ความรู้ขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์

การผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานนิวเคลียร์  (Electricity Generation by Nuclear Power)

การผลิตไฟฟ้า (The Generation of Electricity)

พลังงานส่วนใหญ่ที่เรานำมาใช้งาน ผลิตขึ้นโดยใช้ทรัพยากร หรือแหล่งพลังงาน ที่มาจากธรรมชาติ เช่น ถ่านหิน กาซธรรมชาติ น้ำมัน น้ำ ลม แสงอาทิตย์ และนิวเคลียร์ บางส่วนของพลังงานเหล่านี้ ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า และนำไปใช้ด้านอื่น เช่น การขนส่ง โรงไฟฟ้าใช้ความร้อนหรือแรง ขับเคลื่อนจากพลังงานเหล่านี้ ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งแหล่งพลังงานอย่างหนึ่งที่สะอาดที่สุด และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากที่สุด คือ พลังงานนิวเคลียร์

การทำงานของโรงไฟฟ้า (Operation)

โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำ และใช้แรงดันไอน้ำในการหมุน กังหัน ซึ่งใช้แกนเดียวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) ที่เป็นขดลวดขนาดใหญ่ วางอยู่ระหว่างแท่ง แม่เหล็ก  การหมุนของขดลวดตัดกับสนามแม่เหล็ก จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ข้อแตกต่างหลัก ของโรงไฟฟ้า นิวเคลียร์ กับโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่น คือแหล่งความร้อนที่ใช้ผลิตไอน้ำ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ได้ความร้อนมาจากปฏิกิริยาการแตกตัวของอะตอมของธาตุ ขณะที่โรงไฟฟ้าที่ใช้ น้ำมัน กาซธรรมชาติ  หรือถ่านหิน เป็นเชื้อเพลิง ใช้วิธีการเผาไหม้เชื้อเพลิง ในการผลิตความร้อน

ชนิดของโรงไฟฟ้า (Types of Plants)

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่ในสหรัฐอเมริกา มี 2 ชนิด ได้แก่ โรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์ แบบใช้น้ำความดันสูง (pressurized water reactor, PWR) และ โรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์แบบ น้ำเดือด (boiling water reactor, BWR) ทั้งเครื่องปฏิกรณ์ฯ แบบ BWR และ PWR ผลิตความร้อน ออกมา ด้วยวิธีการเดียวกัน โดยน้ำเดือดจากเครื่องปฏิกรณ์ฯ จะกลายเป็นไอและส่งไปขับกังหัน ของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า จากนั้นจะถูกควบแน่นให้กลับเป็นน้ำ และปั๊มกลับเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ฯ เพื่อรับความร้อนทำให้ กลายเป็นไอน้ำอีกครั้ง สิ่งที่แตกต่างกันคือ ในเครื่องปฏิกรณ์ฯ แบบ BWR น้ำจะถูกทำให้ เดือดและกลาย เป็นไอขณะที่ผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์ฯ ส่วนเครื่องปฏิกรณ์ฯ แบบ PWR น้ำที่ผ่านแกนเครื่อง ปฏิกรณ์จะ ไม่เดือด เนื่องจากอยู่ในระบบปิดที่มีความดันสูง ซึ่งจะถ่ายเทความร้อนให้ระบบผลิตไอน้ำ ในส่วนที่แยก ออกจากระบบของเครื่องปฏิกรณ์ฯ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบอื่น มีใช้อยู่ในต่างประเทศ เช่น (pressurized heavy water reactor, PHWR หรือ CANDU) ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าที่ผลิตโดยแคนาดา ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติ ถ่ายเทความร้อน โดยใช้น้ำมวลหนัก (heavy water)

ความปลอดภัย (Safety)

