เรียบเรียงจาก https://news.stanford.edu/2022/05/30/small-modular-reactors-produce-high-levels-nuclear-waste/

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็ก(small modular reactor)ซึ่งถูกโน้มน้าวมานานว่าเป็นอนาคตของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ จะผลิตกากกัมมันตรังสีมากกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป ผลจากการวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย

Small modular reactors are about 1/10 to 1/4 the size of a traditional nuclear energy plant due to compact, simplified designs. (Image credit: Idaho National Laboratory)

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ผลิตไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ และปล่อยก๊าซเรือนกระจกในปริมาณจํากัด โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ผลิตไฟฟ้า 1,000 เมกะวัตต์ยังผลิตกากกัมมันตภาพรังสีที่ต้องแยกจากสิ่งแวดล้อมเป็นเวลาหลายแสนปี นอกจากนี้ ค่าใช้จ่ายในการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่อาจอยู่ที่หลายหมื่นล้านดอลลาร์

เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ อุตสาหกรรมนิวเคลียร์ได้พัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กที่ผลิตไฟฟ้าน้อยกว่า 300 เมกะวัตต์ และสามารถประกอบในโรงงานได้ นักวิเคราะห์อุตสาหกรรมกล่าวว่าการออกแบบโมดูลาร์ขั้นสูงเหล่านี้มีราคาถูกกว่า และผลิตกัมมันตรังสีน้อยกว่าเตาปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่ทั่วไป

การศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 31 พฤษภาคม 2566 ใน Proceedings of the National Academy of Sciences ได้ข้อสรุปที่ตรงกันข้าม

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าการออกแบบ small modular reactor ส่วนใหญ่จะเพิ่มปริมาณของเสียนิวเคลียร์ที่ต้องการการจัดการและการกําจัดมากกว่า 2 ถึง 30 เท่า” Lindsay Krall หัวหน้าผู้เขียนการศึกษา อดีต MacArthur Postdoctoral Fellow ที่ศูนย์ความมั่นคงและความร่วมมือระหว่างประเทศ (CISAC) ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว “ข้อคันพบจากตรงกันข้ามกับผลประโยชน์ด้านต้นทุนและการลดของเสียที่ผู้สนับสนุนอ้างว่ามีไว้เพื่อเทคโนโลยีนิวเคลียร์ขั้นสูง”

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลก

มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ราว 440 แห่งที่ดําเนินการอยู่ทั่วโลก ผลิตไฟฟ้าในสัดส่วน 10 เปอร์เซ็นต์ของโลก ในสหรัฐอเมริกา โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 93 แห่งผลิตไฟฟ้าได้เกือบหนึ่งในห้าของประเทศ

ต่างจากโรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินหรือก๊าซ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียงเล็กน้อย ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของภาวะโลกร้อน ผู้สนับสนุนกล่าวว่าเมื่อความต้องการพลังงานสะอาดทั่วโลกเพิ่มขึ้น จะต้องใช้พลังงานนิวเคลียร์มากขึ้นเพื่อลดผลกระทบสภาพภูมิอากาศ

แต่พลังงานนิวเคลียร์ไม่ได้ปราศจากความเสี่ยง ในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียว โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ได้ผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วมากกว่า 88,000 เมตริกตัน รวมถึงกากกัมมันตภาพรังสีระดับกลางและระดับต่ำจํานวนมาก ของเสียที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงที่สุด ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว จะต้องแยกในที่เก็บทางธรณีวิทยาที่ขุดลึกเป็นเวลาหลายแสนปี ปัจจุบัน สหรัฐฯ ไม่มีโครงการพัฒนาที่เก็บทางธรณีวิทยา หลังจากใช้เวลาหลายทศวรรษและหลายพันล้านดอลลาร์ในพื้นที่ภูเขายัคคาในเนวาดา ด้วยเหตุนี้ ปัจจุบันเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วจึงถูกเก็บไว้ในแอ่งน้ําหรือในถังแห้งในเขตโรงไฟฟ้า ในอัตราเพิ่ม 2,000 เมตริกตันต่อปี

ตัวชี้วัดอย่างง่าย

นักวิเคราะห์บางคนยืนยันว่า small modular reactor จะช่วยลดมวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วที่สร้างขึ้นได้อย่างมีนัยสําคัญเมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปที่ใหญ่กว่ามาก แต่ข้อสรุปนั้นมองโลกในแง่ดีมากเกินไป ตามที่ Krall และเพื่อนร่วมงานของเธอกล่าว

“ตัวชี้วัดง่ายๆ เช่น การประมาณมวลของเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว ให้ข้อมูลเชิงลึกเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับทรัพยากรที่จําเป็นในการจัดเก็บ บรรจุ และกําจัดเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วและกากกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ” Krall ซึ่งปัจจุบันเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่บริษัทจัดการเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และของเสียของสวีเดนกล่าว “อันที่จริง มีการศึกษาเพียงไม่กี่ชิ้นที่วิเคราะห์การจัดการและการกําจัดของเสียนิวเคลียร์จาก Small Modular Reactor”

มีโครงการออกแบบ small modular reactor หลายสิบแบบ สําหรับการศึกษานี้ Krall วิเคราะห์ขยะนิวเคลียร์จากเครื่องปฏิกรณ์แบบแยกส่วนขนาดเล็กสามประเภทที่พัฒนาโดย Toshiba, NuScale และ Terrestrial Energy แต่ละบริษัทใช้การออกแบบที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์จากกรณีศึกษาได้รับการยืนยันโดยการคํานวณทางทฤษฎีและการสํารวจการออกแบบที่กว้างขึ้น แนวทางสามนี้ทําให้ผู้เขียนสามารถสรุปข้อสรุปที่ทรงพลังได้

