ระบบสารสนเทศแบบบูรณาการของวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (International Atomic Energy Agency หรือ IAEA) เป็นหน่วยงานกลางด้านนิวเคลียร์ ที่อยู่ภายใต้องค์การสหประชาชาติ และมีโครงการฐานข้อมูลวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ให้บริการชาติสมาชิก โดยแบ่งภารกิจเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกคือ การรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลอย่างต่อเนื่อง เกี่ยวกับกิจกรรมวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่กำลังดำเนินการอยู่ และที่มีแผนจะดำเนินการทั่วโลก ซึ่งระบบคอมพิวเตอร์ส่วนนี้ มีชื่อว่า ระบบสารสนเทศแบบบูรณาการของวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (integrated Nuclear Fuel Cycle Information System หรือ iNFCIS ที่เว็บไซต์ http://www-nfcis.iaea.org/) ประกอบด้วย 3 ฐานข้อมูลหลักคือ ระบบสารสนเทศวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (Nuclear Fuel Cycle Information System หรือ NFCIS) การกระจายตัวของแหล่งสะสมยูเรเนียมโลก (World Distribution of Uranium Deposits หรือ UDEPO) และเทคนิคการตรวจสอบหลังฉายรังสี (Post Irradiation Examination Facilities หรือ PIE) และจะมีการขยายฐานข้อมูลอื่นต่อไป ส่วนภารกิจที่ 2 ซึ่งเป็นที่มาของข้อมูลในภารกิจแรกนั้น เรียกว่า การสร้างและพัฒนาระบบการจำลองวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (Nuclear Fuel Cycle Simulation System หรือ VISTA)

ระบบสารสนเทศวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (NFCIS)

จุดประสงค์ของ NFCIS ก็คือ การระบุสถานประกอบการวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีอยู่และที่วางแผนไว้แล้วทั่วโลก และเพื่อบ่งชี้ตัวแปรเสริมของสถานประกอบการเหล่านั้น ทำให้มีภาพรวมทั้งโลกของกิจกรรมในสาขานี้ NFCIS ได้รวมข้อสนเทศทุกขั้นตอนของวัฏจักรเชื้อเพลิง ตลอดจนการผลิตน้ำมวลหนัก และท่อเซอร์คัลลอยของสถานประกอบการ 643 แห่งใน 52 ประเทศ

ตารางด้านล่างนี้แสดงจำนวนของสถานประกอบการที่กำลังดำเนินการ กล่าวคือมีสถานประกอบการวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำลังดำเนินการอยู่ 258 แห่งทั่วโลกเมื่อปลายปี ค.ศ. 2003 ฐานข้อมูลยังรวมสถานประกอบการที่เลิกการใช้งาน สำรอง หรืออยู่ในระยะวางแผน นอกจากนี้สถานประกอบการก็ยังรวมไว้ทุกขนาดการทำงาน เช่น ขนาดห้องปฏิบัติการ ขนาดนำร่อง และขนาดพาณิชย์

Type

In Operation

Construction

Awaiting License

Planned

Shutdown

Decomm.

StandBy

Other

Total

Uranium ore processing 

37 

41 

63 

13 

16 

  183 

U recovery from phosphates 

  15 

Conversion 

28 

10 

  52 

Uranium enrichment 

18 

  40 

Fuel fabrication - U 

51 

25 

  91 

Fuel fabrication - MOX 

11 

  30 

AFR wet spent fuel storage 

33 

  39 

AFR dry spent fuel storage 

44 

15 

13 

  75 

Spent fuel reprocessing 

29 

  54 

Zirconium alloy 

  13 

Zircaloy tubing 

15 

  20 

Heavy water production 

  17 

Spent Fuel Conditioning 

  1 

Total

258

30

3

21

87

159

33

32

630

การกระจายตัวของแหล่งสะสมยูเรเนียม (UDEPO)

UDEPO เป็นฐานข้อมูลแหล่งสะสมยูเรเนียมของโลกจำนวน 848 แหล่งใน 54 ประเทศ ประกอบด้วยรายละเอียดทางธรณีวิทยา ตลอดจนข้อสนเทศทางเทคนิคเกี่ยวกับเหมือง และในกรณีที่มีรายละเอียดกิจกรรมการทำเหมืองและการบดแร่ ก็จะเก็บไว้ในฐานข้อมูลนี้ด้วย

UDEPO เก็บข้อมูลแหล่งสะสมยูเรเนียมที่มีขนาดใหญ่กว่า 500 ตัน และที่มีชั้นคุณภาพสูงกว่าร้อยละ 0.03

Country

Unconformity

SandStone

Hematit Breccia Complex

Quartz-pebble Congl.