ความปลอดภัยเป็นปัจจัยหลักที่ผู้รับผิดชอบเครื่องปฏิกรณ์ต้องคำนึงถึง เพื่อทำให้เกิดความ มั่นใจในความปลอดภัยต่อสาธารณชน ความปลอดภัยต่อผู้ทำหน้าที่ควบคุมเครื่องปฏิกรณ์ฯ และต่อผู้ลงทุน ดังนั้นการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จึงต้องมีการพัฒนาให้อยู่ในมาตร ฐานอุตสาหกรรม มาตรฐานอุตสาหกรรมพัฒนาขึ้นโดยคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญ ภายใต้การดูแลของ องค์กรวิชาชีพ เช่น สมาคมวิศวกรรมเครื่องกล (American Society of Mechanical Engineers) ได้ร่วมกันกำหนดมาตรบานที่ดีที่สุด ในการออกแบบ การก่อสร้าง และการปฏิบัติงาน ซึ่งมีประสบการณ์ในการพัฒนาหลายสิบปี การก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มีหลายขั้นตอน ต้องคัดเลือกสถานที่ที่เหมาะสม ต้องออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ให้เหมาะสมกับสถานที่ก่อสร้าง ต้องมีการประกอบชิ้นส่วนขณะที่ทำการก่อสร้างโรงไฟฟ้า การทดสอบเดินเครื่องที่กำลังต่ำ และสุดท้ายเดินเครื่องเต็มกำลัง แต่ละขั้นตอน ผู้ออกแบบต้องมั่น ใจว่ามีการปฏิบัติงานเป็นไปด้วยความปลอดภัย นอกจากนั้น หน่วยงานที่ออกใบอนุญาต (Nuclear Regulatory Commission, NRC) จะตรวจสอบแต่ละกระบวนการ และประเด็นในการขออนุญาต โดยจะให้การอนุญาตเป็นรายประเด็น  ตามความก้าวหน้าของ งาน เมื่อไม่นานมานี้ NRC ได้มีการทบทวนมาตรฐานอุตสาหกรรม และได้ออกข้อกำหนดฉบับใหม่ ซึ่งมาตรฐานที่ออกโดย NRC มีฐานะเทียบเท่ากับกฎหมาย ทั้งนี้เพื่อให้เชื่อมั่นว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ก่อ สร้างใหม่ทุกโรง จะมีกระบวนการปฏิบัติงานที่ดีที่สุด

ประโยชน์ที่ได้/ผลกระทบ (Benefits / Effects)

ไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญกับเรา โดยเป็นสิ่งที่ใช้ช่วยเพิ่มการผลิต ใช้ในสิ่งอำนวยความสะดวก  ทำให้เกิดความปลอดภัย ใช้ด้านสุขภาพ และในทางเศรษฐกิจ เราใช้ประโยชน์จากไฟฟ้าใน ชีวิตประจำวันได้ตลอดเวลาที่ต้องการ เพียงแต่เสียบปลั๊กของอุปกรณ์ของเราเข้ากับ ปลั๊กที่ผนังก็จะได้ไฟฟ้าออกมา คนส่วน ใหญ่ไม่ค่อยมีใครนึกถึงว่าไฟฟ้ามาจากไหน ซึ่งการผลิตไฟฟ้าสามารถทำได้หลายวิธี ทั้งการใช้ถ่านหิน น้ำมัน กาซธรรมชาติ พลังน้ำ นิวเคลียร์ และแสงอาทิตย์ แต่ละทางเลือกได้มีความก้าวหน้าที่แตกต่างกัน  จึงต้องมีการพิจารณาถึงข้อดีข้อเสีย ก่อนที่จะมีการสร้างโรงไฟฟ้าโรงใหม่ การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้า มีจุดเด่นตรงที่สามารถรองรับความต้องการที่กำลัง มาถึงในกระบวนการผลิตไฟฟ้า คือการที่พลังงานนิวเคลียร์ สามารถสนองตอบต่อปัญหาทาง ด้านสิ่งแวดล้อม ความปลอดภัย เศรษฐศาสตร์ ความเชื่อมั่น ความมั่นคง รวมทั้งการจัดการกาก

สิ่งแวดล้อม (Environment)

ผลกระทบสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากโรงไฟฟ้า สามารถวัดได้จากปริมาณเชื้อเพลิงที่ถูกเผาไหม้ การเกิดของเสียและกากที่เหลือ รวมทั้งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตที่อยู่บริเวณใกล้เคียง

แหล่งเชื้อเพลิง (Fuel Delivery)

เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงฟอสซิล วัตถุดิบของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มาจากใต้พื้นโลก มีการทำเหมืองยูเรเนียมซึ่งเป็นวัสดุหลักของเชื้อเพลิง ผลกระทบสิ่งแวดล้อมจากการทำเหมืองนั้น ส่วนใหญ่เป็นที่ทราบกันดี พลังงานนิวเคลียร์ได้มาจากยูเรเนียมปริมาณไม่มาก โดยยูเรเนียม 1 กิโลกรัม เทียบเท่ากับพลังงานที่ได้จาก น้ำมัน 100,000 กิโลกรัม จึงทำให้มี การนำยูเรเนียมขึ้นมาจากพื้นโลกน้อยมาก เพื่อนำมาใช้ผลิตพลังงานที่เท่ากัน ดังนั้น ผลกระทบ สิ่งแวดล้อมที่เกิดขึ้นจากการทำเหมืองยูเรเนียม จึงน้อยกว่าการทำ เหมืองหรือการขุดเจาะเชื้อเพลิงฟอสซิลมาก เชื้อเพลิงนิวเคลียร์เป็นของแข็ง ซึ่งต่างจากน้ำมันและกาซธรรมชาติ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึงไม่สร้าง ปัญหาต่อสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากการรั่วไหลในระหว่างการขนส่งไปยังโรงไฟฟ้า เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่ยังไม่ใช้งาน มีรังสีสูงกว่าระดับรังสีธรรมชาติเล็กน้อย ถังบรรจุแท่งเชื้อเพลิงได้รับการออกแบบให้มี ความปลอดภัยสูง สามารถเชื่อมั่นได้ว่าจะไม่ทำให้เกิดการเปรอะเปื้อนต่อสิ่งแวดล้อม ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ

การปล่อยของเสีย (Emissions)

ตรงข้ามกับโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ไม่ทำให้เกิดกาซคาร์บอนได ออกไซด์หรือกาซซัลเฟอร์ ซึ่งเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์เรือนกระจก และฝนกรด จากข้อมูลของสถาบันพลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Energy Institute) ประเทศสหรัฐอเมริกา การใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในสหรัฐ ทำให้ไม่มีการปล่อยกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ 5.1 ล้านตัน ไนโตรเจนออกไซด์ 2.4 ล้านตัน และคาร์บอนไดออกไซด์ 164 ล้านเมตริกตัน ออกสู่บรรยากาศในแต่ละปีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของโรงไฟฟ้า ทำให้ระดับรัง สีบริเวณรอบโรงไฟฟ้ามีค่าสูงขึ้น แต่ค่าที่สูงขึ้นมีปริมาณน้อยมาก เมื่อเทียบกับระดับรังสีที่มีอยู่ใน สิ่งแวดล้อม เจ้าหน้าที่ที่ปฏิบัติงานภายในโรงไฟฟ้าจะได้รับรังสีทุกคน แต่ไม่เคยมีสิ่งที่แสดงให้เห็นว่า ปริมาณรังสีที่ได้รับสูงขึ้นเล็กน้อยนี้ จะมีผลในทางลบต่อสุขภาพ

ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในท้องถิ่น (Impact on Local Habitat)

เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์มีการทำงานเป็นระบบปิด สิ่งแวดล้อมของที่ตั้ง โรงไฟฟ้าจึงยังคงสภาพเดิม ขณะที่โรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันและกาซธรรมชาติ ต้องตั้งอยู่ใกล้กับท่อ ส่งเชื้อเพลิง ส่วนโรงไฟฟ้าพลังน้ำต้องตั้งอยู่ใกล้กับแหล่งน้ำ การเลือกที่ตั้งของโรงไฟฟ้าเหล่านี้ จึงต้องหาทางประนีประนอมระหว่างผลกระทบที่จะเกิดขึ้นกับที่อยู่อาศัยของสัตว์ป่า หรือผลกระทบต่อชุมชน ตัวอย่างเช่น การสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ทำให้เกิดการทำลายสัตว์น้ำ เป็นจำนวนมาก รัฐจึงมีนโยบายจำกัดไม่ให้มีการสร้างเขื่อนขึ้นใหม่ และกำลังพิจารณาที่จะรื้อ ถอนเขื่อนที่มีอยู่เดิมในสหรัฐอเมริกา สำหรับการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น มีข้อบังคับที่เข้มงวด ในการเลือกที่ตั้งของโรงไฟฟ้า ที่จะต้องทำให้เกิดผลกระทบต่อบริเวณโดยรอบน้อยที่สุด

การจัดการกาก (Waste)

