วิกิพีเดีย

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear Reactor) เป็นอุปกรณ์ที่ก่อกำเนิดและควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่ (อังกฤษ: Nuclear chain reaction) อย่างยั่งยืน มันถูกนำมาใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้าและในการขับเคลื่อนเรือ ความร้อนจากนิวเคลียร์ฟิชชั่นถูกส่งไปให้กับของเหลว (น้ำหรือก๊าซ) ให้เป็นตัวทำงาน (อังกฤษ: working fluid) ของเหลวความร้อนสูงจะไหลไปหมุนกังหันเพื่อหมุนใบพัดเรือหรือหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำที่สร้างโดยนิวเคลียร์ในหลักการสามารถนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรม หรือสำหรับให้ความร้อนชุมชน (อังกฤษ: district heating) เครื่องปฏิกรณ์บางเครื่องใช้ในการผลิตไอโซโทปสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรม หรือผลิตพลูโตเนียมสำหรับทำอาวุธ บางเครื่องก็ใช้สำหรับงานวิจัยเท่านั้น ทุกวันนี้มีประมาณ 450 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าในประมาณ 30 ประเทศทั่วโลก[1]

แกนของ CROCUS, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กที่ใช้สำหรับการวิจัยที่ EPFL ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์
บทความนี้เป็นบทความย่อยของพลังงานนิวเคลียร์

กลไก

แก้

บทความหลัก: กายภาพของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

 
ภาพแสดงเหตุการณ์ที่นิวเคลียร์ฟิชชั่นเกิดขึ้น โดย นิวตรอน จะถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 ส่งผลให้มันแยกออกเป็นองค์ประกอบเคลื่อนที่เร็วที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน (อังกฤษ: Fission product)) พร้อมกับนิวตรอนอิสระ แม้ว่าทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์จะพึ่งพาห่วงโซ่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็ตาม แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์จะเกิดขึ้นช้ากว่าในระเบิดมาก

เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อน ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น

ฟิชชัน

แก้

บทความหลัก: นิวเคลียร์ฟิชชัน

เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น[2] เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear chain reaction)

เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน (อังกฤษ: neutron poison หรือ neutron absorber)[3] และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator) สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง[4] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลง หากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย[5]

ตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันโดยทั่วไปประกอบด้วยน้ำธรรมดา (น้ำเบา) (เป็น 74.8% ของเครื่องปฏิกรณ์ของโลก), แท่งแกรไฟท์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water) (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) บางชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการทดลองจะใช้เบริลเลียม แต่ไฮโดรคาร์บอนก็ได้รับการแนะนำว่าเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง[4]

การสร้างความร้อน

แก้

แกนเครื่องปฏิกรณ์สร้างความร้อนได้หลายวิธี:

  • พลังงานจลน์ของผลผลิตจากฟิชชันจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน เมื่อนิวเคลียสเหล่านี้ชนกับอะตอมในบริเวณใกล้เคียง
  • เครื่องปฏิกรณ์ดูดซ​​ับบางส่วนของรังสีแกมมาที่ผลิตขึ้นระหว่างฟิชชั่นและแปลงพลังงานของพวกมันเป็นความร้อน
  • ความร้อนจะถูกผลิตโดย การสลายกัมมันตรังสี ของผลผลิตจากฟิชชันและโดยวัสดุที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานโดยการดูดซึมนิวตรอน. การสลายตัวของแหล่งความร้อนนี้จะยังคงดำเนินต่อไปสักระยะ แม้ว่าจะเป็นช่วงหลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง

หนึ่งกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่แปลงผ่านกระบวนการนิวเคลียร์จะปล่อยพลังงานประมาณสามล้านเท่า มากกว่าหนึ่งกิโลกรัมของถ่านหินที่ถูกเผาแบบดั้งเดิม (7.2 × 1013 จูลต่อกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 เมื่อเทียบกับ 2.4 × 107 จูลต่อกิโลกรัมของถ่านหิน)[6][7][8]

การระบายความร้อน

แก้

ตัวหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - ปกติใช้น้ำ แต่บางครั้งใช้ก๊าซหรือโลหะเหลว (เช่นโซเดียมเหลว) หรือเกลือหลอมละลาย - ถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่จะสร้างออกมา. ความร้อนจะถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์และถูกนำมาใช้ในการสร้างไอน้ำ. ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบทำความเย็นที่แยกทางกายภาพ ออกจากน้ำที่จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันเช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (อังกฤษ: pressurized water reactor (PWR))" แต่ในบางเครื่องปฏิกรณ์, น้ำสำหรับกังหันไอน้ำถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์, ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (อังกฤษ: boiling water reactor (BWR))[9]

การควบคุมการเกิดปฏิกิริยา

แก้

บทความหลัก: การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, ความปลอดภัยนิวเคลียร์แบบไม่ตอบโต้, นิวตรอนที่ล่าช้า, หลุมไอโอดีน, SCRAM, และ ความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Decay heat)

พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปรับโดยการควบคุมจำนวนนิวตรอนที่สามารถสร้าง fissions เพิ่มเติม

แท่งควบคุม (อังกฤษ: control rod) จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น

ในระดับแรกของการควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง, กระบวนการของการปล่อยนิวตรอนที่ล่าช้าจากจำนวนของไอโซโทปฟิชชันที่อุดมด้วยนิวตรอน เป็นกระบวนการทางกายภาพที่สำคัญ นิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้มีอยู่ประมาณ 0.65% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชั่น, กับส่วนที่เหลืออยู่ (ที่เรียกว่า "prompt neutron") ที่ถูกปล่อยออกทันทีเมื่อเกิดฟิชชัน ผลผลิตจากฟิชชั่นที่ผลิตนิวตรอนล่าช้ามีครึ่งชีวิตในการสลายตัวของพวกมัน โดยการปล่อยนิวตรอนที่หลากหลายจากมิลลิวินาทีจนถึงเวลาหลายนาที. การรักษาเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในโซนของห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่นิวตรอนล่าช้า เป็นสิ่ง'จำเป็น'เพื่อให้บรรลุสภาวะมวลวิกฤต, เปิดช่วงเวลาให้อุปกรณ์เครื่องกลหรือมนุษย์ผู้ประกอบการที่จะมีเวลาในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ใน "เวลาจริง"; มิฉะนั้นเวลาระหว่างความสำเร็จของวิกฤตและนิวเคลียร์หลอมละลายเป็นผลมาจากไฟกระชากแบบเอ็กโปเนนเชียลจา​​กปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ปกติ, จะสั้นเกินไปที่จะยอมให้มีการแทรกแซง.

ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่น สูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย

ในเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ตัวหล่อเย็นทำหน้าที่เป็น poison โดยการดูดซับนิวตรอนในลักษณะเดียวกับที่แท่งควบคุมทำ. ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ พลังงานส่งออกจะสามารถเพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนตัวหล่อเย็น, ซึ่งทำให้มันมีความหนาแน่นของ poison น้อย. [อ้างจำเป็น] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมีระบบอัตโนมัติและระบบใช้มือในการ scram เครื่องปฏิกรณ์ในกรณีปิดตัวลงฉุกเฉิน ระบบเหล่านี้จะใส่ poison จำนวนมาก (มักจะเป็นโบรอนในรูปแบบของกรดบอริก) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบ หรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย[10]

ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burn-off (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล[11]

เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ใน'การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล' (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือดำน้ำนิวเคลียร์) มักจะไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟต่อเนื่องตลอดเวลา ในลักษณะเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนบกที่ทำงานได้ตามปกติ และนอกจากนี้มักจะต้องมีอายุของแกนที่ยาวมากโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง. ด้วยเหตุผลนี้ การออกแบบจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมสมรรถนะสูง แต่รวม neutron poison ที่ใหม้ไฟได้ลงในแท่งเ​​ชื้อเพลิงโดยตรง[12]. วิธีการนี้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถถูกสร้างด้วยส่วนเกินของวัสดุที่ฟิชชั่นได้, ซึ่งอย่างไรก็ดี ถูกทำให้ค่อนข้างปลอดภัยมากขึ้นในช่วงต้นของวงจรการเผาเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุที่ดูดกลืนนิวตรอน, ที่หลังจากนั้นมีการแทนที่ด้วย neutron poison อายุยาวที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติ (อายุยาวนานกว่าซีนอน-135 มาก) ซึ่งค่อยๆสะสมตลอดช่วงอายุการใช้งานโหลดเชื้อเพลิง

การผลิตพลังงานไฟฟ้า

แก้

พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือ จะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า[10]

เครื่องปฏิกรณ์ในช่วงต้น

แก้
ข้อมูลเพิ่มเติม: นิวเคลียร์ฟิชชั่น-ประวัติ

นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933 เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมา ขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน[13]. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้

 
Lise Meitner และ Otto Hahn ในห้องปฏิบัติการของพวกเขา

แรงบันดาลใจสำหรับรูปแบบใหม่ของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมมาจากการค้นพบของลีซ ไมต์เนอ, ฟริตซ์ Strassmann และอ็อตโต ฮาห์นในปี 1938 ที่การระดมโจมตีของยูเรเนียมด้วยนิวตรอน (ที่จัดการโดยปฏิกิริยาอัลฟาในเบริลเลียมฟิวชั่น "ปืนครกนิวตรอน") ที่ผลิตสารตกค้างแบเรียม, ซึ่งพวกเขาให้เหตุผลที่ถูกสร้างขึ้นโดยการทำฟิชชั่นของนิวเคลียสของยูเรเนียม. การศึกษาต่อในช่วงต้นปี 1939 (หนึ่งของการศึกษานี้ทำโดย Szilárd และ Fermi) เปิดเผยว่าหลายนิวตรอนได้รับการปล่อยตัวในระหว่างการทำฟิชชั่น, ทำให้มีโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ Szilárd ได้จินตนาการไว้หกปีก่อนหน้านี้

เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 1939 Albert Einstein ลงนามในจดหมายถึงประธานาธิบดีโรสเวลต์ (เขียนโดย Szilárd) แนะนำว่าการค้นพบของการฟิชชั่นของยูเรเนียมอาจนำไปสู่​​การพัฒนาของ "ระเบิดที่มีประสิทธิภาพสูงมากของรูปแบบใหม่", เพื่อเป็นแรงผลักดันให้ทำการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์และฟิชชั่น. Szilárd และ Einstein รู้กันดีและได้ทำงานร่วมกันหลายปีก่อน, แต่ Einstein ไม่เคยคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์นี้จนกระทั่งซิลาร์ดรายงานมันกับเขา, ที่จุดเริ่มต้นของการแสวงหาของเขาในการเขียน'จดหมาย Einstein-Szilárd' เพื่อแจ้งเตือนรัฐบาลสหรัฐ

