บริษัทเทคโนโลยีต้องการเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก นี่คือวิธีการทำงาน

เพื่อกระตุ้นความต้องการพลังงานที่ไม่รู้จักพอของปัญญาประดิษฐ์ บริษัทเทคโนโลยีจึงทุ่มตลาดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก

สัปดาห์ที่แล้ว ทั้ง Google และ Amazon ได้ประกาศข้อตกลงกับบริษัทต่างๆ ที่กำลังพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะผลิตพลังงานน้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบัน และการออกแบบจำนวนมากประกอบด้วยเชื้อเพลิงหรือสารหล่อเย็นประเภทต่างๆ พร้อมคุณลักษณะด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม

การประกาศดังกล่าวได้ขยายกระแสความสนใจเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก ซึ่งดึงดูดความสนใจเพิ่มมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากความต้องการพลังงานสะอาดที่จะไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ บริษัทหลายแห่งได้ผุดขึ้นมาเพื่อตอบสนองความต้องการ โดยผลิตข้อเสนอการออกแบบมากมายสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก

“ถ้าคุณรวมความต้องการพลังงานที่ฟื้นตัวได้เข้ากับความต้องการพลังงานสะอาด และความพร้อมใช้งานของการออกแบบเหล่านี้ คุณจะได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างมาก” แคทรีน ฮัฟฟ์ วิศวกรนิวเคลียร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญจน์ กล่าว

ขณะเดียวกัน รัฐบาลสหรัฐฯ ได้สนับสนุนการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก เพื่อเพิ่มความสนใจ

แล้วอะไรจะเกิดขึ้นสำหรับการสร้างพลังงานนิวเคลียร์ใหม่ที่มีศักยภาพนี้? เราแจกแจงคำถามสำคัญเกี่ยวกับวิธีการและสาเหตุที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีขนาดเล็กลง

เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กคืออะไร?

โดยทั่วไปเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์ในสหรัฐอเมริกาจะผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณหนึ่งพันล้านวัตต์ เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กจะผลิตได้น้อยกว่าหนึ่งในสามของจำนวนนั้น

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบดั้งเดิมจำเป็นต้องมีการลงทุนจำนวนมากล่วงหน้า ซึ่งเป็นอุปสรรคที่ทำให้การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ในสหรัฐอเมริกาต้องหยุดชะงักมานานหลายทศวรรษ เครื่องปฏิกรณ์ที่สร้างขึ้นใหม่เครื่องแรกที่สร้างขึ้นในประเทศในรอบ 30 ปี — สองเครื่องในเมืองเวย์เนสโบโร รัฐจอร์เจีย ซึ่งเปิดเครื่องในปี 2566 และ 2567 มีราคาประมาณ 3 หมื่นล้านดอลลาร์ การก่อสร้างล่าช้ากว่ากำหนดหลายปีและใช้งบประมาณเกินพันล้าน

ด้วยการเปลี่ยนไปใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก บริษัทและผู้กำหนดนโยบายมีเป้าหมายที่จะขับเคลื่อนการแพร่กระจายของพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งได้รับการขนานนามว่าเป็นแหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้โดยปราศจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

นอกจากนี้ เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กผลิตพลังงานน้อยกว่า จึงจำเป็นต้องกำจัดความร้อนที่ตกค้างน้อยลงเพื่อปิดเครื่องปฏิกรณ์อย่างปลอดภัยในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ ซึ่งจะทำให้ระบบความปลอดภัยง่ายขึ้น

ด้วยเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก Huff กล่าวว่าการสร้างส่วนประกอบนอกสถานที่ในโรงงานและจัดส่งไปยังที่ที่ต้องการไปได้ง่ายขึ้น แทนที่จะสร้างส่วนประกอบตามสั่งจากวัตถุดิบในไซต์งาน “ยิ่งคุณสามารถสร้างเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้เหมือนเครื่องบินมากกว่าสนามบินได้มากเท่าใด โดยทั่วไปแล้วจะมีราคาถูกลง”

