ที่มา :  Mechanical Engineering ( KHON KAEN UNIVERSITY) 
 

   โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ เป็นโรงจักรที่ใช้เครื่องกังหันไอน้ำเช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ (stea turbine) แตกต่างกันที่ขบวนการให้ความร้อนกับน้ำเพื่อให้กำเนิดไอน้ำ โดยโรงไฟฟ้าพลังงาน นิวเคลียร์ได้รับพลังงานความร้อนจาก ปฎิกริยาฟิสชัน มีนิวตรอนที่ออกมา 2-3 ตัว และอนุภาคอื่น ๆ รวมทั้งการแผ่รังสีแกมม่า ทำให้พลังงานของมันเปลี่ยนเป็นความร้อน และความร้อนนี้จะถูกนำออกมาด้วยสารระบายความร้อน (coolant) ซึ่งขบวนการนำความร้อนออกมาเป็นสิ่งสำคัญมาก จะต้องมีการถ่ายโอนออกมาอย่างสม่ำเสมอ เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในการทำน้ำให้กลายเป็นไอน้ำ สำหรับหมุนกังหัน และหมุนขดลวดสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป
องค์ประกอบที่สำคัญของเตาปฎิกรณ์นิวเคลียร์มีดังนี้

1.  เชื้อเพลิง ส่วนมากจะเป็นยูเรเนียม (U235) ทำเป็นแผ่นหรือเป็นแท่ง หุ้มด้วยสารเซอร์โคเนียม (Zr) เพื่อป้องกันไม่ให้เชื้อเพลิงทำปฎิกริยาเคมีกับน้ำ

2.  สารหน่วงนิวตรอน (moderator) เป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน ที่ได้จากการแบ่งแยกนิวเคลียสของ U235 ให้วิ่งช้าลงและเกิดปฎิกริยาต่อเนื่อง อาจเป็นคาร์บอนในรูปกราไฟท์ น้ำธรรมดา หรือสารอื่นที่เหมาะสม

3.  แท่งควบคม (control rod) เป็นตัวหยุดปฎิกริยาลูกโซ่ ทำจากโลหะที่สามารถดูดนิวตรอนได้ เช่น แคดเนียม (Cadmium, Cd) หรือโบรอน (Boron, B) สามารถควบคุมอัตราการเกิดปฎิกริยาให้มากหรือน้อยได้ โดยความลึกของแท่งควบคุมที่หย่อนลงไปในสารหน่วงนิวตรอน

4.  สารระบายความร้อนหรือทำให้เย็น (coolant) เป็นตัวนำความร้อนที่เกิดขึ้นในเตาปฎิกรณ์ไปใช้ในการทำไอน้ำ เพื่อเดินเครื่องกังหันไอน้ำ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อาจเป็นน้ำ สารอินทรีย์ ก๊าซ หรือโลหะเหลว ก็ได้

5. กำแพงเตาหรือเครื่องกำลัง (shielding) เป็นตัวป้องกันการแพร่กระจายรังสีไม่ให้ออกไปภายนอก อาจทำเป็นเหล็กหรือคอนกรีตหนาหลาย ๆ ฟุต เพื่อห่อหุ้มเตาปฎิกรณ์นิวเคลียร์

ชนิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สามารถแบ่งได้ตามเตาปฏิกรณ์ได้ 5 ชนิด ได้แก่


 

 

 เตาปฎิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง สามารถใช้กับโรงไฟฟ้าที่มีกำลังผลิตตั้งแต่ 10-3,000 เมกกะวัตต์ ประกอบด้วยภาชนะทนแรงดัง (pressure vessel) ทำจากเหล็กกล้าผสมคาร์บอน แท่งควบคุม (control rod) และแท่งเชื้อเพลิง (fuel elements) อุปกรณ์ทั้งหมดจะอยู่ในอาคารคอนกรีตที่ก่อสร้างอย่างแข็งแรง และบุด้วยเหล็กกล้าเพื่อป้องกันรังสีรั่ว น้ำที่ใช้เป็นสารระบายความร้อน และสารหน่วงนิวตรอนจะมีความดันสูงประมาณ 1,200-2,700 ปอนด์ต่อตารางน้ำ อุณหภูมิประมาณ 450-600 องศาฟาเรนไฮท์ เนื่องจากอยู่ภายใต้ความดันสูงน้ำจึงไม่เดือด เมื่อน้ำนี้ไหลผ่านเข้าสู่หม้อน้ำหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก็จะถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำอีกวงจรหนึ่ง ซึ่งอยู่ภายใต้ความกดดันของอากาศปกติ ทำให้น้ำนั้นเดือด ได้ไอน้ำที่มีความดันประมาณ 87-600 ปอนด์ต่อตารางน้ำ อุณหภูมิประมาณ 407-590 องศาฟาเรนไฮท์ นำไปหมุนกังหันเพื่อขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อไอน้ำถ่ายพลังงานให้กับกังหันแล้วก็จะไหลเข้าสู่หอระบายความร้อนหรือเครื่องควบแน่น (condenser) ถูกกลั่นกลับมาเป็นน้ำ และไหลกลับมาเข้าหม้อน้ำ เพื่อรับพลังงานความร้อนและเดือดกลายเป็นไอน้ำอีกวนเวียนอยู่อย่างนี้เรื่อยไป
 

ข้อดีของเตาปฎิกรณ์แบบนี้คือ น้ำมีคุณสมบัติทางด้านการถ่ายเทความร้อนได้ดี ราคาถูก หาได้ง่าย มีความปลอดภัยง่ายต่อการเตรียม การเหนี่ยวนำรังสีอยู่ในระดับต่ำและอยู่ได้ไม่นาน ส่วนข้อเสีย คือ น้ำที่มีอุณหภูมิสูง จะทำให้อุปกรณ์ที่ใช้มีการสึกกร่อน น้ำมีการดูดจับนิวตรอนบางส่วน ทำให้ปฎิกริยาฟิสชั่นลดน้อยลง ซึ่งเป็นเหตุทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเพิ่มมากขึ้น อุปกรณ์ที่ใช้และภาชนะของเตาปฎิกรณ์มีราคาแพง เพราะาจะต้องสร้างให้มีความแข็งแรงทนต่อสภาวะความดันสูงของระบบการทำงาน

อันตรายของเตาปฎิกรณ์แบบนี้ อาจเกิดขึ้นได้ในกรณีที่เกิดขัดข้องขึ้นในระบบระบายความร้อนโดยไม่สามารถนำความร้อนภายในเตาปฎิกรณ์ ออกมาสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้ อุณหภูมิภายในเตาปฎิกรณ์จะสูงมากจนหลอมละลาย จะต้องหยุดการทำงานของเตาปฎิกรณ์ทันที และมีระบบน้ำฉุกเฉินสำหรับระบายความร้อนออกไปโดยเร็วที่สุด เพื่อป้องกันการหลอมละลายที่จะเกิดขึ้น เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชุดหนึ่งสามารถใช้งานได้ติดต่อกันประมาณ 1 ปี การเปลี่ยนเชื้อเพลิงใหม่จะกระทำเมื่อแท่งเชื้อเพลิงนั้นมีปริมาณยูเรเนียมเหลือน้อยลงจนถึงจุดที่ไม่สามารถใช้งานต่อไปได้ สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีกำลังการผลิตของขนาด 1,000 เมกกะวัตต์ จะใช้ปริมาณเชื้อเพลิงยูเรเนียม ประมาณ 1.5 ตันต่อปี

 

 

2.เตาปฎิกรณ์แบบน้ำเดือด (BoilingWater Reactor)

เตาปฎิกรณ์แบบนี้ใช้น้ำเป็นสารระบายความร้อน และเป็นสารหน่วงนิวตรอนด้วย โดยการนำเอาการหมุนเวียนของน้ำมาใช้ประโยชน์ ข้อเสียของเตาปฎิกรณ์แบบนี้คือ อันตรายจากกัมมันตรังสีที่อาจปนมากับน้ำและไอน้ำ และมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของสารหน่วงนิวตรอน เนื่องจากส่วนบนเป็นไอน้ำ ส่วนล่างเป็นน้ำ ทำให้เกิดไม่เสถียรภาพทางด้านไฮโดรไดนามิคและนิวเคลียร์ ข้อดีคือ สามารถสร้างให้มีแรงดันภายในเตาปฎิกรณ์ได้สูงกว่า แบบใช้ก๊าซระบายความร้อน เชื้อเพลิงที่ใช้เป็นของแข็งได้แก่ ยูเรเนียมอ๊อกไซด์

เตาปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดใช้กับโรงจักรไฟฟ้าที่มีกำลังการผลิตตั้งแต่ 1 - 1,000   เมกกะวัตต์ อุณหภูมิของน้ำระบายความร้อนอยู่ระหว่าง 350-664 องศาฟาเรนไฮท์ ความดัน 115-2,150 ปอนด์/ตารางน้ำ อุณหภูมิของไอน้ำที่ใช้ขับเครื่องกังหันอยู่ระหว่าง 350-950 องศาฟาเร็นไฮท์ ความดัน 145-1,620 ปอนด์/ตารางนิ้ว

 

วงจรการทำงานของโรงจักรคือ น้ำที่เป็นสารระบายความร้อน เมื่อได้รับความร้อนจากปฎิกริยานิวเคลียร์ภายในเตาปฏิกรณ์ จะร้อนขึ้นจนเดือดกลายเป็นไอน้ำความดันสูง ถูกส่งออกมาจากเตาปฎิกรณ์ ผ่านลิ้นลดความดัน ผ่านเครื่องแยกไอน้ำเข้าสู่เครื่องกังหัน เมื่อขับเครื่องกังหันแล้ว ไอน้ำจะไหลเข้าสู่เครื่องควบแน่น เพื่อกลั่นตัวเป็นน้ำต่อจากนั้นปั๊มจะดูดน้ำจากเครื่องควบแน่น ลงมาผ่านเครื่องเพิ่มความร้อนให้น้ำเลี้ยงและมีปั๊มน้ำเลี้ยงความดันสูง ส่งน้ำเลี้ยงเข้าสู่หม้อน้ำ ภายในเตาปฎิกรณ์เพื่อรับความร้อนหมุนเวียนดังนี้ตลอดไป

ในโรงจักรไฟฟฟ้านิวเคลียร์เตาปฎิกรณ์แบบน้ำเดือดบางแห่งมีการจัดระบบการไหลของไอน้ำให้ทำงานเป็น 2 วงจร (ตามรูปที่ 6) คือ ในวงจรแรกจะใช้ความร้อนจากเตาปฎิกรณ์ต้มน้ำ ในดรัมตัวแรกให้เดือดกลายเป็นไอน้ำ แล้วส่งเข้าไปขับเครื่องกังหัน โดยผ่านลิ้นควบคุมแรงดัน น้ำร้อนในดรัมตัวแรก จะถูกปั๊มดูดลงมาผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำในวงจรที่สอง แล้วจึงไหลกลับเข้าสู่ดรัมตัวแรก เพื่อรับความร้อนใหม่ น้ำในวงจรที่สองเมื่อได้รับความร้อนจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะไหลเข้าสู่ดรัมตัวที่สอง แยกไอน้ำออกจากน้ำส่งเข้าขับเครื่องกังหันร่วมกับไอน้ำจากวงจรแรก เมื่อขับเครื่องกังหันแล้ว ไอน้ำจะไหลลงสู่เครื่องควบแน่นเพื่อกลั่นตัวเป็นน้ำ ต่อจากนั้นจะมีปั๊ม 2 ตัว ดูดน้ำจากเครื่องควบแน่น แยกกันเป็น 2 ทาง โดยจะเข้าทั้งวงจรแรก และวงจรที่สอง เพื่อกลับไปรับความร้อนจากดรัมตัวแรก และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำการผลิตไอน้ำอีกครั้ง วนเวียนดังนี้เรื่อยไป

 

 

3.เตาปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ (gas cooled reactor)

