Thailand Institute of Nuclear Technology (TINT)

ไหน ๆ ก็ไหน ๆ

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

โลกวันนี้กำลังมีปัญหาด้านพลังงานจากเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (fossil fuels) เช่น น้ำมัน แก๊สธรรมชาติ และถ่านหิน อย่างน้อย 2 ประการ คือ ประการแรก คาดกันว่าน้ำมันกำลังจะหมดไปจากโลกในไม่กี่สิบปีข้างหน้า และนี่อาจทำให้น้ำมันมีราคาสูงมากขึ้นถึงหนึ่งเท่าตัว ในเวลาเพียง 3-4 ปี ปัญหาประการที่สองก็คือ เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์เป็นตัวก่อแก๊สเรือนกระจก (green house gases หรือ GHG) ที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน (global warming) แม้ถ่านหินยังมีให้ใช้อีกมากนับร้อยปี แต่การเผาไหม้ถ่านหินเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าทุก ๆ 1 หน่วยหรือ 1 ยูนิต (1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง) จะปล่อยแก๊สเรือนกระจก เทียบเท่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 1 ตันทีเดียว (คาร์บอนอย่างเดียวราว 270 กิโลกรัม) ซึ่งมากกว่าที่การใช้พลังงานน้ำ แสงอาทิตย์ ลม ปล่อยออกมา และที่น่าสนใจคือ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ปล่อยแก๊สเรือนกระจกออกมาน้อยมาก ดังนั้น การจะสร้างโรงไฟฟ้าใหม่ ๆ ถ้าจะใช้เชื้อเพลิงถ่านหินจึงถูกต่อต้านมากทั่วโลก รวมทั้งในประเทศไทย


	การปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ของเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

พลังงานทดแทนหรือพลังงานทางเลือก (alternative energy) ที่มองกันว่าจะมาทดแทนน้ำมันที่กำลังจะหมดไป ในระยะนี้ก็คือ เชื้อเพลิงมวลชีวภาพ (biomass fuels) ได้แก่ เอทานอลและไบโอดีเซล ส่วนที่จะมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าทดแทนถ่านหินก็คือ พลังงานน้ำ (hydro energy) พลังงานลม (wind energy) และพลังงานแสงอาทิตย์ (solar energy) ซึ่งพลังงานทางเลือกที่กล่าวมาเหล่านี้ มีชื่อเรียกต่างหากว่า พลังงานหมุนเวียน (renewable energy) กล่าวคือเป็นพลังงานที่ใช้แล้วก็หมุนเวียนเกิดขึ้นใหม่ได้ และที่สำคัญคือพลังน้ำ แสงอาทิตย์ และลม ปล่อยแก๊สเรือนกระจกค่อนข้างน้อย


	พลังงานหมุนเวียนชนิดต่าง ๆ

นอกจากนี้ ไหน ๆ ก็ไหน ๆ สายน้ำก็ไหลรี่จากต้นน้ำลำธารลงมาอยู่ทุกเมื่อเชื่อวันอยู่แล้ว ก็กักไว้ด้วยเขื่อนหรือผันมาปั่นกระแสไฟฟ้าได้ไม่รู้จักหมด


	ภาพร่างไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก (source : Bernard B?lisle <belisleb@webnet.qc.ca)

สำหรับแสงอาทิตย์ก็ส่องลงมาที่โลกทุกวันตราบเท่าที่ดวงอาทิตย์ยังไม่ดับไป ไหน ๆ ก็ไหน ๆ แสงอาทิตย์ก็ส่องลงมาแล้ว มนุษย์ก็พยายามนำมาใช้เสียเลย ดีกว่าปล่อยให้เสียไปเปล่า ๆ โดยผลิตเซลล์สุริยะขึ้นมาแปลงพลังงานแสงพลังงานอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้า


	เซลล์สุริยะสำหรับรับพลังงานแสงอาทิตย์ (source : www.greengeek.ca)

พลังงานลมก็เช่นกัน ไหน ๆ ก็ไหน ๆ ลมก็พัดไปพัดมาไม่รู้หยุดหย่อน ก็นำมาปั่นกระแสไฟฟ้าให้เราใช้ไปด้วยมิดีกว่าหรือ โดยเลือกทำเลที่ลมแรงพอก่อสร้างเป็นฟาร์มลม (wind farm) ขึ้นมา


	ฟาร์มลมในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา (source : www.friendsofbruce.ca/)

ยังมีพลังงานทดแทนหรือพลังงานทางเลือกอีกหลายชนิดที่ใช้แล้วหมดไป (depleted energy) เช่นเดียวกับน้ำมันและแก๊สธรรมชาติ แต่ปัจจุบันยังนำมาใช้น้อยหรือยังไม่นำมาใช้เลย เช่น พลังงานไฮโดรเจนมีการศึกษามานานแต่ยังไม่ได้นำมาใช้กันอย่างจริงจัง และพลังงานอีกชนิดหนึ่งปัจจุบันใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 16% ของกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ทั่วโลก นั่นก็คือพลังงานนิวเคลียร์