ไม่นานหลังจากเยอรมนีของฮิตเลอร์บุกโปแลนด์ในปี 1939, เริ่มต้นสงครามโลกครั้งที่สองในยุโรป. สหรัฐอเมริกาก็ยังไม่อยู่ในภาวะสงครามอย่างเป็นทางการ, แต่ในเดือนตุลาคม, เมื่อจดหมาย Einstein-Szilárd ถูกส่งไปยังโรสเวล, เขาให้ความเห็นว่าวัตถุประสงค์ของการทำวิจัยคือเพื่อให้แน่ใจว่า "พวกนาซีจะไม่ระเบิดเราทิ้ง". โครงการนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกาก็ตามมา, แม้ว่าจะมีความล่าช้าบางอย่างที่ยังถูกมองในแง่ร้าย (บางส่วนจาก Fermi) และยังมีการดำเนินการเพียงเล็กน้อยจากเจ้าหน้าที่ในรัฐบาลบางคน ที่ถูกกล่าวหาในตอนแรกว่ามีการเลื่อนโครงการไปข้างหน้า

ปีต่อมา รัฐบาลสหรัฐได้รับบันทึก Frisch-Peierls จากสหราชอาณาจักรที่ระบุว่าปริมาณของยูเรเนียม ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่จะต่ำกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้มาก บันทึกถูกเขียนขึ้นโดย 'คณะกรรมการ MAUD' ซึ่งกำลังทำงานในโครงการระเบิดปรมาณูของสหราชอาณาจักรที่เรียกว่า Tube Alloys หลังจากนั้นจะถูกควบรวมอยู่ภายใน 'โครงการแมนฮัตตัน'

 
ทีมงาน'เสาเข็มชิคาโก'ประกอบด้วยเอนรีโก Fermi และลีโอ Szilárd

ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทียมเครื่องแรก, Chicago Pile-1, ถูกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยชิคาโก, โดยทีมงานที่นำโดยเอนรีโก Fermi ในปลายปี 1942. ในเวลานั้น โครงการได้รับการกดดันเป็นปีโดยการเข้าร่วมในสงครามของสหรัฐ. โครงการเสาเข็มชิคาโกประสบความสำเร็จขั้น'มวลวิกฤต'ในวันที่ 2 ธันวาคม 1942[14] เวลา 15:25 น. โครงสร้างที่รองรับเครื่องปฏิกรณ์ทำจากไม้, ซึ่งรองรับเสาเข็ม (จึงเป็นที่มาของชื่อ)ทำด้วยบล็อกแกรไฟท์, ที่ภายในถูกฝังด้วยยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติรูป 'pseudospheres' หรือ 'ลูกกลม'

ไม่นานหลังจากโครงการเสาเข็มชิคาโก, กองทัพสหรัฐได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวนมากสำหรับ'โครงการแมนฮัตตัน'ที่จะเริ่มในปี 1943 วัตถุประสงค์หลักสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ที่สุด (ติดตั้งที่ Hanford ในรัฐวอชิงตัน) ก็คือเพื่อผลิตพลูโตเนียมจำนวนมากๆสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ Fermi และ Szilard ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในวันที่ 19 ธันวาคม 1944 การอนุมัติถูกเลื่อนออกไปเป็นเวลา 10 ปีเพราะเป็นความลับของสงคราม[15]

"โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก" ถูกอ้างสิทธ์โดยสัญลักษณ์ที่สถานที่ติดตั้งของ EBR-I, ซึ่งปัจจุบันเป็นพิพิธภัณฑ์ใกล้ Arco, รัฐไอดาโฮ. แต่เดิมเรียกว่า "Chicago Pile-5", มันดำเนินการภายใต้การดูแลของวอลเตอร์ ซินน์ สำหรับ'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน'[16]. การทดลองกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ LMFBR (liquid metal fast breeder reactor)นี้ดำเนินการโดย'คณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐอเมริกา'ที่ผลิต 0.8 กิโลวัตต์ในการทดสอบครั้งหนึ่งเมื่อวันที่ 20 ธันวาคม 1951[17] และ 100 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า) ในวันรุ่งขึ้น[18], ด้วยการออกแบบที่มีกำลังการส่งออกที่ 200 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า)

นอกเหนือจากการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในทางทหาร, ยังมีเหตุผลทางการเมืองที่จะติดตามการใช้งานพลังงานปรมาณูด้านพลเรือน. ประธานาธิบดีสหรัฐ ดไวต์ ไอเซนฮาว ได้กล่าวสุนทรพจน์เกี่ยวกับ 'พลังงานปรมาณูเพื่อสันติ' ที่มีชื่อเสียงของเขาที่ 'สมัชชาใหญ่องค์การสหประชาชาติ' เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 1953 ศิลปะทางการทูตแบบนี้นำไปสู่​​การแพร่กระจายของเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ให้กับสถาบันต่างๆของสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก

โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางพลเรือนคือโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ AM-1 Obninsk, เปิดตัววันที่ 27 มิถุนายน 1954 ในสหภาพโซเวียต. มันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 5 เมกะวัตต์

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง, ทหารสหรัฐขอใช้เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกิการอื่น ๆ การวิจัยโดยกองทัพบกและกองทัพอากาศไม่เคยบรรลุผล แต่กองทัพเรือสหรัฐประสบความสำเร็จเมื่อพวกเขาจ่ายพลังงานไอน้ำให้กับเรือ ยูเอสเอส Nautilus (SSN-571) ด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในวันที่ 17 มกราคม 1955

สถานีไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์สถานีแรกคือ Calder Hall ใน Sellafield, อังกฤษถูกเปิดในปี 1956 มีกำลังการผลิตเริ่มต้นจาก 50 เมกะวัตต์ (200 MW ในภายหลัง)[19][20]

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบพกพาเครื่องแรกคือ "Alco PM-2A" ใช้ในการสร้างพลังงานไฟฟ้า (2 เมกะวัตต์) ใน Camp Century ในปี 1960[21]

ส่วนประกอบ

แก้
 
ห้องควบคุมของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Pulstar ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐ North Carolina

ส่วนประกอบที่สำคัญที่มีเหมือนกันหมดของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่คือ:

  • เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
  • แกนปฏิกรณ์นิวเคลียร์
  • ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator)
  • ตัวดูดซับนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron poison หรือ Neutron Absorber)
  • Neutron howitzer (เป็นแหล่งจ่ายนิวตรอนที่แน่นอนเพื่อเรื่มต้นปฏิกิริยาใหม่หลังจากการ shutdown)
  • ตัวหล่อเย็น (บ่อยครั้งที่ Neutron Moderator และตัวหล่อเย็นจะเป็นตัวเดียวกัน, ปกติทั้งสองตัวเป็นน้ำบริสุทธ์)
  • แท่งควบคุม ถ้าสอดเข้าไปจนสุดจะดูดซับนิวตรอนจนหมด
  • อ่างปฏิกรณ์
  • ปั้มป้อนน้ำหม้อต้ม
  • ตัวผลิตไอน้ำ (ไม่มีใน BWRs)
  • กังหันไอน้ำ
  • เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
  • ตัวควบแน่น(เครื่องที่เปลี่ยนก๊าซหรือไอน้ำให้เป็นของเหลว)
  • หอเย็น (ไม่จำเป็นเสมอ)
  • Radwaste System (ส่วนหนึ่งของโรงงานเพื่อจัดการกับกากรังสี)
  • ชั้นเติมเชื้อเพลิง (อังกฤษ: Refueling floor)
  • บ่อรวบรวม เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (อังกฤษ: spent nuclear fuel (SNF))
  • ระบบรักษาความปลอดภัยนิวเคลียร์
  • ระบบป้องกันปฏิกรณ์ (อังกฤษ: Reactor Protective System (RPS))
  • เครื่องกำเนิดไฟฟ้าฉุกเฉินเครื่องดีเซล
  • ระบบหล่อเย็นแกนฉุกเฉิน (อังกฤษ: Emergency Core Cooling Systems (ECCS))
  • ระบบควบคุมของเหลวสำรอง (การฉีดโบรอนฉุกเฉิน, เฉพาะใน BWRs เท่านั้น)
  • ระบบน้ำบริการหลัก (อังกฤษ: Essential service water system (ESWS))
  • อาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (อังกฤษ: Containment building) อาคารหรือสิ่งก่อสร้างชั้นนอกที่ออกแบบให้มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ เพื่อป้องกันเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จากอุบัติภัยภายนอก และเพื่อไม่ให้สารกัมมันตรังสีแพร่กระจายออกสู่สิ่งแวดล้อม กรณีเกิดอุบัติเหตุภายในอาคารหรือสิ่งกักกั้นชำรุดหรือเสียหาย[22]
  • ห้องควบคุม
  • สิ่งอำนวยความสะดวกการดำเนินงานฉุกเฉิน
  • สิ่งอำนวยความสะดวกการฝึกอบรมนิวเคลียร์ (ปกติจะมีเครื่องจำลองห้องควบคุมอยู่ภายใน)

ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์

แก้
 
เครื่องปฏิกรณ์ Pulstar ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนาเป็นเครื่องปฏิกรณ์วิจัยขนาด 1 เมกะวัตต์ประเภท pool-type ที่ใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะ 4% แบบ pin-type ที่ประกอบด้วยเม็ด UO2 ในตัวหุ้ม zircaloy

การจำแนกประเภท

แก้

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกจำแนกประเภทด้วยวิธีการหลายอย่าง. เค้าร่างสั้นๆของวิธีการจำแนกเหล่านี้ได้แก่:

