ลักษณะของเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1

ชนาธิป ทิพยกุล
กลุ่มปฏิบัติการเทคโนโลยีนิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1 หรือเรียกโดยย่อว่า เครื่องปปว.-1/1 เป็นเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยเครื่องแรกและเครื่องเดียวของไทยในปัจจุบัน เครื่องปปว.-1/1 เป็นแหล่งกำเนิดนิวตรอนที่ใหญ่ที่สุดในประเทศสำหรับการใช้ประโยชน์จากนิวตรอนในหลาย ๆ ด้าน เช่น ด้านการแพทย์ อุตสาหกรรม การเกษตรและการศึกษาวิจัย

เครื่องปปว.-1/1 เป็นเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยชนิด TRIGA Mark III ซึ่งออกแบบและสร้างโดยบริษัท General Atomics (GA) ประเทศสหรัฐอเมริกา เครื่องปปว.-1/1 มีขนาดกำลังสม่ำเสมอ (steady-state) 2 เมกะวัตต์ (ความร้อน) และสามารถทำงานแบบทวีกำลัง (Pulsing) ได้ถึงประมาณ 2,000 เมกะวัตต์ในระยะเวลาสั้น ๆ ประมาณ 10.5 มิลลิวินาที

 
 
เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1 หรือเรียกโดยย่อว่า เครื่องปปว.-1/1
เครื่องปปว.-1/1 มีส่วนประกอบหลักคือ แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ระบบระบายความร้อน เครื่องกำบังรังสี และระบบวัดและควบคุม โดยแต่ละส่วนประกอบมีรายละเอียดโดยสังเขปดังนี้

1. แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นหัวใจของเครื่องปปว.-1/1 ซึ่งทำหน้าที่ผลิตนิวตรอน เพื่อการใช้ประโยชน์ โดยแกนเครื่องปปว.-1/1 ประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิงหลายแท่ง อยู่ภายในถังปฏิกรณ์ และภายในแท่งเชื้อเพลิงแต่ละแท่ง ประกอบด้วยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชนิดยูเรเนียมเซอร์โคเนียมไฮไดรด์ (UZrH1.6) ปัจจุบันแท่งเชื้อเพลิงที่ใช้ในแกนเครื่องปปว.-1/1 มี 2 ชนิดคือ ชนิดที่มีปริมาณยูเรเนียมต่อปริมาณสารประกอบยูเรเนียมเซอร์โครเนียมไฮไดร์ 8.5% และ 20% โดยทั้งสองชนิดมีการเสริมสมรรถนะ (มีปริมาณยูเรเนียม-235 ต่อปริมาณยูเรเนียมทั้งหมด) ประมาณ 20%
 
 
แกนเครื่องปปว.-1/1
แท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้วางอยู่บนแผ่นยึดแท่งเชื้อเพลิงแผ่นล่าง และปลายด้านบนของแท่งเชื้อเพลิง สอดทะลุแผ่นยึดแท่งเชื้อเพลิงแผ่นบน เพื่อจัดให้แท่งเชื้อเพลิงอยู่ในลักษณะตั้งตรงภายในถังปฏิกรณ์ จำนวนของแท่งเชื้อเพลิงในแต่ละแกน จะมีจำนวนแตกต่างกัน โดยแกนปัจจุบัน (แกนหมายเลข 17) มีแท่งเชื้อเพลิงจำนวน 107 แท่ง นอกจากแท่งเชื้อเพลิงแล้ว แกนปฏิกรณ์นิวเคลียร์ยังประกอบด้วย แท่งควบคุมจำนวน 5 แท่งโดยแบ่งเป็นแบบแท่งควบคุมชนิดมีเชื้อเพลิงจำนวน 4 แท่ง และแท่งควบคุมชนิดไม่มีเชื้อเพลิง 1 แท่ง โดยแท่งควบคุมที่มีเชื้อเพลิงจะมีสารโบรอนคาร์ไบด์ (B4C) ที่สามารถจับยึดนิวตรอนได้ดีอยู่ที่ส่วนบนและมีเชื้อเพลิงที่ส่วนล่างของแท่ง ในขณะที่แท่งควบคุมชนิดไม่มีเชื้อเพลิง จะมีสารโบรอนคาร์ไบด์อยู่ที่ส่วนบน และส่วนล่างของแท่งเป็นช่องว่าง แท่งควบคุมในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มีหน้าที่ในการควบคุมกำลังของเครื่องปปว.-1/1 โดยเจ้าหน้าที่เดินเครื่องปฏิกรณ์ จะควบคุมระดับความสูงของการดึงแท่งควบคุม ออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เพื่อควบคุมกำลังของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นอกจากแท่งเชื้อเพลิงและแท่งควบคุมแล้ว แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยังประกอบด้วยท่ออาบรังสี ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้อาบรังสีนิวตรอน ท่ออาบรังสีภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ทำจากวัสดุอะลูมิเนียม มีลักษณะเป็นท่อยาว และปลายด้านบนมีรูปร่างเป็นปากกรวย สำหรับการบรรจุสารตั้งต้นเพื่อการอาบรังสีนิวตรอน โดยแกนปัจจุบัน (แกนหมายเลข 17) มีท่ออาบรังสีภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวน 9 ท่อ
 