แรงกดดันมากที่สุดที่อุตสาหกรรมนิวเคลียร์กำลังเผชิญอยู่ คือประเด็นเกี่ยวกับการจัดการกาก กระบวนการผลิตทุกประเภทย่อมทำให้เกิดกากหรือขยะ กากนิวเคลียร์ที่เกิดจากโรงไฟฟ้าแตกต่างจาก ขยะอื่นตรงที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง ซึ่งกากที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงนั้น เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกเก็บรักษาไว้ในอาคารเครื่องปฏิกรณ์ฯ ซึ่งจะมีการบำบัดกากเพื่อลดปริมาณและ ผ่านกระบวนการสกัดแยกเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ มีการพัฒนากระบวนการในการสกัดเพื่อแยกเชื้อเพลิง ใช้แล้ว และธาตุที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ กากที่เหลือจะผนึกเป็นก้อน ให้อยู่ในรูป ของแก้วหรือเซรามิกส์ ซึ่งกากเหล่านี้ จะยังมีอันตรายอยู่ในช่วงระยะเวลาประมาณ 100 ปี ซึ่งเมื่อเปรียบ เทียบกับกากของสารเคมี ที่มีอันตรายต่อธรรมชาติตลอดไป โดยไม่ลดอันตรายลงตามเวลา กากนิวเคลียร์ในลักษณะนี้ยังถือว่ายอมรับได้มากกว่า ปัจจุบันยังไม่มีการใช้กระบวนการบำ บัดกากนิวเคลียร์ในสหรัฐอเมริกา เนื่องจากมีการคัดค้านจากฝ่ายการเมือง แต่การวิจัยยังคง ดำเนินต่อไป เพื่อค้นหาวิธีใหม่ๆที่จะมาแก้ไขปัญหาเหล่านี้

ความปลอดภัย (Safety)

อุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เกาะทรีไมล์ (Three Mile Island) ประเทศสหรัฐอเมริกา และที่โรงไฟฟ้าเชอร์โนบิล (Chernobyl) ในยูเครนนั้นเป็นที่ทราบกันดีแล้ว นอกจากเหตุการณ์เหล่านี้แล้ว ยังมีสถิติของเหตุการณ์ที่เกี่ยวกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ดังนี้ ประมาณ 16% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งโลกมาจากพลังงานนิวเคลียร์ และในรอบ 40 ปีที่ผ่านมา ไม่มีคนได้รับอันตรายที่เกิดขึ้นจากการทำงานของการใช้พลังงานนิวเคลียร์ด้านพลเรือน ในประเทศสหรัฐอเมริกา ยุโรปตะวันตก ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ ตามสถิติของ สำนัก งานสถิติของสหรัฐ (U.S. Bureau of Labor Statistics) ในปี 2000 มีอัตราการเกิดอุบัติเหตุของ อุตสาหกรรมนิวเคลียร์ เป็นจำนวนอุบัติเหตุที่ทำให้เสียเวลาในการปฏิบัติงาน หรือเกิดอันตราย คิดเทียบต่อชั่วโมงการทำงาน เท่ากับ 0.26 ต่อ 200,000 เมื่อเปรียบเทียบกับอุบัติเหตุที่เกิดขึ้น ในภาคอุตสาหกรรมของเอกชน ซึ่งเท่ากับ 3.1 ต่อ 200,000 ในปี 1998 (เป็นตัวเลขล่าสุดเท่าที่มี)

ผลทางเศรษฐศาสตร์และความเชื่อมั่น (Economics and Reliability)