Volcanic

Intrusive

Vein

Metasomatic

Other

Total

Algeria 

  5 

Argentina 

  7 

Australia 

23 

19 

11 

  72 

Bolivia 

  1 

Brazil 

  10 

Bulgaria 

13 

  23 

Cameroon 

  1 

Canada 

19 

  41 

Central African Republic 

  1 

Chile 

  4 

China 

  25 

Czech Republic 

13 

  20 

Democratic Rep. of the Congo 

  3 

Denmark 

  1 

Finland 

  8 

France 

26 

  37 

Gabon 

  9 

Germany 

11 

  16 

Hungary 

  1 

India 

  12 

Indonesia 

  3 

Iran, Islamic Republic of 

  1 

Italy 

  2 

Japan 

  2 

Jordan 

  4 

Kazakhstan 

24 

27 

  65 

Korea, Republic of 

  1 

Kyrgyzstan 

  4 

Madagascar 

  3 

Malawi 

  1 

Mexico 

  8 

Mongolia 

  6 

Morocco 

  4 

Namibia 

  10 

Niger 

20 

  20 

Pakistan 

  2 

Peru 

  4 

Poland 

  7 

Portugal 

11 

  11 

Romania 

10 

  19 

Russian Federation 

21 

15 

20 

12 

  78 

Serbia and Montenegro 

  7 

Slovenia 

  2 

Somalia 

  2 

South Africa 

17 

  18 

Spain 

  13 

Sweden 

  3 

Tajikistan 

  2 

Turkey 

  5 

Turkmenistan 

  2 

Ukraine 

  21 

United States of America 

145 

29 

  184 

Uzbekistan 

24 

  34 

Vietnam 

  2 

Zimbabwe 

  1 

Total

47

346

7

27

53

21

178

24

145

848

เทคนิคการตรวจสอบหลังฉายรังสี (PIE)

ฐานข้อมูล PIE พัฒนาโดย IAEA เป็นบริการให้กับประเทศสมาชิกที่สนใจเกี่ยวกับฮอตเซลล์ (hotcell) ทั่วโลก โดยบอกถึงสถานภาพของห้องปฏิบัติการที่ได้ลงทะเบียนไว้ถึงปลายปี ค.ศ. 2002 วิธีใช้ฐานข้อมูลประการหนึ่ง ได้แก่การให้สิ่งจูงใจแก่ห้องปฏิบัติการที่มีเทคนิค PIE อย่างจำกัด ให้ปรับปรุงสมรรถนะขึ้นได้

ด้านล่างเป็นตัวอย่างการใช้ เช่น เมื่อต้องการทราบว่าประเทศอินโดนีเซีย มีการใช้เทคนิคการวิเคราะห์ความผิดปกติของหอกลั่นน้ำมัน ด้วยการสแกนด้วยรังสีแกมมาหรือไม่ ก็เลือกที่ช่อง Technique ว่า Gamma Scanning และเลือกชื่อประเทศ Indonesia ที่ช่อง Country เมื่อ “คลิก” ที่ Go ก็จะได้คำตอบว่าไม่มี หรือ There is no facility in selected criteria!

Technique

Country

Documents

Name contains:

Go


There is no facility in selected criteria!

อีกตัวอย่างหนึ่ง สมมุติว่าอยากทราบว่า มีประเทศใดในโลกที่มีการใช้เทคนิคการถ่ายภาพรังสีด้วยนิวตรอนบ้าง ก็เลือกที่ช่อง Technique ว่า Neutron Radiography และเลือก All ที่ช่อง Country เมื่อ “คลิก” ที่ Go ก็จะได้ตารางคำตอบว่ามีใน 7 ประเทศ ที่สถานประกอบการชื่อใดในประเทศนั้น เช่น ประเทศเบลเยียมมีการใช้เทคนิคการตรวจสอบหลังฉายรังสีแบบที่ต้องทำลาย ตัวอย่างที่ทดสอบ (DE หรือ destructive) จำนวน 20 รายการ และแบบที่ไม่ต้องทำลายตัวอย่างที่ทดสอบ (NDE หรือ non-destructive) อีก 10 รายการซึ่งรวมการถ่ายภาพรังสีด้วยนิวตรอนไว้ด้วย

Technique

Country

Documents

Name contains:

Go

Total 7 records found in 1 pages.        1 

Facility Name

Country

#-of-DE Techniques

#-of-NDE Techniques

LHMA - Laboratory for High and Medium Activity - SCK-CEN, Belgium 

Belgium 

20 

10 

LECI - Laboratoire d'Etudes des Combustibles Irradi?s 

France 

24 

Bhabha Atomic Research Centre - PIE Division 

India 

16 

Indira Gandhi Centre for Atomic Research-Radiometallurgy Hot Cells 

India 

IFE, Nuclear Safety and Reliability, Nuclear Materials Technology Dep. 