เตาปฏิกรณ์แบบใช้ก๊าซเป็นสารระบายความร้อน อาจใช้ฮีเลียม, คาร์บอนได-ออกไซด์, หรือใช้อากาศธรรมดาก็ได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะการออกแบบของเตาปฏิกรณ์แต่ละชนิด ส่วนสารหน่วงนิวตรอนจะใช้กราไฟท์ หรือน้ำชนิดหนัก (heavy water, D2O) ข้อดีของการใช้ก๊าซเป็นสารระบายความร้อนคือ หาได้ง่าย ราคาถูก มีความปลอดภัยสูงง่ายต่อการเตรียมเพื่อนำมาใช้งาน มีอุณหภูมิสูงทำให้โรงจักรไฟฟ้าทำงานโดยมีประสิทธิภาพสูง มีการดูดจับนิวตรอนน้อย ข้อเสียคือ การถ่ายเทความร้อนเลว จึงต้องใช้เชื้อเพลิงที่ให้อุณหภูมิสูง เพื่อให้มีอัตราการถ่ายเทความร้อนจากเตาปฏิกรณ์ได้มากตามต้องการ เชื้อเพลิงต้องออกแบบเป็นพิเศษทำให้เงินลงทุนสูง มีความจุความร้อนโดยปริมาตรต่ำจึงต้องใช้ปั๊มตัวใหญ่ และท่อใหญ่กว่าแบบใช้ของเหลวเป็นสารระบายความร้อน
 

เตาปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ ใช้กับโรงจักรไฟฟ้าที่มีกำลังผลิต ตั้งแต่ 36-1,250 เมกกะวัตต์ อุณหภูมิของก๊าซระบายความร้อนอยู่ระหว่าง 638-2,400 องศาฟาเร็นไฮท์ ความดัน 95-1,200 ปอนด์/ตารางนิ้ว อุณหภูมิของไอน้ำที่ใช้ขับเครื่องกังหันอยู่ระหว่าง 597-1,000 องศาฟาเร็นไฮท์ ความดัน 146-1,450 ปอนด์/ตารางนิ้ว ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิง
 

วงจรการทำงานเป็นไปในลักษณะเช่นเดียวกับเตาปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดคือ จะใช้ความร้อนจากก๊าซร้อนที่ระบายออกมาจากเตาปฎิกรณ์นำไปถ่ายเทให้กับน้ำที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก็จะร้อนและกลายเป็นไอน้ำเข้าขับเครื่องกังหันให้ทำงาน
 

แต่การทำงานบางแบบจะใช้ก๊าซร้อนที่ออกจากเตาปฏิกรณ์แบบน้ำเดือดคือ จะใช้ความร้อนจากก๊าซร้อนที่ระบายออกมาจากเตาปฎิกรณ์นำไปถ่ายเทให้กับน้ำที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก็จะร้อนและกลายเป็นไอน้ำเข้าขับเครื่องกังหันให้ทำงาน
 

แต่การทำงานบางแบบจะใช้ก๊าซร้อนที่ออกจากเตาปฎิกรณ์านำไปขับเครื่องกังหันเลยทันที โดยไม่ต้องนำไปถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งการทำงานจะเหมือนกับเครื่องกังหันก๊าซ โดยเตาปฏิกรณ์จะทำหน้าที่เหมือนห้องเผาไหม้ ลักษณะการจัดจะมีทั้งแบบเปิดใช้อากาศธรรมดาเป็นสารระบายความร้อน และแบบปิดใช้ฮีเลียมเป็นสารระบายความร้อน
 

 

4.เตาปฎิกรณ์แบบเชื้อเพลิงของไหล (fluid fuel reactor)

เตาปฎิกรณืแบบเชื้อเพลิงของไหล ใช้เกลือยูเรเนียมฟลูออไรด์เป็นเชื้อเพลิง        ใช้กราไฟท์เป็นสารหน่วงนิวตรอน และใช้โซเดียมเหลวเป็นสารระบายความร้อน ข้อดีของเตาปฏิกรณ์แบบนี้คือ สามารถนำเอากากเชื้อเพลิงออกจากเตา และเติมเชื้อเพลิงใหม่ได้ โดยไม่ต้องหยุดการทำงานของเตาปฏิกรณ์ความดันและอุณหภูมิสูงกว่าเตาปฎิกรณ์แบบต่าง ๆที่กล่าวมาแล้วทุกชนิด ไม่มีขีดจำกัดของอุณหภูมิเชื้อเพลิงที่ออกจากเตาปฏิกรณ์ ข้อเสียคือ มีการกัดกร่อนมาก โดยเฉพาะเมื่อมีการไหลเวียนของเชื้อเพลิงในวงจรตลอดเวลา และต้องออกแบบให้เตาปฏิกรณ์ทนต่อแรงดันสูง ๆ
 

