เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยแก๊ส
เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยแก๊ส ( GCR ) เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอนและใช้แก๊ส ( คาร์บอนไดออกไซด์หรือฮีเลียมในแบบที่มีอยู่) เป็นสารหล่อเย็น [ 1 ] แม้ว่าจะมีเครื่องปฏิกรณ์ประเภทอื่น ๆ อีกมากมายที่ระบายความร้อนด้วยแก๊ส แต่คำว่าGCRและในระดับที่น้อยกว่า คือ เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยแก๊สมักใช้เพื่ออ้างถึงเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้โดยเฉพาะ
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ GCR สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงได้ ทำให้ประเทศที่พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถผลิตเชื้อเพลิงของตนเองได้โดยไม่ต้องพึ่งพาประเทศอื่นในการจัดหายูเรเนียมเสริมสมรรถนะซึ่งในขณะที่พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ในทศวรรษ 1950 นั้น มีจำหน่ายเฉพาะจากสหรัฐอเมริกาหรือสหภาพโซเวียต เท่านั้น เครื่องปฏิกรณ์ CANDUของแคนาดาซึ่งใช้น้ำหนักเบาเป็นตัวหน่วงนิวตรอน ก็ได้รับการออกแบบโดยมีเป้าหมายเดียวกันคือการใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงด้วยเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ
ในอดีตเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงความเร็วและระบายความร้อนด้วยแก๊ส ซึ่งใช้สเปกตรัมความร้อนนั้น ส่วนใหญ่แข่งขันกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาและในที่สุดก็พ่ายแพ้ให้กับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาหลังจากที่ได้มีการนำไปใช้งานบ้างในสหราชอาณาจักรเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักหนักมีข้อพิจารณาในการออกแบบบางอย่างที่คล้ายคลึงกัน เนื่องจากทั้งสองประเภทสามารถใช้เชื้อเพลิงที่ไม่เสริมสมรรถนะได้ในหลักการ แต่ต้องมีการเติมเชื้อเพลิงแบบออนไลน์เพื่อให้สามารถใช้งานเป็นเครื่องปฏิกรณ์ผลิตไฟฟ้าได้อย่างยั่งยืน
ข้อดี
- ไม่มีค่าสัมประสิทธิ์ความว่างเปล่าของปฏิกิริยาเนื่องจากสารหล่อเย็นเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้องและยังคงเป็นก๊าซที่อุณหภูมิใช้งาน
- สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ ( ที่ไม่ผ่านการเสริมสมรรถนะ ) เป็นคาร์บอนได้ เนื่องจากคาร์บอนมีค่าภาค ตัดขวางการดูดซับนิวตรอนต่ำกว่าน้ำเบา
- สามารถเพิ่มอุณหภูมิทางออกของสารหล่อเย็นให้สูงขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของคาร์โนต์ ได้
- ความดันต่ำกว่าในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง
- เครื่องปฏิกรณ์แมกน็อกซ์ได้รับการออกแบบให้ใช้งานได้สองวัตถุประสงค์คือ ผลิตทั้งพลังงานและพลูโทเนียมเกรดอาวุธแต่ในภายหลังการออกแบบได้เปลี่ยนไปผลิตพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์เพียงอย่างเดียว
- อันตรายจากการระเบิดของไฮโดรเจน ลดลง เนื่องจากไม่มีน้ำอยู่
- อุณหภูมิขาออกของน้ำหล่อเย็นที่สูงขึ้นช่วยให้สามารถนำความร้อนจากกระบวนการผลิต ไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น หากต้องการ
- การเติมน้ำธรรมดา (น้ำเบา) เช่น น้ำหล่อเย็นฉุกเฉิน จะช่วย ยับยั้งปฏิกิริยา ทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นในการรับมือกับอุบัติเหตุที่ไม่คาดฝัน
ข้อเสีย
- มีขนาดใหญ่เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานของยูเรเนียมธรรมชาติต่ำกว่าเชื้อเพลิงเสริมสมรรถนะ และผลกระทบในการลดความเร็วของคาร์บอนต่ำกว่าน้ำ
- ปลอกหุ้มเชื้อเพลิงแมกน็อกซ์ไม่สามารถเก็บไว้ในบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว ได้เป็นเวลานาน ทำให้การแปรรูปนิวเคลียร์เป็นสิ่งจำเป็น
- ปฏิกิริยาบูดัวร์ดระหว่างตัวหน่วงความเร็วของกราไฟต์และสารหล่อเย็น CO2 ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ที่ระเบิดได้และเป็นพิษ
- อุบัติเหตุจากการรั่วไหลของสารหล่อเย็นนั้นไม่เหมือนกับในเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำเป็นตัวหน่วงปฏิกิริยา ซึ่งโดยตัวมันเองแล้วไม่ได้ทำให้เกิดการหยุดทำงานฉุกเฉิน
- กราไฟต์เป็นวัสดุไวไฟและสัมผัสกับอุณหภูมิสูงในระหว่างการใช้งาน จึงอาจเกิดอุบัติเหตุไฟไหม้กราไฟต์ได้
