ลักษณะของเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูวิจัยของไทย

เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1 หรือเรียกโดยย่อว่าเครื่องปปว.-1/1 เป็นเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูแบบ วิจัยของไทย มีขนาดกำลังสม่ำเสมอ (steady-state) 2 เมกกะวัตต์ (ความร้อน) และสามารถทำงานแบบทวีกำลัง (Pulsing) ได้ถึงประมาณ 2,000 เมกกะวัตต์ในระยะเวลาสั้น ๆ ประมาณ 10.5 มิลลิวินาที เครื่องปปว.-1/1 สร้างโดย บริษัท General Atomics แห่งประเทศอเมริกา โดยใช้ชื่อทางการค้าว่า TRIGA Mark III

เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1

บ่อเครื่องปฎิกรณ์ฯ

บ่อเครื่องปฎิกรณ์ฯ แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ผนังด้านข้างของบ่อจะมีท่อสแตนเลสขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 6 นิ้ว ซึ่ง เป็นท่อของระบบระบายความร้อนฝังทะลุผ่านด้านข้างของบ่อผนังบ่อเป็นผนังคอนกรีตชนิดความหนาแน่นสูง (high density concrete) ที่มีความหนาแน่น 3.5 gm / cm³ ส่วนบนสุดของบ่อหนา 1.5 ฟุต และจะเพิ่มความหนา เป็นชั้นๆ ชั้นละ 1 ฟุต ตามระดับความสูง ที่ระดับชั้นล่างสุดจะหนามากที่สุดคือ 4.5 ฟุต หรือ 1.35 เมตร บ่อเครื่อง ปฎิกรณ์ฯ มีขนาดโดยประมาณ กว้าง 3.5 ม.x ยาว 12 ม.x 8.5 ม. ภายในบ่อสามารถบรรจุน้ำได้ประมาณ 64,800 แกลลอน (หรือประมาณ 245 ลูกบาศก์เมตร)

บ่อเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1

ประตูกั้นน้ำ

ประตูกั้นน้ำทำด้วยอะลูมิเนียม มีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมคางหมู ขอบของประตูน้ำจะเป็นยางรูปตัว J เพื่อทำหน้าที่กั้นน้ำระหว่างบ่อเล็กกับบ่อใหญ่ในระหว่างที่หย่อนประตูกั้นน้ำลงไปในร่องประตูของเครื่องปฎิกรณ์ ฯ

ประตูกั้นน้ำ

สะพานเครื่องปฎิกรณ์ ฯ

สะพานเครื่องปฎิกรณ์ฯจะเป็นตัวยึดโครงสร้างของเครื่องปฎิกรณ์และจะประกอบด้วยชุดขับเคลื่อนซึ่งใช้ไฟฟ้า โดย สะพานเครื่องปฎิกรณ์ฯ สามารถเคลื่อนที่ได้และความเร็วในการเคลื่อนที่สามารถปรับได้จาก 0 – 6 ฟุตต่อนาที และเมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้ตำแหน่ง Thermal Column ในระยะประมาณ 2 ฟุตความเร็วของการเคลื่อนที่จะเปลี่ยน เป็น 1 ฟุต / นาที โดยอัตโนมัติ

สะพานเครื่องปฎิกรณ์ ฯ

ลักษณะแกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ

การจัดเชื้อเพลิงในแกนจะมีลักษณะเป็นรูปหกเหลี่ยม (Hexagonal array) แกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ บรรจุอยู่ในถัง อะลูมิเนียมรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 55 เซนติเมตร สูงประมาณ 2 เมตร ภายในจะมีแท่งเชื้อ เพลิงบรรจุอยู่ในลักษณะตั้งตรง ส่วนบนและล่างของแท่งเชื้อเพลิงเป็น Graphite Reflector แกนปฎิกรณ์ฯและ อุปกรณ์ประกอบทั้งหมดจะอยู่ใต้น้ำ