เตาปฏิกรณ์แบบนี้ ใช้กับโรงจักรที่มีกำลังการผลิต ตั้งแต่ 1-10 เมกกะวัตต์ อุณหภูมิของสารระบายความร้อนอยู่ระหว่าง 482-1,500 องศาฟาเรนไฮท์ ความดัน 50-3,600 ปอนด์/ตารางนิ้ว อุณหภูมิของไอน้ำที่ใช้ขับเครื่องกังหัน 385-800 องศาฟาเร็นไฮท์ ความดัน 200-1,800 ปอนด์/ตารางนิ้ว
 

 

วงจรการทำงานของเตาปฎิกรณ์แบบเชื้อเพลิงของไหลคือ เชื้อเพลิงของไหล เกลือ ยูเรเนียม ฟลูออไรด์ มีความร้อนเนื่องจากเกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ จะส่งความร้อนมาให้เครื่องสะท้อนที่อยู่รอบ ๆ ภายในเตาปฎิกรณ์ ในวงจรเชื้อเพลิงมีปั๊มทำให้เกิดการไหลวนเวียน นำเชื้อเพลิงเข้ามาที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับฮีเลียม ซึ่งเป็นตัวกลางในการรับความร้อนจากเชื้อเพลิงของไหล นำมาถ่ายเทให้กับน้ำที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกตัวหนึ่ง ทำให้น้ำเดือดกลายเป็นไอน้ำนำไปขับเครื่องกังหัน การใช้ฮีเลียมในวงจรกลางในการถ่ายเทความร้อน ก็เพื่อลด และป้องกันรังสีอันเกิดจากเชื้อเพลิงของไหลที่มีค่าสูง มิให้ปนเปื้อนไปกับน้ำ หรือไอน้ำที่นำไปขับเครื่องกังหัน
 

เนื่องจากความร้อนที่สะสมอยู่ที่เครื่องสะท้อน จำเป็นจะต้องมีการระบายออกโดยใช้สารระบายความร้อนคือ โซเดียมเหลว ซึ่งในระบบจะมีปั๊มสำหรับให้โซเดียมเหลวมีการไหลวนเวียนเหมือนเชื้อเพลิงของไหลเช่นเดียวกัน ความร้อนของโซเดียมเหลวที่รับจากเครื่องสะท้อน จะถูกนำมาถ่ายเทให้กับฮีเลียมที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แล้วจึงไหลกลับเข้าไปในเตาปฏิกรณ์เพื่อรับความร้อนใหม่ สำหรับฮีเลียม เมื่อรับความร้อนแล้วจะถูกเครื่องเป่าให้ไหลเข้าไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกตัวหนึ่ง เพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับน้ำเลี้ยงของหม้อน้ำ หลังจากนั้นจะไหลกลับมารับความร้อนที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวเดิมอีก วนเวียนดังนี้เรื่อย ๆ ไป

 

 

5.โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแคนดูู (PHWR or CANDO)

หลักการทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแคนดู
          ระบบผลิตไอน้ำเป็นแบบสองวงจร แต่ใช้น้ำหนักมวล (Heavy water,D2O) แทนน้ำธรรมดา น้ำหนักมวลในท่อเชื้อเพลิงมีความดันประมาณ 10 ล้านปาสกาล มีอุณหภูมิสูงประมาณ 310 องศาเซลเซียส แต่ไม่เดือดเป็นไอเนื่องจากถูกควบคุมด้วยเครื่องอัดความดันน้ำร้อนจะถูกส่งไปยังเครื่องผลิตไอน้ำเพื่อทำให้น้ำในอีกวงจรหนึ่งเดือด ไอน้ำไปยังกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า
 

 

 

 

 

 
ขอขอบคุณแหล่งที่มาของข้อมูล