เพื่อใช้เป็นตัวเลือกของ Generation IV และในปี 2002 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 6 รูปแบบได้ถูกเลือกให้เป็นอนาคตของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุคใหม่ที่จะพัฒนาต่อไปเป็นรุ่นที่ 4
Time line ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นต่าง ๆ จากอดีตมาจนถึงปัจจุบันและแผนในอนาคต
ซึ่งโครงการนี้ถูกวาง Road map ในการพัฒนาโครงการก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นใหม่นี้ตั้งแต่ปี 2030 โดยแบ่งช่วงพัฒนาเป็น 3 ช่วงคือศึกษาความเป็นไปได้ ทดสอบประสิทธิภาพและพัฒนาเป็นโรงไฟฟ้าต้นแบบ
จุดประสงค์ของโครงการก็คือพัฒนาโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิชชั่นที่ปลอดภัยแบบที่ไม่ต้องพึ่งพาระบบหล่อเย็นฉุกเฉิน ไม่ต้องกลัวแกนเตาหลอม, ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีขึ้น, กากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่จะต้องบริหารจัดการได้ง่ายขึ้น, ต้นทุนต้องแข่งขันได้ด้วยตัวมันเอง รวมถึงยังต้องสามารถตอบสนองต่อความต้องการใช้ไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว(เพิ่ม/ลดโหลดได้อย่างรวดเร็ว) เพื่อเสริมเสถียรภาพให้กับระบบไฟฟ้าจากการมาของเทรนพลังงานหมุนเวียน
ซึ่งเตาปฏิกรณ์ทั้ง 6 รูปแบบที่จะได้ไปต่อเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุคที่ 4 ได้แก่
1.) sodium-cooled fast reactor(SFR) ซึ่งใช้นิวตรอนย่านพลังงานสูงเป็นตัวทำปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่ เชื้อเพลิงที่ใช้เป็นออกไซด์ของยูเรเนียมและพลูโทเนียมใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงเป็นแบบปิด มีโซเดียมเหลวเป็นตัวระบายความร้อน
แผนผังหลักการทำงานของเตา SFR
จุดแข็งคือการใช้โลหะโซเดียมเหลวเป็นสารหล่อเย็นนั้นมีความจุความร้อนสูงทำให้ขนาดเตาเล็กลงและสามารถรับความร้อนได้เยอะมีจุดเดือดที่สูงมาก รวมถึงเป็นระบบปิดที่ไร้ออกซิเจนลดการผุกร่อนของวัสดุ แต่ความท้าทายก็คือระบบต้องปิดซีลอย่างแน่นหนาเพราะโซเดียมนั้นทำปฏิกิริยากับอากาศอย่างรุนแรง
2.) very high temperature reactor(VHTR) เป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ใช้นิวตรอนย่านพลังงานต่ำและใช้กราไฟต์เป็นสารหน่วงนิวตรอน ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมเสริมสมรรถนะและวัฏจักรเชื้อเพลิงเป็นแบบเปิดมีฮีเลียมเป็นสารระบายความร้อน
VHTR นอกจากใช้ผลิตไฟฟ้าแล้วยังใช้ผลิตไฮโดรเจนตอนที่ความต้องการใช้ไฟฟ้าน้อยได้ด้วย
VHTR ถูกออกแบบให้ระบบทำงานด้วยวัฏจักรความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อใช้เป็นแหล่งความร้อนให้กับการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน มีความปลอดภัยสูงด้วยการใช้เชื้อเพลิง TRISO(เดี๋ยวจะกล่าวถึงต่อไปด้านล่าง)
3.) molten salt reactor(MSR) ใช้นิวตรอนย่านพลังงานปานกลางในการทำปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่ มีกราไฟต์เป็นสารหน่วงนิวตรอนเชื้อเพลิงและผลิตผลจากปฏิกิริยาฟิชชัน(Fission product) ละลายอยู่ในสารละลายเกลือฟลูออไรด์ซึ่งเป็นสารระบายความร้อน