การจัดหมวดหมู่ตามประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์

แก้
  • นิวเคลียร์ฟิชชั่น. เครื่องปฏิกรณ์พลังงานเชิงพาณิชย์ทั้งหมดจะใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น โดยทั่วไปจะใช้ยูเรเนียมและผลิตผลของมันซึ่งได้แก่พลูโตเนียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แม้ว่าวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมก็สามารถนำมาใช้ได้ เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชั่นสามารถแบ่งออกหยาบ ๆ เป็นสองระดับชั้น, ขึ้นอยู่กับพลังงานของนิวตรอนที่รักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชั่น:
    • 'เครื่องปฏิกรณ์ความร้อน' (เป็นชนิดที่พบมากที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) ใช้นิวตรอนที่วิ่งช้าหรือนิวตรอนความร้อนเพื่อรักษาสภาวะการฟิชชั่นของเชื้อเพลิงของพวกมัน เครื่องปฏิกรณ์เกือบทั้งหมดในปัจจุบันเป็นประเภทนี้ เครื่องเหล่านี้จะติดตั้งวัสดุที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน (อังกฤษ: neutron moderator) ที่จะทำให้นิวตรอนช้าลงจนกระทั่ง'อุณหภูมินิวตรอน'ของพวกมันจะ thermalized, นั่นคือ, จนกระทั่งพลังงานจลน์ของพวกมันเคลื่อนเข้าสู่พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคโดยรอบ นิวตรอนร้อนมีหน้าตัดนิวเคลียร์ (ความน่าจะเป็น)ที่ใหญ่กว่ามากๆ ของการเกิดฟิชชั่นบนนิวเคลียสที่มีคุณสมบัติทำฟิชชั่นได้ เช่นยูเรเนียม-235, พลูโตเนียม-239, และพลูโตเนียม-241, และความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำกว่าของ'การจับนิวตรอน'โดยยูเรเนียม-238 (U-238) เมื่อเทียบกับนิวตรอนที่เร็วกว่าที่มาเป็นผลแต่เดิมมาจากการฟิชชั่น, เป็นการยอมให้สามารถใช้ยูเรเนียมสมรรถนะต่ำหรือเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติด้วยซ้ำ ตัวหน่วงนิวตรอนมักจะเป็นตัวหล่อเย็นอีกด้วย, ปกติจะเป็นน้ำความดันสูงเพื่อเพิ่มจุดเดือด อุปกรณ์เหล่านี้จะถูกล้อมรอบด้วยอ่างปฏิกรณ์ (อังกฤษ: reactor vessel), เครื่องมือเฝ้าดูและควบคุมเครื่องปฏิกรณ์, โลห์ป้องกันรังสี, และอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
    • 'เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว' ใช้ 'นิวตรอนเร็ว' เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันในเชื้อเพลิงของพวกมัน พวกมันไม่ได้มีตัวหน่วงนิวตรอน, แต่ใช้สารหล่อเย็นที่มีตัวหน่วงน้อย การรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้คงไว้ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เป็นวัสดุฟิชชั่นมีสมรรถนะสูงมาก (ประมาณ 20% หรือมากกว่า) อันเนื่องมาจากความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำของการฟิชชั่นเมื่อเทียบกับการจับนิวตรอนโดย U-238 เครื่องปฏิกรณ์เร็วมีศักยภาพในการผลิตของเสียแบบ transuranic น้อยเพราะ actinides ทุกตัวจะสามารถทำฟิชชั่นได้ด้วยนิวตรอนเร็ว[23], แต่พวกมันจะสร้างยากกว่าและการดำเนินงานมีราคาแพงกว่า โดยรวม เครื่องปฏิกรณ์เร็วจะถูกใช้น้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนในการใช้งานส่วนใหญ่ สถานีพลังงานช่วงต้นบางสถานีเป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วเช่นเดียวกับบางหน่วยเรือลากจูงรัสเซีย การสร้างต้นแบบเป็นไปอย่างต่อเนื่อง (ดู fast breeder หรือเครื่องปฏิกรณ์ generation IV)
  • นิวเคลียร์ฟิวชัน พลังงานฟิวชั่นเป็นเทคโนโลยีการทดลอง, โดยทั่วไปมีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ในขณะที่มันไม่เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้า, ตัวทำปฏิกิริยาฟิวชั่นแบบ Farnsworth-Hirsch ถูกใช้ในการผลิตรังสีนิวตรอน

การจำแนกประเภทโดยวัสดุตัวหน่วง

แก้

ถูกใช้โดยเครื่องปฏิกรณ์ร้อน:

  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แกรไฟท์เป็นตัวหน่วง
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำเป็นตัวหน่วง
    • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำที่หนักเป็นตัวหน่วง (ใช้ในประเทศแคนาดา[24]).
    • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำเบาเป็นตัวหน่วง (อังกฤษ: Light-water-moderated Reactor (LWR)) หรือสั้นๆว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (เป็นชนิดที่พบมากที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน) ใช้น้ำธรรมดาเพื่อหน่วงและหล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์ ที่อุณหภูมิการทำงาน, ถ้าอุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น, ความหนาแน่นของมันจะลดลง และนิวตรอนน้อยลงที่วิ่งผ่านมันจะชะลอความเร็ว แต่ก็มากพอที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป negative feedback จะรักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยา เครื่องปฏิกรณ์แกรไฟท์และน้ำหนักมีแนวโน้มที่จะ thermalised อย่างละเอียดได้ดีกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา เนื่องจากมี thermalization ที่ยอดเยี่ยม, ประเภทเหล่านี้สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ/เชื้อเพลิงที่ไม่ถูกปรับสมรรถนะ
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้องค์ประกอบเบาเป็นตัวหน่วง เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะถูกหน่วงโดยลิเธียมหรือเบริลเลียม
    • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เกลือหลอมละลายเป็นตัวหน่วง (อังกฤษ: Molten salt reactor (MSR)) จะถูกหน่วงโดยองค์ประกอบเบาเช่นลิเธียมหรือเบริลเลียมซึ่งเป็นองค์ประกอบของเกลือ LiF และ BeF2 ที่เป็นตัวหล่อเย็น/เชื้อเพลิงเมทริกซ์
    • เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยโลหะเหลว, เช่นเดียวกับเครื่องที่มีตัวหล่อเย็นเป็นส่วนผสมของตะกั่วและบิสมัท, อาจใช้ Béo เป็นตัวหน่วง
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่มีตัวหน่วงแบบอินทรีย์ (อังกฤษ: Organically moderated reactor (OMR)) ใช้ biphenyl และ terphenyl เป็นตัวหน่วงและตัวหล่อเย็น

การจำแนกประเภทโดยตัวหล่อเย็น

แก้
 
การบำรุงรักษาส่วนภายในของกรอบเครื่องปฏิกรณ์ VVER-1000 ใน Atommash
 
ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ความร้อน (หรือที่เฉพาะเจาะจงคือ LWR) ตัวหล่อเย็นจะทำหน้าที่เป็นตัวหน่วง ที่ต้องชะลอความเร็วนิวตรอน ก่อนที่พวกมันจะสามารถถูกดูดซึมได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยเชื้อเพลิง
  • เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยน้ำ, กำลังดำเนินการอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกาทั้งหมด 104 เครื่อง. ในจำนวนนี้ เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR) 69 เครื่องและเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) 35 เครื่อง[25]
    • เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR), เป็นส่วนใหญ่ของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ของประเทศตะวันตกทั้งหมด
      • ลักษณะหลักของ PWRs คือตัวสร้างแรงดันที่เรียกว่า อ่างแรงดันเชี่ยวชาญ (อังกฤษ: specialized pressure vessel) PWRs ในเชิงพาณิชย์และเครื่องปฏิกรณ์ในเรือส่วนใหญ่ใช้ตัวสร้างแรงดัน ในระหว่างการดำเนินงานปกติ, ตัวสร้างแรงดันถูกเติมบางส่วนด้วยน้ำ, และฟองไอน้ำจะถูกเก็บไว้เหนือมันโดยการให้ความร้อนกับน้ำด้วยเครื่องทำความร้อนที่จมอยู่ใต้น้ำ ในระหว่างการดำเนินงานปกติ, ตัวสร้างแรงดันถูกเชื่อมต่อกับอ่างความดันเครื่องปฏิกรณ์ (อังกฤษ: reactor pressure vessel (RPV)) หลักและ "ฟอง" ของตัวสร้างแรงดันจะสร้างพื้นที่การขยายตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำในเครื่องปฏิกรณ์ การตระเตรียมแบบนี้ยังสร้างมาตรการการควบคุมความดันสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ โดยการเพิ่มหรือการลดแรงดันไอน้ำในตัวสร้างแรงดันโดยการใช้เครื่องทำความร้อนในตัวสร้างแรงดัน
      • เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำหนักเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ, มีการใช้ร่วมกันของลูปขนส่งความร้อนที่ถูกอัดความดันที่แยกจากกัน แต่ใช้น้ำหนักเป็นสารหล่อเย็นและเป็นตัวหน่วงสำหรับประหยัดนิวตรอนได้มากขึ้น
    • เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR)
      • BWRs จะมีน้ำเดือดรอบแท่งเชื้อเพลิงในส่วนล่างของถังความดันของเครื่องปฏิกรณ์ขั้นต้น เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดใช้ 235U, ที่ถูกเสริมสถานะเป็นยูเรเนียมไดอ็อกไซด์, เป็นเชื้อเพลิงของมัน เชื้อเพลิงถูกประกอบขึ้นเป็นแท่งๆตั้งอยู่ในถังเหล็กที่จมอยู่ในน้ำ นิวเคลียร์ฟิชชั่นจะทำให้น้ำเดือด, สร้างไอน้ำขึ้น ไอน้ำนี้จะไหลผ่านท่อเข้าสู่กังหัน กังหันจะถูกขับเคลื่อนด้วยไอน้ำและกระบวนการนี้สร้างกระแสไฟฟ้า[26] ในระหว่างการดำเนินงานปกติ ความดันจะถูกควบคุมโดยปริมาณของไอน้ำที่ไหลจากถังแรงดันเครื่องปฏิกรณ์ไปยังกังหัน
    • เครื่องปฏิกรณ์ประเภท Pool
  • เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยโลหะเหลว เนื่องจากน้ำเป็นตัวหน่วงอย่างหนึ่ง, มันไม่สามารถถูกนำมาใช้เป็นตัวหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์เร็ว สารหล่อเย็นแบบโลหะเหลวได้แก่โซเดียม, NaK, ตะกั่ว, ตะกั่วบิสมัทยูเทคติก, และในเครื่องปฏิกรณ์รุ่นแรก ๆ , ปรอท
    • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยโซเดียม
    • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่ว
  • เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยแก๊ส จะระบายความร้อนด้วยแก๊สเฉื่อยหมุนเวียน, มักเป็นฮีเลียมในการออกแบบที่อุณหภูมิสูง, ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีการใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ผ่านมาของอังกฤษและฝรั่งเศส ไนโตรเจนก็ถูกใช้เช่นกัน [อ้างจำเป็น] การใช้ประโยชน์จากความร้อนแตกต่างกันไป, ขึ้นอยู่กับเครื่องปฏิกรณ์ เครื่องปฏิกรณ์บางเครื่องทำงานจนร้อนพอที่จะทำให้แก๊สสามารถให้พลังงานกังหันแก๊สได้โดยตรง การออกแบบที่เก่ามากกว่ามักจะผ่านแก๊สไปที่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (อังกฤษ: heat exchanger) เพื่อสร้างไอน้ำสำหรับกังหันไอน้ำ
  • เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย (MSRs) จะถูกระบายความร้อนด้วยการหมุนเวียนเกลือหลอมละลาย, ได้แก่ส่วนผสมยูเทคติกของเกลือฟลูออไรเช่น FLiBe. ใน MSR ทั่วไป, ตัวหล่อเย็นยังถูกใช้เป็นเมทริกซ์ในที่ซึ่งวัตถุฟิชชั่นจะละลาย

