โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดย เชาวน์ รอดทองคำ เลขาธิการสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ

1. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยเชาวน์ รอดทองคำ เลขาธิการสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ

2. ความแตกต่างระหว่างพลังงานปรมาณูกับพลังงานนิวเคลียร์ความแตกต่างระหว่างพลังงานปรมาณูกับพลังงานนิวเคลียร์ • “พลังงานนิวเคลียร์” เป็นพลังงานที่มาจากนิวเคลียส ส่วน “พลังงานปรมาณู” เป็นพลังงานที่ออกมาจากอะตอมหรือปรมาณู ซึ่งรวมถึงพลังงานนิวเคลียร์ และพลังงานที่มาจากอิเล็กตรอนโดยรอบอีกด้วย • โดยที่มาตรา 3 พ.ร.บ. พลังงานปรมาณูเพื่อสันติ พ.ศ. 2504 กล่าวว่า "พลังงานปรมาณู" หมายความว่า พลังงานไม่ว่าในลักษณะใดซึ่ง เกิดจากการปลดปล่อยออกมาในเมื่อมีการแยก รวม หรือแปลงนิวเคลียสของ ปรมาณู หรือพลังงานจากรังสีเอ็กซ์

3. ความแตกต่างระหว่างระเบิดปรมาณูกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ความแตกต่างระหว่างระเบิดปรมาณูกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ถึงแม้ว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และระเบิดปรมาณูต่างก็มีหลักการทำงานโดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเช่นเดียวกัน แต่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ไม่สามารถเกิดระเบิดได้เหมือนกับระเบิดปรมาณู เนื่องจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่เจือจางมาก คือมียูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 2-4 ดังกล่าวแล้ว ทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นได้ช้าและมีขีดจำกัด หากปล่อยให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นโดยไม่มีการควบคุม เช่น ยกแท่งควบคุมออกความร้อนที่ทยอยเกิดขึ้นจะทำให้เชื้อเพลิงยูเรเนียมแตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยและหยุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ลงก่อนที่จะกลายเป็นระเบิดปรมาณู ในขณะที่ระเบิดปรมาณูใช้ยูเรเนียมที่มีความเข้มข้นของยูเรเนียม-235 มากกว่าร้อยละ 90 โดยแยกมวลของยูเรเนียม-235 ออกเป็นส่วนๆ เพื่อป้องกันการเกิดมวลวิกฤต เมื่อต้องการให้ระเบิดทำงาน จะมีการใช้การระเบิดทางปฏิกิริยาเคมี เข้ามาผลักดันให้ยูเรเนียมรวมตัวกันและคงสภาพเดิมอยู่ช่วงเวลาหนึ่งจนกระทั่งปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นอย่างรุนแรงและต่อเนื่องได้อย่างรวดเร็ว และเกิดการระเบิดได้อย่างรุนแรงในที่สุด

4. Little Boy • Little Boy เป็นระเบิดปรมาณูลูกแรกที่ลงที่เมืองฮิโรชิมา ญี่ปุ่น ทำจาก U-235 • ประกอบด้วยปืนซึ่งยิงมวลสารหนึ่งของ U-235 ไปยังมวลสารอื่นของ U-235 ก่อให้เกิดการระเบิดของนิวตรอนและปฏิกริยาลูกโซ่ ซึ่งดำเนินต่อไปและก่อให้เกิดพลังงานปลดปล่อยออกมาอย่างมหาศาล จน Little Boy ระเบิดออก

5. Fat Man เป็นระเบิดปรมาณูลูกที่ 2 ที่ลงที่เมืองนางาซากิ ญี่ปุ่น ทำจาก Pu-239 การออกแบบเบื้องต้นใช้หลักการแบบเดียวกับระเบิดยูเรเนียม ให้อัตราการแตกตัวทันทีทันใดที่รวดเร็วกว่าการแตกตัวของ U-235 Fat Man

6. มัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

7. เชื้อเพลิงยูเรเนียม ที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยปกติจะมีความเข้มข้นของไอโซโทปยูเรเนียม-235 ประมาณร้อยละ 2 ในรูปออกไซด์ ของยูเรเนียม แล้วถูกอัดทำให้เป็นเม็ดเล็กๆ บรรจุภายในแท่งโลหะผสม ของเซอร์โคเนียม ซึ่งจะถูกนำมารวมกลุ่มกัน เป็นมัดเชื้อเพลิง ประกอบกันเป็นแกนปฏิกรณ์ บรรจุอยู่ภายในถังปฏิกรณ์ ที่ทนความดันสูง ภายในถังปฏิกรณ์ มีน้ำ ที่อยู่ภายใต้การควบคุมความกดดันบรรจุอยู่ เพื่อใช้เป็นตัวระบายความร้อน ออกจากแท่งเชื้อเพลิงโดยตรง และยังใช้ประโยชน์ เป็นตัวหน่วงความเร็วของนิวตรอนด้วย เพื่อให้นิวตรอนที่เกิดขึ้น มีความเร็วพอเหมาะ ที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันต่อไปได้ • ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ในเชื้อเพลิงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น ควบคุมได้โดยใช้แท่งควบคุม ซึ่งเป็นสารที่มีคุณสมบัติพิเศษ ในการดูดจับอนุภาคนิวตรอน เช่น โบรอนคาร์ไบด์ ทำหน้าที่ควบคุม ให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เพิ่มขึ้น หรือลดลง ตามที่ต้องการ โดยการเลื่อนแท่งควบคุมเข้าออก ภายในแกนปฏิกรณ์ตามแนวขึ้นลง เพื่อดูดจับอนุภาคนิวตรอนส่วนเกิน

8. ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชันปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน กระบวนการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันต่อเนื่อง 1.นิวตรอนเข้าชนนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ของยูเรเนียม-235 2.นิวเคลียสแตกออก และให้พลังงานจำนวนมากออกมา 3.มีนิวตรอนเกิดจากปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 4.นิวตรอนใหม่เข้าชนนิวเคลียสของอะตอมอื่นๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง

9. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แร่ยูเรเนียม เค้กเหลือง การประกอบเป็นมัดเชื้อเพลิง ผงยูเรเนียมออกไซด์ เม็ดเชื้อเพลิง

10. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ - เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ คือแร่ยูเรเนียมจากธรรมชาติ ซึ่งมีอยู่ 2ชนิดคือยูเรเนียม -238มีปริมาณ 99.3 %ในแร่ยูเรเนียมโดยน้ำหนักยูเรเนียม -235มีปริมาณ 0.7 %- ขั้นตอนการผลิตเชื้อเพลิง นิวเคลียร์พอสังเขป ได้แก่ การทำเหมืองการสกัด การแปลงสภาพ การทำให้U-235เข้มข้นแล้วอัดให้เป็นเม็ดเชื้อเพลิงรูปทรงกระบอก ขนาดประมาณ 8x10มิลลิเมตรแล้วบรรจุเรียงกัน ในท่อเซอร์คัลลอยด์ความยาว 60เซนติเมตร (แบบCANDU) หรือ 4เมตร (แบบ BWR, PWR) เป็นแท่งเชื้อเพลิงแล้วรวมกันเป็นชุด เป็นมัดเชื้อเพลิง เพื่อนำไปประกอบและทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ - ยูเรเนียม 1กรัม ให้พลังงานเทียบเท่ากับพลังงานความร้อน 1 MW.dayหรือ พลังงานไฟฟ้า 300 kW.dayหรือพลังงานที่ได้มาจากถ่านหิน2500กิโลกรัม

11. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ นอกจากU-235 แล้ว เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยังอาจเป็น - ยูเรเนียมธรรมชาติ ซึ่งประกอบด้วย U-238 99.3% U-235 0.7% ในเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบ CANDU - เชื้อเพลิง MOX (Mixed oxide fuel) ประกอบด้วย 7-9% Pu ผสมกับ depleted uranium เท่ากับUO2ที่ถูกทำให้เข้มข้นถึง 4.5% U-235 ใช้กันอย่างกว้างขวางในยุโรป ถ้าปริมาณ Pu ประมาณ 5% จะใช้ใน Light Water Reactor - เชื้อเพลิง ThO2ซึ่งเมื่อTh232ถูกยิงด้วยนิวตรอนจะสลายให้ Th233ซึ่งจะสลายให้ Protactinium-233 และ U-233 ตามลำดับ ซึ่ง U-233 จะแตกตัวให้พลังงานได้

12. การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 1.โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor : PWR)จะต้มน้ำภายในถังขนาดใหญ่ ซึ่งอัดความดันไว้เพื่อไม่ให้น้ำเดือดกลายเป็นไอ โดยจะนำน้ำส่วนนี้ไปถ่ายเทความร้อนให้แก่น้ำหล่อเย็นอีกระบบหนึ่งที่ไม่ได้ควบคุมความดัน เพื่อผลิตไอน้ำออกมา เป็นการป้องกันไม่ให้น้ำในถังซึ่งมีสารรังสีเจือปนอยู่แพร่กระจายไปยังอุปกรณ์ส่วนอื่นๆ ตลอดจนป้องกันการรั่วของสารกัมมันตรังสีสู่สิ่งแวดล้อมแต่การทำงานของโรงงานในลักษณะนี้จะทำให้เกิดความยุ่งยากในที่เดินเครื่องโรงไฟฟ้า

13. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor : PWR)

14. การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 2.โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor : BWR)สามารถผลิตไอน้ำได้โดยตรงจากการต้มน้ำภายในถัง ซึ่งไม่ได้ควบคุมความดัน โดยมีการก่อสร้างอาคารป้องกันรังสีไว้ในระบบอุปกรณ์ส่วนต่างๆ ของโรงไฟฟ้า

15. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor : BWR)

16. การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 3.โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบCANDUมีการทำงานคล้ายกับแบบPWRแตกต่างกันที่การต้มน้ำภายในถังได้เปลี่ยนไปใช้การต้มน้ำภายในท่อขนาดเล็กจำนวนมาก เนื่องจากสามารถผลิตได้ง่ายกว่าผลิตในถังขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังมีการนำเอาน้ำชนิดที่เรียกว่าน้ำมวลหนักมาใช้บางส่วน เพื่อให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นง่ายจึงสามารถใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่สกัดมาจากธรรมชาติได้โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการปรับปรุงให้มีความเข้มสูงขึ้น

17. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบCANDUโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบCANDU

18. การเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วการเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว • เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วไม่ถือว่าเป็นกากอย่างแท้จริงเพราะยังมีวัสดุมีค่าผสมอยู่ภายในเม็ดเชื้อเพลิงได้แก่ยูเรเนียม-235ประมาณ ร้อยละ 1 ยูเรเนียม-238ประมาณ ร้อยละ93 พลูโตเนียม-239ประมาณ ร้อยละ 0.5และผลิตผลจากการเกิดปฏิกิริยาแตกตัวประมาณร้อยละ 5.5ซึ่งเป็นไอโซโทปของธาตุต่างๆ กว่า 200ชนิด • การจัดการเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วซึ่งปกติจะอยู่ในรูปของมัดเชื้อเพลิงและถูกบรรจุในช่องเก็บ(Rack)ซึ่งแช่อยู่ในบ่อน้ำที่มีขนาดประมาณ(ก.xย.xส.)=10x15x12เมตร ภายในโรงไฟฟ้าซึ่งสามารถเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วได้ตลอดอายุการใช้งานของโรงไฟฟ้าคือประมาณ30-40ปี (ถ้ายังไม่มีนโยบายจัดการด้วยวิธีอื่น)

19. การเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วการเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว

20. การเก็บกากกัมมันตรังสีการเก็บกากกัมมันตรังสี กากกัมมันตรังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบ่งตามระรับความแรงของรังสีได้ดังนี้ • กากกัมมันตรังสีระดับต่ำ ได้แก่ วัสดุปนเปื้อนรังสีเช่น ชุดปฏิบัติงาน อุปกรณ์ เครื่องมือ รวมทั้งน้ำที่ใช้ชำระล้างอุปกรณ์ ภายในโรงไฟฟ้า • กากกัมมันตรังสีระดับกลาง ได้แก่อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับสารรังสีโดยตรง เช่น ไส้กรองสารกัมมันตรังสี ท่อหุ้มเม็ดเชื้อเพลิง • กากกัมมันตรังสีระดับสูง ได้แก่ สารกัมมันตรังสีที่เกิดใหม่รวมทั้งพลูโตเนียม ภายในแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว ยูเรเนียมที่ยังเหลืออยู่บางส่วน และกากที่เกิดจากการสกัดเชื้อเพลิงมาใช้ใหม่

