หลังจากการตกต่ำเป็นเวลา 20 ปีหลังจากเกิดอุบัติเหตุที่เกาะ ในสหรัฐอเมริกาและเชอร์โนบิลในอดีตสหภาพโซเวียต พลังของอะตอมกำลังกลับมาอีกครั้ง ในช่วงสองปีที่ผ่านมา จีนได้เริ่มสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใหม่แล้ว 15 แห่ง ในขณะที่รัสเซีย เกาหลีใต้ และอินเดียก็กำลังเริ่มขยายโรงไฟฟ้าปรมาณูครั้งใหญ่เช่นกัน ประเทศตะวันตกบางประเทศดูเหมือนจะเข้าร่วม: เมื่อปลายปี 2552 มีการยื่นขอ
ใบอนุญาต
สำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใหม่ 22 แห่งในสหรัฐฯ ในขณะที่รัฐบาลอิตาลีกล่าวว่าจะยกเลิกการห้ามใช้พลังงานนิวเคลียร์และเริ่มสร้างเครื่องปฏิกรณ์ภายในปี 2556 . สาเหตุของการฟื้นคืนชีพนี้หาได้ไม่ยาก ประการหนึ่งคือความสำคัญทางการเมืองในการต่อสู้กับภาวะโลกร้อนที่เกิดจากมนุษย์
กล่าวคือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกระหว่างการทำงาน และมีความน่าเชื่อถือมากกว่าแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำอื่นๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม อีกประการหนึ่งคือความมั่นคงด้านพลังงาน: รัฐบาลต่างกระตือรือร้นที่จะกระจายแหล่งพลังงานของตนและออกห่าง
จากซัพพลายเออร์เชื้อเพลิงฟอสซิลที่ไม่มั่นคงทางการเมือง ผลจากแรงกดดันดังกล่าว รายงานที่เผยแพร่ในเดือนมิถุนายนปีนี้โดยสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) และสำนักงานพลังงานนิวเคลียร์ขององค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนาคาดการณ์ว่ากำลังการผลิตนิวเคลียร์ทั้งหมด
ของโลกอาจเพิ่มขึ้นมากกว่าสามเท่าในครั้งต่อไป สี่ทศวรรษเพิ่มขึ้นจาก 370 GW ปัจจุบันเป็น 1200 GW ภายในปี 2593 อย่างไรก็ตาม หน่วยงานต่างๆ เชื่อว่าประเทศต่างๆ จะต้องพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ขั้นสูงกว่านี้ หากพลังงานรูปแบบนี้ยังคงมีบทบาทสำคัญต่อไปหลังกลางศตวรรษนี้
เครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นสิ่งอำนวยความสะดวก “รุ่นที่สอง” ซึ่งสร้างขึ้นในทศวรรษที่ 1970 และ 1980 สิ่งอำนวยความสะดวก “รุ่นที่สาม” ที่ทยอยเข้ามาแทนที่มักมีคุณลักษณะด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม แต่การออกแบบพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม การก้าวไปไกลกว่าเทคโนโลยีที่มีอยู่เหล่านี้
จะต้องมี
การวิจัยและพัฒนาที่กว้างขวาง รวมถึงความร่วมมือระหว่างประเทศ ด้วยเหตุนี้ ในปี 2544 เก้าประเทศได้จัดตั้งซึ่งมีเป้าหมายเพื่อส่งเสริมการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ “รุ่นที่สี่” ซึ่งปรับปรุงการออกแบบปัจจุบันในสี่ประเด็นหลัก ได้แก่ ความยั่งยืน เศรษฐศาสตร์ ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือ
ตั้งแต่นั้นมา ฟอรัมได้ขยายสมาชิกเป็น 13 คน และได้ระบุการออกแบบ 6 แบบที่ควรค่าแก่การพัฒนาต่อไป ความหวังคือหนึ่งในนั้นหรือมากกว่านั้นจะพร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ในปี 2030 หรือ 2040 โดยได้พิสูจน์ความเป็นไปได้ในโรงงานสาธิตในปี 2020 แต่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ทำงาน
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิชชันสร้างพลังงานโดยการแยกนิวเคลียสที่มีน้ำหนักมาก โดยการแยกนิวเคลียสแต่ละครั้งจะให้นิวตรอนที่จะแยกนิวเคลียสต่อไป กระบวนการนี้สร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เสถียรซึ่งปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา ความร้อนจะถูกกักเก็บไว้โดยสารหล่อเย็นที่ไหลเวียนผ่านแกน
