เตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder มีความจำเป็นอย่างไร
ในการศึกษาความต้องการด้านพลังงานในอนาคต และแหล่งพลังงานที่หลากหลาย (ถ่านหิน, น้ำมัน, ก๊าซ, พลังงานนิวเคลียร์, พลังน้ำ และพลังแสงอาทิตย์) ชี้ให้เห็นว่าพลังงานนิวเคลียร์จะมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในอีก 10 ปีข้างหน้า ซึ่งปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ในการเดินเครื่องของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้นอยู่ประมาณ 10 ตันต่อปี โรงไฟฟ้าถ่านหินใช้เชื้อเพลิงในหลักล้านตันต่อปี ในขณะที่ปริมาณเชื้อเพลิงสำรองของโลกโดยเฉพาะถ่านหินนั้นมีอย่างจำกัด ความสามารถที่มีศักยภาพของพลังงานนิวเคลียร์ในการพัฒนาปัจจุบันสามารถตอบสนองความต้องพลังงานไฟฟ้าของโลก ในด้านเชื้อเพลิงยูเรเนียมที่มีสำรองอยู่และความเป็นไปได้ที่จะใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม-235 ในราคาที่เหมาะสม แต่เพราะจำนวนเปอร์เซนต์ของยูเรเนียม-235ในธรรมชาตินั้นน้อยมากจึงเป็นข้อจำกัดของการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์สำหรับปฏิกรณ์น้ำมวลเบาที่มีอยู่ ซึ่งไม่สามารถใช้พลังงานจากยูเรเนียมธรรมชาติได้เต็มที่ ดังนั้นข้อดีของการใช้พลังงานนิวเคลียร์นี้ในระยะยาวอาจไม่ดีนัก จนกว่าจะค้นพบแร่ยูเรเนียมธรรมชาติมากขึ้นหรือมีกระบวนการที่ทำให้การใช้แร่ยูเรเนียมมีประสิทธิภาพมากขึ้น
เตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder นี้สามารถแก้ปัญหานี้ได้ในอนาคตข้างหน้า ซึ่งจะทำให้การใช้ยูเรเนียมที่มีอยู่เดิมมีประสิทธิภาพมากขึ้น สามารถใช้พลังงานจากแร่ยูเรเนียมได้ถึง 60 -70 เปอร์เซนต์ การใช้งานเตาปฏิกรณ์แบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมในธรรมชาติเท่านั้น แต่มันยังช่วยลดค่าใช้จ่ายต่างๆอีกด้วยหลักการทั่วไปของเตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder
กระบวนการฟิชชันคือ เมื่อนิวตรอนถูกจับโดยนิวเคลียสของอะตอมวัสดุฟิสไซล์(Fissile Material) ทำให้อะตอมแตกออกหรือเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากกระบวนการนี้จะใช้ในการผลิตไอน้ำเพื่อหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า
มีไอโซโทปของธาตุหนักเพียง 4 ตัวเท่านั้นทีสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันที่มีประสิทธิภาพ คือ ยูเรเนียม-233, ยูเรเนียม-235, พลูโตเนียม-239 และพลูโตเนียม-241 ในจำนวนนี้มีเพียงยูเรเนียม-235เท่านั้นที่มีอยู่ในธรรมชาติ (ประมาณ 0.7 เปอร์เซนต์ของยูเรเนียมธรรมชาติ) เราเรียกวัสดุที่สามารถเกิดปฏิกริยาฟิชชันนี้ว่า “วัสดุฟิสไซล์” (Fissile Material) ซึ่งพลังงานจากเตาปฏิกรณ์ในปัจจุบันก็ขึ้นกับยูเรเนียมประเภทนี้ ที่เหลืออีก 3 ไอโซโทปเกิดจากการที่ไอโซโทปของธอเรียมและยูเรเนียมจับตัวกับนิวตรอน วัสดุที่เปลี่ยนเป็นวัสดุฟิสไซล์เมื่อจับตัวกับนิวตรอนเราเรียกว่า วัสดุ "เฟอร์ไทล์” (Fertile Material) ในเตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder นี้ ยูเรเนียม-238 เป็นวัสดุเฟอร์ไทล์ที่น่าสนใจที่สุด เนื่องจากจะเปลี่ยนเป็นพลูโตเนียม-239 เมื่อจับกับนิวตรอน ในยูเรเนียมธรรมชาติมียูเรเนียม-238 มากกว่า 99 เปอร์เซนต์