อะไรกระตุ้นความสนใจในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้

ในสหรัฐอเมริกา ปัจจุบันพลังงานนิวเคลียร์ได้รับการสนับสนุนจากทั้งพรรคเดโมแครตและรีพับลิกัน ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ไม่ปกติซึ่งทำให้ภาคส่วนนี้เจริญเติบโตได้ แม้ว่าอำนาจทางการเมืองจะเปลี่ยนไปก็ตาม “ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา มีการสนับสนุนอย่างต่อเนื่องและเพิ่มมากขึ้น และฉันคิดว่ามันเป็นเรื่องใหญ่” ทอดด์ อัลเลน วิศวกรนิวเคลียร์แห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกนกล่าว พลังงานนิวเคลียร์เป็นเสาหลักของแผนบริหารของไบเดนในการบรรลุเป้าหมายด้านสภาพภูมิอากาศ

ในขณะเดียวกัน AIได้สร้างปัญหาให้กับบริษัทเทคโนโลยีที่ไม่ต้องการถูกมองว่าเป็นผู้ร้ายด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (SN: 12/11/23- Google ประกาศเมื่อวันที่ 14 ตุลาคมว่าจะซื้อพลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กที่จะสร้างขึ้นด้วยไครอส พาวเวอร์ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อให้เครื่องปฏิกรณ์เริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 2030 และเมื่อวันที่ 16 ตุลาคม Amazon ได้ประกาศการลงทุนในบริษัท X-energy และข้อตกลงกับบริษัทสาธารณูปโภคในรัฐเวอร์จิเนียและวอชิงตันเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก

และไม่ใช่แค่เทคโนโลยีรายใหญ่เท่านั้นที่สนใจ กข้อตกลงปี 2023ระหว่าง X-energy และบริษัทเคมี Dow ได้ประกาศสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กที่จะสร้างขึ้นที่ไซต์งานแห่งหนึ่งของ Dow

กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้ให้ทุนสนับสนุนการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก เมื่อวันที่ 16 ตุลาคม DOE ได้ประกาศทุนสนับสนุน 900 ล้านดอลลาร์สำหรับการติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก และทั้ง X-energy และ TerraPower ที่ได้รับการสนับสนุนจาก Bill Gates กำลังสร้างโครงการสาธิตโดยได้รับการสนับสนุนจาก DOE

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบดั้งเดิมยังคงมีบทบาทในอนาคตอันใกล้ เมื่อวันที่ 20 กันยายน Microsoft ได้ประกาศข้อตกลงในการรีสตาร์ทโรงไฟฟ้า Three Mile Island ใกล้เมือง Middletown รัฐ Pa. ซึ่งปิดตัวลงในปี 2019 (ใช่ที่เกาะทรีไมล์ หลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์อีกเครื่องที่โรงงานยังคงเดินเครื่องต่อไป (SN: 7/4/79-

“บริษัทที่แต่เดิมเบือนหน้าหนีจากการเอ่ยถึงพลังงานนิวเคลียร์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของผลงาน เพราะพวกเขากังวลเกี่ยวกับการรับรู้ของสาธารณะและการตอบโต้ทางนโยบายที่อาจเกิดขึ้น กำลังก้าวไปข้างหน้าและยอมรับมัน” วิศวกรนิวเคลียร์ Koroush Shirvan จาก MIT กล่าว

เทคโนโลยีแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบันอย่างไร?