การจำแนกประเภทโดยรุ่น

แก้
  • เครื่องปฏิกรณ์ Generation I (ต้นแบบรุ่นแรกๆ, เครื่องปฏิกรณ์วิจัย, เครื่องปฏิกรณ์การผลิตพลังงานที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์)
  • เครื่องปฏิกรณ์ Generation II (โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่ 1965-1996)
  • เครื่องปฏิกรณ์ Generation III (การปรับปรุงวิวัฒนาการของการออกแบบที่มีอยู่ตั้งแต่ปี 1996 จนถึงปัจจุบัน)
  • เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV (เทคโนโลยียังอยู่ระหว่างการพัฒนา, ไม่ทราบวันที่เริ่มต้น, อาจเสร็จในปี 2030)

"Gen IV" ถูกขนานนามโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) สำหรับการพัฒนารูปแบบโรงงานใหม่ในปี 2000[27]. ในปี 2003 Commissariat à l'Énergie Atomique]] (CEA) ของฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่อ้างถึง Gen II ในวารสาร Nucleonics Week[28], การกล่าวขวัญครั้งแรกของ Gen III ก็เกิดขึ้นในปี 2000 ร่วมกับการเปิดตัวของแผน Generation IV International Forum (GIF)

การจำแนกประเภทโดยขั้นตอนของเชื้อเพลิง

แก้
  • เชื้อเพลิงแข็ง
  • เชื้อเพลิงเหลว
    • เครื่องปฏิกรณ์น้ำเหมือนกัน
    • เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย
  • เชื้อเพลิงแก๊ส (ทางทฤษฎี)

การจำแนกประเภทโดยการใช้ประโยชน์

แก้
  • ไฟฟ้า
    • โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์, รวมทั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก
  • การขับเคลื่อน, ดู เครื่องยนต์นิวเคลียร์
    • การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล
    • รูปแบบที่เสนอต่างๆของการขับเคลื่อนจรวด
  • การใช้ความร้อนอื่น ๆ
    • กระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ
    • ความร้อนเพื่อให้ความอบอุ่นในชุมชนและเพื่อการอุตสาหกรรม
    • การผลิตไฮโดรเจนสำหรับการใช้งานในระบบเศรษฐกิจไฮโดรเจน
  • เครื่องปฏิกรณ์การผลิตสำหรับการแปลงสภาพ (อังกฤษ: transmutation) ขององค์ประกอบ
    • เครื่องปฏิกรณ์ Breeder ที่มีความสามารถในการผลิตสารฟิชชั่นได้มากขึ้นกว่าที่พวกมันจะบริโภค ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน (โดยการแปลง U-238 สมรรถนะสูงให้เป็น Pu-239 หรือ Th-232 สมรรถนะสูงให้เป็น U-233) ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียม Breeder, ทันทีที่มันทำงาน, มันจะสามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติหรือแม้แต่ยูเรเนียมที่สลายตัวหมดได้, และเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียม Breeder ก็จะสามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงทอเรียม อย่างไรก็ตาม มันต้องการสต็อกเริ่มต้นของวัสดุฟิชชั่น[29]
    • การสร้างไอโซโทปกัมมันตรังสีต่าง ๆ เช่นอะเมริเซียมสำหรับใช้ในการตรวจจับควันและโคบอลต์-60, โมลิบดีนัม-99 และอื่นๆ ที่ใช้สำหรับการถ่ายภาพและการรักษาพยาบาล
    • การผลิตวัสดุสำหรับอาวุธนิวเคลียร์เช่นพลูโตเนียมเกรดอาวุธ
  • เป็นแหล่งผลิตรังสีนิวตรอน (เช่นอุปกรณ์โกไดวาแบบพัลส์ (อังกฤษ: pulsed Godiva device)) และการฉายรังสีโพซิตรอน (กัมมันตภาพรังสีจำนวนมากถูกผลิตโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ทุติยภูมิ ในน้ำซึ่งไหลเวียนผ่านแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์พลังงาน ปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดคือปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดโพซิตรอนคือ 16O (p, α) 13N และ 10B (a, α) 13N ซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดกลืนพลังงาน และ 18O (p, n) 18F ซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน การผลิตนิวไคลด์แบบโพสิตรอนนั้นมีความสำคัญเป็นพิเศษในกรณีของเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด ในเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวน้ำไม่ควบแน่นและไอน้ำซึ่งมีการหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องจากคอนเดนเซอร์ สามารถให้ปริมาณ N-13 ที่เพียงพอ ซึ่งจะสลายตัวปลดปล่อยโพซิตรอน)[30] การนำไปใช้งานเช่น การวิเคราะห์นิวตรอนที่อยู่ในภาวะเร้า, และการวัดอายุโดยใช้วิธีอาร์กอน-อาร์กอน Ar-40 / Ar-39 (โดยการฉายรังสีนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อแปลงโปแตสเซียม (K-39) ที่เสถียรเป็น Ar-39 ที่มีกัมมันตภาพรังสี ตราบที่มีสารมาตรฐานที่ทราบอายุจากการฉายรังสีร่วมกันกับตัวอย่างวัตถุที่ไม่ทราบอายุ เป็นไปได้ที่จะใช้การวัดเพียงไอโซโทปของอาร์กอนเพื่อคำนวณอัตราส่วน K-40 / Ar-40* และคำนวณอายุของตัวอย่างวัตถุที่ต้องการ โดย Ar-40* เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี)[31]
  • เครื่องปฏิกรณ์วิจัย: เครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปจะถูกใช้สำหรับการวิจัยและการฝึกอบรม, การทดสอบวัสดุ, หรือการผลิตสารไอโซโทปรังสีสำหรับการแพทย์และอุตสาหกรรม, เครื่องเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าเครื่องปฏิกรณ์พลังงานหรือพวกที่ใช้ขับเคลื่อนเรือ, และงานอื่น ๆ ที่อยู่ในมหาวิทยาลัย เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวมีประมาณ 280 เครื่องที่มีการดำเนินงานใน 56 ประเทศ บางเครื่องทำงานกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมสมรรถนะสูง, และมีความพยายามระหว่างประเทศที่จะทดแทนด้วยเครื่องที่ดำเนินการด้วยเชื้อเพลิงสมรรถนะต่ำ[32]

เทคโนโลยีปัจจุบัน

แก้
 
Diablo แคนยอน - เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR)

Pressurized water reactors (PWR)

แก้

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้ถังความดันหนึ่งถังเพื่อใส่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แท่งควบคุม, ตัวหน่วง, และตัวหล่อเย็น. การระบายความร้อนและการหน่วงจะใช้น้ำของเหลวแรงดันสูง น้ำความร้อนสูงที่มีกัมมันตรังสีที่ถูกปล่อยออกจากถังความดัน จะไหลเวียนผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำซึ่งจะส่งผ่านความร้อนไปให้วงน้ำที่สอง (ที่ไม่มีกัมมันตรังสี) เพื่อหมุนกังหัน. พวกมันเป็นส่วนใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบัน นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, รุ่นใหม่ล่าสุดคือ VVER-1200 ซึ่งเป็น'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำขั้นสูง'และ'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันยุโรป' 'เครื่องปฏิกรณ์นาวีสหรัฐอเมริกา' ก็เป็นประเภทนี้

 
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Laguna Verde ใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR)

Boiling water reactors (BWR)

แก้

BWR เป็นเหมือน PWR ที่ไม่มีเครื่องกำเนิดไอน้ำ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดจะถูกหล่อเย็นและถูกหน่วงด้วยน้ำเหมือน PWR แต่ด้วยความดันที่ต่ำกว่าซึ่งจะยอมให้น้ำไปต้มภายในถังความดันเพื่อผลิตไอน้ำที่ขับกังหัน แตกต่างจาก PWR, มันไม่มีวงน้ำแรกและวงน้ำที่สอง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะสามารถทำให้สูงกว่าและง่ายกว่า และแม้แต่ยังอาจมีเสถียรภาพมากกว่าและปลอดภัยกว่าอีกด้วย นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, ที่ใหม่ล่าสุดเป็น 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง' และ 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดง่ายและประหยัด'

 
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Qinshan ใช้ CANDU

Pressurised heavy water reactor (PHWR)

แก้

การออกแบบแคนาดา (เรียกว่า CANDU) เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำที่ระบายความร้อนและหน่วงปฏิกิริยาด้วยน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water). แทนที่จะใช้ถังความดันขนาดใหญ่ถังเดียวอย่างใน PWR, เชื้อเพลิงจะถูกเก็บอยู่ในท่อความดันหลายร้อยท่อ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติและเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน PHWRs สามารถเติมเชื้อเพลิงในขณะทำงานเต็มที่ซึ่งทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพการใช้ยูเรเนียมสูงมาก (มันช่วยในการควบคุมฟลักซ์ในแกนที่แม่นยำ) PHWRs CANDU มีการสร้างขึ้นในแคนาดา, อาร์เจนตินา, จีน, อินเดีย, ปากีสถาน, โรมาเนียและเกาหลีใต้ อินเดียก็ยังทำงานกับ PHWRs จำนวนมากที่มักจะเรียกมันว่า 'อนุพันธ์ของ CANDU' ที่ถูกสร้างขึ้นหลังจากที่รัฐบาลของแคนาดาหยุดการติดต่อนิวเคลียร์กับอินเดีย หลังจากโครงการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ 'ยิ้มพระพุทธ'ปี 1974

 
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Ignalina เป็นประเภท RBMK (ปิดปี 2009)

Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (เครื่องปฏิกรณ์ช่องทางกำลังสูง) (RBMK)

แก้

ออกแบบโดยสหภาพโซเวียต, ถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตพลูโตเนียมเช่นเดียวกับเพื่อพลังงาน RBMKs จะระบายความร้อนด้วยตัวหน่วงแกรไฟท์ ในบางลักษณะของRBMKs จะคล้ายกับ CANDU ในการที่พวกมันจะสามารถเติมเชื้อเพลิงใหม่ระหว่างการดำเนินการผลิตพลังงาน และมีการติดตั้งท่อความดันแทนถังความดันแบบ PWR อย่างไรก็ตาม, ไม่เหมือนกับ CANDU พวกมันมีความไม่เสถียรและมีขนาดใหญ่ ทำให้อาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของพวกมันมีราคาแพง ข้อบกพร่องด้านความปลอดภัยที่วิกฤตเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในการออกแบบของ RBMK, แม้ว่าบางส่วนของข้อบกพร่องเหล่านี้ได้รับการแก้ไขหลังจากภัยพิบัติเชอร์โนบิล จุดน่าสนใจหลักของพวกมันคือการใช้งานของน้ำเบาและยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะ ในปี 2010, 11 เครื่องยังคงเปิดใช้งาน, ส่วนใหญ่เนื่องจากการปรับปรุงความปลอดภัยและความช่วยเหลือจากหน่วยงานความปลอดภัยระหว่างประเทศเช่น DOE แม้จะมีการปรับปรุงความปลอดภัยเหล่านี้, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ก็ยังถือว่าเป็นหนึ่งในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่อันตรายที่สุดในการใช้งาน เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ถูกนำไปใช้เฉพาะในอดีตสหภาพโซเวียต

