บริษัท Radiant ซึ่งบริหารงานโดยอดีตพนักงาน SpaceX ได้เปิดตัวโครงการ Kaleidos เตาปฏิกรณ์ปรมาณูขนาดเล็กแบบเคลื่อนย้ายได้ที่ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานผลิตไฟฟ้า

Kaleidos เป็นชุดปั่นไฟที่ประกอบไปด้วยเตาปฏิกรณ์ปรมาณูแบบฟิสชั่นสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าด้วยกำลัง 1.2 เมกะวัตต์ นานต่อเนื่อง 8 ปี มันถูกออกแบบมาเพื่อทดแทนการใช้งานเครื่องปั่นไฟแบบเครื่องยนต์ดีเซล ผู้ใช้สามารถเดินเครื่องเพื่อเริ่มผลิตกระแสไฟฟ้าได้ภายในเวลาไม่เกิน 1 ชั่วโมงหลังการติดตั้ง โดยทาง Radiant ระบุว่า Kaleidos สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลายไม่ว่าจะเพื่อการทหาร, ใช้เพื่อการบรรเทาทุกข์ในพื้นที่ที่ประสบภัยพิบัติทางธรรมชาติ รวมทั้งใช้งานในพื้นที่ทุรกันดารต่างๆ

Doug Bernauer ซีอีโอของ Radiant ซึ่งเคยทำงานให้ SpaceX นาน 12 ปี ได้อธิบายถึงที่มาของ Kaleidos ว่าเป็นการหยิบเอางานที่เคยพัฒนาให้กับ SpaceX ในแผนการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการตั้งอาณานิคมบนดาวอังคาร โดยงานของเขาในตอนนั้นคือการพัฒนาแหล่งพลังงานเพื่อการดำรงชีวิตบนดาวเคราะห์สีแดง ตัว Bernauer เองคิดว่าผลงานการคิดค้นเหล่านั้นสามารถนำมาใช้งานบนโลกได้ด้วยเช่นกัน

ภาพจำลองของ Kaleidos แสดงให้เห็นเตาปฏิกรณ์และส่วนประกอบอื่นๆ ติดตั้งอยู่ในโครงสร้างตู้คอนเทนเนอร์

กระบวนการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์โดยส่วนใหญ่ในปัจจุบันนั้น จะใช้เตาปฏิกรณ์สร้างพลังงานความร้อน ภายในเตาจะมี "แกนเชื้อเพลิง" ที่บรรจุเม็ดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เอาไว้ ซึ่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่นิยมใช้ส่วนใหญ๋คือไอโซโทปของยูเรเนียม เมื่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกเริ่มด้วยการยิงนิวตรอนไปยังแกนเชื้อเพลิงเหล่านี้ นิวตรอนของสารเชื้อเพลิงที่อยู่ในแกนจะแตกตัวและพุ่งไปกระทบอะตอมอื่นๆ ของสารเชื้อเพลิงต่อกันไปอีกเป็นทอดๆ เกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่และมีการปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมา

การควบคุมระดับพลังงานของเตาปฏิกรณ์สามารถทำได้ด้วยการสอดหรือดึงสิ่งที่เรียกว่า "แกนควบคุม" เข้าหรือออกจากเตา โดยแกนควบคุมนี้ทำหน้าที่เสมือนเป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่พุ่งไปมาภายในเตา การสอดแกนควบคุมลงลึกไปในเตาจะเป็นการหน่วงปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น ในทางกลับกันหากทำการดึงแกนควบคุมออกมาจากเตามากเท่าไหร่ก็จะเป็นการเร่งให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่มากขึ้นนั่นเอง

พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาฟิสซั่นดังที่อธิบายข้างต้นจะถูกถ่ายเทผ่านแผงระบายความร้อนต่อไปยังสารหล่อเย็นซึ่งโดยทั่วไปก็คือน้ำ โดยน้ำหล่อเย็นเหล่านี้จะมีการปนเปื้อนกัมมันตรังสีเนื่องจากสัมผัสกับแกนเชื้อเพลิงภายในเตาโดยตรง ดังนั้นมันจะถูกหมุนเวียนอยู่ในระบบปิดเท่านั้นเพื่อป้องกันการรั่วไหลของกัมมันตรังสีออกสู่ภายนอก จากนั้นน้ำหล่อเย็นที่ร้อนจัดจนเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำจะถูกหมุนเวียนไปแลกเปลี่ยนความร้อนให้กับน้ำอีกส่วนหนึ่ง และน้ำส่วนที่สองนี้เมื่อได้รับความร้อนจนอยู่ในสถานะไอน้ำเช่นกันจะหมุนเวียนไปขับใบพัดของเครื่องปั่นไฟได้เป็นพลังงานไฟฟ้าออกมาในท้ายที่สุด (อย่างไรก็ตาม มีโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์บางแห่งจะใช้ไอน้ำของสารหล่อเย็นที่ปนเปื้อนกัมมันตรังสีไปขับใบพัดของเครื่องปั่นไฟโดยตรงเช่นกัน)

สำหรับ Kaleidos เองก็มีกลไกการทำงานคล้ายคลึงกับระบบการผลิตไฟของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ทั่วไปดังที่อธิบายข้างต้น หากแต่มีการออกแบบที่มุ่งเน้นเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานในกระบวนการขนาดเล็กและมีความปลอดภัยในระหว่างการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์และการใช้งานเพิ่มมากขึ้น เตาปฏิกรณ์ของ Kaleidos มีแกนควบคุมทั้งหมด 16 แกน โดย Radiant ออกแบบแท่งควบคุมให้สามารถเคลื่อนที่ขึ้น-ลง ในตำแหน่งที่ล้อมแกนเชื้อเพลิงเอาไว้โดยรอบ

เตาปฏิกรณ์ของ Kaleidos มีแกนเชื้อเพลิงอยู่ในใจกลางของเตาและแท่งควบคุมเรียงตัวล้อมรอบด้านนอก

โดยเชื้อเพลิงที่บรรจุภายในแกนคืออนุภาค TRISO (TRi-structural ISOtropic) อันเป็นอนุภาคที่ประกอบไปด้วยองค์ประกอบธาตุยูเรเนียม, คาร์บอน และออกซิเจนอยู่ตรงใจกลาง และมีเปลือกหุ้มภายนอก 3 ชั้นซึ่งประกอบไปด้วยชั้นของไพโรไลติกคาร์บอนและซิลิกอนคาร์ไบด์ซึ่งล้วนแล้วแต่มีคุณสมบัติทนความร้อนสูง ผลพวงจากโครงสร้างที่พิเศษของอนุภาค TRISO ที่มีเปลือกหุ้ม 3 ชั้นนี้ ทำให้มันมีคุณสมบัติพิเศษคือไม่มีทางหลอมละลาย (การหลอมละลายของแกนเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ถือเป็นอุบัติภัยที่ร้ายแรง อาจกล่าวได้ว่ามหันตภัยของอุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั้งหลายเกิดขึ้นทันทีที่แกนปฏิกรณ์หลอมละลาย) จึงมีความปลอดภัยในการใช้งานสูงมาก

โครงสร้างอนุภาค TRISO ซึ่งมีเปลือกหุ้มภายนอก 3 ชั้น โดยมีไพโรไลติกคาร์บอนชั้นใน, ซิลิกอนคาร์ไบด์ และไพโรไลติกคาร์บอนชั้นนอก

พลังงานความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชั่นที่ได้จากเตาจะถูกถ่ายเทไปขับเคลื่อนระบบปั่นไฟผ่านการพาความร้อนของสารหล่อเย็น โดย Kaleidos ใช้ฮีเลียมเป็นสารหล่อเย็นแกนเชื้อเพลิงแทนการใช้น้ำ ทั้งนี้ฮีเลียมเป็นก๊าซที่ไม่สามารถแตกตัวเป็นไอโซโทปที่ปลดปล่อยกัมมันตรังสีได้ จึงถือได้ว่าเป็นการออกแบบที่เน้นเรื่องความปลอดภัยเพิ่มขึ้นอีกจุดหนึ่ง

อีกสิ่งหนึ่งที่ Kaleidos แตกต่างจากกระบวนการผลิตไฟของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์ทั่วไปคือการออกแบบระบบปั่นไฟโดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์แบบยิ่งยวด (sCO2 Power Cycle) แทนการใช้ไอน้ำมาปั่นเครื่องผลิตไฟ ทั้งนี้การใช้คาร์บอนไดออกไซต์แบบยิ่งยวดมีข้อดีเหนือกว่าไอน้ำในแง่ของค่าสัมประสิทธิ์ความร้อน กล่าวคือจะมีการสูญเสียพลังงานความร้อนไปแบบสูญเปล่าน้อยกว่าไอน้ำนั่นเอง

นอกจากนี้ Radiant ได้ใช้ชุดโปรแกรม NEAMS มาช่วยในการพัฒนา Kaleidos และจะใช้มันช่วยในการควบคุมระบบการทำงานของ Kaleidos ด้วยในอนาคต โดย NEAMS คือโปรแกรมจำลองการทำงานเตาปฏิกรณ์ที่พัฒนาโดยสำนักพลังงานนิวเคลียร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Energy-Office of Nuclear Energy)

การใช้งาน NEAMS จะทำให้สามารถคำนวณได้ว่าระดับอุณหภูมิของแกนเชื้อเพลิง, แท่งควบคุม, สารหล่อเย็น และชิ้นส่วนอื่นๆ รวมทั้งฉนวนหุ้มเตาควรมีอุณหภูมิเท่าไหร่ในระหว่างที่เตาปฏิรกรณ์กำลังทำงาน ซึ่งค่าที่คำนวณได้จะถูกเปรียบเทียบกับค่าอุณหภูมิที่ได้จากการวัดค่าจริงเพื่อนำไปสั่งการกลไกการเคลื่อนแกนควบคุมของเตาเพื่อปรับระดับการทำงานให้เหมาะสม

การใช้งาน NEAMS คำนวณค่าอุณหภูมิของชิ้นส่วนต่างๆ ของระบบเตาปฏิกรณ์ เปรียบเทียบกับค่าที่วัดจริงเพื่อใช้สำหรับควบคุมการทำงาน Kaleidos

ในตอนนี้ Kaleidos ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา โดย Bernauer ให้สัมภาษณ์แก่ Interesting Engineering ว่าตั้งเป้าจะพัฒนาอุปกรณ์ให้สมบูรณ์และทดสอบระบบต่างๆ ทั้งหมดให้เสร็จสิ้นในอีกราว 4 ปีข้างหน้า โดยในไตรมาสที่ 3 ของปีนี้จะมีการทดสอบชุดระบายความร้อนขนาด 20 ตัน (ชุดระบายความร้อนนี้ คือตัวนำความร้อนจากภายในเตาออกมาสู่ฮีเลียมอันเป็นสารหล่อเย็นที่จะพาความร้อนไปปั่นไฟ) และคาดว่าระบบปั๊มฮีเลียมจะแล้วเสร็จก่อนสิ้นปีนี้ ทั้งนี้หากการพัฒนา Kaleidos สำเร็จและผ่านการทดสอบตามแผน ก็คาดว่าจะสามารถผลิตออกจำหน่ายจริงภายใน 1-2 ปีหลังทดสอบเสร็จสิ้น โดยตอนนี้ Radiant ได้เปิดรับสมัครพนักงานเพิ่มอีกหลายตำแหน่งเพื่อเดินหน้าพัฒนา Kaleidos

ที่มา - Interesting Engineering - 1, 2