เมื่ออะตอมเกิดปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนออกมามากกว่าที่ใช้ไปเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ คุณสมบัติหนึ่งของปฏิกรณ์แบบ fast breeder คือขณะที่เราได้พลังงานจากปฏิกิริยา เรายังได้วัสดุฟิสไซล์ด้วย ซึ่งมากกว่าที่ใช้ไป จึงเป็นที่มาของคำว่า “breeder"
ส่วนชื่อเตาปฏิกรณ์แบบ liquid metal fast breeder เกิดจากในการเปลี่ยนวัสดุเฟอร์ไทล์เป็นวัสดุฟิสไซล์นั้นต้องใช้นิวตรินพลังงานสูง ( “fast” neutron ) และใช้โซเดียมที่อยู่ในสถานะของเหลว( “liquid metal”) ในการระบายความร้อน
ในปฏิกรณ์แบบ fast breeder นั้นจะมีวัสดุเฟอร์ไทล์ (ยูเรเนียม-238) ในแกนปฏิกรณ์ และใน blanket รอบๆ แกนปฏิกรณ์ ซึ่งประกอบด้วยพลูโตเนียมออกไซด์และยูเรเนียมออกไซด์ ปฏิกิริยาฟิชชันส่วนใหญ่จะเกิดในแกนปฏิกรณ์ ในขณะที่กระบวนการเปลี่ยนจากยูเรเนียม-238 เป็นพลูโตเนียม-239 จากการจับตัวกับนิวตรอนนั้นเกิดทั้งในและนอกแกนปฏิกรณ์ เมื่อมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิง เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วและ blanket จะถูกนำไปผ่านกระบวนการ reprocessing เพื่อแยกพลูโตเนียมออก ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ในโรงไฟฟ้าหรือในอุตสาหกรรมอื่นที่เกี่ยวข้อง
เตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder นั้นมีความคล้ายคลึงกับปฏิกรณ์ที่กำลังเดินเครื่องอยู่ในปัจจุบันหลายๆอย่าง
แต่อย่างไรก็ตามแกนปฏิกรณ์ของ fast breeder นั้นมีความซับซ้อนกว่าเตาปฏิกรณ์แบบน้ำมวลเบา เชื้อเพลิงที่ใช้ในปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้พลูโตเนียมหรือยูเรเนียมที่มีความเข้มข้นสูงกว่ามาก , ใช้สแตนเลสสตีลในการห่อหุ้มเชื้อเพลิงแทนวัสดุ Zircaloy , น้ำทำให้นิวตรอนพลังงานสูงที่เกิดจากปฏิกริยาฟิชชันลดพลังงานจนต่ำกว่าที่ต้องการในปฏิกรณ์แบบ fast breeder เราจึงไม่สามารถใช้น้ำในปฏิกรณ์แบบ fast breeder และเนื่องจากในปฏิกรณ์แบบ fast breeder นั้นเราต้องถ่ายเทความร้อนมหาศาลออกจากเชื้อเพลิงทีมีปริมาตรน้อยและต้องใช้สารหล่อเย็นที่ไม่ลดพลังงานของนิวตรอน ด้วยเหตุนี้มีเพียงสารโลหะเหลวและฮีเลียมอัดที่เหมาะสมในการใช้เป็นสารหล่อเย็นของปฏิกรณ์แบบ fast breeder ในการถ่ายเทความร้อนของสารโลหะเหลวจะดีกว่าฮีเลียมอัด แต่ลดพลังงานของนิวตรอนมากกว่าฮีเลียม แกนปฏิกรณ์แบบfast breeder ที่มีขนาดเล็กจะใช้เชื้อเพลิงที่มีความเข้มข้นสูงซึ่งจะใช้โลหะเลหวเป็นสารหล่อเย็นในพื้นที่คับแคบ ส่วนแกนปฏิกรณ์แบบ fast breeder ที่มีขนาดใหญ่ที่ใช้ในเชิงพานิชย์จะใช้เชื้อเพลิงที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าและมีที่ว่างพอสำหรับการใช้สารหล่อเย็นฮีเลียมอัด ในหลายๆปีที่ผ่านมา โลหะเหลว ( เช่น ปรอท, โซเดียม และ โพแทสเซียม) ถูกใช้เป็นสารหล่อเย็นการทดลองปฏิกรณ์แบบ fast breeder ที่ได้สร้างและดำเนินการทั่วโลก
