เทคโนโลยีเชื้อเพลิง TRISO เป็นพื้นฐานของลูกกลมเซรามิกที่ใช้ในงานด้านพลังงานนิวเคลียร์ อนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่มิลลิเมตร แต่มีเชื้อเพลิงยูเรเนียมห่อหุ้มด้วยชั้นป้องกันหลายชั้นที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และคาร์บอน ซึ่งสร้างระบบที่คล้ายกับระบบกักเก็บขนาดย่อม ที่สามารถป้องกันไม่ให้วัสดุกัมมันตรังสีรั่วไหลออกมาได้ แม้จะอยู่ในอุณหภูมิสูงมากกว่า 1800 องศาเซลเซียส การทดสอบโดยองค์กรความปลอดภัยนิวเคลียร์ชั้นนำแสดงให้เห็นว่า อนุภาค TRISO เหล่านี้สามารถกักเก็บผลพลอยได้จากรังสีได้ประมาณ 99.99 เปอร์เซ็นต์ไว้ภายใน แม้อยู่ในสภาวะสุดขั้ว สิ่งนี้ทำให้อนุภาคเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำเนินงานที่ปลอดภัยในเครื่องปฏิกรณ์สมัยใหม่ ทำให้วิศวกรมั่นใจได้ว่าจะไม่มีการรั่วไหลหรือข้อผิดพลาดเกิดขึ้น
ประสิทธิภาพของการป้องกันด้วยเซรามิกมาจากการออกแบบโครงสร้างแบบหลายชั้นของวัสดุ ซึ่งรวมเอาการชะลอความเร็วของนิวตรอน การดูดซับ และการลดความเข้มของรังสีแกมมาเข้าไว้ด้วยกัน
| วัสดุชั้น | ฟังก์ชัน | เกณฑ์ความต้านทานรังสี |
|---|---|---|
| ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) | อุปสรรคโครงสร้างหลักและสารชะลอความเร็วของนิวตรอน | สูงสุดถึง 1,800°C |
| โบรอนคาร์ไบด์ (B₄C) | การดูดซับนิวตรอน | 800°C อย่างต่อเนื่อง |
| ทังสเตนเสริมแรง | การลดทอนรังสีแกมมา | >300 keV พลังงานโฟตอน |
เซรามิกความหนาแน่นสูง เช่น คอมโพสิตทังสเตน-บิสมัธ สามารถลดการทะลุผ่านของรังสีแกมมาได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับเกราะป้องกันเหล็กแบบดั้งเดิม ตามการศึกษาในปี 2023 การออกแบบอเนกประสงค์นี้ช่วยให้สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ยังคงให้การป้องกันที่แข็งแกร่งต่อทั้งรังสีนิวตรอนและรังสีแกมมา
ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติไอดาโฮ นักวิจัยได้ทดสอบลูกบอลเซรามิกที่ใช้ TRISO ภายใต้สภาวะจำลองเหตุการณ์ไฟฟ้าดับทั้งสถานี ในการทดสอบนี้ อุณหภูมิถูกผลักดันเกิน 3,000°F (1,650°C) เป็นเวลานานกว่า 400 ชั่วโมงติดต่อกัน ซึ่งสูงกว่าสภาวะปกติที่เครื่องปฏิกรณ์ต้องเผชิญมาก สิ่งที่โดดเด่นคือความสามารถในการลดรังสีแกมมาอยู่เหนือระดับ 97% อย่างต่อเนื่องตลอดการทดสอบ ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลจากองค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ ที่ระบุว่าเชื้อเพลิงที่มีเกราะป้องกันแบบเซรามิกสามารถลดการปล่อยรังสีในช่วงเกิดอุบัติเหตุได้ประมาณ 90% เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมออกไซด์แบบดั้งเดิม อีกแง่มุมหนึ่งที่น่าสนใจคือ เซรามิกจะแข็งแรงขึ้นเมื่อถูกโจมตีด้วยรังสี ทำให้มีความต้านทานต่อการหลอมเหลวได้ดียิ่งขึ้น แม้ระบบระบายความร้อนจะล้มเหลวโดยสมบูรณ์