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ในสหรัฐอเมริกาโดยทั่วไปใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมชนิดเดียวกันและระบายความร้อนด้วยน้ำ แต่การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบแยกส่วนขนาดเล็กจำนวนมากทำให้แม่พิมพ์นั้นพังทลาย

ยูเรเนียมที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการเสริมสมรรถนะเพื่อเพิ่มความหลากหลายหรือไอโซโทปที่เกี่ยวข้องของยูเรเนียม U-235 เครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบันใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ U-235 เพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ U-235 มากถึง 20 เปอร์เซ็นต์ หรือที่รู้จักในชื่อ-SN: 3/07/24- เชื้อเพลิงช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เชื้อเพลิงทั่วไป สหรัฐอเมริกาไม่ได้ผลิต HALEU ในเชิงพาณิชย์ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ แต่ความพยายามได้เริ่มเพิ่มขึ้นโดยคาดหวังถึงความต้องการ

เครื่องปฏิกรณ์บางชนิดใช้เชื้อเพลิงที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนเช่นกัน ตัวอย่างเช่น X-energy และ Kairos จะใช้เชื้อเพลิง TRISO ซึ่งเป็นเม็ดยูเรเนียมขนาดเท่าเมล็ดฝิ่นที่ห่อหุ้มไว้ภายในวัสดุทรงกลมขนาดใหญ่ โดยแต่ละชิ้นมีขนาดเท่าลูกเทนนิส เชื้อเพลิงนี้ “มีความทนทานอย่างยิ่งจนถึงอุณหภูมิที่สูงมากเป็นเวลานานมาก” Huff กล่าว “มันให้การป้องกันพิเศษแก่คุณอีกชั้นหนึ่ง”

สารหล่อเย็นซึ่งเป็นตัวกลางที่ใช้ในการถ่ายเทความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ไปยังส่วนผลิตไฟฟ้าของโรงงาน ก็เป็นตัวเลือกที่สำคัญเช่นกัน TerraPower ใช้โซเดียมเหลว Kairos ใช้เกลือฟลูออไรด์หลอมเหลว และพลังงาน X ใช้ก๊าซฮีเลียม สารหล่อเย็นแต่ละชนิดอาจมีข้อดี เช่น ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้น หรือการขจัดความจำเป็นในการใช้ภาชนะที่มีแรงดัน

การออกแบบยังรวมคุณลักษณะด้านความปลอดภัยที่ไม่ต้องใช้มนุษย์เข้าไปช่วย ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเครื่องปฏิกรณ์สามารถปิดเครื่องได้อย่างปลอดภัยในกรณีฉุกเฉิน พวกเขาใช้หลักฟิสิกส์ง่ายๆ เช่น อาศัยแรงโน้มถ่วง ความแตกต่างของแรงดัน หรือการพาความร้อนตามธรรมชาติของสารหล่อเย็นของเหลว เพื่อทำให้แกนเย็นลง

อะไรต่อไป?

แนวคิดเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กมีมานานหลายปีแล้ว แต่ความพยายามครั้งก่อนๆ ยังไม่คลี่คลาย แม้แต่ความพยายามล่าสุดก็ยังสะดุด บริษัทเครื่องปฏิกรณ์ NuScale ถูกกำหนดให้ผลิตเครื่องปฏิกรณ์โมดูลาร์ขนาดเล็กเชิงพาณิชย์เครื่องแรกในสหรัฐอเมริกา โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการในไอดาโฮ แต่โครงการถูกยกเลิกในปี 2023 หลังจากต้นทุนเพิ่มสูงขึ้น

ขณะนี้ บริษัทเทคโนโลยีขนาดใหญ่ต่างพากันเข้ามามีส่วนร่วม ผู้เสนอมีความหวังว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็กจะเริ่มต้นใช้งานได้เร็วๆ นี้

“คุณสามารถเห็นการสร้างโมเมนตัม” อัลเลนกล่าว “ไม่ได้หมายความว่าคุณจะมีเวอร์ชันเชิงพาณิชย์ใหม่ในปีนี้ แต่ยังมีหลายสิ่งที่เกิดขึ้นให้ความรู้สึกเหมือนจริงมากกว่าที่เราเคยเห็นในวงการนิวเคลียร์มาเป็นเวลานานมาก”