เรือพลังงานนิวเคลียร์

ในอนาคต การขาดแคลนน้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือเดินทะเล มีการใช้กันแพร่หลายมากขึ้น

การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือเดินทะเล เริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ. 1940 โดยสหรัฐอเมริกา และได้เริ่มทดลองติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกกับเรือในปี ค.ศ. 1953 เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ลำแรกชื่อยูเอสเอสนอติลุส (USS Nautilus) ถูกปล่อยลงทะเลในปี 1955 ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญของเรือดำน้ำ จากเดิมที่เป็นเพียงยานใต้น้ำที่เชื่องช้า กลายเป็นเรือรบที่มีความเร็ว 20-25 นอต (knots) และสามารถดำน้ำได้นานหลายสัปดาห์

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

การพัฒนาเรือพลังงานนิวเคลียร์พาณิชย์ เริ่มขึ้นในทศวรรษ ค.ศ. 1950 แต่ไม่ประสบผลสำเร็จในทางการค้า สหรัฐอเมริกาได้สร้างเรือ NS Savannah ระวางบรรทุก 22,000 ตัน ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาด 74 MWt ให้กำลังในการขับใบพัด 16.4 MW ได้รับอนุญาตในปี ค.ศ. 1962 และเลิกใช้ใน 8 ปีต่อมา

เรือที่สร้างขึ้นประสบความสำเร็จในทางเทคนิคแต่ไม่คุ้มค่าในทางการค้า เช่น เยอรมันสร้างเรือพลังงานนิวเคลียร์ชื่อออทโท ฮาน (Otto Hahn) ระวางบรรทุก 15,000 ตัน ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 1 เครื่องขนาด 36 MWt ให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 8 MW เป็นเรือบรรทุกสินค้าและการวิจัย ในการใช้งาน 10 ปี มีการเดินเรือ 126 เที่ยว ด้วยระยะทาง 650,000 ไมล์ทะเล โดยไม่มีปัญหาทางเทคนิค แต่ก็แสดงให้เห็นว่าค่าใช้จ่ายในการเดินเรือสูงเกินไป และได้เปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นน้ำมันดีเซลในปี ค.ศ. 1982

เรือ Mutsu ระวางบรรทุก 8,000 ตันของญี่ปุ่น เป็นเรือพลังงานนิวเคลียร์ทางพลเรือนลำที่ 3 เริ่มใช้งานในปี ค.ศ. 1970 ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 1 เครื่องขนาด 36 MWt ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (low-enriched uranium: 3.7 - 4.4% U-235) ให้กำลังในการขับใบพัดเรือ 8 MW เรือลำนี้ไม่ประสบผลสำเร็จเนื่องจากมีปัญหาทั้งทางเทคนิคและปัญหาทางการเมือง

รัสเซียได้พัฒนาการออกแบบทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำอัดความดัน และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยตะกั่ว-บิสมัท (lead-bismuth cooled reactor) ซึ่งแบบหลังนี้ไม่มีการใช้งานแล้ว รัสเซียมีเรือดำน้ำออกมาใช้งานทั้งหมด 5 ชั่วรุ่น (generation) และในแต่ละชั่วรุ่นอาจมีได้หลายชั้น เช่น ชั้น Severodvinsk class ออกปฏิบัติการในปี 1995 และเรือดำน้ำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดมีระวางบรรทุก 26,500 ตัน เป็นของรัสเซียชั้น Typhoon-class (อยู่ในชั่วรุ่นที่ 3) ซึ่งออกมาทำลายสถิติชั้น Oscar-II class (อยู่ในชั่วรุ่นที่ 3 เช่นกัน) ที่มีระวางบรรทุก 24,000 ตัน และใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ PWR ขนาด 190 เมกะวัตต์ความร้อนแบบเดียวกัน

รัสเซียมีความจำเป็นต้องใช้ยานขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ เนื่องจากทางตอนเหนือของรัสเซีย (Russian Arctic) มีความจำเป็นต้องใช้เรือตัดน้ำแข็ง (icebreakers) ที่มีความหนาอย่างน้อย 3 เมตร และการเติมเชื้อเพลิงทำได้ยากถ้าใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่น ทำให้การเดินเรือทางด้านมหาสมุทรอาร์กติก (arctic) เพิ่มขึ้นจากปีละ 2 เดือนเป็นปีละ 10 เดือน และทำให้ด้านอาร์กติกตะวันตก (western arctic) สามารถเดินเรือได้ทั้งปี และอย่างประหยัดงบประมาณ