พลังงานที่ได้จากแกนปฏิกรณ์แบบ fast breeder นั้นจะมากกว่าปฏิกรณ์ทั่วไป ดังนั้นสารหล่อเย็นจึงต้องมีคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนที่ดีมาก สำหรับปฏิกรณ์ fast breeder ที่ใช้โลหะเหลวเป็นสารหล่อเย็นนั้นจะเลือกใช้โซเดียมเพราะมีคุณสมบัติที่เป็นไปตามต้องการเมื่อเปรียบเทียบกับสารหล่อเย็นอื่นๆ เช่น ระบายความร้อนออกจากแกนปฏิกรณ์ได้ดี, ใช้พลังงานจากปั้มน้อย, ใช้ระบบความดันต่ำ, มีความสามารถในการดูดซับพลังงานได้ดีภายใต้ภาวะฉุกเฉิน(เนื่องจากทำงานต่ำกว่าจุดเดือด), แนวโน้มในการทำปฏิกริยาหรือละลายกับผลผลิตฟิชชันที่อาจจะรั่วออกมายังสารหล่อเย็น และมีคุณสมบัตินิวตรอนที่ดี แต่มีข้อจำกัดคือ ทำปฏิกริยาทางเคมีกับอากาศและน้ำ, การเกิดปฏิกริยาภายใต้รังสี, ทึบแสง และมีคุณสมบัติการดูดซับนิวตรอน
ชนิดของเตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder
มีการออกแบบเตาปฏิกรณ์ fast breeder ที่ใช้โซเดียมเป็นสารหล่อเย็น อยู่ 2 ชนิด คือ แบบ pool และ แบบ loop ในเตาปฏิกรณ์ fast breeder ชนิดแรกแบบ pool นั้นเตาปฏิกรณืไม่เพียงบรรจุเชื้อเพลิงไว้ แต่ยังมีอุปกรณ์หลายๆอย่างภายใน ดังแสดงในรูปที่ 1 ภายในเตาปฏิกรณืจะเต็มไปด้วยโซเดียม ณ ความดันบรรยากาศและแท่งเชื้อเพลิง, อุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนถ่ายเชื้อเพลิง, ปั้มหล่อเย็นวงจรปฐมภูมิ (primary coolant pumps) และ intermediate heat exchangers เนื่องจากระบบหล่อเย็นปฐมภูมิทั้งระบบอยู่ภายในเตาปฏิกรณ์ จึงสามารถลดระบบท่อภายนอก
ชนิดที่ 2 แบบ loop จะคล้ายกับเตาปฏิกรณ์แบบน้ำมวลเบาซึ่งแยกระบบหล่อเย็นออกนอกเตาปฏิกรณ์และเชื่อมกันโดยใช้ท่อ ภายในเตาปฏิกรณ์จะมีเพียงเชื้อเพลิงและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง และรอบๆเตาปฏิกรณ์จะมีผนังหุ้มอีกชั้นหนึ่ง เพื่อว่าหากเกิดเหตุกับวงจรปฐมภูมิ จะไม่ทำให้เกิดการรั่วไหลของโซเดียมกัมมันตรังสี
เตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder ที่ใช้โซเดียมในการหล่อเย็นจะมีจุดประสงค์ในการลดเวลาในการหยุดเดินเครื่องเพื่อเปลี่ยนถ่ายเชื้อเพลิง จึงติดตั้ง rotating plug ไว้ด้านบนของเตาปฏิกรณ์ อุปกรณ์ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายเชื้อเพลิงจะถูกติดตั้งไว้บน rotating plug รวมทั้งส่วนขับเคลื่อนแท่ง control rod จึงสามารถเคลื่อนย้ายแท่งเชื้อเพลิงไปที่ใดก็ได้ในเตาปฏิกรณ์ และยังมีเครื่องช่วยย้ายนอกเตาปฏิกรณ์ในกรณีที่ต้องการย้ายแท่งเชื้อเพลิง โดยเฉพาะชนิด loop ที่มีการเก็บแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้วนอกเตาปฏิกรณ์