21. การเก็บกากกัมมันตรังสีการเก็บกากกัมมันตรังสี • กากกัมมันตรังสีระดับต่ำและระดับกลาง จะถูกนำมาผ่านกระบวนการขจัดกากและลดปริมาณลง แล้วบรรจุถังขนาด 200ลิตร บุด้วยวัสดุกันรังสี แล้วนำไปเก็บในสถานที่เก็บกากบนพื้นดิน หรือฝังในระดับความลึก ประมาณ 5-10เมตร

22. การเก็บกากกัมมันตรังสีการเก็บกากกัมมันตรังสี • กากกัมมันตรังสีระดับสูง จะถูกอบให้แห้ง แล้วนำไปหลอมให้เป็นเนื้อเดียวกัน กับแก้วชนิด พิเศษ(บอโรซิลิเคท) ที่ความร้อนสูงแล้วบรรจุลง ถังและนำไปจัดเก็บในสถานที่ที่เหมาะสม ซึ่งถือ ว่ามีความปลอดภัยที่สุดในปัจจุปันคือการฝังลงในชั้นหินแข็งที่มีความลึกจากระดับผิวดินลงไปมากกว่า 500 เมตรโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาด 1,000 เมกะวัตต์จะมีกากกัมมันตรังสีสูงประมาณ 10 ถังต่อปี(ขนาดถัง 200 ลิตร)

23. การปล่อยก๊าซเรือนกระจกการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

24. การปล่อยก๊าซเรือนกระจกการปล่อยก๊าซเรือนกระจก จะเห็นว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ปล่อยก๊าซCO2น้อยที่สุด เปรียบเทียบกับการใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ ไม่มีการปล่อยก๊าซCO2 จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง แต่เป็นการปล่อยทางอ้อมจาก life cycle ซึ่งก็คือ การปล่อยก๊าซCO2ที่เกิดขึ้นจากการสร้างโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ การทำเหมืองและการแปรสภาพให้เป็นเชื้อเพลิง การทำงานประจำวันของโรงงาน การกำจัดเชื้อเพลิงใช้แล้วและกากอื่นๆ ที่เป็นผลพลอยได้ และการปลดโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ออกจากการใช้งาน

25. การเปรียบเทียบกับพลังงานทดแทนการเปรียบเทียบกับพลังงานทดแทน • นอกจากพลังงานนิวเคลียร์แล้ว พลังงานทดแทนเช่นพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม ต่างช่วยกันลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เหมือนกัน • อย่างไรก็ตาม โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ขนาด 1 ล้าน kW(300 billion yen) 1 โรง ผลิตไฟฟ้าได้เทียบเท่า • พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้เนื้อที่เท่ากับเกาะแมนฮัตตัน (ประมาณ 67 km2) (6-7 trillion yen) • พลังงานลมที่ใช้เนื้อที่เท่ากับ 3.5 เท่าของเกาะแมนฮัตตัน (ประมาณ 246 km2) (1 trillion yen)

26. เอกสารอ้างอิง • http://www.kodmhai.com/m4/m4-11/h12/M1-24.html • http://www.nst.or.th/article/article0111.htm • http://www.oaep.go.th/nstkc/content/view/39/29/1/3/ • http://www.atomicarhieve.com/Photos/LBFM/image1.shtml • http://www.atomicarhieve.com/Photos/LBFM/image2.shtml • http://www.nst.or.th/article/notes01/article010.htm • http://www.rmutphysics.com/CHARUD/naturemystery/sci2/nuclear-simulate/nuclear3.htm • http://www.nst.or.th/article/article491/article49071.html • http://www.nst.or.th/powerplant/pp03.htm • http://www.uic.com.au/nip42.htm • http://www.uic.com.au/nip67.htm

27. เอกสารอ้างอิง 12. http://www.rmutphysics.com/CHARUD/naturemystery/sci2/nuclear-simulate/nuclear4.htm • http://www.uic.com.au/nip100.htm • http://neinuclearnotes.blogspot.com/2005/07/nuclear-energy-and-total-life-cycle.htm • Nuclear Power Generation in Japan, Agency for Natural Resources and Energy (ANRE), Ministry of Economy, Trade and Industry (METI), June 2007.