“การวิเคราะห์เป็นเรื่องยาก เพราะยังไม่มี small modular reactor เหล่านี้ที่ใช้งานได้แล้ว” Rodney Ewing ผู้เขียนร่วมการศึกษา ศาสตราจารย์ Frank Stanton ด้านความปลอดภัยทางนิวเคลียร์ที่ Stanford และผู้อํานวยการร่วมของ CISAC กล่าว “นอกจากนี้ การออกแบบ small modular reactor บางเครื่องยังเป็นกรรมสิทธิ์ เพิ่มอุปสรรคเพิ่มเติมให้กับการวิจัย”

นิวตรอนรั่ว

พลังงานถูกผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เมื่อนิวตรอนแยกอะตอมยูเรเนียมในแกนเครื่องปฏิกรณ์ สร้างนิวตรอนเพิ่มเติมที่ไปแยกอะตอมยูเรเนียมอื่น ๆ ทําให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่นิวตรอนบางตัวหลุดออกจากแกนกลางที่เรียกว่าการรั่วไหลของนิวตรอน และชนกับวัสดุโครงสร้างโดยรอบ เช่น เหล็กและคอนกรีต วัสดุเหล่านี้กลายเป็นกัมมันตรังสีเมื่อกระตุ้นโดยนิวตรอนที่หลุดออกจากแกนเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

การศึกษาใหม่พบว่า เนื่องจากขนาดที่เล็กกว่า small modular reactor จะมีการรั่วไหลของนิวตรอนมากกว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป การรั่วไหลที่เพิ่มขึ้นนี้ส่งผลต่อปริมาณและองค์ประกอบของกากของเสีย

“ยิ่งมีนิวตรอนรั่วไหลมากเท่าใด ปริมาณกัมมันตรังสีที่เกิดจากกระบวนการกระตุ้นของนิวตรอนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น” อีวิงกล่าว “เราพบว่า small modular reactor จะสร้างเหล็กที่กระตุ้นโดยนิวตรอนมากกว่าโรงไฟฟ้าทั่วไปอย่างน้อย 9 เท่า วัสดุกัมมันตรังสีเหล่านี้ต้องได้รับการจัดการอย่างรอบคอบก่อนการกําจัด ซึ่งจะมีราคาแพง”

การศึกษายังพบว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วจาก small modular reactor จะถูกปล่อยออกมาในปริมาณที่มากขึ้นต่อหน่วยพลังงานที่ได้ และอาจซับซ้อนกว่าเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีอยู่มาก

Allison Macfarlane ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์และผู้อํานวยการศูนย์นโยบายสาธารณะและกิจการโลกที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียกล่าวว่า “การออกแบบ small modular reactor ต้องมีเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็นที่แปลกใหม่ทางเคมีซึ่งสามารถผลิตของเสียที่ยากต่อการจัดการเพื่อการกําจัด” “เชื้อเพลิงและสารหล่อเย็นที่แปลกใหม่เหล่านั้นอาจต้องใช้การบําบัดทางเคมีที่มีราคาแพงก่อนการกําจัด”

“ข้อความสําหรับอุตสาหกรรมและนักลงทุนคือส่วนหลังของวัฏจักรเชื้อเพลิงอาจรวมถึงต้นทุนที่ซ่อนอยู่” Macfarlane กล่าว “ผู้ออกแบบเครื่องปฏิกรณ์และหน่วยงานกํากับดูแลต้องสนใจต่อกากของเสียจากเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้”

ความเป็นพิษทางรังสี

การศึกษาสรุปว่า โดยรวมแล้ว การออกแบบ small modular reactor นั้นด้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปในเรื่องการสร้างกากกัมมันตรังสี ข้อกําหนดการจัดการ และตัวเลือกการกําจัด

ปัญหาหนึ่งคือรังสีจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว ทีมวิจัยประเมินว่าหลังจาก 10,000 ปี ความเป็นพิษทางกัมมันตรังสีของพลูโทเนียมในเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วที่ปล่อยออกมาจากโมดูลการศึกษาทั้งสามจะสูงกว่าพลูโทเนียมในเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วทั่วไปต่อหน่วยพลังงานที่สกัดได้อย่างน้อย 50 เปอร์เซ็นต์

เนื่องจากความเป็นพิษทางรังสีในระดับสูงนี้ ที่เก็บทางธรณีวิทยาสําหรับของเสียจากเครื่องปฏิกรณ์แบบแยกส่วนขนาดเล็กจึงควรเลือกอย่างระมัดระวังผ่านกระบวนการระบุสถานที่อย่างละเอียด ผู้เขียนกล่าว

“เราไม่ควรเป็นคนที่ทําการศึกษานี้” อีวิงกล่าว “ผู้ขายเทคโนโลยี ผู้ที่เสนอโครงการและได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลกลางในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูง ควรกังวลเกี่ยวกับของเสียและดําเนินการวิจัยที่สาธารณชนสามารถตรวจสอบได้”

Rod Ewing is also a professor in the Department of Geological Sciences in the Stanford School of Earth, Energy and Environmental Sciences. The Center for International Security and Cooperation is part of the Freeman Spogli Institute for International Studies at Stanford. This research was supported by the John D. and Catherine T. MacArthur Foundation through fellowships at George Washington University and at the Stanford Center for International Security and Cooperation. To read all stories about Stanford science, subscribe to the biweekly Stanford Science Digest.