ปัญหาที่สำคัญของเตาปฏิกรณ์ fast breeder คือ อายุของเชื้อเพลิง โดยปกติในปฏิกรณ์ทั่วไปจำนวนของวัสดุฟิสไซล์ไม่เกิน 4 เปอร์เซนต์ และอัตราในการเปลี่ยนวัสดุเฟอร์ไทล์เป็นวัสดุฟิสไซล์นั้นมีค่าต่ำ จึงพยายามให้มีอัตราการใช้เชื้อเพลิง (burn-up) อยู่ที่ 2-3 เปอร์เซนต์ ประมาณ 20000 – 35000 MW.d/t เพราะหากมีค่าการใช้เชื้อเพลิงสูงจะทำให้เกิดความเสียหายต่อเชื้อเพลิงและวัสดุหุ้มเชื้อเพลิง ในปฏิกรณ์แบบ fast breeder นั้นมีปริมาณวัสดุฟิสไซล์อยู่มากกว่า 15 เปอร์เซนต์ และอัตราการเปลี่ยนวัสดุเฟอร์ไทล์เป็นวัสดุฟิสไซล์สูงกว่าอัตราการใช้เชื้อเพลิง ซึ่งอาจสูงถึง 10 – 15 เปอร์เซนต์ 100000 – 15000 MW.d/t
ในประเทศที่พัฒนาแล้วหลายๆประเทศมีการใช้ปฏิกรณ์แบบ fast breeder ในเชิงพานิชย์และเพิ่มขึ้นในอนาคต ในปัจจุบันนี้มีการใช้เพื่อการทดลองอยู่ในหลายๆประเทศ เช่น Rapsodie-Fortissimo (ฝรั่งเศส), KNK-II (เยอรมัน), Joyo (ญี่ปุ่น), EBR-II (อเมริกา) และที่กำลังสร้างในอีกหลายประเทศ
ตัวอย่างเตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder
ประเทศฝรั่งเศส
Rapsodie, Cadarache เป็นปฏิกรณ์ทดลองแบบ fast breeder ชนิด loop-type ที่ใช้โซเดียมเป็นสารหล่อเย็น เครื่องแรกของฝรั่งเศส ก่อสร้างขึ้นเมื่อปี 1962 และเริ่มเดินเครื่องวันที่ 28 ม.ค. 1967 กำลัง 20 MW หลังจากนั้นได้รับการพัฒนาและออกแบบใหม่ให้สามารถเดินเครื่องที่ 40 MW ในปี 1970 แต่ในปี 1980 เกิดความเสียหายของเตาปฏิกรณ์ทำให้ต้องลดกำลังเหลือ 22 MW และ shut down เมื่อปี 1983
Phenix, Marcoule หลังจากที่ Rapsodieได้เดินเครื่อง 1 ปี ก็มีการสร้างเตาปฏิกรณ์ Phenix มีกำลัง 250 MWe (563 MWt) เริ่มเดินเครื่องวันที่ 31 ส.ค. 1973 และต่อเข้าระบบในวันที่ 13 ธ.ค. 1973 แท่งเชื้อเพลิงประกอบด้วยพลูโตเนียม 77 เปอร์เซนต์ shut down เมื่อปี 2009
Superphenix, Creys-Malville ในปี 1972 ประเทศเยอรมันและอิตาลีมีความร่วมมือกันที่จะสร้างปฏิกรณ์แบบ fast breeder ขึ้น 2 ตัวที่ประเทศเยอรมันและฝรั่งเศส จึงได้มีการสร้างปฏิกรณ์ Superphenix ขึ้นในปี 1974 หลังจาก phenix เริ่มเดินเครื่อง กำลังผลิต 1200 MWe เริ่มเดินเครื่องวันที่ 7 ก.ย. 1985 และต่อเข้าระบบไฟฟ้าวันที่ 14 ม.ค. 1986
ประเทศอินเดีย
มีการวิจัยและพัฒนาเตาปฏิกรณ์แบบ fast breeder ที่ Indira Gandhi Centre กำลัง 40 MWt เริ่มเดินเครื่องในปี 1985 และในปี 2004 มีการสร้างปฏิกรณ์ fast breeder กำลัง 500 MWe ที่ Kalpakkam เป็นต้นแบบในการใช้ยูเรเนียม-พลูโตเนียมออกไซด์ และใช้ทอเรียมเป็น blanket เพื่อให้ได้ ยูเรเนียม-233
ประเทศญี่ปุ่น
มีการวิจัยและพัฒนาเตาปฏิกรณ์ทดลอง JOYO เดินเครื่องตั้งแต่ปี 1977 กำลัง 140 MWt ต่อมาได้มีการสร้างปฏิกรณ์ fast breeder ต้นแบบ Monjo กำลัง 280 MWe ซึ่งต่อเข้าระบบไฟฟ้าในปี 1995 แต่ได้ปิดซ่อมเนื่องจากเกิดการรั่วของโซเดียม และเริ่มเดินเครื่องอีกครั้งในปี 2010
ประเทศรัสเซีย
ปฏิกรณ์ BN-600 ที่ Beloyarsk ผลิตไฟฟ้าตอ่เข้าระบบตั้งแต่ปี 1981 ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมออกไซด์ และใช้โซเดียมเป็นสารหล่อเย็น