- กราไฟต์นิวเคลียร์มีราคาแพงกว่าน้ำเบา แต่มีราคาถูกกว่าน้ำหนักมาก
จีซีอาร์ รุ่นที่ 1
GCR รุ่นที่ 1 มีสองประเภทหลัก ได้แก่:
- เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์แม็กน็อกซ์ที่พัฒนาโดย สห ราชอาณาจักร
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ UNGGที่พัฒนาโดยประเทศฝรั่งเศส
ความแตกต่างหลักระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองประเภทนี้อยู่ที่วัสดุหุ้มเชื้อเพลิง เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองประเภทส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในประเทศต้นกำเนิด โดยมีการส่งออกบ้างเล็กน้อย ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์ Magnox สองเครื่องส่งไปยังอิตาลีและญี่ปุ่นและเครื่องปฏิกรณ์ UNGG หนึ่งเครื่องส่งไปยังสเปน เมื่อไม่นานมานี้ เกาหลีเหนือได้สร้างเครื่องปฏิกรณ์ GCR โดยอิงจากแบบร่างที่ถูกเปิดเผยของเครื่องปฏิกรณ์ Magnox รุ่นแรกๆที่ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ยองบยอน
ทั้งสองประเภทใช้วัสดุหุ้มเชื้อเพลิงที่ไม่เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บระยะกลางใต้น้ำ ทำให้การแปรรูปเชื้อเพลิงเป็นส่วนสำคัญของวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นอกจากนี้ ในประเทศต้นกำเนิด ทั้งสองประเภทถูกออกแบบและใช้งานเพื่อผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธ ด้วย แต่ต้องแลกมาด้วยการหยุดชะงักครั้งใหญ่ในการใช้งานเพื่อผลิตไฟฟ้า แม้ว่าจะมีการเติมเชื้อเพลิงแบบออนไลน์ก็ตาม
GCR รุ่นที่ 2
ในสหราชอาณาจักร เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ Magnox ถูกแทนที่ด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สขั้นสูง (AGR) ซึ่งเป็น เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊ส รุ่นที่สอง ที่ได้รับการปรับปรุง ในประเทศฝรั่งเศส เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ UNGG ถูกแทนที่ด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำความดันสูง (PWR)
ประเภท
ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊ส ได้แก่:
- เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊ส (กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอน, ระบายความร้อนด้วย )
- แม็กน็อกซ์ (ออกแบบโดยชาวอังกฤษ ผลิต 28 ลำ ระหว่างปี 1956–2015)
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ UNGG (ออกแบบโดยฝรั่งเศส สร้าง 10 เครื่อง ระหว่างปี 1956–1994)
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สขั้นสูง (รุ่นต่อจาก Magnox สร้างขึ้น 15 เครื่อง ตั้งแต่ปี 1962)
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยแก๊สน้ำหนัก (น้ำหนักเป็นตัวหน่วงนิวตรอน ระบายความร้อน )
- โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เบรนนิลิส (ค.ศ. 1967–1985)
- KS 150 (พ.ศ. 2515–2522)
- โรงไฟฟ้านิวเคลียร์นีเดอไรช์บัค (พ.ศ. 2516–2517)
- เครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงและสูงมาก (ใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงความเร็ว ใช้ฮีเลียมเป็นตัวระบายความร้อน)
- เครื่องปฏิกรณ์แบบบล็อกปริซึม
- เครื่องปฏิกรณ์มังกร (1964–1975)
- หน่วยพีชบอตทอม 1 (1967–1974)
- สถานีผลิตไฟฟ้าฟอร์ตเซนต์เวรน (พ.ศ. 2522–2532)
- เครื่องปฏิกรณ์ทดสอบทางวิศวกรรมอุณหภูมิสูง (ตั้งแต่ปี 1999)
- เครื่องปฏิกรณ์ฮีเลียมแบบโมดูลาร์ชนิดกังหันแก๊ส ( ออกแบบโดย General Atomics )
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบวงจรไอน้ำระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูง ( แบบAreva SMR )
- เครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงกรวด
- เครื่องปฏิกรณ์ AVR (1966–1988)
- THTR-300 (พ.ศ. 2526–2532)
- HTR-10 (ตั้งแต่ปี 2003)
- HTR-PM (อยู่ระหว่างการก่อสร้าง)
- เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ชนิดเตียงกรวด (การออกแบบ)
- เครื่องปฏิกรณ์แบบบล็อกปริซึม
- เครื่องปฏิกรณ์เร็วระบายความร้อนด้วยแก๊ส (ไม่มีตัวหน่วงความเร็ว ระบายความร้อนด้วยฮีเลียม)
- โมดูลเพิ่มพลังงาน (ออกแบบโดย General Atomics)