	สัดส่วนของพลังงานที่ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าทั่วโลก (source : www.parliament.uk)

พลังงานนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ซึ่งมีสมบัติประการหนึ่ง ที่เทียบได้กับพลังงานจากน้ำ แสงอาทิตย์ และลม นั่นก็คือ โดยธรรมชาติธาตุกัมมันตรังสี จะมีการปล่อยรังสี ซึ่งเป็นพลังงานออกมาอยู่ตลอดเวลา เช่นเดียวกับน้ำ แสงอาทิตย์ และลมที่มีพลังงานอยู่ในตัวเอง ต่างกันแต่ว่าทั้งน้ำ แสงอาทิตย์ และลม เมื่อนำมาใช้แล้วก็หมุนเวียน ก่อเกิดขึ้นมาให้ใช้ได้ใหม่ แต่เมื่อธาตุกัมมันตรังสีปล่อยพลังงานออกมาแล้ว มวลของมันก็จะลดหายไปส่วนหนึ่ง และก็ทำให้ตัวมันเองแปรธาตุไปเป็นธาตุอื่น ๆ เป็นทอด ๆ จนในที่สุดก็เป็นธาตุตะกั่ว และพร้อมกันนั้นปริมาณก็ลดลงไปเรื่อย ๆ


	การสลายกัมมันตรังสีของยูเรเนียม-238 มีการแปรธาตุไปเป็นทอด ๆ ท้ายที่สุดคือตะกั่ว-206 (source : www.uic.com.au)

ดังนั้น ไหน ๆ ก็ไหน ๆ แล้ว พลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาจากวัสดุกัมมันตรังสีก็นำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น นำมาผลิตเป็นแบตเตอรี่นิวเคลียร์ ซึ่งมีการทำงานหลายแบบ แบบหนึ่งมีหลักการใช้ความร้อนที่เกิดจากรังสีแปลงเป็นกระแสไฟฟ้า (radioisotope thermoelectric generator หรือ RTG) ใช้เป็นแหล่งพลังงานในยานที่ส่งไปสำรวจอวกาศอันไกลโพ้นได้ เนื่องจากให้พลังงานได้ยาวนานหลายสิบปี เรียกว่าแบตเตอรี่อวกาศ (space battery)


	แบตเตอรี่อวกาศที่สหรัฐอเมริกาใช้กับยาน New Horizons เพื่อสำรวจดาวพลูโต (source : Idaho National Laboratory)

พลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้ากันอยู่ทุกวันนี้ ได้จากเชื้อเพลิงยูเรเนียม ซึ่งมีหลักการทำงานต่างจากแบตเตอรี่นิวเคลียร์ แต่ก็ยังคงอาศัยการสลายกัมมันตรังสีอยู่นั่นเอง แต่เป็นวิธีการสลายกัมมันมันตรังสีอีกแบบหนึ่ง เรียกว่า การแบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission) เช่น ในกรณีของการแบ่งแยกนิวเคลียสแต่ละครั้ง ของยูเรเนียม-235 ออกเป็นนิวเคลียส 2 ชนิด คือนิวเคลียสของธาตุคริปทอนและแบเรียม จะปล่อยพลังงานออกมาด้วยเฉลี่ย 215 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ดังนั้น หากสามารถทำให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียส ได้ต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ ก็จะได้พลังงานมากพอใช้ทำประโยชน์ได้


	ปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียสแบบหนึ่งของยูเรเนียม-235 (source : hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)

ทั้งนี้ก่อนอื่นคงต้องทำความเข้าใจกับสมบัติบางประการของยูเรเนียมก่อนสักเล็กน้อย

isotopic composition	U-234	U-235	U-238
weight %	0.0053%	0.711%	99.284%
half-life	244,500 years	703.8 x 10⁶years	4.468 x 10⁹ years
activity %	48.9%	2.2%	48.9%
activity in 1 g Unat	12,356 Bq	568 Bq	12,356 Bq
nuclear material	fissionable	fissile	fertile, fissionable

สมบัติบางประการของยูเรเนียมธรรมชาติ

ยูเรเนียมในธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปหลักคือ ยูเรเนียม-238 มีมากถึง 99.284% โดยน้ำหนัก มียูเรเนียม-234 น้อยมากโดยเกิดจากการสลายของยูเรเนียม-238 นั่นเอง และอีกไอโซโทปหนึ่งคือ ยูเรเนียม-235 ที่แม้มีเพียง 0.711% โดยน้ำหนัก แต่ก็มีบทบาทสำคัญมาก เพราะมีสมบัติพิเศษ ที่ทำให้สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้ คือเป็นวัสดุฟิสไซล์ (fissile material) ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission chain reaction) พร้อมกับปล่อยพลังงานดังกล่าวแล้ว ดังนั้น โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ก็คือการที่นำเชื้อเพลิงยูเรเนียม-235 มาควบคุมการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียสให้พอเหมาะ ด้วยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แล้วนำพลังงานที่เกิดขึ้น ไปผลิตไอน้ำสำหรับปั่นเทอร์ไบน์ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

แผนภาพเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขั้นสูงแบบหล่อเย็นด้วยแก๊ส (advanced gas-cooled reactorหรือ AGR) ของประเทศอังกฤษ เชื้อเพลิงยูเรเนียมบรรจุอยู่ในแท่งเชื้อเพลิง (fuel elements) ตรงกลางของแผนภาพ (source : www.bnfleducation.com/)

ธาตุกัมมันตรังสีมีสมบัติสำคัญอีกประการหนึ่งคือ ครึ่งชีวิต (half life) ซึ่งหมายถึงระยะเวลาที่เมื่อวัสดุกัมมันตรังสี เกิดการสลายกัมมันตรังสีแล้ว จะมีปริมาณลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ยกตัวอย่าง ยูเรเนียม-238 มีครึ่งชีวิต 4,468 ล้านปี นั่นคือปัจจุบันนี้ยูเรเนียม-238 บนโลกมีปริมาณครึ่งหนึ่งของ 4,468 ล้านปีก่อน ที่บังเอิญก็คือนักวิทยาศาสตร์ได้ประมาณอายุของโลกไว้ว่าเกิดมาแล้วประมาณ 4,500 ล้านปี แสดงว่าปริมาณของยูเรเนียม-238 ที่มีอยู่เมื่อตอนที่โลกถือกำเนิดขึ้นมานั้น วันนี้มีเหลืออยู่ไม่ถึงครึ่งหนึ่งแล้ว

ในทำนองเดียวกันยูเรเนียม-235 ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นั้น มีครึ่งชีวิต 703.8 ล้านปี เมื่อนำมาเปรียบเทียบกับอายุของโลกจะเห็นได้ว่าได้ผ่านครึ่งชีวิตมาเกินกว่า 6 รอบแล้ว (4,500,000,000 หารด้วย 703,800,000) ดังนั้นปริมาณของยูเรเนียม-235 ที่มีเหลืออยู่วันนี้เทียบกับเมื่อตอนที่โลกถือกำเนิดขึ้นมานั้น เหลืออยู่ไม่ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ (1 หารด้วย 2 รวม 6 ครั้งแล้วคูณด้วย 100) แล้วมันก็ยังสลายหายไปในอากาศเฉย ๆ อยู่ทุกวัน ทุกชั่วโมง ทุกนาที และทุกวินาทีอย่างน่าเสียดาย


	การสลายกัมมันตรังสีกับครึ่งชีวิต (source : fig.cox.miami.edu)

จึงไม่น่าประหลาดใจว่า สถานการณ์โรงไฟฟ้านิวเคลียร์วันนี้ แม้มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อยู่แล้ว 437 โรงที่ใช้งานอยู่ใน 30 ประเทศทั่วโลก แต่ก็ยังมีอยู่อีก 28 โรงที่กำลังก่อสร้าง และกำลังวางแผนจะสร้างอีก 64 โรง ซึ่งรวมถึงในทวีปเอเชียด้วย เช่น ที่ญี่ปุ่นมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อยู่แล้ว 55 โรง กำลังก่อสร้างอยู่ 2 โรง และมีแผนที่จะสร้างอีก 11 โรง ที่ประเทศเกาหลีใต้มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 20 โรงและมีแผนจะก่อสร้างอีก 2 โรง จีนมี 9 โรงอยู่ระหว่างก่อสร้าง 4 โรง อินเดียมีแล้ว 15 โรงอยู่ระหว่างก่อสร้างอีก 7 โรง และปากีสถานมี 2 โรง นอกจากนี้ประเทศเพื่อนบ้านของไทย คือ อินโดนีเซียและเวียดนามต่างได้มีการเสนอที่จะสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในอนาคตอันไม่ไกล และไม่เว้นแม้แต่ประเทศไทยก็มีแผนจะสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 2 โรงในปี พ.ศ. 2563 และอีก 2 โรงในปีถัดไป


	โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยองวัง (Yonggwang) ในเกาหลีใต้ (source : KHNP)

การที่ทุกวันนี้มีการก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ประการหนึ่งคงเพราะว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ปล่อยแก๊สเรือนกระจกน้อยมากดังกล่าวแล้วข้างต้น และก็คงเพราะว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยูเรเนียม-235 มีพลังงานมหาศาลแฝงอยู่ในตัวเช่นเดียวกับสายน้ำที่ไหลรี่จากต้นน้ำลำธารลงมาอยู่ทุกเมื่อเชื่อวัน เช่นเดียวกับแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาที่โลกทุกวันตราบเท่าที่ดวงอาทิตย์ยังไม่ดับไป และก็เช่นเดียวกับลมที่ก็พัดไปพัดมาไม่รู้หยุดหย่อน จะปล่อยให้สลายหายไปในอากาศธาตุเสียเฉย ๆ นั้นนับว่าก็น่าเสียดาย ก็จึง.....

ไหน ๆ ก็ไหน ๆ ก็ต้องเอามาใช้กันบ้างสินะ