การเดินเครื่องโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์นั้น มีกำลังการผลิตสูง สามารถจ่ายไฟฟ้าให้ได้ถึง 1 ล้านครัวเรือน แต่ในขณะเดียวกับก็ก่อให้เกิดกากกัมมันตรังสีขึ้นมาด้วย ไม่ว่าจะมาจากการดำเนินงานโดยทั่วไป การซ่อมบำรุง หรือจากปฏิกิริยาฟิชชั่นในแท่งเชื้อเพลิง เราจึงจำเป็นต้องมีการจัดการกากกัมมันตรังสีเพื่อไม่ให้กากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นเป็นอันตรายต่อผู้คนและสิ่งแวดล้อม ทั้งในปัจจุบันและในอนาคต

          พิจารณาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาด 1000 เมกะวัตต์ (ไฟฟ้า) กากกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นจากการดำเนินงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์จำแนกตามระดับความแรงของรังสี คือ

          กากกัมมันตรังสีระดับต่ำ ได้แก่ ชุดปฏิบัติงานของพนักงาน ผ้า กระดาษ แผ่นกรอง หรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ปนเปื้อนสารกัมมันตรังสีในระดับต่ำ กากกัมมันตรังสีระดับต่ำจะมีปริมาตรร้อยละ 90 ของกากกัมมันตรังสีทั้งหมด

          กากกัมมันตรังสีระดับกลาง ได้แก่ เรซินสำหรับกรองน้ำในระบบระบายความร้อน ปลอกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ กากกัมมันตรังสีระดับกลางจะมีปริมาตรร้อยละ 7 ของกากกัมมันตรังสีทั้งหมด

          ในแต่ละปีจะมีกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและกลางเกิดขึ้นประมาณ 200-600 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและปานกลาง สามารถสลายตัวหมดสภาพลงเอง และมีการใช้ขบวนการบีบอัดกำลังสูงอัดให้มีปริมาตรลดลงและจัดเก็บไว้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

          กากกัมมันตรังสีระดับสูง ได้แก่ แท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว กากกัมมันตรังสีที่เกิดจากการนำเชื้อเพลิงใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่ กากกัมมันตรังสีระดับสูงจะมีปริมาตรร้อยละ 3 ของกากกัมมันตรังสีทั้งหมด โดยในโรงไฟฟ้าขนาด 1000 เมกะวัตต์ (ไฟฟ้า) ในหนึ่งปีจะมีเชื้อเพลิงใช้แล้วเกิดขึ้น 27-30 ตัน ซึ่งมีระดับรังสีสูงมากและมีอายุยาวนาน ในแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้วจะมีส่วนประกอบของธาตุต่างๆ ดังนี้

U-238                                                                                                                              95%

U-235                                                                                                                                1%

Pu-239                                                                                                                              1%

Fission Products
(เรดิโอนิวไคลด์ ซึ่งเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยาทางนิวเคลียร์จากการแบ่งแยกนิวเคลียส)    3%

Actinide (ธาตุที่มีเลขอะตอมสูง เกิดจากการดูดกลืนนิวตรอนของ U-238)                    0.1%

การจัดการกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและกลาง

การจัดการกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและกลางมีจุดมุ่งหมายเพื่อเปลี่ยนแปลงกากกัมมันตรังสีให้อยู่ในรูปที่เหมาะสมต่อการขนย้าย เก็บกัก หรือจัดเก็บแบบถาวรโดยใช้วิธีการ

          การลดปริมาตร  เช่น การบีบอัดด้วยแรงดัน การเผาทำลาย การแยกสารกัมมันตรังสีออกจากตัวกลาง

          การลดความอันตราย  เช่น การทำให้กลายเป็นของแข็งที่เสถียร การหล่อรวมกับซีเมนต์

การปล่อยให้สลายตัว (delay and decay)

          ใช้กับกากกัมมันตรังสีที่มีระดับต่ำมาก ๆ และมีค่าครึ่งชีวิตสั้น ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ โดยจะจัดเก็บกากกัมมันตรังสีเหล่านั้นไว้ในพื้นที่จำเพาะ แล้วปล่อยให้สลายตัวจนมีระดับความแรงรังสีต่ำกว่าที่กฎหมายกำหนดไว้ แล้วจึงจัดการเหมือนของเสียโดยทั่วไป

การเจือจางและระบายทิ้ง (dilute and disperse)