Norway 

12 

Studsvik Nuclear - HCL/ACL 

Sweden 

13 

Paul Scherrer Institut - Hot Laboratory 

Switzerland 

ระบบการจำลองวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (VISTA)

VISTA ได้รับการพัฒนาสำหรับคำนวณความต้องการบริการเสริมสมรรถนะและยูเรเนียมธรรมชาติ รวมทั้งข้อสนเทศอื่นที่เกี่ยวกับวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนหลัง (back-end of the nuclear fuel cycle) VISTA เป็นเครื่องมือที่ใช้สถานการณ์สมมุติเป็นพื้นฐาน (scenario based) ใช้สำหรับทำประมาณการวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบปิด (closed fuel cycle) กล่าวคือ นำเอาวัสดุเชื้อเพลิงจากการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วมาพิจารณาด้วย

VISTA ช่วยตรวจสอบแนวโน้มวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ด้วยวิธีวิเคราะห์เชิงตัวเลข (analytical-numerical method) ระบบการจำลองวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทำให้การตรวจสอบทำได้อย่างเหมาะสม จะได้ผลลัพธ์ครบชุดทุกลักษณะของวัฏจักรเชื้อเพลิงสำหรับสถานการณ์ที่กำลังตรวจสอบอยู่ โดยด้านล่างนี้เป็นการกรอกข้อมูลสมสุติฐานต่าง ๆ ที่ใช้ในการคำนวณ ซึ่งเป็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา (light water reactor หรือ LWR) ในสถานการณ์วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบผ่านตลอด (once through scenario หรือ OT หรือเรียกอีกอย่างว่า open fuel cycle ซึ่งเชื้อเพลิงจะถูกใช้เพียงครั้งเดียว) และสมมุติว่า ในอนาคตจะมีการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วของ LWR (คือราวร้อยละ 33) กับ สมมุติว่าในอนาคตจะมีการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วของ LWR จากระดับปัจจุบันได้เพิ่มขึ้นจนถึงร้อยละ 50 ภายในระยะเวลา 5 ปี และทุกสถานการณ์สมมุติจะใช้อัตราคงที่ของการผลิตเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (mixed oxide หรือ MOX) ในปัจจุบันไปจนถึงปี ค.ศ. 2020

VISTA Equilibrium Core Annual Material Flow Calculation

Fuel Cycle Option

Click to see the fuel cycle diagram.

Reactor

Reactor Type

Fuel Type 1

-

-

Fuel Type 2

 

Scenario Parameters (Default numbers are typical values for the selected option)

Nuclear Power (MWe)

Load Factor (%)

Thermal Efficiency (%)

Tails assay from enrichment (%)

Fuel Parameters (Default numbers are typical values for the selected option)

Fuel Type 1

Fuel Type 2 (share %)

Mine Grade (% U)

Enrichment (%)

Total Pu Content(%)

Burnup (GWD/t)

Burnup (GWD/t)

Reprocessing ratio (%)

Reprocessing ratio (%)

Cooling Time before Reprocessing (y)

Cooling Time before Reprocessing (y)

Rep U Use

 

Uranium Source

 

ซึ่งเมื่อ “คลิก” ที่ Calculate แล้วจะได้ผลลัพธ์ดังที่แสดงไว้ต่อไปนี้

ในการเปรียบเทียบผลการคำนวณ พลูโทเนียมที่สกัดได้กับค่าจริงที่ประเทศสมาชิกแจ้งไว้ พบว่า VISTA คำนวณได้สูงกว่าค่าจริง ส่วนหนึ่งคงเนื่องมาจากโครงสร้างของโปรแกรมเอง (โดยเฉพาะการตั้งสมมุติฐานว่าการสูญเสียในกระบวนการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วเท่ากับ 0) อีกประการหนึ่งคือ ความแม่นของตารางองค์ประกอบเชื้อเพลิงใช้แล้ว ซึ่งขึ้นกับสมาชิกแจ้งมา (VISTA ใช้เป็นค่าเฉลี่ยสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แต่ละแบบ)

โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้แสดงถึงความสามารถของ VISTA ในการตรวจสอบแนวโน้มของการใช้เชื้อเพลิง MOX ในอนาคต ตลอดจนผลกระทบของการใช้สต็อกพลูโทเนียมที่ภาคพลเรือนสกัดได้ โดยมีผลลัพธ์ตรงกับที่ประมาณการไว้ก่อนหน้านี้และสอดคล้องกับสถานการณ์จริงของโลก

อนึ่ง ล่าสุด IAEA กำลังอยู่ระหว่างรวบรวมข้อมูลสมบัติของธาตุแอกทิไนด์อื่นที่มีส่วนร่วมในวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (The Minor Actinide Property Database หรือ MADB) ให้สมาชิกนำไปใช้ได้อีกด้วย

 
จาก NUCLEAR FUEL CYCLE AND MATERIALS จัดพิมพ์โดย IAEA