โรงไฟฟ้า Power Plant: ธันวาคม 2014

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (Nuclear Power Plant)

พลังงานนิวเคลียร์ : เป็นเทคโนโลยีที่ออกแบบมาเพื่อนำพลังงานจากอะตอมของสสารมาใช้งาน โดยอาศัยเตาปฏิกรณ์ปรมาณู แม้ว่าในปัจจุบันพลังงานนิวเคลียร์ที่มีการนำมาใช้ จะได้มาโดยอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแตกตัวเพียงอย่างเดียว แต่ในอนาคตอาจจะสามารถนำประโยชน์จากปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบอื่นมาใช้ได้ เช่น ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบรวมตัว พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู จะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำที่จะใช้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานกลสำหรับ ผลิตกระแสไฟฟ้าหรือจุดประสงค์อื่น

พลังงานนิวเคลียร์ฟิชชั่น (Nuclear fission) เป็นปฏิกิริยาที่เกิดจากการที่นิวเคลียสของอะตอมแตกตัวออกเป็นส่วนเล็กๆ สองส่วน ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นเมื่อนิวตรอนชนเข้ากับนิวเคลียสของธาตุที่ สามารถแตกตัวได้ เช่น ยูเรเนียม หรือ พลูโตเนียม จะเกิดการแตกตัวเป็นสองส่วนกลายเป็นธาตุใหม่ พร้อมทั้งปลดปล่อยอนุภาคนิวตรอนและพลังงานจำนวนหนึ่งออกมา

หลักการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ คือ ระบบที่จะนำพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์มาเปลี่ยนเป็น พลังงานไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนหลักๆ 4 ส่วนคือ เตาปฏิกรณ์ ระบบระบายความร้อน ระบบกำเนิดกระแสไฟฟ้า และระบบความปลอดภัย

พลังงานที่ เกิดขึ้นในเตาปฏิกรณ์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น สิ่งที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น ไม่ได้มีเพียงพลังงานจำนวนมากที่ปลดปล่อยออกมา แต่รวมถึงผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น นิวตรอนอิสระจำนวนหนึ่ง การควบคุมจำนวนและการเคลื่อนที่ของนิวตรอนอิสระภายในเตาปฏิกรณ์โดยสารหน่วง นิวตรอน และแท่งควบคุมจะเป็นการกำหนดว่า จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้นภายในเตาปฏิกรณ์มากน้อยเพียงใด

พลังงานที่ ผลิตเกิดขึ้นภายในเตาปฏิกรณ์ จะถูกนำออกมาโดยตัวนำความร้อน ซึ่งก็คือของไหลเช่น น้ำ,เกลือหลอมละลายหรือก๊าซคาร์บอนไดอออกไซค์ ของไหลจะรับความร้อนจากภายในเตาปฏิกรณ์ จนตัวมันเองเดือดเป็นไอหรือเป็นตัวกลางในการนำความร้อนไปยังวงจรถัดไปเพื่อ ผลิตไอน้ำ ไอน้ำที่ได้จะถูกส่งผ่านท่อไปยังระบบกำเนิดกระแสไฟฟ้า ที่ไอน้ำจะถูกนำไปขับกังหันไอน้ำที่จะใช้ในการหมุนเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ต่อไป

โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายมีอยู่ด้วยกัน 3 ชนิด สามารถแบ่งออกได้ดังนี้
1.โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน (Pressurized Water Reactor - PWR)

โรงไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน เป็นโรงไฟฟ้าที่นิยมใช้มากที่สุด โดยใช้น้ำเป็นทั้งตัวกลางระบายความร้อนและสารหน่วงนิวตรอน มีการออกแบบระบบการทำงานให้มีสองวงจร โดยวงจรแรกจะเป็นระบบระบายความร้อนออกจากเตาปฏิกรณ์ ที่ซึ่งน้ำจะไหลผ่านเตาปฏิกรณ์เพื่อระบายความร้อนออกจากแกนปฏิกรณ์ และนำความร้อนที่ได้ส่งต่อให้วงจรที่สองที่อุปกรณ์กำเนิดไอน้ำ เพื่อผลิตไอน้ำไปขับกังหันไอน้ำ น้ำในวงจรแรกนี้จะมีอุณหภูมิสูงถึง 325 องศาเซลเซียส ดังนั้นวงจรแรกจึงต้องทำงานภายใต้ความดันที่สูงมาก เพื่อป้องกันการเดือดของน้ำในวงจร อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมแรงดันในวงจรแรกคือตัวควบคุมความดัน (pressurizer) โดยน้ำในวงจรแรกจะทำหน้าที่ทั้งเป็นสารหล่อเย็นและสารหน่วงนิวตรอนให้แก่เตา ปฏิกรณ์