          ใช้กับกากกัมมันตรังสีที่มีระดับต่ำมาก ๆ และมีค่าครึ่งชีวิตสั้น ที่อยู่ในรูปของเหลว โดยจะนำไปเจือจางจนกระทั้งความเข้มข้นของสารกำมันตรังสีต่ำกว่าที่กฎหมายกำหนด แล้วจึงปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม วิธีนี้บางครั้งใช้ร่วมกับการปล่อยให้สลายตัวด้วย คือ นำไปเจือจางก่อนแล้วปล่อยให้ระดับความแรงรังสีลดลงต่ำกว่าที่กฎหมายกำหนด หลังจากนั้นจึงปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม

การแยกสารกัมมันตรังสีออกจากตัวกลาง (transfer)

          เป็นการแยกเอาตัวสารกัมมันตรังสีออกจากตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือก๊าซโดยใช้ตัวกรอง การตกตะกอน การระเหย การแลกเปลี่ยนไอออน วิธีการนี้มักใช้ในการบำบัดน้ำสำหรับการนำกลับไปใช้ใหม่ภายในโรงไฟฟ้า
รูปตะกอนเรซินที่ได้จากตัวกรองในระบบบำบัดน้ำ

การเผาทำลาย (incineration)

          เป็นหนึ่งในวิธีการใช้ลดปริมาตรและทำให้อยู่ที่มีคุณสมบัติทางเคมีเสถียรของกากกัมมันตรังสี ใช้กับกากกัมมันตรังสีระดับต่ำที่เป็นของแข็งและของเหลว โดยทำการแยกประเภทเผาได้กับเผาไม่ได้ออกจากกันก่อน จากนั้นจึงนำไปเผาในเตาชนิดพิเศษที่อุณหภูมิ 1000 ^oC เถ้าที่เกิดขึ้นจะถูกนำไปผ่านกระบวนการหล่อกับซีเมนต์เพื้อป้องกันการฟุ้งกระจาย วิธีการมีข้อเสียตรงที่ประชาชนทั่วไปในพื้นที่มีความกลัวในเรื่องการปลดปล่อยรังสีในอากาศจากควันที่เกิดขึ้นแม้จะมีการใช้ตัวกรองเพื่อป้องกันแล้วก็ตาม

 รูประบบเผาทำลายกากกัมมันตรังสีระดับต่ำ

การบีบอัดลดปริมาตร (compaction)

          ส่วนมากจะใช้กับกากกัมมันตรังสีระดับต่ำที่เป็นของแข็ง (ในบางประเทศใช้กับกากกัมมันตรังสีระดับกลางด้วย) หรือกากกัมมันตรังสีจำพวกที่ไม่สามารถนำไปเผาได้ วิธีการนี้สามารลดปริมาตรได้ตั้งแต่ 3-10 เท่า ขึ้นกับวัสดุของกากกัมมันตรังสี การบีบอัดมีทั้งแบบแรงดันเบาและแรงดันสูง โดยแบบแรงดันเบาจะทำการบีบอัดเพื่อให้สามารถบรรจุกากกัมมันตรังสีภายในถังหรือภาชนะบรรจุต่าง ๆ เพื่อขนย้ายหรือจัดเก็บ ส่วนการบีบอัดด้วยแรงดันสูงจะทำการบีบอัดกากกัมมันตรังสีไปร่วมไปกับบรรจุภัณฑ์เพื่อลดปริมาตรลงไปอีก

รูประบบบีบอัดกากกัมมันตรังสี

การหล่อซีเมนต์ (cementation)

          ส่วนมากใช้กับกากกัมมันตรังสีระดับกลางและต่ำที่อยู่ในรูปของแข็งหรือของไหล โดยจะนำกากกัมมันตรังสีใส่ในภาชนะบรรจุแล้วเทซีเมนต์หรือโพลิเมอร์สำหรับหล่อลงไป ปล่อยให้แห้ง แล้วจะได้แท่งซีเมนต์หรือโพลิเมอร์ที่ผนึกกากกัมมันตรังสีไว้ภายใน วิธีนี้ใช้เพื่อป้องกันไม่ให้กากกัมมันตรังสีเกิดการปนเปื้อนกับสิ่งอื่นได้