เรือตัดน้ำแข็งเลนิน (Lenin) เป็นเรือผิวน้ำพลังงานนิวเคลียร์ลำแรกของโลก มีระวางบรรทุก 20,000 dwt (deadweight ton) มีการใช้งานอยู่ 30 ปี ต่อมาได้มีการพัฒนาให้เรือตัดน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น โดยผลิตชั้น Arktika-class ที่มีระวางบรรทุก 23,500 dwt ออกมาในปี ค.ศ. 1975 จำนวน 6 ลำ เพื่อปฏิบัติการในน้ำลึกของทวีปอาร์กติก เรือ Arktika เป็นเรือผิวน้ำลำแรกที่สามารถไปถึงขั้วโลกเหนือในปี ค.ศ. 1977

กล่าวในภาพรวมสหรัฐอเมริกาเป็นประเทศที่มีเรือบรรทุกเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์มากที่สุด จำนวน 11 ลำ ส่วนเรือลาดตระเวน (cruisers) สหรัฐอเมริกามี 9 ลำ รัสเซียมี 4 ลำ รัสเซียมีเรือตัดน้ำแข็งพลังงานนิวเคลียร์ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน 8 ลำ กองทัพเรือสหรัฐอเมริกามีสถิติของชั่วโมงปฏิบัติการในการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั้งหมด 5,500 ปี โดยไม่มีอุบัติเหตุ ข้อมูลในเดือนสิงหาคม ปี ค.ศ. 2004 มีเรือที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ปฏิบัติการอยู่จำนวน 80 ลำ ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวน 105 เครื่อง ขณะที่รัสเซียมีสถิติของชั่วโมงการใช้เครื่องปฏิกรณ์ในการเดินเรือทั้งหมด 6,000 ปี

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของกองทัพเรือเป็นแบบใช้น้ำอัดความดัน (pressurised water reactor: PWR) แต่มีความแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์ ได้แก่

• เครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กกว่ามากแต่ให้กำลังสูง ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมสมรรถนะสูง (highly-enriched uranium) มียูเรเนียม-235 (U-235) มากกว่า >20% ซึ่งเดิมใช้แบบ 97% แต่ปัจจุบันเรือดำน้ำสหรัฐอเมริกาใช้แบบ 93% ประเทศยุโรปตะวันตกใช้แบบ 20-25% ส่วนรัสเซียใช้แบบ 45%
• เชื้อเพลิงไม่ได้อยู่ในรูปยูเรเนียมออกไซด์ (UO2) แต่เป็นโลหะผสมยูเรเนียม-เซอร์โคเนียม (uranium-zirconium) หรือยูเรเนียม-อะลูมิเนียม (uranium-aluminium ) ซึ่งใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 15% (15% U-235) ที่มีการเสริมสมรรถนะ (enrichment) เป็น 93% หรือใช้ยูเรเนียมมากขึ้น แต่สมรรถนะต่ำลง เช่น 20% U-235 หรืออาจอยู่ในรูปโลหะเซรามิก (metal-ceramic) เช่นแบบ Kursk ใช้เชื้อเพลิงเป็นวงแหวน U-Al ที่มีสมรรถนะ 20-45% มีปลอกหุ้มเป็นโลหะผสมของเซอร์โคเนียม (zircaloy) ทำให้แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาด 200 MW มี U-235 ประมาณ 200 กิโลกรัม
• แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีอายุยาวนาน การเติมเชื้อเพลิงใหม่แต่ละครั้งจะห่างกันมากกว่า 10 ปี มีการออกแบบให้เปลี่ยนแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ใหม่ ที่อายุ 50 ปีในเรือบรรทุก และ 30-40 ปีสำหรับเรือดำน้ำ
• มีการออกแบบถังความดัน (pressure vessel) ให้มีขนาดเล็กแต่ยังคงมีความปลอดภัยสูง ถังความดันของเรือ Sevmorput ซึ่งถือเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ มีความสูง 4.6 เมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.8 เมตร ส่วนแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีความสูง 1 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 1.2 เมตร