ในส่วน ของวงจรที่สองนั้นจะทำงานภายใต้ความดันที่ต่ำกว่าวงจรแรก ซึ่งน้ำในวงจรนี้จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำที่อุปกรณ์กำเนิดไอน้ำ ไอน้ำที่ผลิตได้จะใช้ในการขับกังหันไอน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หลังจากนั้นจะควบแน่นกลับไปเป็นน้ำแล้วไหลกลับไปที่อุปกรณ์ผลิตไอน้ำ เพื่อเปลี่ยนเป็นไอน้ำต่อไปเรื่อยๆ

2.โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor - BWR)

โรงไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำเดือด มีการทำงานที่คล้ายคลึงกับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดันมาก แตกต่างกันเพียงแค่โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำเดือด มีวงจรการทำงานเพียงแค่วงจรเดียว ที่ซึ่งน้ำจะถูกต้มภายในเตาปฏิกรณ์ (Reactor Vessel) โดยตรง ที่อุณหภูมิประมาณ 285 องศาเซลเซียส เตาปฏิกรณ์แบบนี้ถูกออกแบบให้ทำงาน โดยที่ส่วนบนของแกนปฏิกรณ์ประมาณ 12-15% มีสภาพเป็นไอน้ำ ระบบของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำเดือดนั้น ถูกออกแบบให้น้ำเดือดภายในเตาปฏิกรณ์ทำให้เตาปฏิกรณ์แบบนี้จะทำงานที่ความ ดันต่ำกว่าเตาปฏิกรณ์แบบน้ำอัดความดัน

ไอน้ำที่ผลิต ได้ภายในเตาปฏิกรณ์ จะไหลผ่านอุปกรณ์แยกน้ำบริเวณส่วนบนของเตาปฏิกรณ์ แล้วจะไหลออกไปขับกังหันไอน้ำโดยตรง เนื่องจากน้ำที่ไหลผ่านแกนปฏิกรณ์จะมีการปนเปื้อนจากสารรังสี ทำให้อุปกรณ์ในส่วนของกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) จะโดนปนเปื้อนจากสารรังสีด้วย ดังนั้นอุปกรณ์ในส่วนของกังหันไอน้ำ จึงต้องได้รับการป้องกันรังสีเช่นเดียวกับระหว่างการบำรุงรักษา โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำเดือดจะมีต้นทุนต่ำกว่าแบบอื่น เนื่องจากเป็นระบบที่เรียบง่าย และในส่วนข้อกังวลเกี่ยวกับการปนเปื้อนรังสีของอุปกรณ์ของระบบกังหันไอน้ำ นั้น เนื่องจากสารปนเปื้อนในน้ำนั้นมีอายุสั้นมาก* โดยห้องกังหันไอน้ำสามารถเข้าไปเพื่อบำรุงรักษาได้ภายในระยะเวลาอันสั้น หลังจากการ shut down เตาปฏิกรณ์

3.โรงไฟฟ้าแบบน้ำมวลหนักอัดความดัน (Pressurized Heavy Water Reactor - PHWR or CANDU)

โรงไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำมวลหนักอัดความดัน พัฒนาโดยประเทศแคนาดาในช่วงปี ค.ศ.1950 ภายใต้ชื่อโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบแคนดู (CANDU) โรงไฟฟ้าแบบนี้ใช้ยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่มีการเสริมสมรรถนะเป็นเชื้อเพลิง ทำให้ต้องใช้สารหน่วงนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าโรงไฟฟ้าพลังงาน นิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดันหรือแบบน้ำเดือด ซึ่งในกรณีนี้ได้มีการนำน้ำมวลหนัก (D2O) มาใช้ ในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำมวลหนักอัดความดัน มีการออกแบบระบบการทำงานให้มีสองวงจรเหมือนโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำ อัดความดัน โดยในวงจรแรกน้ำมวลหนัก (D2O) ที่จะทำหน้าที่ทั้งเป็นสารหน่วงนิวตรอนและระบายความร้อนออกจากมัดเชื้อเพลิง จะถูกอัดภายใต้ความดันสูง และจะไหลผ่านช่องบรรจุเชื้อเพลิงเพื่อระบายความร้อนออกจากเตาปฏิกรณ์ที่ เรียกอีกชื่อว่า คาแรนเดรีย จนน้ำมวลหนักในวงจรแรกมีอุณหภูมิสูงถึง 290°C และเช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน น้ำมวลหนักจะถ่ายเทความร้อนให้แก่วงจรที่สองเพื่อผลิตไอน้ำที่อุปกรณ์กำเนิด ไอน้ำ แล้วขับกังหันไอน้ำผลิตกระแสไฟฟ้า เนื่องจากการใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์แบบน้ำมวลหนักอัดความดัน ต้องมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิงทุกวัน จึงมีการออกแบบให้โรงไฟฟ้าชนิดนี้สามารถเปลี่ยนเชื้อเพลิงได้โดยไม่ต้องหยุด การทำงานของเตาปฏิกรณ์

การจัดการของเสียของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

หลังจากที่ ยูเรเนียมถูกใช้งานในการผลิตกระแสไฟฟ้าภายในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แล้ว เราจะเรียกมันว่า เชื้อเพลิงใช้แล้ว ที่เป็นของเสียที่จะต้องจัดการ เชื้อเพลิงใช้แล้วจัดเป็นกากกัมมันตรังสีระดับสูง ซึ่งไม่สามารถและไม่มีทางที่จะทิ้งได้อย่างของเสียโดยทั่วไป โดยปกติมันจะถูกจัดเก็บไว้ชั่วคราวในสระน้ำพิเศษภายในโรงไฟฟ้า ที่จะช่วยให้เชื้อเพลิงใช้แล้วลดความร้อนและความแรงรังสีลง โดยเชื้อเพลิงใช้แล้วจะไม่เกิดการเสียหายระหว่างการจัดเก็บไว้ในสระ

ถึงแม้ว่า เชื้อเพลิงใช้แล้วจะถูกจัดเก็บอยู่ในสระน้ำภายในโรงไฟฟ้าได้เป็นระยะเวลานาน แต่ในที่สุดมันก็จะถูกนำมาจัดเก็บภายนอกโรงไฟฟ้า หรือนำไปผ่านกระบวนการแปรสภาพเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ กระบวนการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้ว คือกระบวนการนำเชื้อเพลิงใช้แล้วมาผ่านกระบวนการแยกยูเรเนียมและพลูโตเนียม ที่หลงเหลืออยู่ โดยการตัดเชื้อเพลิงใช้แล้วออกเป็นชิ้นๆ แล้วละลายในสารละลายกรด ยูเรเนียมและพลูโตเนียมที่แยกออกมาได้ จะถูกนำกลับไปใช้เป็นเชื้อเพลิงของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์อีกครั้ง หลังจากกระบวนการแปรสภาพเชื้อเพลิง กากกัมมันตรังสีระดับสูงที่หลงเหลือจะถูกทำให้แห้งจนมีลักษณะเป็นผงแป้ง เราเรียกกระบวนการนี้ว่า แคลไซนิ่ง หลังจากนั้นกากกัมมันตรังสีจะถูกผสมกับแก้วชนิดพิเศษ เพื่อผนึกกากกัมมันตรังสีเอาไว้ เราเรียกกระบวนการนี้ว่า วิทริฟิเคชั่น แก้วหลอมละลายที่ผสมกับกากกัมมันตรังสี จะถูกเทลงในกระบอกโลหะสเตนเลสสำหรับการจัดเก็บ โดยในปัจจุบันกระบวนการจัดการจะสิ้นสุดที่กระบวนการนี้

ความปลอดภัยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

มาตรฐานความ ปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ เป็นไปตามมาตรฐานของทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) โดยคำนึงถึงความปลอดภัยต่อสาธารณชนและสิ่งแวดล้อมเป็นสำคัญ อาทิ ส่วนปิดกั้นรังสี 5 ชั้น ตั้งแต่เม็ดเชื้อเพลิง ท่อหุ้มเม็ดเชื้อเพลิง ถังปฏิกรณ์ อาคารปฏิกรณ์ชั้นใน จนถึงอาคารปฏิกรณ์ชั้นนอก ซึ่งอาคารปฎิกรณ์ชั้นนอกมีความหนาถึง 1.5-2 เมตร ทำให้การเดินเครื่องโรงไฟฟ้าในภาวะปกติ หรือกรณีที่มีอุบัติเหตุเกิดขึ้น รังสีจะไม่สามารถรั่วออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอกได้ การผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ไม่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิง ดังนั้นระหว่างการเดินเครื่องจะไม่ก่อให้เกิดสภาวะโลกร้อน เนื่องจากไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ หรือก๊าซที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ เช่น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไนโตรเจนออกไซด์

ถึงแม้ว่าโรง ไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์มีมาตรฐานความปลอดภัยสูงมาก เนื่องจากมีมาตรการและกระบวนการตรวจสอบต่างๆ ที่เข้มงวดและรัดกุมหลายขั้นตอน แต่ก็อาจเกิดเหตุขัดข้องหรืออุบัติเหตุได้เหมือนโรงไฟฟ้าทั่วไป เพื่อให้ประเทศที่มีโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ ได้รับทราบข้อมูล และสามารถแก้ไขปรับปรุงโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ให้มีความปลอดภัย และประชาชนทั่วไปเข้าใจสถานการณ์ที่เกิดได้ง่ายขึ้น ตลอดจนป้องกันการสับสน และไม่ก่อให้เกิดความวิตกเกินกว่าสถานการณ์ที่แท้จริง ทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA: International Atomic Energy Agency) ร่วมกับองค์กร Nuclear Energy Agency Organization for Economic Cooperation and Development (NEA/OECD) ได้กำหนดมาตรฐานสำหรับใช้รายงานอุบัติเหตุโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ขึ้นใน ปี พ.ศ.2533 โดยเรียกว่า มาตราระหว่างประเทศว่าด้วยเหตุการณ์ทางนิวเคลียร์ (INES: International Nuclear Event Scale) โดยกำหนดเป็นมาตราสากล ตั้งแต่ระดับ 0 ถึง 7 โดยแบ่งออกเป็น 3 ส่วนดังนี้

ระดับที่ 0 ระดับเหตุการณ์ปกติ (Deviation) หมายถึง เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นแต่ไม่มีผลกระทบต่อความปลอดภัย

ระดับที่ 1-3 ระดับแจ้งเหตุขัดข้องหรืออุบัติการณ์นิวเคลียร์ (Nuclear incident) หมายถึง เหตุการณ์ที่เกิดขัดข้องในโรงงานนิวเคลียร์ ทั้งโดยเจตนาและไม่เจตนา ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหาย แต่ไม่รุนแรงเท่าอุบัติเหตุนิวเคลียร์

ระดับที่ 4-7 ระดับอุบัติเหตุนิวเคลียร์ (Nuclear accident) หมายถึง เหตุการณ์ใด ๆ ที่เกิดขึ้นในโรงงานนิวเคลียร์โดยไม่เจตนา รวมถึงความผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินกิจกรรมทางนิวเคลียร์ หรือของอุปกรณ์ที่เกี่ยวกับระบบความปลอดภัย ทำให้มีการปลดปล่อย หรือเกือบมีการปลดปล่อยสารกัมมันตรังสีออกสู่สิ่งแวดล้อม

ตาราง ระดับความรุนแรงของเหตุการณ์ ตามมาตรา INES (International Nuclear Event Scale)

หมายเหตุ : มิลลิซีเวิร์ต คือ หน่วยย่อยของหน่วยวัดปริมาณรังสีที่ร่างกายได้รับ
เบคเคอเรล คือ หน่วยวัดความแรงรังสีของสารรังสีทีมีอัตราการสลายตัว 1 ครั้งใน 1 วินาที (1 เทราเบคเคอเรล = 10¹² เบคเคอเรล)
ข้อดี-ข้อจำกัดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ข้อดี

เชื้อเพลิงมีราคาถูก
สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ปริมาณมาก
ปริมาณของเสียน้อยเมื่อเทียบกับวิธีการผลิตไฟฟ้าแบบอื่นๆ
สามารถยืดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงและโรงไฟฟ้าได้ตามหลักวิทยาศาสตร์
สามารถขนส่งเชื้อเพลิงได้ง่าย
ไม่สร้างก๊าซเรือนกระจกและฝนกรด

ข้อจำกัด - การแก้ไขป้องกัน

เนื่องจากมีระบบความปลอดภัยและการป้องกันรังสีที่เข้มงวด จึงใช้เงินลงทุนมาก
เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว สามารถนำไปผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้ แต่ภายใต้พันธสัญญา "ไม่เผยแพร่อาวุธนิวเคลียร์" และการควบคุมของ IAEA หากประเทศไทยจะมี รฟ.นิวเคลียร์จะควบคุมไม่ให้นำไปผลิตอาวุธได้
การเก็บรักษาเชื้อเพลิงใช้แล้ว มีกัมมันตรังสีระดับสูง ต้องควบคุมอย่างเข้มงวด