แผนผังหลักการทำงานของเตา MFR
เตาแบบ MSR ยังแบ่งย่อยได้เป็นอีก 2 ประเภทคือ
- แบบผสมเชื้อเพลิงในสารละลายเกลือฟลูออไรด์ที่วนอยู่ในเตา เริ่มมีการพัฒนามาตั้งแต่ปี 1950
- แบบใช้เกลือเหลวเป็นสารหล่อเย็น หลักการก็เหมือนกับเตา VHTR แต่เปลี่ยนสารหล่อเย็นเป็นเกลือเหลว
4.) gas-cooled fast reactor(GFR) ใช้นิวตรอนย่านพลังงานสูงในการทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่นและปฏิกิริยาลูกโซ่ ระบบระบายความร้อนของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ GFR นี้เป็นระบบปิดโดยระบบปฐมภูมิใช้ก๊าซฮีเลียมเป็นตัวระบายความร้อนส่วนระบบทุติยภูมิใช้ Supercritrical CO2(ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะยิ่งยวด) เชื้อเพลิงเป็นส่วนผสมของ UPuC/SiC และวัฏจักรเชื้อเพลิงเป็นแบบปิด
แผนผังหลักการทำงานของเตา GFR
เตา GFR นี้จะมีหลักการคล้ายกับเตา VHTR แต่มีวัฏจักรความร้อน 2 ชุด และออกแบบให้สามารถเดินเครื่องด้วยเชื้อเพลิงชุดเดียวตลอดอายุการใช้งาน(self-sustaining cycle)
5.) lead-cooled fast reactor(LFR) ใช้นิวตรอนในย่านพลังงานสูงและใช้วัฏจักรของเชื้อเพลิงเป็นแบบปิดเช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าแบบ GFR จะต่างกันตรงที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ LFR ใช้สารละลายตะกั่วเป็นตัวระบายความร้อน ซึ่งมีคุณสมบัติในการดูดกลืนและหน่วงนิวตรอนต่ำไม่เกิดปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำและอากาศมีจุดเดือดที่ 1,700 องศาเซสเซียส
ดังนั้นในการทำงานจึงไม่จำเป็นต้องใช้ถังปฏิกรณ์เพื่อควบคุมความดันสูง ไอน้ำที่ผลิตได้สามารถวิ่งเข้าสู่กังหันไอน้ำได้โดยตรงซึ่งเป็นการลดการสูญเสียความร้อน จากการถ่ายเทระหว่างระบบระบายความร้อนทั้งสองระบบ และระบบระบายความร้อนแกนปฏิกรณ์ใช้แบบการไหลเวียนด้วยแรงโน้มถ่วงตามธรรมชาติ (Natural Circulation)
เตา LFR แทบไม่ต้องมีอุปกรณ์ช่วยการไหลเวียนในระบบทั้งการหล่อเย็นแกน และในวัฏจักรไอน้ำ
6.) supercritical water-cooled reactor(SCWR) เตา SCWR ได้ออกแบบการใช้นิวตรอนในการทำปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่เป็น 2 แบบ คือนิวตรอนย่านพลังงานสูงและย่านพลังงานต่ำ การทำงานของโรงไฟฟ้าแบบ SCWR มีลักษณะคล้ายคลึงกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ BWR โดยใช้ยูเรเนียมออกไซด์เป็นเชื้อเพลิง
สารหล่อเย็นใช้น้ำเป็นตัวระบายความร้อนภายในแกนปฏิกรณ์โดยออกแบบให้ทำงานในสภาวะ Supercritical จึงทำให้น้ำไม่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะในเครื่องปฏิกรณ์ จัดว่าเป็นเตาที่มีความคล้ายกับเตาในยุคก่อนหน้ามากที่สุดใน 6 แบบ
เตา SCWR ต่างจากยุคก่อนคือใช้น้ำในสภาวะ Supercritical หล่อเย็นแกน
จาก 6 ประเภทที่กล่าวมา เตาชนิด VHTR, GFR, LFR และ MSR นั้นมีศักยภาพในการนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับการผลิตไฮโดรเจนได้ด้วย เพราะอุณหภูมิในวัฏจักรความร้อนที่สูง
โดยสรุปจุดแตกต่างหลักของเตายุค 4 กับยุคก่อน ๆ ก็คือ