 
แท่งเชื้อเพลิงที่ใช้ในเครื่องปปว.-1/1 มีความยาวประมาณ 30 นิ้ว

2. ระบบระบายความร้อน

การเกิดปฏิกริยาลูกโซ่ภายในแท่งเชื้อเพลิง นอกจากจะให้นิวตรอนแล้ว ยังเกิดความร้อนขึ้นอีกด้วย เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนเครื่องปปว.-1/1 ไม่ได้นำไปใช้ประโยชน์ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องระบายความร้อนทิ้ง เครื่องปปว.-1/1 ใช้หลักการระบายความร้อนจากแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เรียกว่า การพาแบบธรรมชาติ (natural convection) ซึ่งหมายถึงน้ำที่ได้รับความร้อนจากแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะร้อนกว่าน้ำส่วนอื่นในบ่อและจะลอยตัวสูงขึ้นสู่ผิวน้ำโดยธรรมชาติ และน้ำที่ร้อนกว่านี้จะถูกสูบออกไปด้วยเครื่องสูบน้ำผ่านทางท่อเหล็กกล้าไร้สนิมขนาด 6 นิ้วที่ฝังทะลุผ่านด้านข้างของบ่อผนังบ่อ เพื่อไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำในอีกระบบหนึ่ง ในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) และในที่สุดความร้อนจะถูกระบายสู่บรรยากาศโดยใช้หอทำความเย็น (cooling tower)
 
 
แผนภาพแสดงระบบระบายความร้อนของเครื่องปปว.-1/1

3. เครื่องกำบังรังสี

เครื่องกำบังรังสีเป็นส่วนประกอบสำคัญอีกส่วนหนึ่ง ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกชนิด ทั้งนี้เพื่อให้การทำงานกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นั้นมีความปลอดภัย สำหรับเครื่องปปว.-1/1 เครื่องกำบังรังสีประกอบด้วย ผนังบ่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่ทำจากคอนกรีตความหนาแน่นสูง (high density concrete) และน้ำในบ่อปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยทั้งน้ำและคอนกรีตความหนาแน่นสูงจะทำหน้าที่กำบังรังสีที่เกิดขึ้นจากแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

4. ระบบวัดและควบคุม

ในการเดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เจ้าหน้าที่เดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะประจำอยู่ในห้องควบคุม เพื่อทำการควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ให้มีกำลังตามที่ต้องการ โดยเจ้าหน้าที่เดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ผ่านระบบควบคุมของเครื่อง และจะติดตามสภาวะการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ผ่านทางระบบวัดซึ่งแสดงผลบนแผงควบคุมในห้องควบคุม ตัวอย่างของสภาวะการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หลัก ที่ต้องควบคุมและติดตามได้แก่ กำลังของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ อุณหภูมิของแท่งเชื้อเพลิง อุณหภูมิของน้ำในบ่อปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เป็นต้น
 
 
เจ้าหน้าที่เดินเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เครี่องปปว.-1/1 ได้มีการใช้งานมาเป็นเวลานานกว่า 30 ปีแล้วและไม่เคยมีอุบัติเหตุร้ายแรงใด ๆ เกิดขึ้น ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของความปลอดภัยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และการออกแบบและบำรุงรักษาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ดีเป็นอย่างยิ่ง