เรือพลังงานนิวเคลียร์

• พลังงานนิวเคลียร์เหมาะสำหรับใช้ในการขับเคลื่อนเรือหรือเรือดำน้ำ ที่ต้องเดินทางอยู่ในทะเลเป็นเวลานานโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง
• มีการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก มากกว่า 220 เครื่อง ในเรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์มากกว่า 150 ลำ ปฏิบัติการอยู่ในทะเล โดยมีเวลาปฏิบัติการสะสมทั้งหมดของเครื่องปฏิกรณ์ มากกว่า 12,000 ปี
• เรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่เป็นเรือดำน้ำ โดยมีบางส่วนเป็นเรือทำลายน้ำแข็ง (icebreakers) และเรือบรรทุกเครื่องบิน (aircraft carriers)
• ในอนาคต การขาดแคลนน้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือเดินทะเล มีการใช้กันแพร่หลายมากขึ้น

พลังงานนิวเคลียร์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนานใหญ่ในกองทัพเรือสหรัฐ ในปี 1962 กองทัพเรือสหรัฐ มีเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ปฏิบัติการอยู่ 26 ลำ และกำลังสร้างอีก 30 ลำ

สหรัฐมีการแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีกับอังกฤษ ขณะที่ฝรั่งเศส รัสเซียและจีนต่างมีการพัฒนาของตนเอง

หลังจากเรือดำน้ำรุ่น Skate-class แล้ว สหรัฐได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีการออกแบบเป็นชุดมาตรฐาน จัดสร้างขึ้น โดยบริษัท Westinghouse และ GE เรือแต่ละลำจะมีเครื่องปฏิกรณ์ 1 เครื่อง ส่วนอังกฤษได้ให้บริษัท Rolls Royce สร้างเครื่องปฏิกรณ์ลักษณะเดียวกันให้กับเรือดำน้ำของกองทัพเรือ และมีการพัฒนาการออกแบบต่อมาเป็นแบบ PWR-2

รัสเซียได้พัฒนาการออกแบบทั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบใช้น้ำความดันสูง (PWR) และ เครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยตะกั่วกับบิสมัท (lead-bismuth cooled reactor) ซึ่งแบบหลังนี้ไม่มีการใช้งานแล้ว รัสเซียมีเรือดำน้ำออกมาใช้งานทั้งหมด 4 รุ่น โดยรุ่นล่าสุด คือ Severodvinsk class ออกปฏิบัติการในปี 1995

เรือดำน้ำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดมีขนาด 26,500 ตัน เป็นของรัสเซียรุ่น Typhoon-class ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ PWR ขนาด 190 MWt 2 เครื่อง ซึ่งออกมาทำลายสถิติรุ่น Oscar-II class ที่มีขนาด 24,000 ตัน และใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบเดียวกัน

ถ้าเปรียบเทียบถึงระดับความปลอดภัยกับสหรัฐแล้ว รัสเซียมีการเกิดอุบัติเหตุร้ายแรงจำนวนหลายครั้ง โดยมีปัญหาจากเครื่องปฏิกรณ์ 5 ครั้ง มีการรั่วไหลของรังสีอีกมากกว่านั้น แต่หลังจากปี 1970 ซึ่งได้ออกเรือดำน้ำที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ PWRs รุ่นที่สาม รัสเซียได้ให้ความสำคัญกับระบบความปลอดภัยมากขึ้น

ยานขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ มีความสำคัญต่อรัสเซียทั้งทางเทคนิคและการประหยัดงบประมาณ โดยเฉพาะกับรัสเซียทางตอนเหนือ (Russian Arctic) ที่ต้องใช้เรือทำลายน้ำแข็ง (icebreakers) การที่น้ำแข็งมีความหนา 3 เมตร และการเติมเชื้อเพลิงทำได้ยากถ้าใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่น กองเรือนิวเคลียร์ (nuclear fleet) ได้ทำให้การเดินเรือด้านอาร์กติก (Arctic) เพิ่มขึ้นจากปีละ 2 เดือนเป็นปีละ 10 เดือน และทำให้ด้านอาร์กติกตะวันตก (Western Arctic) สามารถเดินเรือได้ทั้งปี

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของกองทัพเรือเป็นแบบใช้น้ำความดันสูง (pressurised water) แต่มีความแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์ ได้แก่:

• เครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กกว่ามากแต่ให้กำลังสูง ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมแบบ highly-enriched มียูเรเนียม-235 (U-235) มากกว่า >20% ซึ่งเดิมใช้แบบ 97% แต่ปัจจุบันเรือดำน้ำสหรัฐใช้แบบ 93% ประเทศยุโรปตะวันตกใช้แบบ 20-25% ส่วนรัสเซียใช้แบบ 45%
• เชื้อเพลิงไม่ได้อยู่ในรูปยูเรเนียมออกไซด์ (UO2) แต่เป็นอัลลอยด์ยูเรเนียมเซอร์โคเนียม (uranium-zirconium) หรือยูเรเนียมอลูมิเนียม (uranium-aluminium ) ซึ่งใช้ 15%U ที่มีการ enrichment เป็น 93% หรือใช้ยูเรเนียมมากขึ้น แต่ enrichment ต่ำลง เช่น 20%U-235 หรืออาจอยู่ในรูปโลหะเซรามิกส์ (metal-ceramic) เช่นแบบ Kursk ใช้เชื้อเพลิงเป็นวงแหวน U-Al ที่มี 20-45%enrichment มีปลอกหุ้มเป็นอัลลอยด์ของเซอร์โคเนียม (zircaloy) ทำให้แกนเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 200 MW มี U-235ประมาณ 200kg
• แกนเครื่องปฏิกรณ์มีอายุยาวนาน การเติมเชื้อเพลิงใหม่แต่ละครั้งจะห่างกันมากกว่า 10 ปี มีการออกแบบให้เปลี่ยนแกนเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ ที่อายุ 50 ปีในเรือบรรทุก และ 30-40 ปีสำหรับเรือดำน้ำ
• มีการออกแบบถังความดัน (pressure vessel) ให้มีขนาดเล็กแต่ยังคงมีความปลอดภัยสูง ถังความดันของเรือ Sevmorput ซึ่งถือเป็นเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ มีความสูง 4.6 m มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.8 m ส่วนแกนเครื่องปฏิกรณ์มีความสูง 1 m เส้นผ่าศูนย์กลาง 1.2 m
• ประสิทธิภาพในการให้ความร้อนต่ำกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทางพลเรือน เนื่องจากต้องการความยืดหยุ่นในการปรับกำลังการเดินเครื่อง และการจำกัดของพื้นที่ระบบผลิตไอน้ำ

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์(Nuclear Reactor) คือ เครื่องผลิตพลังงานนิวเคลียร์ที่สามารถควบคุมการแบ่งแยกนิวเคลียร์และปฏิกิริยาลูกโซ่ให้เกิดขึ้นในอัตราที่พอเหมาะ ทำให้สามารถนำเอาพลังงานความร้อน นิวตรอน และรังสีที่เกิดขึ้นไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้
เรื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีหลายชนิด มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกันไป โดยแบ่งการทำงานเป็น 2 ส่วน ซึ่งแต่ละส่วนมีส่วนประกอบของเครื่องโดยทั่วไปมีดังนี้

1. เชื้อเพลิง (Fuel) อาจใช้ยูเรเนียม พลูโตเนียม เป็นต้น
2. มอเดอร์เรเตอร์ (Moderator) มีหน้าที่ทำให้นิวตรอนวิ่งช้าลงเพราะนิวตรอนช้ามีประสิทธิภาพในการทำให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสได้ดีกว่านิวตรอนเร็ว สารที่ใช้เป็นมอเดอร์เรเตอร์ได้แก่ คาร์บอน เมื่อนิวตรอนวิ่งผ่านคาร์บอนจะชนกับอะตอมของคาร์บอนทำให้มันวิ่งช้าลงได้ความเร็วตามต้องการ
3. แท่งบังคับ (Control Rods) มีหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ให้เกิดมากเกินไป ที่นิยมใช้คือ แคดเมียม หรือโบรอน แคดเมียมจะเป็นตัวดูดกลืนนิวตรอนไว้ได้ดีมาก ดังนั้นถ้าสอดแท่งแคดเมียมให้ลึกเข้าไปในเครื่องมาก ๆ ก็จะดูดกลืนนิวตรอนไว้ได้น้อยลงทุกทีและปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นตามมา
4. ตัวทำให้เย็น (Coolant) เพื่อนำเอาความร้อนออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยอาจใช้น้ำธรรมดาหรือโลหะโซเดียมหรือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ฮีเลียม อากาศเป็นต้น
5. เครื่องกำบัง (Shield) มีหน้าที่ป้องกันไม่ให้รังสีออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งอาจทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย เครื่องกำบังอาจทำด้วยคอนกรีตหนา ๆ หรืออาจใช้บ่อน้ำก็ได้
การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อาจอธิบายได้ดังนี้ เริ่มจากยูเรเนียมที่ใส่อยู่ในเครื่องนั้นปกติจะเป็น  มีปริมาณน้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมทั้งหมดทำหน้าที่ เป็นเชื้อเพลิง ส่วนยูเรเนียมที่เหลือนอกนั้นคือ  เมื่อมีนิวตรอนวิ่งผ่านเข้าไปในเครื่องจะยิงนิวเคลียสของ  ทำให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสขึ้น นิวเคลียสที่ถูกแบ่ง แยกออกจะมีนิวตรอนเกิดขึ้น 1 หรือ 2 ตัว ซึ่งจะวิ่งผ่านเข้าเครื่องต่อไปแล้วยิงนิวเคลียสอื่นต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่และได้พลังงานเกิดขึ้นมากมาย

-ขอบคุณข้อมูล https://www.nst.or.th/ และ http://www.rmutphysics.com/