1.) สารหล่อเย็น ในยุคก่อนมักจะใช้น้ำ water-based designs แต่เตายุคใหม่มีทั้งเกลือเหลว โลหะโซเดียม, ตะกั่ว หรือก๊าซฮีเลียม (ยกเว้น SCWR)
2.) เชื้อเพลิง ซึ่งมีทั้งแบบ TRISO(tri-structural isotropic particle fuel) และ HALEU: high-assay low-enriched uranium ที่มียูเรเนียม 235 อยู่ 5-20% (เม็ดเชื้อเพลิงในเตายุคก่อนจะมี U-235 ไม่เกิน 5%)
TRISO เป็นเม็ดเชื้อเพลิงที่ใช้ได้กับเตาปฏิกรณ์หลายชนิด
เชื้อเพลิง TRISO นั้นจะประกอบด้วยเม็ดเชื้อเพลิงเคลือบหุ้ม 4 ชั้นโดยมีชั้นกราไฟต์เป็นชั้นหน่วงนิวตรอนมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1 มม. เป็นไส้อยู่ในเม็ดเชื้อเพลิงเคลือบเซรามิคหนา 5 มม. ซึ่งเป็นชั้นเคลือบด้วยวัสดุที่ไม่ได้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งจะหุ้มตัวเชื้อเพลิงเอาไว้ได้แม้อยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงจัดอย่างเช่นเวลาที่ระบบหล่อเย็นแกนเตาไม่ทำงาน
ด้วยความแตกต่างหลัก ๆ ที่ว่ามานี้ ก็จะทำให้เตายุค 4 นี้ได้มาซึ่งการปรับปรุงเรื่องความปลอดภัยของเตาปฏิกรณ์ในระดับ Fail Safe แม้ระบบหล่อเย็นจะไม่ทำงานตัวแกนเตาก็จะลดปฏิกิริยาลูกโซ่ลงเองได้ ประสิทธิภาพในการใช้เชื้อเพลิงที่ดีขึ้น รวมถึงเตาบางประเภทยังสามารถ Recycle เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วหรือนำเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วจากเตายุคก่อนมาใช้งานซ้ำได้
รวมถึงขนาดเตาที่สามารถออกแบบให้มีขนาดเล็กลงได้เนื่องจากความเข้มข้นของเชื้อเพลิง ซึ่งทำให้เตายุคที่ 4 บางชนิดสามารถทำเป็นแบบ SMR(Small Modular Reactor) ได้ด้วย ซึ่งโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ SMR นี้ก็กำลังอยู่ระหว่างพัฒนาโครงการอยู่หลายที่ทั่วโลกจัดเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุค 3+
** การอยู่ร่วมกับพลังงานหมุนเวียน **
อย่างที่อธิบายมาข้างต้นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุคที่ 4 นี้ถูกคิดเอาไว้ใช้เป็นแหล่งพลังงานควบคู่ไปกับพลังงานหมุนเวียนโดยเฉพาะกับระบบนิเวศน์ของไฮโดรเจน ซึ่งตอนกลางวันสามารถใช้ผลิตไฮโดรเจนเพื่อเป็นเชื้อเพลิงสะอาดใช้ในภาคขนส่งหรือความต้องการใช้งานอื่น ๆ ส่วนตอนกลางคืนก็ใช้ผลิตไฟฟ้าเสริมระบบหลังจากพลังงานแสงอาทิตย์หายไป ช่วยลดความจุของระบบกับเก็บพลังงานในระบบไฟฟ้า
อย่างเพิ่งตัดนิวเคลียร์ออกไป เรานั้นพวกเดียวกันจ้า
ดังนั้นแล้วพลังงานนิวเคลียร์จึงจัดว่าเป็นแหล่งพลังงานที่เหมาะเอามาใช้ร่วมกับพลังงานหมุนเวียน เพื่อสร้างความหลากหลายด้านแหล่งพลังงานและสร้างเสถียรภาพให้กับระบบไฟฟ้า
เทคโนโลยีนิวเคลียร์อีกหนึ่งศักยภาพที่กำลังถูกมองข้าม หากเราเข้าใจมันให้ดีนิวเคลียร์นี่แหละจะมาเป็นพระเอกพาเราสู่การปลดแอกเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างสมบูรณ์
เดี๋ยวตอนหน้าจะมาอัพเดทความก้าวหน้าการพัฒนาโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยุคที่ 4 ที่ว่ามีที่ไหนกันบ้างและพัฒนากันไปถึงไหนแล้ว
อ้างอิง:
- 11
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