รูปตัวอย่างแท่งซีเมนต์หล่อปิดผนึก

ภายในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์จะมีพื้นที่จำเพาะที่จัดไว้สำหรับจัดเก็บกากกัมมันตรังสีชั่วคราวประจำแต่ละโรงไฟฟ้า กากกัมมันตรังสีที่คัดแยกประเภทและจัดการแล้วจะจัดเก็บไว้ภายในพื้นที่ของโรงไฟฟ้าเป็นระยะเวลาหนึ่ง ก่อนที่จะมีการขนย้ายไปยังสถานที่จัดเก็บถาวร

สถานที่จัดเก็บกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและกลาง

          สถานที่จัดเก็บกากกัมมันตรังสีแบบถาวรสำหรับกากกัมมันตรังสีระดับต่ำและกลางเป็นสถานที่จำเพาะ ออกแบบให้มีความทนทานต่อการเป็นแปลงสภาวะภายนอกและป้องกันการรั่วไหลของกากกัมมันตรังสีรวมทั้งลดระดับความแรงรังสีได้เป็นอย่างดี ตั้งอยู่บนผิวดินหรือลึกลงไปในระดับ 3-4 เมตร มีฐานและผนังทั้ง 4 ด้านเป็นคอนกรีต ภายหลังจากที่บรรจุถังใส่กากกัมมันตรังสีจนเต็มพื้นที่แล้วจะทำการเทซีเมนต์ลงไปให้เต็มพื้นที่เพื่อเป็นการผนึกอีกชั้นหนึ่ง หลังจากนั้นจึงปิดผนึกผนังด้านบนและทำการถมดินให้เต็มพื้นที่ สุดท้ายแล้วจึงทำการป้องกันไม่ให้มีการใช้พื้นที่ในระยะเวลาที่กำหนด (100-300 ปี)

รูปตัวอย่างสถานที่จัดเก็บกากกัมมันตรังสีระดับต่ำแบบถาวร 

          สำหรับสถานที่จัดเก็บกากกัมมันตรังสีระดับกลางอาจอยู่ลึกลงไปใต้ดินในระดับ 10 เมตร แต่มีลักษณะคล้ายคลึงกับสถานที่จัดเก็บกากกัมมันตรังสีระดับต่ำ แต่ในบางประเทศจัดเก็บร่วมกับกากกัมมันตรังสีระดับสูง

การจัดการเชื้อเพลิงใช้แล้วมีดังนี้

1. การเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วแบบชั่วคราว(Spent fuel storage)

          การเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วแบบชั่วคราวเป็นการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วไว้ภายในบริเวณโรงไฟฟ้าก่อน เนื่องจากเมื่อดับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะหยุดลง แต่ยังมีความร้อนเกิดขึ้นมาจากเชื้อเพลิง เนื่องจากการสลายตัวให้รังสีบีต้าของผลผลิตฟิชชัน ด้วยเหตุนี้ จึงมีความร้อนประมาณ 7% ของกำลังเดินเครื่องของแกนเครื่องปฏิกรณ์ ถ้าก่อนหน้านั้นเครื่องปฏิกรณ์เดินเครื่องด้วยกำลังคงที่มาระยะหนึ่งแล้ว และหลังจากดับเครื่อง 1 ชั่วโมง ความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงเหลือ 1.5% ของกำลังเดินเครื่อง เมื่อผ่านไป 1 วัน ความร้อนจากการสลายตัวจะเหลือ 0.4% และลดลงเหลือ 0.2% เมื่อผ่านไป 1 สัปดาห์ ความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงอย่างช้าๆ ตามเวลา โดยมากการจัดเก็บแบบชั่วคราวนี้จะกินเวลานานประมาณ 40-50 ปี ก่อนที่จะนำไปจัดการแบบถาวรอีกครั้ง การจัดเก็บแบบชั่วคราวมี 2 วิธีคือ 

รูปภาพการลดลงของความร้อนภายในแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว 

1.1. เก็บแบบเปียก (Wet storage)

          การจัดเก็บแบบเปียกเป็นการจัดเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วในบ่อน้ำที่อยู่ในอาคารเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ประมาณ 1-5 ปี หรือมากกว่านั้น บางโรงไฟฟ้าอาจจัดเก็บไว้จนกระทั่งหมดอายุของโรงไฟฟ้าก็เป็นได้ เพื่อลดความร้อนและป้องกันกัมมันตรังสี โดยทั่วไปบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วจะออกแบบมาโดยการปั๊มน้ำให้ไหลผ่านเพื่อระบายความร้อนออกจากแท่งเชื้อเพลิง

รูปบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วภายในโรงไฟฟ้า

1.2. เก็บแบบแห้ง (Dry storage)

          การเก็บแบบแห้งเป็นการเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนอกอาคารเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งได้ก่อสร้างสถานที่เก็บไว้โดยเฉพาะในอาณาเขตของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์และจะเก็บไว้ตลอดอายุการใช้งานของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ประมาณ 50-60 ปี เชื้อเพลิงใช้แล้วจะถูกบรรจุลงในภาชนะที่ทำด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมและบรรจุลงในภาชนะคอนกรีตอีกชั้นหนึ่ง การดำเนินการบรรจุเชื้อเพลิงใช้แล้วลงในภาชนะนี้ จะต้องทำการบรรจุในบ่อน้ำ เนื่องจากยังมีระดับดูแลระดับความร้อนและระดับรังสีโดยรอบสถานที่จัดเก็บอย่างเข้มงวด

รูปสถานที่จัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วแบบแห้งภายนอกโรงไฟฟ้า

2. การแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้ว(Reprocessing)

          การแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วคือการนำเชื้อเพลิงใช้แล้วที่ประกอบด้วย U-235 ไอโซโทปของพลูโตเนียมที่เกิดขึ้นในแกนเครื่องปฏิกรณ์ และ U-238 ถ้าไม่คิด U-238 ในเชื้อเพลิงใช้แล้ว จะมี U-235 เหลืออยู่ประมาณ 95% ของยูเรเนียมในตอนแรก การนำมาสกัดซ้ำ ที่ทำในยุโรปและรัสเซีย จะทำการแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียมออกจากกาก เพื่อนำกลับมาหมุนเวียนใช้ใหม่ ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในรูปของเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (mixed oxide, MOX) ซึ่งเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงแบบปิด (closed fuel cycle)

          พลูโตเนียมที่ได้จากกระบวนการสกัดซ้ำ มีเพียง 1% ในเชื้อเพลิงใช้แล้ว เมื่อนำมาใช้หมุนเวียน โดยผสมกับออกไซด์ของ depleted uranium และขึ้นรูปทำเป็นเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (MOX fuel) จะได้แท่งเชื้อเพลิงขึ้นมาใหม่ ปัจจุบัน เครื่องปฏิกรณ์ในยุโรปใช้พลูโตเนียมมากกว่า 5 ตันต่อปี ในรูปของเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม แม้ว่าขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ทำงาน พลูโตเนียมที่เกิดขึ้น จะถูกใช้ไปด้วยในปริมาณมากเช่นกัน ในการเกิดปฏิกิริยาจับนิวตรอน (neutron capture) ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ พลูโตเนียมที่ได้จากวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทางพลเรือน ไม่เหมาะที่จะใช้ทำระเบิด เนื่องจากมีไอโซโทป Pu-240 มากเกินไป จากการที่เชื้อเพลิงอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์เป็นเวลานาน

          โรงงงานสกัดซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ มีอยู่ในประเทศฝรั่งเศส อังกฤษ และรัสเซีย โดยมีกำลังผลิตประมาณ 5,000 ตันต่อปี นอกจากนี้ยังรับดำเนินการสกัดซ้ำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ให้กับประเทศอื่นด้วยเช่นกัน เช่น ญี่ปุ่น โดยหลอมกากที่เหลือเป็นแก้ว และสกัดยูเรเนียมกับพลูโตเนียมออกมา ทำเป็นเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม แล้วส่งกลับญี่ปุ่นเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงใหม่ รัสเซียก็มีการสกัดซ้ำเชื้อเพลิงใช้แล้ว จากเครื่องปฏิกรณ์แบบโซเวียตที่ใช้อยู่ในประเทศอื่นเช่นกัน

          มีการเสนอให้พัฒนากระบวนการสกัดซ้ำและการหมุนเวียน เพื่อแยกพลูโตเนียมโดยใช้ธาตุ actinide แต่ยังเป็นวิธีการที่ยากในการทำให้อยู่ในรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ผสม และหมุนเวียนกลับมาใช้กับเครื่องปฏิกรณ์แบบธรรมดา โดยต้องนำไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็ว ซึ่งยังมีจำนวนน้อย แต่มีข้อดีตรงที่ทำให้จัดการกับกากรังสีระดับสูงได้ง่ายขึ้น