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นการผลิตไฟฟ้าที่มีความประหยัดมากที่สุดวิธีหนึ่ง ต้นทุนของเชื้อเพลิง นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นตัวแปรหนึ่งของศักยภาพในการผลิตไฟฟ้า มีค่าค่ำกว่าต้นทุนของเชื้อเพลิงฟอสซิล ถ้ารวมต้นทุนจากการลงทุนและส่วนประกอบอื่นทั้งหมดแล้ว ค่าใช้จ่ายในการเดินเครื่องของ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จะใกล้เคียงกับโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ปัจจุบันยอมรับกันแล้วว่า โดยเฉลี่ยการผลิตไฟฟ้าโดยใช้พลังงานนิวเคลียร์ มีต้นทุนต่ำที่สุด ในปี 1999 ต้นทุนเฉลี่ยของ การผลิตไฟฟ้าโดยใช้พลังงานนิวเคลียร์ อยู่ที่ 1.83 เซนต์ ต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง โรงไฟฟ้าถ่านหิน 2.07 เซนต์ โรงไฟฟ้าใช้น้ำมัน 3.24 เซนต์ และโรงไฟฟ้าใช้กาซธรรมชาติ 3.52 เซนต์ ส่วนการผลิตไฟฟ้าโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ยังมีต้นทุนที่ไม่สามารถแข่ง ขันได้ต้นทุนที่เกิดจากมาตรการควบคุมของการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานิวเคลียร์นั้น สูงกว่าการผลิตไฟฟ้าด้วยแหล่งพลังงานอื่น แต่ก็สามารถทำให้ลดลงได้ โดยทำให้เกิดความเชื่อมั่น  ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานและการบำรุงรักษา ปัจจุบันโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เดินเครื่อง โดยเฉลี่ยสูงกว่า 75% ของสมรรถนะ (capacity factors) ที่มีอยู่ ซึ่งสามารถแข่งขันได้กับ โรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ ออกแบบมาให้เดินเครื่องตามที่กำหนด ทำให้ต้องเดินเครื่องเต็มกำลัง ไม่ว่าความต้องการใช้ไฟฟ้าจะเป็นเท่าใด โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ มีความเหมาะสมกว่าในกรณีที่ความต้องการใช้ไฟฟ้าไม่คงที่ เนื่องจากได้รับการออกแบบมา ให้ผลิตกำลังไฟฟ้าได้สูงและสามารถปรับลดกำลังการเดินเครื่อง ลงได้ และสามารถเดินเครื่องต่อเนื่อง โดยไม่จำเป็นต้องมีการเติมเชื้อเพลิงเป็นเวลา 2 ปี ความเจริญในอนาคตจะขึ้นกับการผลิตไฟฟ้าที่ไม่จำกัด เห็นได้ชัดว่า เชื้อเพลิงฟอสซิลนั้นมีจำกัด  จากประมาณการ เชื้อเพลิงฟอสซิลจะใช้ไปได้อีกไม่เกิน 100 ปี แต่ในทางเศรษฐศาสตร์แล้ว อาจจะเป็นเวลาที่น้อยกว่านี้มาก และเห็นได้ชัดว่า พลังงานลม แสงอาทิตย์ และพลังงานหมุนเวียน  เช่น เอทธานอล นั้นยังมีความไม่แน่นอน ในการสนับสนุนการใช้พลังงานของโลก ส่วนศักยภาพในการผลิตพลังงานของยูเรเนียมปริมาณเล็กน้อยนั้นสูงมาก เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึง สามารถอยู่ในลำดับที่จะนำมาใช้ ถ้ามีการจัดรูปแบบที่ดี พลังงานนิวเคลียร์สามารถใช้ในการผลิต ไฟฟ้าให้แก่เราได้อีกหลายรุ่น การจัดรูปแบบที่ดี คือการใช้ (Breeder Reactor) การออกแบบ การออกแบบ Breeder Reactor นั้น เมื่อมีการใช้เชื้อเพลิงไป จะมีเชื้อเพลิงชนิดใหม่เกิดขึ้นมา เป็นผลพลอยได้ ปัจจุบัน มีการสร้าง Breeder Reactor ไม่กี่โรงเท่านั้น พลูโตเนียม ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ คือเชื้อเพลิงที่เกิดขึ้นในโรงไฟฟ้าแบบนี้ รัฐบาลจึงยังลังเลที่จะอนุมัติให้มีการก่อสร้าง แต่กระนั้น โดยหลักการของ Breeder Reactor แล้ว สามารถลดราคาของเชื้อเพลิงให้ต่ำลงมาก การพยายามที่จะหาทางสกัดยูเรเนียม ออกจากน้ำทะเล ซึ่งเสียค่าใช้จ่ายสูงจึงอาจมาจำเป็น จากบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร American Journal of Physics (vol. 51, Jan. 1983, B. Cohen) รายงานว่า มีปริมาณยูเรเนียมทั้งโลก ทั้งในน้ำทะเลและที่เปลือกโลก ให้ใช้ไปได้ประมาณ 5 พันล้านปี โดยประมาณการว่า มีการใช้ยูเรเนียม 6,500 เมตริกตันต่อปี จึงถือเป็นแหล่งพลังงานที่มั่นคง สำหรับการนำมาใช้งาน