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) พร้อมกับกราไฟต์ มีบทบาทสำคัญในการรักษาความเสถียรของลูกเซรามิกทั้งในด้านอุณหภูมิและรังสี โดยส่วนประกอบ SiC ยังคงความแข็งแรงแม้อุณหภูมิจะสูงเกิน 1600 องศาเซลเซียส และไม่สลายตัวง่ายเมื่อสัมผัสกับกระแสของนิวตรอนที่มากกว่า 10^21 n ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งหมายความว่าวัสดุเหล่านี้สามารถใช้งานได้นานขึ้นมากในสภาวะที่รุนแรง กราไฟต์เองก็ช่วยได้เช่นกัน โดยการดูดซับนิวตรอนที่รบกวน ขณะเดียวกันก็นำความร้อนออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนแบบมีทิศทาง หากไม่มีการรวมกันนี้ เราอาจพบจุดร้อนที่เป็นอันตรายเกิดขึ้นภายในแกนปฏิกรณ์ ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาร้ายแรงในอนาคต
เมื่อวัสดุเซรามิกถูกเติมด้วยโบรอน-10 จะสามารถจับนิวตรอนความร้อนได้ประมาณ 94% ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าปฏิกิริยา 10B(n,α)7Li สำหรับการกั้นรังสีแกมมา วัสดุที่มีเลขอะตอมสูงจะให้ผลดีที่สุด โดยทังสเตนและบิสมัทโดดเด่นเป็นพิเศษ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงในการดูดซับโฟตอนพลังงานสูงเหล่านี้ผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่าฟอโต้อิเล็กทริกเอฟเฟกต์ การนำวัสดุคอมโพสิตที่มีความหนาเพียง 3 เซนติเมตร ซึ่งทำจากโบโรนคาร์ไบด์ผสมกับทังสเตน มาใช้งาน สามารถลดความเข้มของรังสีแกมมาจนเกือบเป็นศูนย์ คือลดลงได้ประมาณ 99.8% การป้องกันรังสีทั้งนิวตรอนและแกมมาในลักษณะนี้ได้รับการยืนยันแล้วจากการทดสอบ รวมถึงผลการศึกษาล่าสุดที่เผยแพร่โดยสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) เมื่อปี 2023
วัสดุที่รู้จักกันในชื่อเซรามิกส์แบบแม็กซ์เฟส (MAX phase ceramics) ซึ่งรวมถึงสารประกอบต่างๆ เช่น Ti3SiC2 และ Cr2AlC นั้นผสานคุณสมบัติที่ดีที่สุดของโลหะและเซรามิกเข้าไว้ด้วยกัน สารเหล่านี้มีความแข็งแรงอย่างน่าประทับใจเมื่อเผชิญกับการแตกหัก โดยมีประสิทธิภาพดีกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ทั่วไปประมาณสามเท่า สิ่งที่ทำให้วัสดุเหล่านี้น่าสนใจยิ่งขึ้นคือความสามารถในการชะลอความเร็วของนิวตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยที่ดำเนินการโดยนักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ได้แสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอย่างมาก เมื่อเผชิญกับสถานการณ์ที่สูญเสียสารหล่อเย็น วัสดุเหล่านี้สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 800 องศาเซลเซียสได้นานกว่าสามวันเต็มๆ โดยไม่เสียรูปทรง ความทนทานในระดับนี้ได้ดึงดูดความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ที่กำลังพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการที่เกี่ยวข้องกับเกลือหลอมเหลวและแนวคิดการออกแบบขั้นสูงอื่นๆ
ขอบเขตเม็ดเกรนที่ถูกออกแบบในระดับนาโนภายในลูกบอลเซรามิกช่วยยับยั้งการเกิดฟองฮีเลียม ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการพองตัวจากพลังงานรังสี การทดสอบอายุวัสดุเร่งรัดแสดงให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรน้อยกว่า 0.2% หลังได้รับรังสีเทียบเท่ากับ 40 ปีการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ช่วงความพรุนที่ตั้งใจออกแบบไว้ระหว่าง 8–12% สามารถรองรับการขยายตัวจากความร้อนได้โดยไม่ลดทอนความหนาแน่นหรือประสิทธิภาพในการกันรังสี ทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในระยะยาว
อนุภาค TRISO มีการออกแบบเซรามิกพิเศษสี่ชั้นที่ช่วยกักเก็บทุกอย่างไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีคาร์บอนแบบพรุนทำหน้าที่เป็นตัวรองรับล้อมรอบแกนยูเรเนียมซึ่งช่วยดูดซับแรงทางกลและแรงจากความร้อนที่อาจก่อให้เกิดปัญหาได้ เมื่อพิจารณาชั้นคาร์ไบด์ของซิลิคอน ชั้นนี้ถือเป็นระบบป้องกันหลัก เนื่องจากสามารถกักเก็บสารกัมมันตรังสีไว้ภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 99.9 เปอร์เซ็นต์ แม้อุณหภูมิจะสูงถึงประมาณ 1600 องศาเซลเซียส จากนั้นคือชั้นคาร์บอนไพโรไลติกทั้งชั้นในและชั้นนอก ซึ่งทำหน้าที่หลักสองประการ ประการแรกคือให้การรองรับโครงสร้าง และประการที่สองคือป้องกันปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ต้องการระหว่างแกนยูเรเนียมกับชั้นคาร์ไบด์ของซิลิคอน การจัดวางทั้งหมดนี้ทำให้มั่นใจว่าอนุภาคจะคงสภาพสมบูรณ์ แม้จะเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วสลับไปมา
การทดสอบแบบเร่งความเร็วจำลองการสัมผัสรังสีนิวตรอนเป็นเวลาหลายทศวรรษภายในไม่กี่สัปดาห์ หลังจาก 10,000 ชั่วโมงภายใต้สภาวะฟลักซ์สูง (10¹n/cm²) ชั้นเคลือบ TRISO ยังคงรักษากำลังเดิมได้มากกว่า 98% ชั้น SiC ยังคงแทบจะไม่สามารถซึมผ่านได้ โดยมีปริมาณพรุนต่ำกว่า 0.01% หลังได้รับรังสีแกมมาเกิน 200 MGy—ซึ่งช่วยป้องกันการเกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กที่อาจทำให้เกิดการรั่วไหล
ขนาดชั้นที่แม่นยำช่วยสมดุลระหว่างการกักเก็บรังสีและการจัดการความร้อน:
| ชั้น | ความหนา (ไมครอน) | ฟังก์ชันหลัก |
|---|---|---|
| คาร์บอนซึมซับแบบมีรูพรุน | 50–100 | ดูดซับแรงเครียดจากความร้อน |
| คาร์บอนไพโรไลติกด้านใน | 20–40 | ป้องกันปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสกับ SiC |
| คาร์ไบด์ซิลิกอน | 30–50 | กั้นผลิตภัณฑ์ฟิชชัน |
| คาร์บอนไพโรไลติกด้านนอก | 40–60 | ต้านทานการเสื่อมสภาพทางกล |
การจำลองแสดงให้เห็นว่า การเพิ่มชั้น SiC จาก 25 ไมครอน เป็น 35 ไมครอน จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกั้นนิวตรอนได้ถึง 60% ซึ่งลดความเสี่ยงจากการรั่วของรังสีอย่างมีนัยสำคัญ
ผู้ผลิตปัจจุบันปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 21439:2023 เพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนทางมิติที่แคบ (<0.5% ความแปรปรวน) ระบบเครื่องพ่นสารแบบอัตโนมัติสามารถผลิตได้สำเร็จถึง 95% รองรับการผลิตต่อปีเกินกว่า 10 ล้านเม็ดเชื้อเพลิงต่อการบรรทุกปฏิกรณ์ ซึ่งเพิ่มขึ้น 300% นับตั้งแต่ปี 2020 ความสามารถในการขยายขนาดนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพที่สม่ำเสมอสำหรับการใช้งานในปฏิกรณ์แบบลูกกรวด (pebble-bed) และปฏิกรณ์แบบเกลือหลอมเหลว (molten-salt) ทั่วโลก