ประสิทธิภาพในการให้ความร้อนต่ำกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทางพลเรือน เนื่องจากต้องการความยืดหยุ่นในการปรับกำลังการเดินเครื่อง และการจำกัดของพื้นที่ระบบผลิตไอน้ำ

แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีอายุยาวนานเนื่องจากการใช้ยูเรเนียมชนิด high enrichment และมีระบบพอยซันเสื่อมสภาพได้ (burnable poison) เช่นการใส่แกโดลิเนียม (gadolinium) ลงไปในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อลดการเกิดของผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission products) และการสะสมของธาตุแอกทิไนด์ (actinides) ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงลดลง ถังความดันของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีขนาดเล็กแต่มีอายุการใช้งานนาน เนื่องจากมีระบบป้องกันนิวตรอนอยู่ภายใน

เรือดำน้ำชั้น Alfa-class (ลำต้นแบบในชั่วรุ่นที่ 2) ของรัสเซีย ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยโลหะเหลว (liquid metal cooled reactor: LMR) 1 เครื่อง ซึ่งยูเรเนียมมีสมรรถนะสูงมาก มีกำลัง 155 เมกะวัตต์ความร้อน (MWt) แต่มีปัญหาในการปฏิบัติงาน เนื่องจากต้องทำให้ตะกั่ว-บิสมัท (lead-bismuth) ที่ใช้ระบายความร้อนอยู่ในสภาพแข็งตัวเมื่อดับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เรือรุ่นนี้มีการสร้างขึ้น 7 ลำ เรือดำน้ำของชั้นนี้ถือว่าไม่ประสบความสำเร็จในการออกแบบ

กำลังของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีขนาดตั้งแต่ 10 MWt ในรุ่นต้นแบบ ไปจนถึง 200 MW ในเรือดำน้ำขนาดใหญ่ และ 300 MWt ในเรือผิวน้ำ เช่นเรือลาดตระเวนชั้น Kirov-class เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของเรือดำน้ำรุ่น Rubis-class ของฝรั่งเศส มีกำลัง 48 MW ปฏิบัติงานได้โดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงใหม่เป็นเวลา 30 ปี ส่วนเครื่องปฏิกรณ์ของเรือชั้น Oscar-II class ของรัสเซียมีกำลัง 190 MWt

เรือของรัสเซีย สหรัฐอเมริกา และอังกฤษ ใช้กังหันไอน้ำในการขับเคลื่อน ส่วนเรือของฝรั่งเศสและจีนใช้กังหันผลิตไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อน เรือดำน้ำติดตั้งขีปนาวุธของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์ 2 เครื่อง เช่นเดียวกับเรือเอนเทอร์ไพรส์ (Enterprise) ส่วนเรือดำน้ำแบบอื่นส่วนใหญ่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องเดียว

เรือตัดน้ำแข็งขนาดใหญ่ของรัสเซีย ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ KLT-40 ซึ่งมีมัดเชื้อเพลิง (fuel assembly) 241 หรือ 274 มัด ใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่มีสมรรถนะ 30-40% มีช่วงเวลาการเติมเชื้อเพลิงใหม่ทุก 3-4 ปี กำลังที่ใช้ขับกังหันไอน้ำ สามารถหมุนใบพัดเรือด้วยกำลัง 33 MW (44,000 hp) ส่วนเรือ Sevmorput ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเดียวกันนี้ โดยใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่มีสมรรถนะ 90% เรือตัดน้ำแข็งรุ่นต่อไปของรัสเซีย จะออกแบบให้ใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด (boiling water reactor: BWR) แทนการใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำอัดความดัน (PWR)

กล่าวโดยสรุป

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

โอกาสในอนาคต (Future prospects)

การเพิ่มขึ้นของแก๊สเรือนกระจกจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (fossil fuels) ในการเดินทางและขนส่งทางอากาศและทางเรือ ประกอบกับสถิติความปลอดภัยในการใช้เรือพลังงานนิวเคลียร์ จึงมีความเป็นไปได้สูงที่จะมีผู้หันมาใช้เรือเดินทะเลที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์