การจัดเชื้อเพลิงในลักษณะรูปหกเหลี่ยมของแกนเครื่องปปว.-1/1

แท่งเชื้อเพลิง

เนื้อเชื้อเพลิงเป็น U-ZrH (Uranium – Zirconiumhydride) มีลักษณะแป็นแท่งทรงกระบอกเส้นผ่าศูนย์กลาง ประมาณ 1.5 นิ้ว ยาวประมาณ 30 นิ้ว ส่วนบนและล่างเป็นแกรไฟต์ เชื้อเพลิงชนิดนี้มีคุณสมบัติพิเศษในการยับยั้ง ปฎิกิริยาฟิชชั่นได้เมื่ออุณหภูมิของเนื้อเชื้อเพลิงสูงขึ้นอย่างทันทีทันใด (Prompt Negative Temperature Coefficient) ซึ่งเป็นลักษณะพิเศษของเชื้อเพลิงชนิดนี้ จึงทำให้เครื่องปฎิกรณ์ฯ ชนิดนี้มีความปลอดภัยสูงมาก สามารถทำงานแบบทวีกำลังได้โดยไม่เป็นอันตรายต่อแท่งเชื้อเพลิง เชื้อเพลิง U-ZrH มีความสามารถในการ หน่วงนิวตรอนความเร็วสูงตั้งแต่เริ่มเกิดในเนื้อเชื้อเพลิง ในบางครั้งจึงเรียกเชื้อเพลิงชนิดนี้ว่า Fuel-Moderator Element ส่วนสารหน่วงความเร็วถัดออกมาคือ น้ำบริสุทธิ์ ที่มีความนำไฟฟ้าไม่เกิน 2 ไมโครโมห์ต่อเซนติเมตร (ปกติน้ำประปาจะมีความนำไฟฟ้าประมาณ 200 ไมโครโมห์ต่อเซนติเมตร) ซึ่งน้ำนี้เป็นทั้งตัวหน่วงความเร็วและตัว ระบายความร้อน

ขนาดแท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปปว.-1/1

แท่งควบคุม

มีลักษณะและขนาดคล้ายแท่งเชื้อเพลิงแต่มีส่วนบนเป็น Boron Carbide (B₄C) ซึ่งใช้เป็นตัวดูดจับนิวตรอนและ ส่วนล่างจะเป็นเนื้อเชื้อเพลิง U-ZrH แท่งควบคุมชนิดนี้มีจำนวน 4 แท่งและแท่งควบคุมชนิด Transient ซึ่งไม่มี เนื้อเชื้อเพลิงอีก 1 แท่ง

เปรียบเทียบขนาดแท่งควบคุมและแท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปปว.-1/1

ต้นกำเนิดนิวตรอน

ต้นกำเนิดนิวตรอนของเครื่องปปว-1/1 เป็น Am-Be (Americium Beryllium) มีความแรงรังสี 3 คูรี มีครึ่งชีวิต 458 ปี ต้นกำเนิดรังสีนิวตรอนนี้ใช้เป็นตัวจุดชนวนปฎิกิริยา Fission เพื่อให้เกิดปฎิกิริยาแบบลูกโซ่ หลังจากเกิดปฎิกิริยา ลูกโซ่แล้วต้นกำเนิดนิวตรอนก็ไม่มีความจำเป็นต้องใช้แต่ยังคงติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฎิกรณ์ ฯ

การเกิดและการควบคุมปฎิกิริยาลูกโซ่ในแกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ

ปฎิกิริยาลูกโซ่ในแกนเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูเกิดขึ้นได้เนื่องจากนิวเคลียส (Nucleus) ของวัสดุนิวเคลียร์พิเศษ (Special Nuclear Material) เช่น พลูโตเนียม-239 ยูเรเนียม-235 (เครื่องปปว-1/1 ใช้ยูเรเนียม-235) ดูดจับเอา นิวตรอนที่มีพลังงานเหมาะสมแล้วจะทำให้นิวเคลียสแตกตัวแล้วปล่อยนิวตรอนเพิ่มขึ้นมาอีก 2-3 ตัว และพลังงาน จำนวนหนึ่งนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมานี้ก็มีโอกาสถูกจับโดยนิวคลีไอ (nuclei) ตัวอื่น ๆ อีก ดังนั้นปฎิกิริยาเช่นนี้จะ รักษาสภาพตัวมันเอง (Self-sustaining) เมื่อจำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในเวลาหนึ่ง ๆ เท่ากับหรือใกล้เคียง กับจำนวนนิวตรอนที่หายไปโดยการถูกจับเข้าไปในวัสดุที่ไม่สามารถแตกตัวได้ (Non-fissioning material) หรือ โดยการหนีออกไปจากระบบ