 
สถานีพลังงานนิวเคลียร์ Magnox Sizewell A
 
สถานีพลังงานนิวเคลียร์ Torness ใช้เครื่องปฏิกรณ์ก๊าซระบายความร้อนสูง (AGR)

Gas-cooled reactor (GCR) and advanced gas-cooled reactor (AGR)

แก้

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ทั่วไปจะใช้ตัวหน่วงแบบแกรไฟท์และหล่อเย็นด้วย CO2 พวกมันสามารถมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่สูงเมื่อเทียบกับ PWRs เนื่องจากพวกมันใช้อุณหภูมิในการดำเนินงานที่สูงกว่า มีเครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากที่มีการใช้งานอยู่, ส่วนใหญ่อยู่ในสหราชอาณาจักร, ในที่ซึ่งแนวคิดของการออกแบบได้รับการพัฒนาที่นั่น การออกแบบที่มีอายุมากกว่า (เช่นสถานี Magnox) อาจจะปิดตัวลงในอนาคตอันใกล้ อย่างไรก็ตาม AGCRs คาดว่าจะมีอายุใช้งานได้ต่อไปอีก 10 ถึง 20 ปี การออกแบบเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน ค่าใช้จ่ายในการรื้อถอนอาจสูงมากเนื่องจากแกนของเครื่องปฏิกรณ์มีปริมาตรขนาดใหญ่

เครื่องปฏิกรณ์ Fast breeder โลหะของเหลว (อังกฤษ: Liquid-metal Fast breeder Reactor (LMFBR))

แก้

นี้คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยโลหะของเหลว, ไม่มีการหน่วงโดยสิ้นเชิง, และผลิตเชื้อเพลิงได้มากกว่าที่มันบริโภคเข้าไป เรียกได้ว่าพวกมัน "ให้กำเนิด (อังกฤษ: breed)" เชื้อเพลิงเพราะพวกมันผลิตเชื้อเพลิงที่สามารถทำฟิชชั่นได้ระหว่างการดำเนินการโดยการจับนิวตรอน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถทำงานได้เหมือน PWR ในแง่ของประสิทธิภาพและไม่จำเป็นต้องมีภาชนะบรรจุที่มีแรงดันสูงมาก เนื่องจากโลหะของเหลวไม่จำเป็นต้องถูกเก็บไว้ที่ความดันสูงแม้แต่ที่อุณหภูมิสูงมาก เครื่องปฏิกรณ์ BN-350 และ BN-600 ในสหภาพโซเวียตและ Superphénix ในประเทศฝรั่งเศสเป็นเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้, เช่นเดียวกับ Fermi-I ในสหรัฐอเมริกา เครื่องปฏิกรณ์ Monju ในประเทศญี่ปุ่นประสบปัญหาการรั่วไหลของโซเดียมในปี 1995 และได้รับการเริ่มเดินเครื่องใหม่ในเดือนพฤษภาคม 2010 พวกมันทั้งหมดใช้ / เคยใช้โซเดียมเหลว เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้เป็นแบบนิวตรอนเร็ว, ไม่ใช่แบบนิวตรอนร้อน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีสองประเภท ได้แก่:

 
Superphénix ซึ่งเป็นหนึ่งในไม่กี่ตัวที่เป็น FBRs
หล่อเย็นด้วยตะกั่ว
แก้

ตะกั่วเป็นโลหะเหลวที่ป้องกันรังสีได้ดีมากและช่วยให้สามารถดำเนินงานที่อุณหภูมิสูงมาก นอกจากนี้ ตะกั่ว (ส่วนใหญ่) จะโปร่งใสกับนิวตรอน, ดังนั้น มีนิวตรอนน้อยมากที่จะหายไปในตัวหล่อเย็นและตัวหล่อเย็นก็ไม่เป็นกัมมันตรังสี แตกต่างจากโซเดียม, ตะกั่วส่วนใหญ่จะเฉื่อย, จึงมีความเสี่ยงน้อยลงจากการระเบิดหรืออุบัติเหตุ, แต่ปริมาณมากขนาดนั้นอาจจะนำไปสู่​​ปัญหาจากพิษวิทยาและในมุมมองของการกำจัด บ่อยครั้งที่เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้จะใช้สารผสมตะกั่วบิสมัทยูเทคติก ในกรณีนี้บิสมัทจะนำเสนอปัญหารังสีส่วนน้อยบางอย่าง, เนื่องจากมันค่อนข้างจะไม่โปร่งใสกับนิวตรอน, และสามารถแปรไปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีมากขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าตะกั่ว เรือดำน้ำชั้นอัลฟ่าของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์รวดเร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่วบิสมัท เป็นโรงงานพลังงานหลักของมัน

หล่อเย็นด้วยโซเดียม
แก้

LMFBRs ส่วนใหญ่จะเป็นประเภทนี้ โซเดียมค่อนข้างหาได้ง่ายและทำงานด้วย และก็ยังป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนจริงในส่วนเครื่องปฏิกรณ์ต่าง ๆ ที่แช่อยู่ในตัวมัน อย่างไรก็ตาม โซเดียมระเบิดอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับน้ำ, ดังนั้นต้องระมัดระวัง, แต่การระเบิดดังกล่าวจะไม่มีความรุนแรงมากไปกว่า (ตัวอย่าง) การรั่วไหลของของเหลวที่ร้อนอย่างมากจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำวิกฤตยิ่งยวด (อังกฤษ: Supercritical water reactor (SCWR)) หรือ PWR EBR-I, เครื่องปฏิกรณ์ตัวแรกที่หลอมละลาย, จะเป็นประเภทนี้

เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด (อังกฤษ: Pebble-bed reactor (PBR))

แก้

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ใช้เชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปเป็นลูกกลมเซรามิกและจากนั้นก็หมุนเวียนแก๊สผ่านลูก บอลเหล่านี้ ผลที่ได้คือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ, การบำรุงรักษาต่ำ, ปลอดภัยมากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงมาตรฐานราคาถูก ต้นแบบเป็น AVR

เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย

แก้

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้จะละลายเชื้อเพลิงในเกลือฟลูออไรด์, หรือใช้เกลือฟลูออไรด์เป็นตัวหล่อเย็น มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยจำนวนมาก, มีประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นพลังงานสูงเหมาะสำหรับยานพาหนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกมันไม่มีความกดดันสูงหรือส่วนประกอบที่ติดไฟได้ง่ายในแกน ต้นแบบเป็น Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) ซึ่งยังใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงของทอเรียมในการผลิต 0.1% ของกากกัมมันตรังสีของเครื่องปฏิกรณ์มาตรฐาน

เครื่องปฏิกรณ์ของเหลวเนื้อเดียวกัน (อังกฤษ: Aqueous Homogeneous Reactor (AHR))

แก้

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เกลือนิวเคลียร์ละลายน้ำได้ ที่ละลายลงในน้ำและผสมกับตัวหล่อเย็นและตัวหน่วงนิวตรอน

อนาคตและเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา

แก้

เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูง

แก้

มากกว่าหนึ่งโหลของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงยังอยู่ในขั้นตอนต่าง ๆ ของการพัฒนา[33] บางตัวมีวิวัฒนาการจากการออกแบบ PWR, BWR และ PHWR ข้างต้น, บางตัวแหวกแนวออกไป แบบเก่าได้แก่เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง (อังกฤษ: advanced boiling water reactor (ABWR)), สองตัวในจำนวนนั้นขณะนี้กำลังดำเนินงานขณะที่ตัวอื่น ๆ อยู่ระหว่างการก่อสร้าง, และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดอย่างง่ายแบบประหยัด (อังกฤษ: Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR)) ที่มีความปลอดภัยแบบพาสซีฟ (อังกฤษ: passively safe) และหน่วย AP1000 ที่ถูกวางแผนไว้ (ดูโครงการพลังงานนิวเคลียร์ 2010)

