เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบถังกรวด

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบถังกรวด (อังกฤษ: Pebble bed reactor (PBR)) เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในยุคที่ 3+ จัดว่าเป็นเทคโนโลยีพลังงานนิวเคลียร์ที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบัน ซึ่งใช้เทคโนโลยีที่มีความปลอดภัยและประสิทธิภาพสูงมากขึ้นและมีต้นทุนถูกกว่าจากเครื่องปฏิกรณ์แบบทั่วไปที่ใช้น้ำเป็นสารหน่วงนิวตรอน และใช้เป็นสารระบายความร้อนด้วย ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวดใช้ pyrolytic graphite เป็นสารหน่วงนิวตรอน และใช้ก๊าซเฉื่อย เป็นสารระบายความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงมาก ในการขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง ทำให้ไม่ต้องใช้ระบบเครื่องกำเนิดไอน้ำที่มีความซับซ้อน รวมทั้งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงาน โดยทำให้สัดส่วนของการผลิตไฟฟ้าต่อความร้อน มีค่าประมาณ 50% นอกจากนั้น ก๊าซจะไม่ละลายส่วนประกอบที่ปนเปื้อนรังสีออกมา และไม่ดูดกลืนนิวตรอนเหมือนกับการใช้น้ำ ดังนั้นแกนเครื่องปฏิกรณ์จึงมีของเหลวที่มีกัมมันตภาพรังสีในปริมาณที่น้อยกว่าแบบเดิมมาก จึงมีความเสี่ยงด้านผลกระทบทางรังสีที่น้อยลง และยังทำให้ต้นทุนต่ำกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลเบา

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบถังกรวด เป็นการรวมความก้าวหน้าทางวิศวกรรมนิวเคลียร์ 2 อย่างเข้าด้วยกัน คือ การใช้แกนเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ ที่เคยมีการทดลองมาแล้วในอดีต กับการออกแบบเชื้อเพลิงใหม่ ทำให้มีความซับซ้อนน้อยลง ขณะที่มีความปลอดภัยสูงขึ้น

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโตเนียม ที่เป็นสารประกอบออกไซด์หรือคาร์ไบด์ จะทำให้อยู่ในรูปเซรามิกส์ บรรจุอยู่ใน pyrolytic graphite ทรงกลมขนาดเล็ก ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นสารหน่วงนิวตรอน ทรงกลมแต่ละก้อนจะเป็นเสมือนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดจิ๋ว ที่มีความสมบูรณ์ในตัวเอง เมื่อแยกออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ตัวใหญ่ เมื่อนำเชื้อเพลิงทรงกลมขนาดเล็กเหล่านี้มารวมกันมากพอ ก็จะทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นต่อเนื่องถึงค่าวิกฤตได้

สิ่งที่นับเป็นความก้าวหน้าหลักของเครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด คือการออกแบบให้สามารถควบคุมได้ด้วยตัวเอง เช่น เมื่อเครื่องปฏิกรณ์มีความร้อนสูงมากขึ้น นิวตรอนจะมีพลังงานสูงขึ้น และจะทำปฏิกิริยากับ ยูเรเนียม-235 ได้น้อยลง ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันน้อยลง ทำให้เชื้อเพลิงมีอุณหภูมิต่ำลง เป็นการควบคุมกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์ได้เองตามธรรมชาติ

กรวดเชื้อเพลิง จะบรรจุอยู่ในถังหรือกระบอก และมีก๊าซเฉื่อย เช่น ก๊าซฮีเลียม ก๊าซไนโตรเจน ไหลเวียนผ่านช่องว่างระหว่างเม็ดเชื้อเพลิง เพื่อพาความร้อนออกไปจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ตามทฤษฎีแล้ว ก๊าซร้อนจะถูกส่งไปหมุนกังหันโดยตรง แต่ก๊าซเหล่านี้อาจมีกัมมันตภาพรังสีจากการทำปฏิกิริยากับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นจึงอาจส่งผ่านความร้อนไปที่ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้ความร้อนกับก๊าซอีกระบบหนึ่งเพื่อให้ปราศจากรังสีซะก่อน เช่นการนำไปผลิตไอน้ำ เป็นต้น โดยก๊าซที่ออกมาจากการขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแล้วจะยังมีความร้อน ซึ่งความร้อนที่เหลือนี้เองอาจนำไปใช้ทำความอบอุ่นให้กับอาคารหรือโรงงงานเคมี หรือเพิ่มความร้อนให้กับเครื่องทำความร้อนได้ เป็นการใช้พลังงานอย่างเกิดประโยชน์สูงสุดแทนที่จะเสียเปล่า

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบถังกรวด สามารถระบายความร้อนด้วยก๊าซ มีความดันต่ำกว่า ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์จึงไม่ต้องมีระบบท่อ โดยสารระบายความร้อนสามารถไหลผ่านไปตามช่องว่างระหว่างเม็ดเชื้อเพลิง เนื่องด้วยสารระบายความร้อนไม่มีองค์ประกอบของไฮโดรเจน ดังนั้นระบบท่อจึงไม่มีความเปราะที่เกิดจากนิวตรอนและไฮโดรเจน ก๊าซที่ใช้ ส่วนใหญ่เป็นก๊าซฮีเลียม เนื่องจากไม่ค่อยเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอน จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีกัมมันตภาพรังสีต่ำกว่าน้ำ

สิ่งที่เป็นความก้าวหน้าของเครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด เหนือเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำมวลเบา คือการทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า เครื่องปฏิกรณ์สามารถส่งผ่านความร้อนให้ของไหล เพื่อไปขับกังหันก๊าซที่ความดันต่ำได้โดยตรง การทำงานที่อุณหภูมิสูง ทำให้กังหันเกิดพลังงานกลได้มากกว่าด้วยความร้อนที่เท่ากัน ระบบนี้จึงใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าด้วยกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้เท่ากัน

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอีกประการหนึ่ง คือ การออกแบบให้ควบคุมด้วยอุณหภูมิ ไม่ได้ควบคุมจากแท่งควบคุม เครื่องปฏิกรณ์จึงมีความซับซ้อนน้อยกว่า เนื่องจากไม่จำเป็นต้องปรับการเดินเครื่อง ตามการเปลี่ยนแปลงของความเข้มของนิวตรอน ซึ่งถ้าใช้การควบคุมด้วยอุณหภูมิ เครื่องปฏิกรณ์สามารถเปลี่ยนกำลังการเดินเครื่องได้อย่างรวดเร็ว โดยปรับอัตราการไหลของสารระบายความร้อน การออกแบบให้ควบคุมด้วยสารระบายความร้อน จะทำให้ปรับกำลังการเดินเครื่องได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น โดยเปลี่ยนความหนาแน่นของสารระบายความร้อน หรือความจุความร้อน

ความก้าวหน้าอย่างอื่น ได้แก่ การใช้เชื้อเพลิงแบบเม็ด ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์แบบอื่น และอาจแตกต่างกันไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกัน ผู้ออกแบบยืนยันว่า เครื่องปฏิกรณ์ แบบถังกรวดบางรุ่นสามารถใช้ทอเรียม พลูโตเนียม และยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่มีการเสริมสมรรถนะได้ เช่นเดียวกับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ โดยอยู่ในโครงการพัฒนาเม็ดเชื้อเพลิงและเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เชื้อเพลิงออกไซด์ผสม ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียมกับพลูโตเนียม ที่ได้จากอาวุธนิวเคลียร์ที่หมดอายุการใช้งานแล้ว