ของเครื่องปฏิกรณ์ จากนั้นจึงนำไปใช้เพื่อผลิตไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหันและผลิตกระแสไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็น “เครื่องปฏิกรณ์น้ำมวลเบา” ซึ่งใช้ยูเรเนียม-235 เป็นวัสดุฟิชไซล์และน้ำเป็นทั้งตัวหล่อเย็นและตัวกลั่น จำเป็นต้องมีโมเดอเรเตอร์เพื่อทำให้นิวตรอนช้าลง
เพื่อให้นิวตรอนมีความเร็วที่เหมาะสมที่สุดในการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม-235จากการออกแบบทั้งหมดหกแบบสำหรับเครื่องปฏิกรณ์รุ่น IV (ดูตารางที่ 1) เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำมวลเบาที่ใกล้เคียงที่สุดที่มีอยู่คือ เช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำมวลเบา การออกแบบนี้ใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็นและตัวกลั่น
แต่ที่อุณหภูมิและความดันจะสูงกว่ามาก เมื่อสารหล่อเย็นออกจากแกนที่อุณหภูมิสูงถึง 625 °C ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ของเครื่องปฏิกรณ์ – อัตราส่วนของพลังงานที่สร้างขึ้นเป็นกระแสไฟฟ้าต่อที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชัน – สามารถสูงถึง 50% สิ่งนี้เปรียบเทียบได้ดีกับเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไป 34%
ในปัจจุบัน
ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิมากกว่า 300 °C ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากน้ำหล่อเย็นมีอยู่เหนือจุดวิกฤต ด้วยคุณสมบัติระหว่างก๊าซและของเหลว จึงเป็นไปได้ที่จะใช้น้ำหล่อเย็นเพื่อขับเคลื่อนกังหันโดยตรง ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบที่มีอยู่เดิม การปรับปรุงทั้งสองอย่างนี้จะช่วยลดต้นทุนของพลังงานนิวเคลียร์
อย่างไรก็ตาม ต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคโนโลยีที่สำคัญหลายประการก่อนที่จะนำไปใช้ได้ รวมถึงการพัฒนาวัสดุที่สามารถทนต่อแรงกดดันและอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้อง รวมถึงความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของน้ำที่วิกฤตยิ่งยวด ตัวเลือกรุ่น IV อีกรุ่นหนึ่งคือ “เครื่องปฏิกรณ์ที่มีอุณหภูมิสูงมาก”
ใช้สารหล่อเย็นด้วยฮีเลียมและโมเดอเรเตอร์กราไฟต์ เนื่องจากการออกแบบนี้ใช้สารหล่อเย็นแบบแก๊สแทนที่จะเป็นของเหลว จึงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก สูงถึง 1,000 °C ซึ่งจะช่วยเพิ่มระดับประสิทธิภาพให้สูงขึ้น และยังทำให้โรงงานดังกล่าวสามารถผลิตความร้อนและไฟฟ้าที่เป็นประโยชน์
ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการผลิตไฮโดรเจนที่จำเป็นในโรงกลั่นและโรงงานปิโตรเคมีได้ (รูปที่ 1) องค์ประกอบบางอย่างของแนวคิดนี้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอุณหภูมิสูงมากได้รับการตรวจสอบแล้วที่อุณหภูมิต่ำกว่าในเครื่องปฏิกรณ์ต้นแบบที่ระบายความร้อนด้วยแก๊สซึ่งสร้างขึ้นในสหรัฐอเมริกา
และเยอรมนี หลายประเทศกำลังพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิปานกลางสูงถึง 800 °C จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ หนึ่งในโครงการอุณหภูมิปานกลางที่ก้าวหน้าที่สุดคือ “เครื่องปฏิกรณ์โมดูลาร์แบบเตียงกรวด” ของแอฟริกาใต้ ซึ่งได้รับการออกแบบให้ใช้เชื้อเพลิง “ก้อนกรวด” จำนวนหลายแสนก้อน ซึ่งเป็นทรงกลมขนาดเท่าลูกคริกเก็ต แต่ละลูกประกอบด้วยเมล็ดยูเรเนียม