 
การจัดเก็บขั้นสุดท้าย(Final disposal) การจัดเก็บแบบถาวร 

          หลังจากกระบวนการแปรสภาพเชื้อเพลิงแล้ว กากกัมมันตรังสีระดับสูงที่เหลือจะถูกทำให้แห้งจนมีลักษณะเป็นผลแห้ง เราเรียกกระบวนการนี้ว่า แคลไซนิ่ง หลังจากนั้นกากกัมมันตรังสีจะถูกนำไปหลอมให้เป็นเนื้อเดียวกันกับแก้วชนิดพิเศษโดยใช้ความร้อนสูงมาก (Vitrification) จากนั้นเทบรรจุลงภาชนะเหล็กไร้สนิมหรือทองแดง แล้วจึงนำไปจัดเก็บในสถานที่ที่ถือว่ามีความปลอดภัยสูงสุดในปัจจุบัน คือ ฝังลงในชั้นหินแข็ง ความลึกจากระดับผิวดิน 500 – 1,000 เมตร ภาชนะบรรจุกากกัมมันตรังสีที่ทำจากเหล็กไร้สนิม หรือทองแดงซึ่งมีความคงทน และการแปรสภาพเป็นผลึกแก้วนั้น สามารถเก็บสารกัมมันตรังสีไม่ให้รั่วไหลออกได้นานนับพันปี ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่กากกัมมันตรังสีจากการสลายกัมมันตรังสีของยูเรเนียมสลายเกือบหมด ส่วนธาตุที่มีครึ่งชีวิตยาว เช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม และอะเมริเซียม จะมีอันตรายทางรังสีเท่ากับแร่ยูเรเนียมในธรรมชาติเท่านั้น

           นอกจากการทำกากกัมมันตรังสีให้เป็นผลึกแก้วแล้ว ในประเทศออกสเตรเลียได้มีการพัฒนาการทำกากกัมมันตรังสีให้อยู่ในรูปของเซรามิก หรือที่เรียกกว่าหินเทียม ซึ่งเป็นอีกรูปแบบหนึ่งที่จะต้องติดตามข้อดีและข้อเสียต่อไป ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ได้มีการศึกษาการเก็บกากกัมมันตรังสีระดับสูงโดยเลียนแบบตามธรรมชาติของซากดึกดำบรรพ์ที่ถูกทับถมในตะกอนดิน ซึ่งมีความเสถียรภาพทนทานต่อแรงแผ่นดินไหว ทั้งนี้เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของสารกัมมันตรังสีในระยะยาว ส่วนในยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้มีการพัฒนาขบวนการจัดการกากกัมมันตรังสีด้วยการกระตุ้นให้กากกัมมันตรังสีมีอายุสั้นลงโดยการนำกลับเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ หรือเครื่องเร่งอนุภาคอีกครั้งหนึ่ง เพื่อเร่งให้มีคุณสมบัติสลายตัวได้รวดเร็วขึ้นแต่ในปัจจุบันสามารถทำได้แบ่งการก่อสร้างโรงงานต้นแบบ จำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านนี้ต่อไปอีกระยะหนึ่งจึงสามารถนำมาใช้งานได้จริง 

เอกสารอ้างอิง

1.World Nuclear Association. 2014. Radioactive Waste Management: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Nuclear-Wastes/Radioactive-Waste-Management/

2.World Nuclear Association. 2014. National Policies. Radioactive Waste Management: http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Nuclear-Wastes/Appendices/Radioactive-Waste-Management-Appendix-3--National-Policies/

3.U.S.NRC. 2014. Radioactive Waste: http://www.nrc.gov/waste.html

4.International Nuclear Societies Council (INSC)(2002).Radioactive waste. Current issue in nuclear energy. Radioactive waste,3-15

5.สถาบันนิวเคลียร์เทคโนโลยีแห่งชาติ.2557.Radioactive waste management center: http://www.tint.or.th/index.php/en/service/radioactive-waste-management-center

6.Studsvik. 2014. Incineration of Low-level Waste:http://www.studsvik.com/en/Business-Areas/Waste-Treatment/Processing-of-Radioactive-Waste/Incineration-of-Low-level-Waste/