  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วแบบองค์รวม (อังกฤษ: Integral Fast Reactor (IFR)) ถูกสร้างขึ้น, ผ่านการทดสอบและประเมินผลในระหว่างปี 1980s และจากนั้นก็ปลดระวางภายใต้การบริหารงานของคลินตันในปี 1990s อันเนื่องมาจากนโยบายที่ไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ของรัฐบาล การรีไซเคิลเชื้อเพลิงใช้แล้ว(อังกฤษ: spent nuclear fuel (SNF))เป็นหลักในการออกแบบและเพราะฉะนั้นมันจึงผลิตเพียงเศษเสี้ยวของเสียของเครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบัน[34]
  • เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวดเป็นเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยแก๊ส (อังกฤษ: high-temperature gas-cooled reactor (HTGCR))} ได้รับการออกแบบเพื่อให้อุณหภูมิสูงไปลดการส่งออกของพลังงานโดยการขยาย Doppler (อังกฤษ: Doppler broadening)ของหน้าตัดนิวตรอนของเชื้อเพลิง มันใช้เชื้อเพลิงเซรามิกเพื่อให้อุณหภูมิของการดำเนินงานที่ปลอดภัยเกินช่วงอุณหภูมิที่ใช้ลดพลังงาน การออกแบบส่วนใหญ่จะหล่อเย็นด้วยก๊าซฮีเลียมเฉื่อย ฮีเลียมไม่ขึ้นอยู่กับการระเบิดไอน้ำแต่ต่อต้านการดูดซึมนิวตรอนจึงนำไปสู่​​กัมมันตภาพรังสี, และไม่ละลายสารปนเปื้อนที่สามารถกลายเป็นกัมมันตรังสี การออกแบบโดยทั่วไปมีหลายชั้น (มากถึง 7 ชั้น) ของภาชนะบรรจุพาสซีฟมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเบา (ปกติมี 3 ชั้น) คุณลักษณะเฉพาะที่ไม่เหมือนใครที่อาจช่วยด้านความปลอดภัยคือ ลูกกลมเชื้อเพลิงที่สร้างรูปแบบจริงของกลไกของแกน, และจะถูกแทนที่ทีละลูกเมื่อพวกมันมีอายุมากขึ้น การออกแบบของเชื้อเพลิงทำให้การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่ของเชื้อเพลิงมีราคาแพง
  • เครื่องปฏิกรณ์อิสระขนาดเล็กปิดผนึกขนส่งได้ (อังกฤษ: Small, sealed, transportable, autonomous reactor (SSTAR)) กำลังถูกวิจัยและพัฒนาขั้นต้นในสหรัฐอเมริกา, ตั้งใจจะให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ fast breeder ที่มีความปลอดภัยแบบพาสซีฟและสามารถถูกทำให้ปิดตัวลงจากระยะไกล ในกรณีที่ความสงสัยที่เกิดขึ้นว่ามันจะถูกดัดแปลงเพื่อทำลาย
  • เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงที่สะอาดและปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม (อังกฤษ: Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor (CAESAR)) เป็นแนวคิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ไอน้ำเป็นตัวหน่วง - การออกแบบนี้ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา
  • เครื่องปฏิกรณ์ลดการหน่วงของน้ำ (อังกฤษ: Reduced moderation water reactor) สร้างบนเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง (อังกฤษ: Advanced boiling water reactor (ABWR)) ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน, มันไม่ได้เป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วที่สมบูรณ์แต่ใช้นิวตรอน epithermal ส่วนใหญ่แทน, ซึ่งอยู่ระหว่างนิวตรอนร้อนและนิวตรอนเร็ว
  • โมดูลพลังงานนิวเคลียร์ใช้ไฮโดรเจนเป็นตัวหน่วงควบคุมตนเอง (อังกฤษ: hydrogen-moderated self-regulating nuclear power module (HPM)) คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เล็ดลอดออกมาจาก 'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส' ที่ใช้ยูเรเนียมไฮไดรด์เป็นเชื้อเพลิง
  • เครื่องปฏิกรณ์ subcritical ถูกออกแบบมาให้มีความปลอดภัยและมีเสถียรภาพมากขึ้น, แต่ก่อให้เกิดปัญหาทางวิศวกรรมและทางเศรษฐกิจจำนวนมาก ตัวอย่างหนึ่งตัวขยายพลังงาน
  • เครื่องปฏิกรณ์แบบทอเรียม มันเป็นไปได้ที่จะแปลงทอเรียม-232 ให้เป็น U-233 ในเครื่องปฏิกรณ์ที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษเพื่อวัตถุประสงค์นั้น ด้วยวิธีนี้ ทอเรียมซึ่งมีจำนวนมากมายกว่ายูเรเนียมสามารถใช้ในการ breed เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ U-233 ยังมีความเชื่อกันว่า U-233 มีคุณสมบัตินิวเคลียร์ที่ดีเมื่อเทียบกับการใช้ U-235 แบบดั้งเดิม, รวมทั้งการประหยัดนิวตรอนที่ดีกว่าและการผลิตของเสีย transuranic อายุยืนที่ต่ำกว่า
    • เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักขั้นสูง (อังกฤษ: Advanced heavy-water reactor (AHWR)) - น้ำหนักจะถูกนำเสนอเพื่อเป็นตัวหน่วงของเครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้านิวเคลียร์ ที่จะถูกออกแบบเป็นรุ่นต่อไปของประเภท PHWR, ปัจจุบันอยู่ระหว่างการพัฒนาในศูนย์วิจัยปรมาณู Bhabha (BARC), ประเทศอินเดีย
    • Kamini - เครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ซ้ำแบบใครใช้ไอโซโทปของยูเรเนียม-233 เป็นเชื้อเพลิง, ถูกสร้างขึ้นในประเทศอินเดียโดย BARC และ ศูนย์วิจัยปรมาณู Indira Gandhi (IGCAR)
    • อินเดียก็กำลังวางแผนที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ fast breeder โดยใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม-ยูเรเนียม-233. FBTR (Fast Breeder Test Reactor) ในการดำเนินงานที่ Kalpakkam (อินเดีย) ใช้พลูโตเนียมเป็นเชื้อเพลิงและใช้โซเดียมเหลวเป็นตัวหล่อเย็น

เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่สี่

แก้

เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV เป็นชุดหนึ่งของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทางทฤษฎีที่กำลังมีการวิจัยในขณะนี้ การออกแบบเหล่านี้ทั่วไปมักจะไม่คาดว่าจะสามารถใช้ได้สำหรับการก่อสร้างเชิงพาณิชย์ก่อนปี 2030. เครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบันที่อยู่ในการดำเนินงานทั่วโลกโดยทั่วไปมีการพิจารณาว่า เป็นระบบรุ่นที่สองหรือที่สามโดยที่ระบบรุ่นแรกได้รับการปลดระวางไปก่อนหน้านี้แล้ว การวิจัยสำหรับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ได้เริ่มต้นอย่างเป็นทางการโดย Generation IV International Forum (GIF) ตามพื้นฐานของเป้าหมายเทคโนโลยีแปดอย่าง เป้าหมายเบื้องต้นก็คือเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของนิวเคลียร์, ปรับปรุงความต้านทานการแพร่ขยาย, ลดของเสียและเพิ่มการใช้ประโยชน์ในทรัพยากรธรรมชาติ และเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการสร้างและการดำเนินงานของโรงงานดังกล่าว[35]

  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยแก๊ส
  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่ว
  • เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย
  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยโซเดียม
  • เครื่องปฏิกรณ์น้ำวิกฤตยิ่งยวด
  • เครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงมาก

เครื่องปฏิกรณ์รุ่น 5+

แก้

เครื่องปฏิกรณ์ Generation V มีการออกแบบที่มีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎีและยังไม่ได้รับการพิจารณาหรือการวิจัยอย่างจริงจังในปัจจุบัน แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวอาจจะสร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันหรือในระยะใกล้, พวกมันได้เรียกความสนใจได้เล็กน้อยด้วยหลายเหตุผลทางเศรษฐศาสตร์, การปฏิบัติจริง, หรือความปลอดภัย

  • เครื่องปฏิกรณ์แกนของเหลวเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แกนเป็นของเหลววงปิด ที่วัตถุฟิชชั่นคือยูเรเนียมหลอมเหลวหรือสารละลายยูเรเนียมถูกหล่อเย็นด้วยแก๊สทำงาน ที่ถูกสูบเข้าไปผ่านหลุมหลายหลุมในฐานของถังบรรจุ
  • เครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊สเป็นรุ่นวงปิดของจรวดหลอดไฟนิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear lightbulb rocket) ที่วัตถุฟิชชั่นคือแก๊สยูเรเนียม hexafluoride ที่เก็บอยู่ในถังซิลิกาหลอมละลาย แก๊สทำงาน (เช่นไฮโดรเจน) จะไหลไปรอบ ๆ ถังนี้ และดูดซับแสงยูวีที่ผลิตโดยปฏิกิริยา ในทางทฤษฎีการใช้ UF6 เป็นเชื้อเพลิงทำงานโดยตรง (แทนที่จะเป็นขั้นตอนแบบที่ทำตอนนี้) จะหมายถึงค่าใช้จ่ายของกระบวนการลดลง, และเครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กมาก ในทางปฏิบัติ การเดินเครื่องปฏิกรณ์ที่ความหนาแน่นพลังงานสูงแบบนี้อาจจะผลิตฟลักซ์นิวตรอนไม่สามารถจัดการได้, ทำให้วัสดุเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่อ่อนแอลง, และดังนั้นเมื่อฟลักซ์จะคล้ายกับที่คาดว่าจะเกิดในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น, มันจะต้องมีวัสดุที่คล้ายกับพวกที่ถูกเลือกโดย 'สิ่งอำนวยความสะดวกวัสดุการฉายรังสีฟิวชั่นนานาชาติ' (อังกฤษ: International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF))
    • เครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊ส EM. เหมือนกับในเครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊ส แต่มีแผงโซลาร์เซลล์ที่แปลงแสงยูวีโดยตรงให้เป็นไฟฟ้า[36].
  • เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันบางส่วน
  • ไฮบริดนิวเคลียร์ฟิวชั่น จะใช้นิวตรอนที่ปล่อยออกมาโดยฟิวชั่นเพื่อทำปฏิกิริยาฟิชชั่นกับ 'ผ้าห่ม' ของวัสดุที่อุดมสมบูรณ์เช่น U-238 หรือ Th-232 และเปลี่ยนผ่าเหล่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว / กากนิวเคลียร์ของปฏิกรณ์อื่นๆให้เป็นไอโซโทปที่ค่อนข้างอ่อนโยนมากกว่า

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

แก้

นิวเคลียร์ฟิวชันที่ถูกควบคุม ในหลักการสามารถที่จะนำมาใช้ในโรงไฟฟ้าฟิวชั่น ในการผลิตไฟฟ้าโดยไม่มีความซับซ้อนของการจัดการพวก actinides ทั้งหลาย, แต่อุปสรรคทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่สำคัญยังคงอยู่ หลายเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นได้รับการสร้างขึ้น แต่ยังไม่มีสักเครื่องที่สามารถ 'ผลิต' พลังงานความร้อนได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคเข้าไป แม้จะมีการวิจัยที่มีการเริ่มต้นในปี 1950s, ไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ที่คาดว่าจะทำสำเร็จก่อนปี 2050 โครงการ ITER ขณะนี้กำลังพยายามที่จะนำพลังงานฟิวชั่นไปใช้ทางการค้า

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

แก้
บทความหลัก: วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ร้อนโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับยูเรเนียมที่ถูกกลั่นและเสริมสมรรถนะ บางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถทำงานด้วยส่วนผสมของพลูโตเนียมและยูเรเนียม (ดู MOX) กระบวนการที่แร่ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมา, ผ่านกระบวนการผลิต, เสริมสมรรถนะ, ถูกนำไปใช้งาน, อาจจะถูกแปรสภาพและจำหน่ายทิ้งไป, เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

น้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติเป็นไอโซโทปของ U-235 ที่สามารถทำปฏิกิริยาฟิชชั่นได้อย่างง่ายดาย และด้วยเหตุนี้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะสูง สมรรถนะที่สูงนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนเปอร์เซ็นต์ของ U-235 และมักจะถูกทำด้วยวิธีการของการแตกตัวของแก๊ส (อังกฤษ: gaseous diffusion) หรือ การเหวี่ยงแก๊สเข้าสู่ศูนย์กลาง(อังกฤษ: gas centrifuge) ผลที่ได้จากการเสริมสมรรถนะจะถูกส่งต่อไปเปลี่ยนให้เป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์, ซึ่งจะถูกกดและยิงให้อยู่ในรูปแบบเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันเป็นหลอด ๆ แล้วจะถูกปิดผนึกซึ่งจะเรียกมันว่าแท่งเชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel rod) หลายแท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้จะถูกใช้ในแต่ละเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ BWR และ PWR เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะที่ประมาณ 4% ของ U-235, และเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์บางเครื่องที่มีนิวตรอนเศรษฐกิจ (อังกฤษ: neutron economy) สูงไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะเลย (นั่นคือพวกมันสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้) จากข้อมูลสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ, มีอย่างน้อย 100 เครื่องปฏิกรณ์วิจัยในโลกใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะสูง (weapons-grade / ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 90%) ความเสี่ยงจากการขโมยน้ำมันเชื้อเพลิงนี้ (อาจใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์) ได้นำไปสู่​​แคมเปญการสนับสนุนการแปลงของประเภทของเครื่องปฏิกรณ์นี้ให้เป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (ซึ่งเป็นภัยคุกคามน้อยกว่าการแพร่ขยาย)[37].