โบรอนคาร์ไบด์ (B4C) มีบทบาทสำคัญในการควบคุมนิวตรอน เนื่องจากมันมีพื้นที่หน้าตัดการดูดซับสูงมากสำหรับไอโซโทป 10B โดยอยู่ที่ประมาณ 3,840 บาร์น อย่างแม่นยำ เมื่อนักวิจัยทำการทดสอบลูกเซรามิกที่มีเนื้อหาโบรอนคาร์ไบด์ประมาณ 15% พบว่าสามารถลดฟลักซ์ของนิวตรอนได้อย่างน่าประทับใจถึงเกือบ 92% ความท้าทายที่แท้จริงเกิดขึ้นเมื่อต้องจัดการกับระดับพลังงานที่แตกต่างกัน นั่นคือเหตุผลที่วัสดุสมัยใหม่มักผสมออกไซด์ของแกโดลิเนียม (Gd2O3) เพื่อจัดการกับนิวตรอนช่วงเอพิเทอร์มอลโดยเฉพาะ ในขณะที่การเติมฮาฟเนียมไดโบไรด์ (HfB2) จะจัดการกับนิวตรอนที่เคลื่อนที่เร็วได้ดีกว่า การรวมกันเหล่านี้โดยทั่วไปสามารถทำให้อัตราการลดความเข้มอยู่ในช่วง 8 ถึง 12 ต่อเซนติเมตร ที่ระดับพลังงานประมาณ 2 MeV ซึ่งทำให้วัสดุเหล่านี้มีความหลากหลายมากกว่าวิธีการเดิม
| วัสดุ | ช่วงพลังงานนิวตรอน | ประสิทธิภาพการดูดซับ (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| โบรอน-คาร์ไบด์ | เทอร์มอล (<0.025 eV) | 10.2 |
| ออกไซด์ของแกโดลิเนียม | เอพิเทอร์มอล (1–100 eV) | 7.8 |
| ฮาฟเนียมไดโบไรด์ | เร็ว (>1 MeV) | 3.4 |
สำหรับการป้องกันรังสีแกมมา ผู้ผลิตมักหันไปใช้วัสดุหนัก เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ หรือ ไบสมัทไตรออกไซด์ ตัวอย่างเช่น แผ่นเกราะเซรามิกหนาประมาณ 10 มิลลิเมตร ซึ่งมีทังสเตนคาร์ไบด์ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ การจัดวางนี้สามารถลดรังสีแกมมาได้ประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเผชิญกับระดับพลังงานประมาณ 1.33 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ประสิทธิภาพในระดับนี้เทียบเท่ากับสิ่งที่เราได้รับจากแผ่นป้องกันตะกั่วแบบดั้งเดิม แต่ไม่มีความเสี่ยงต่อสุขภาพที่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสตะกั่ว เมื่อพิจารณาทางเลือกที่ใช้ไบสมัท ความสามารถในการกั้นรังสีจะถูกวัดค่าได้ระหว่าง 0.12 ถึง 0.18 ตารางเซนติเมตรต่อกรัม คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เซรามิกที่มีส่วนผสมของไบสมัทเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ต้องคำนึงถึงพื้นที่จำกัด และต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยไปพร้อมกัน
การออกแบบแบบบูรณาการที่รวม B₄C, WC และ SiC เข้าด้วยกันสร้างเป็นอุปสรรคหลายฟังก์ชัน ตัวอย่างเช่น โครงสร้างสามชั้น (B₄C/WC/SiC) สามารถดูดซับนิวตรอนได้มากกว่า 99% และลดรังสีแกมมาได้ 80% ที่อุณหภูมิการทำงานสูงถึง 1,600°C ทำให้ได้รับการป้องกันอย่างครอบคลุมในระบบเดียว
การหุ้มด้วยเซรามิกช่วยให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียร์ เช่น ซีเซียม-137 จะถูกกักเก็บไว้ภายในเหตุการณ์ฉุกเฉินได้ ชั้นเคลือบ SiC ในอนุภาค TRISO สามารถกักเก็บรังสีได้ 99.996% ที่อุณหภูมิ 1,800°C ตามที่ยืนยันโดยการทดสอบภายใต้ภาวะเครียดจากองค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) ในปี 2023 การกักเก็บแบบพาสซีฟนี้ทำให้ไม่ต้องพึ่งพาระบบระบายความร้อนจากภายนอกหรือการแทรกแซงของมนุษย์ จึงช่วยเพิ่มความทนทานของปฏิกรณ์นิวเคลียร์อย่างมาก