ถ้าหากปล่อยให้มีปฎิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นในแกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ ต่อไปเรื่อย ๆ จำนวนนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมา จากปฎิกิริยาก็จะเพิ่มจำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ เช่นเดียวกัน ดังนั้นพลังงานความร้อนที่เกิดจากปฎิกิริยาก็จะสะสมขึ้น ในแกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ มากขึ้นจนทำให้แกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ ร้อนขึ้นเป็นลำดับ ดังนั้นจึงต้องมีการควบคุมปฎิกิริยา ให้คงที่ในระดับกำลังเหมาะสม โดยการใช้ตัวดูดจับนิวตรอน (Neutron absorrber) ทำเป็นแท่งใส่เข้าไปแกน เครื่องปฎิกรณ์ฯ เรียกว่าแท่งควบคุม (Control Rod) ในการควบคุมถ้าต้องการเพิ่มปฎิกิริยาก็ดึงแท่งควบคุมขึ้นจาก แกนเครื่องปฎิกรณ์ ฯ ถ้าต้องลดหรือดับเครื่องปฎิกรณ์ฯ ก็ปล่อยแท่งควบคุมลงไปจนสุด

ปฎิกิริยาลูกโซ่

ระบบระบายความร้อน

เนื่องจากเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูวิจัยต้องการใช้ประโยชน์จากนิวตรอนฟลักซ์เท่านั้น พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจึง ต้องระบายออกไปจากแกนเครื่องปฎิกรณ์ ฯ ดังนั้นจำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อน สำหรับเครื่องปปว.-1/1 ใช้ ระบบการระบายความร้อนแบบการพาความร้อนโดยธรรมชาติ (Natural Convection) โดยน้ำที่ร้อนจะลอยตัวสูง ขึ้นสู่ผิวน้ำและจะถูกดูดออกไปด้วยเครื่องสูบน้ำ (ระบบปฐมภูมิ) ด้วยอัตราความเร็วประมาณ 1,060 แกลลลอนต่อ นาที (หรือประมาณ 68 ลิตรต่อวินาที) ผ่านตัวแลกถ่ายความร้อน (Heat Exchanger) และระบายความร้อนสู่ บรรยากาศโดยใช้หอระบายความร้อน (Cooling Tower)

ระบบระบายความร้อนของเครื่องปปว.-1/1

ระบบควบคุมเครื่องปปว.-1/1 ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย

ในการเดินเครื่องปฎิกรณ์ฯ ถ้าเกิดกรณีฉุกเฉินที่จะก่อให้เกิดอันตรายต่อแกนปฎิกรณ์ฯ เครื่องปฎิกรณ์ฯ จะดับโดย อัตโนมัติโดยแท่งควบคุมจะตกลงไปในแกนเครื่องปฎิกรณ์ฯ ทำให้ปฏิกิริยาลดลงและหยุดในที่สุดเรียกว่าเครื่อง ปฎิกรณ์ฯ SCRAM สำหรับเครื่องปปว.-1/1 จะเกิดการ SCRAM เมื่อเกิดกรณีต่อไปนี้

1. อุณหภูมิแท่งเชื้อเพลิงเกินกว่า 600 C (อุณหภูมิจุดหลอมเหลวของ Cladding หุ้มแท่งเชื้อเพลิงประมาณ 1200 C)
2. กำลังของเครื่องปฎิกรณ์ฯมากกว่า 110% (2.2 MW.)
3. เมื่อกระแสไฟฟ้าของระบบควบคุมขัดข้อง

นอกจากนั้นแล้วยังมีระบบ Interlock ซึ่งจะทำให้ไม่สามารถเพิ่มกำลังของเครื่องปฎิกรณ์ฯ อย่างต่อเนื่องได้ เช่น ในกรณีการเพิ่มกำลังของเครื่องปฎิกรณ์ฯ เร็วเกินไปหรือในกรณีที่ดึงแท่งควบคุมขึ้นพร้อมกัน ตั้งแต่ 2 แท่งขึ้นไป เป็นต้น

ระบบควบคุมเครื่องปปว.-1/1

การรักษาความปลอดภัยเครื่องปฎิกรณ์ ฯ

เครื่องปฎิกรณ์ฯ ทุกเครื่องที่สร้างขึ้นจะต้องมีระบบการรักษาความปลอดภัยไว้อย่างเข้มงวดรัดกุม โดยเฉพาะอย่าง ยิ่งเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูเพื่อการผลิตไฟฟ้า (Power Reactor) ยิ่งต้องมีมาตรการรักษาความปลอดภัยไว้อย่างดี มาก สำหรับเครื่องปปว-1/1 ฝ่ายจัดการเครื่องปฏิกรณ์ฯ ได้มีมาตรการความปลอดภัยในการทำงานของเครื่อง ปฎิกรณ์ฯ และนอกจากนั้นทางสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติยังจัดให้มีเวรยามรักษาความปลอดภัยอาคาร ปฎิกรณ์ฯ รวมทั้งมีมาตรการตรวจสอบบุคคลเข้าออกอย่างเข้มงวดอยู่ตลอดเวลาอีกด้วย