U-235 ที่ฟิชชั่นได้และไม่ฟิชชั่นแต่สามารถทำให้ฟิชชั่นได้และ U-238 ที่อุดมสมบูรณ์ทั้งหมดนี้ใช้ในกระบวนการฟิชชัน U-235 สามารถทำให้ฟิชชั่นได้โดยนิวตรอนร้อน (หรือเคลื่อนไหวช้า) นิวตรอนร้อนเป็นตัวที่มีการเคลื่อนไหวประมาณความเร็วเดียวกับอะตอมที่อยู่รอบตัวมัน เนื่องจากอะตอมทั้งหมดจะสั่นเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของพวกมัน, นิวตรอนร้อนมีโอกาสที่ดีที่สุดที่จะฟิชชั่น U-235 เมื่อมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับการสั่นนี้ ในอีกด้านหนึ่ง U-238 มีแนวโน้มที่จะจับนิวตรอนเมื่อนิวตรอนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมาก อะตอมของ U-239 นี้จะสลายตัวในไม่ช้าเป็นพลูโตเนียม-239 ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงอีกแบบหนึ่ง Pu-239 เป็นเชื้อเพลิงทำงานได้และต้องมีหน้าที่รับผิดชอบ แม้ว่าเมื่อเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาใช้ การฟิชชั่นของพลูโตเนียมจะมีอิทธิพลเหนือการฟิชชั่นของ U-235 ในเครื่องปฏิกรณ์บางตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจาก U-235 ที่ถูกจ่ายให้ตอนแรกถูกนำไปใช้แล้ว พลูโตเนียมสามารถฟิชชั่นได้ทั้งแบบนิวตรอนเร็วและนิวตรอนร้อน ซึ่งทำให้มันเหมาะสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและมักจะใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (ตัวหน่วงหมายความว่ามันหน่วงความเร็วของนิวตรอนให้ช้าลงที่ความเร็วของความร้อน) และใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็น. แต่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้ตัวหล่อเย็นเป็นอย่างอื่นซึ่งจะไม่ได้หน่วงหรือทำให้นิวตรอนช้าลงมากนัก นี่ทำให้นิวตรอนเร็วเหนือกว่า, ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเติมเต็มการจัดหาน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง โดยเพียงแค่วางยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะและราคาถูกลงไปในแกนเช่นนั้น, U-238 ที่ไม่สามารถฟิชชั้นได้ก็จะกลายเป็น Pu-239, เป็นการ"ออกลูก"(อังกฤษ: breeding) เชื้อเพลิง

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งแบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสูญสลายแบบบีตาไปเป็นโพรแทกทิเนียม-233 แล้วก็เป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจะถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ดังนั้น เหมือนยูเรเนียม 238 ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ (อังกฤษ: fertile material) ตัวหนึ่ง

การจ่ายเชื้อเพลิงให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

แก้

ปริมาณของพลังงานในอ่างเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกแสดงบ่อยครั้งในแง่ของ "วันเต็มกำลัง" (อังกฤษ: full-power days) ซึ่งเป็นจำนวนของระยะเวลา 24 ชั่วโมง (วัน) ที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวหนึ่งได้ถูกกำหนดตารางเวลาไว้สำหรับการดำเนินงาน ที่จะสามารถส่งออกพลังงานได้เต็มกำลังในการสร้างพลังงานความร้อน จำนวนวันเต็มกำลังในรอบการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ (ระหว่างเวลาเติมน้ำมันครั้งหนึ่งจนถึงเติมน้ำมันครั้งต่อไป) จะเกี่ยวข้องกับปริมาณของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่ฟิชชั่นได้ที่เก็บอยู่ในแท่งเชื้อเพลิงที่จุดเริ่มต้นของวงจร เปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของ U-235 ในแกนที่จุดเริ่มต้นของวงจรจะยอมให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้นานวันเต็มกำลังมากขึ้น

ในตอนท้ายของรอบการดำเนินงาน, เชื้อเพลิงในบางส่วนของแท่งจะถูก "ใช้" และถูกระบายออกไปและถูกแทนที่ด้วยแท่งเชื้อเพลิงใหม่(สด), แม้ว่าในทางปฏิบัติมันเป็นสาร buildup ของพิษจากปฏิกิริยา (อังกฤษ: reaction poison) ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำหนดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ นานก่อนที่การฟิชชั่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเกิดขึ้นได้, ตัว buildup ของนิวตรอนอายุยาวที่ดูดซับผลพลอยได้จากฟิชชันจะขัดขวางปฏิกิริยาลูกโซ่ ส่วนย่อยของแกนเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเปลี่ยนในระหว่างการเติมเชื้อเพลิง โดยปกติจะเป็นหนึ่งในสี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด และเป็นหนึ่งในสามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ การจำหน่ายทิ้งและการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนี้ เป็นหนึ่งในด้านที่ท้าทายที่สุดของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ กากนิวเคลียร์นี้เป็นกัมมันตรังสีที่สูงและความเป็นพิษของมันจะเป็นอันตรายนับพัน ๆ ปี[26].

ไม่ใช่ทุกเครื่องปฏิกรณ์จะต้องปิดตัวลงเพื่อเติมเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวด, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK, เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย, Magnox, AGR และ CANDU ยอมให้เชื้อเพลิงได้รับการเลื่อนผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่มันกำลังทำงานอยู่ ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU กระบวนการนี้ยังยอมให้องค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละส่วนที่จะติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะที่สุดกับปริมาณของ U-235 ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง

ปริมาณของพลังงานที่สกัดจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเรียกว่า burnup ซึ่งจะแสดงในแง่ของพลังงานความร้อนที่ผลิตต่อหน่วยน้ำหนักเริ่มต้นของน้ำหนักเชื้อเพลิง Burnup ทั่วไปจะถูกแสดงเป็นความร้อนเมกะวัตต์วันต่อเมตริกตันของโลหะหนักเริ่มต้น

ความปลอดภัย

แก้
บทความหลัก: ความปลอดภัยนิวเคลียร์

ความปลอดภัยนิวเคลียร์ครอบคลุมการดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสี หรือเพื่อจำกัดผลกระทบของพวกมัน อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ได้มีการปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์, และได้นำเสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ที่ปลอดภัย (แต่โดยทั่วไปยังไม่ทดลอง) แต่ไม่มีการรับประกันว่าเครื่องปฏิกรณ์จะได้รับการออกแบบ, สร้างและดำเนินการอย่างถูกต้องหรือไม่[38] ข้อผิดพลาดก็เกิดขึ้นจริง และนักออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ฟูกูชิม่าในประเทศญี่ปุ่นไม่ได้คาดว่า คลื่นสึนามิที่เกิดจากแผ่นดินไหวจะปิดการใช้งานระบบสำรอง ที่ควรจะรักษาเสถียรภาพให้กับเครื่องปฏิกรณ์หลังเกิดแผ่นดินไหว[39] ตามที่ UBSAG, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ของเครื่องฟูกูชิม่า I ได้สร้างความสงสัยว่า แม้แต่ประเทศเศรษฐกิจก้าวหน้าอย่างญี่ปุ่นจะสามารถควบคุมความปลอดภัยนิวเคลียร์ได้หรือไม่[40] สถานการณ์ภัยพิบัติที่เกี่ยวข้องกับการโจมตีของผู้ก่อการร้ายนี้ก็ยังเป็นไปได้[38] ทีมสหวิทยาการจากเอ็มไอทีได้คาดการณ์ว่าถ้าการเจริญเติบโตของพลังงานนิวเคลียร์ในช่วงปี 2005-2055 เป็นไปตามแผน, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ร้ายแรงคาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างน้อย 4 ครั้งในช่วงเวลานั้น[41]

อุบัติเหตุ

แก้

ดูเพิ่มเติม: รายการของเหตุการณ์ภัยพิบัติทางนิวเคลียร์และกัมมันตรังสี

 
เครื่องปฏิกรณ์สามเครื่องที่ฟูกูชิม่า I ร้อนมากเกินไป, ก่อให้เกิดการหลอมละลายที่ในที่สุดก็นำไปสู่การระเบิดที่ปล่อยวัสดุกัมมันตรังสีออกมาในอากาศจำนวนมาก[42]

อุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีที่บางครั้งร้ายแรงได้เกิดขึ้น อุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เรียงตามยอดผู้เสียชีวิตรวมถึงภัยพิบัติเชอร์โนบิล (1986), ภัยพิบัตินิวเคลียร์ Fukushima Daiichi (2011), อุบัติเหตุเกาะทรีไมล์ (1979) และอุบัติเหตุ SL-1 (1961)[43] อุบัติเหตุเรือดำน้ำขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์รวมถึงอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-19 (1961)[44], อุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-27 (1968)[45], และการเกิดอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-431 (1985)[43]

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถุกยิงเข้าสู่วงโคจรของโลกไม่น้อยกว่า 34 ครั้ง เกิดอุบัติเหตุหลายครั้งเกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไร้คนขับ RORSAT ในโครงการดาวเทียมเรดาร์ของโซเวียต ที่ส่งผลให้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วกลับเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลกจากวงโคจร[46]