HTGR ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก มักเกิน 1,600 องศาเซลเซียส แต่ลูกบอลเซรามิกที่ใช้ยังคงอยู่ในสภาพสมบูรณ์เนื่องจากการออกแบบพิเศษของอนุภาค TRISO สิ่งที่ทำให้วัสดุเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือคือ เปลือกคาร์ไบด์ของซิลิคอน ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิเกิน 3,000 องศาฟาเรนไฮต์โดยไม่เสื่อมสภาพ ซึ่งหมายความว่า ปฏิกรณ์สามารถระบายความร้อนได้เองตามธรรมชาติ แม้จะไม่มีผู้ควบคุมหรือในช่วงที่ไฟฟ้าขัดข้อง การศึกษาจากองค์กรต่างๆ เช่น IAEA ได้ชี้ให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยในตัวนี้ โดยแสดงให้เห็นว่า ปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถอยู่รอดได้แม้ไม่มีไฟฟ้าเป็นเวลานาน เมื่อวิศวกรจำลองสถานการณ์เลวร้ายที่สุด พวกเขาก็พบสิ่งที่น่าทึ่งเช่นกัน: เชื้อเพลิงเซรามิกสามารถป้องกันไม่ให้วัสดุกัมมันตรังสีรั่วไหลออกไปได้ดีกว่าแท่งเชื้อเพลิงธรรมดาประมาณ 98 เปอร์เซ็นต์ ในสถานการณ์ที่คล้ายกัน ประสิทธิภาพในระดับนี้ทำให้ผู้ปฏิบัติงานโรงไฟฟ้ามั่นใจได้ว่า สถานประกอบการของตนปลอดภัยมากขึ้นจากอุบัติเหตุ
เม็ดเชื้อเพลิงยูเรเนียมออกไซด์แบบดั้งเดิมขึ้นอยู่กับชั้นเคลือบที่อาจแตกร้าวภายใต้แรงเครียด ในขณะที่ลูกบอลเซรามิกห่อหุ้มวัสดุเชื้อเพลิงไว้ภายในหลายชั้นป้องกันที่ทนต่อความเสียหายจากรังสีได้ การทดสอบที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์สนับสนุนข้อเท็จจริงนี้ โดยแสดงให้เห็นว่าการออกแบบใหม่นี้สามารถลดการรั่วไหลอันตรายจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ลงได้เกือบ 90% เมื่อเทียบกับวิธีการเดิม อีกหนึ่งข้อดีสำคัญของเทคโนโลยีเซรามิกคือการที่มันมีปฏิกิริยากับน้ำน้อยมาก จึงมีโอกาสน้อยมากที่จะสร้างก๊าซไฮโดรเจนที่ติดไฟได้หากเกิดข้อผิดพลาดในระหว่างอุบัติเหตุที่โรงงานปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สิ่งนี้ทำให้มันปลอดภัยกว่าการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาแบบเดิมอย่างมาก ซึ่งการสะสมของไฮโดรเจนมีเป็นปัญหาหลักที่น่ากังวลมาโดยตลอด
กว่าสิบห้าประเทศ รวมถึงสหรัฐอเมริกา จีน และฝรั่งเศส ได้เริ่มพัฒนาระบบเชื้อเพลิงเซรามิกสำหรับเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์รุ่นต่อไปแล้ว ตามข้อมูลจากสมาคมนิวเคลียร์โลกที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว เครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยก๊าซอุณหภูมิสูงซึ่งใช้ลูกบอลเซรามิก อาจคิดเป็นประมาณสิบสองเปอร์เซ็นต์ของพลังงานนิวเคลียร์ทั่วโลกภายในช่วงกลางทศวรรษ 2030 การดำเนินงานเพื่อการมาตรฐานที่กำลังอยู่ในระหว่างนี้ มีเป้าหมายจะลดต้นทุนการผลิต TRISO ลงเกือบครึ่งหนึ่งในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งการลดต้นทุนนี้จะทำให้เชื้อเพลิงขั้นสูงเหล่านี้สามารถเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับการนำไปใช้งานทั้งในเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลขนาดเล็ก และแม้แต่การออกแบบไมโครรีแอคเตอร์ที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งบริษัทหลายแห่งกำลังทดลองอยู่ในขณะนี้
EN