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ

แก้
บทความหลัก: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติ

แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นมักจะถุกคิดว่า เป็นผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีที่ทันสมัยแต่เพียงอย่างเดียว เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นเครื่องแรกในความเป็นจริงมันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้ในบางกรณีที่เลียนแบบเงื่อนไขในเครื่องปฏิกรณ์ที่มนุษย์สร้าง[47] สิบห้าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติถูกค้นพบนับจนถึงวันนี้ในสามแหล่งสะสมแร่ที่อยู่ห่างกันที่เหมือง Oklo ในกาบอง, แอฟริกาตะวันตก ค้นพบครั้งแรกในปี 1972 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฟรานซิส เพอร์ริน, พวกมันจะถูกเรียกรวมกันว่าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติฟอสซิล Oklo ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นยั่งยืนด้วยตนเองได้เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ประมาณ 1.5 พันล้านปีที่ผ่านมา, และทำงานไปได้ไม่กี่แสนปี, เฉลี่ย 100 กิโลวัตต์ของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น[48] แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติถูกสร้างเป็นทฤษฎีในช่วงต้นของปี 1956 โดยพอล คูโรดะที่มหาวิทยาลัยอาร์คันซอ[49][50]

เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวไม่สามารถสร้างได้บนโลกอีกต่อไปแล้ว การสลายตัวของกัมมันตรังสีในช่วงเวลาอันยิ่งใหญ่นี้ได้ลดสัดส่วนของ U-235 ในยูเรเนียมธรรมชาติให้อยู่ต่ำกว่าปริมาณที่จำเป็นในการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อแหล่งสะสมแร่ที่อุดมด้วยยูเรเนียมถูกน้ำท่วม เนื่องจากน้ำบาดาลที่ทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน, และปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แข็งแกร่งเกิดขึ้น น้ำที่เป็นตัวหน่วงจะเดือดเมื่อปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น, ทำให้เกิดการชะลอตัวหดตัวกลับลงอีกครั้งและป้องกันการหลอมสลาย ปฏิกิริยาฟิชชันได้รับการรักษาให้ยั่งยืนมาหลายแสนปี

เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติเหล่านี้มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจในการกำจัดกากกัมมันตรังสี พวกเขานำเสนอกรณีศึกษาของการที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถอพยพผ่านเปลือกโลกได้อย่างไร เรื่องนี้เป็นพื้นที่ที่มีนัยสำคัญของความขัดแย้ง ในขณะที่ฝ่ายตรงข้ามของการกำจัดของเสียทางธรณีวิทยากลัวว่า ไอโซโทปจากขยะที่เก็บไว้จะสิ้นสุดในแหล่งน้ำหรือกระจายออกไปในสภาพแวดล้อม

ดูเพิ่ม

แก้

อ้างอิง

แก้
  1. ↑ Jay Newman (2008). Physics of the Life Sciences. Springer. p. 652. ISBN 978-0-387-77258-5.
  2. ↑ วัสดุฟิสไซล์เป็นวัสดุสามารถให้ความยั่งยืนกับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชั่น ซึ่งประกอบด้วยธาตุที่นิวเคลียสแบ่งแยกได้โดยนิวตรอนทุกพลังงาน โดยเฉพาะกับเทอร์มัลนิวตรอน วัสดุฟิสไซล์ที่สำคัญ เช่น พลูโทเนียม-239 ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-233 วัสดุฟิสไซล์นี้บางครั้งเรียกว่า วัสดุเกิดฟิชชันได้ [นิวเคลียร์]
  3. ↑ สารพอยซัน(ปฏิกิริยานิวเคลียร์), วัสดุใดๆ ที่มีภาคตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนสูง ซึ่งจะดูดกลืนนิวตรอนบางส่วนจากปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เป็นผลให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ลดลง [นิวเคลียร์], อังกฤษ-ไทย: คลังศัพท์ไทย โดย สวทช.
  4. ↑ 4.0 4.1 "DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory" (PDF). US Department of Energy. เก็บ (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-04-23. สืบค้นเมื่อ 24 September 2008.
  5. ↑ "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
  6. ↑ "Bioenergy Conversion Factors". Bioenergy.ornl.gov. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2011-09-27. สืบค้นเมื่อ 18 March 2011.
  7. ↑ Jeremy Bernstein (2008). Nuclear Weapons: What You Need to Know. Cambridge University Press. p. 312. ISBN 978-0-521-88408-2. สืบค้นเมื่อ 17 March 2011.
  8. ↑ Yatish T. Shah (12 January 2018). "5". Thermal Energy: Sources, Recovery, and Applications. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1-3153-0595-0.
  9. ↑ "How nuclear power works". HowStuffWorks.com. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
  10. ↑ 10.0 10.1 "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
  11. ↑ "Chernobyl: what happened and why? by CM Meyer, technical journalist. pdf" (PDF). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2013-12-11. สืบค้นเมื่อ 2014-06-24.
  12. ↑ Tsetkov, Pavel; Usman, Shoaib (2011). Krivit, Steven (บ.ก.). Nuclear Energy Encyclopedia: Science, Technology, and Applications. Hoboken, NJ: Wiley. pp. 48, 85. ISBN 978-0-470-89439-2.
  13. ↑ L. Szilárd, "Improvements in or relating to the transmutation of chemical elements," เก็บถาวร 2008-06-21 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน British patent number: GB630726 (filed: 28 June 1934; published: 30 March 1936).
  14. ↑ The First Reactor, U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information
  15. ↑ U.S. Patent 2,708,656 "Neutronic Reactor " issued 17 May 1955
  16. ↑ Argonne’s Nuclear Science and Technology Legacy: Chicago Pile reactors create enduring research legacy
  17. ↑ Experimental Breeder Reactor 1 factsheet เก็บถาวร 2008-10-29 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, Idaho National Laboratory
  18. ↑ "Fifty years ago in December: Atomic reactor EBR-I produced first electricity" (PDF). American Nuclear Society Nuclear news. November 2001. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2008-06-25. สืบค้นเมื่อ 2014-06-25.
  19. ↑ Kragh, Helge (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton NJ: Princeton University Press. p. 286. ISBN 0-691-09552-3.
  20. ↑ "On This Day: 17 October ". BBC News. 17 October 1956. สืบค้นเมื่อ 9 November 2006.
  21. ↑ Leskovitz, Frank J. "Science Leads the Way". Camp Century, Greenland.
  22. ↑ http://thaiglossary.org/search/containment[ลิงก์เสีย]
  23. ↑ Golubev, V. I.; และคณะ (January 1993). "Fast-reactor actinide transmutation". Atomic Energy. New York: Springer. 74 (1): 83–84. doi:10.1007/BF00750983. ISSN 1063-4258.
  24. ↑ Light water reactor.
  25. ↑ "U.S. Nuclear Power Plants. General Statistical Information". Nuclear Energy Institute. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2009-07-09. สืบค้นเมื่อ 3 October 2009.
  26. ↑ 26.0 26.1 Lipper, Ilan; Stone, Jon. "Nuclear Energy and Society". University of Michigan. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2009-04-01. สืบค้นเมื่อ 3 October 2009.
  27. ↑ "Generation IV". Euronuclear.org. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2011-03-17. สืบค้นเมื่อ 18 March 2011.
  28. ↑ Nucleonics Week, Vol. 44, No. 39; Pg. 7, 25 September 2003 Quote: "Étienne Pochon, CEA director of nuclear industry support, outlined EPR's improved performance and enhanced safety features compared to the advanced Generation II designs on which it was based."
  29. ↑ A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems PDF (4.33 MB); see "Fuel Cycles and Sustainability"
  30. ↑ Mike Sohan Singh; Lawrence Ruby (1973). "Production and Release of Positron Emitters from Water-Moderated Power Reactors". Nuclear Technology. Taylor & Francis. 17 (2): 104–109. doi:10.13182/NT73-A31237.
  31. ↑ "New Mexico Geochronology Research Laboratory: K/Ar and 40Ar/39Ar Methods". New Mexico Bureau of Geology and Mineral Resources. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2017-08-03. สืบค้นเมื่อ 2020-01-15.
  32. ↑ "World Nuclear Association Information Brief -Research Reactors". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2006-12-31. สืบค้นเมื่อ 2014-06-29.
  33. ↑ "Advanced Nuclear Power Reactors". World Nuclear Association. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2010-02-06. สืบค้นเมื่อ 29 January 2010.
  34. ↑ Dr. Charles Till. "Nuclear Reaction: Why Do Americans Fear Nuclear Power?". Public Broadcasting Service (PBS). สืบค้นเมื่อ 9 November 2006.
  35. ↑ "Generation IV Nuclear Reactors". World Nuclear Association. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2010-01-23. สืบค้นเมื่อ 29 January 2010.
  36. ↑ "International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, DIRECT CONVERSION OF NUCLEAR ENERGY TO ELECTRICITY, Mark A. Prelas" (PDF). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2016-03-04. สืบค้นเมื่อ 2014-07-02.
  37. ↑ "Improving Security at World's Nuclear Research Reactors: Technical and Other Issues Focus of June Symposium in Norway". IAEA. 7 June 2006.
  38. ↑ 38.0 38.1 Jacobson, Mark Z.; Delucchi, Mark A. (2010). "Providing all Global Energy with Wind, Water, and Solar Power, Part I: Technologies, Energy Resources, Quantities and Areas of Infrastructure, and Materials" (PDF). Energy Policy. p. 6.
  39. ↑ Hugh Gusterson (16 March 2011). "The lessons of Fukushima". Bulletin of the Atomic Scientists. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2013-05-30. สืบค้นเมื่อ 2014-07-03.
  40. ↑ James Paton (4 April 2011). "Fukushima Crisis Worse for Atomic Power Than Chernobyl, UBS Says". Bloomberg Businessweek.
  41. ↑ Massachusetts Institute of Technology (2003). "The Future of Nuclear Power" (PDF). p. 48.
  42. ↑ Martin Fackler (1 June 2011). "Report Finds Japan Underestimated Tsunami Danger". New York Times.
  43. ↑ 43.0 43.1 "The Worst Nuclear Disasters". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2013-08-26. สืบค้นเมื่อ 2014-07-03.
  44. ↑ Strengthening the Safety of Radiation Sources p. 14.
  45. ↑ Johnston, Robert (23 September 2007). "Deadliest radiation accidents and other events causing radiation casualties". Database of Radiological Incidents and Related Events.
  46. ↑ Leonard David (2004-03-29). "Soviet-era satellites leaked lethal debris". NBCNEWS.com. สืบค้นเมื่อ 2020-01-14.
  47. ↑ Video of physics lecture เก็บถาวร 2006-08-04 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน – at Google Video; a natural nuclear reactor is mentioned at 42:40 mins into the video
  48. ↑ Meshik, Alex P. "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor." Scientific American. November 2005. Pg. 82.
  49. ↑ "Oklo: Natural Nuclear Reactors". Office of Civilian Radioactive Waste Management. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 16 March 2006. สืบค้นเมื่อ 28 June 2006.
  50. ↑ "Oklo's Natural Fission Reactors". American Nuclear Society. สืบค้นเมื่อ 28 June 2006.

แหล่งข้อมูลอื่น

แก้
 
วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์


เข้าถึงจาก "https://th.wikipedia.org/w/index.php?title=เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์&oldid=11936648"