สถาบันฟิสิกส์ประยุกต์เซี่ยงไฮ้ สังกัดสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน ประสบความสำเร็จในการแปลงเชื้อเพลิง “ทอเรียม” เป็น “ยูเรเนียม” ด้วยเครื่องปฏิกรณ์ทดลองเกลือหลอมเหลว (TMSR) ที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวขนาด 2 เมกะวัตต์ ซึ่งทำให้เครื่องนี้เป็นเครื่องเดียวในโลกที่สามารถทำได้
สถาบันวิจัยระบุว่า การทดลองนี้เป็นเครื่องพิสูจน์เบื้องต้นถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิคในการใช้ทรัพยากรทอเรียมในระบบเครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว และถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ และปูทางไปสู่การผลิตพลังงานนิวเคลียร์ที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุด
หลี่ ชิงหนวน เลขาธิการพรรคคอมมิวนิสต์และรองผู้อำนวยการสถาบันฟิสิกส์ประยุกต์เซี่ยงไฮ้ กล่าวว่า “นับตั้งแต่บรรลุจุดวิกฤติครั้งแรกเมื่อวันที่ 11 ตุลาคม 2566 เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลวทอเรียมได้ผลิตความร้อนอย่างต่อเนื่องผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน”
“ทอเรียม” เป็นแร่ธาตุที่มีปริมาณมากและเข้าถึงได้มากกว่ายูเรเนียมมาก และมีศักยภาพด้านพลังงานมหาศาล คาดว่าแหล่งแร่กากโลหกรรมในมองโกเลียในเพียงแห่งเดียวมีธาตุนี้เพียงพอสำหรับการผลิตพลังงานให้กับจีนได้ทั้งหมดนานกว่า 1,000 ปี
หัวใจสำคัญของความก้าวหน้านี้ คือ กระบวนการที่เรียกว่าการแปลงทอเรียมภายในแกนกลางเป็นยูเรเนียม โดยจะเปลี่ยนทอเรียม-232 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติให้กลายเป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่แตกตัวได้และสามารถคงปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ไว้ได้
การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นผ่านลำดับปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่แม่นยำ ทอเรียม-232 จะดูดซับนิวตรอนเพื่อเปลี่ยนเป็นทอเรียม-233 โดยจะสลายตัวเป็นโพรแทกทิเนียม-233 แล้วสลายตัวต่อไปจนกลายเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ที่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ
สิ่งสำคัญคือ กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีการผลิตเชื้อเพลิงจากภายนอก
ทอเรียมจะถูกละลายในเกลือฟลูออไรด์จนกลายเป็นส่วนผสมหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็น นิวตรอนจากประจุเริ่มต้นขนาดเล็กของวัสดุแตกตัวได้ เช่น ยูเรเนียม-235 หรือพลูโทเนียม-239 ที่ถูกเสริมสมรรถนะ จะเป็นตัวเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่
ตลอดการปฏิบัติงาน ทอเรียม-232 จะจับนิวตรอนอย่างต่อเนื่องและเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-233 โดยจะปลดปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เพื่อสร้าง “วงจรเผาไหม้ขณะการเกิด” ที่ยั่งยืน ซึ่งเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญของเทคโนโลยีนี้
เครื่องปฏิกรณ์ TMSR ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้น้ำอัดแรงดันทั่วไป ที่ต้องปิดเครื่องเป็นระยะเพื่อเปิดภาชนะรับแรงดันและเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิงแข็ง เพราะเชื้อเพลิงของ TMSR เป็นของเหลวที่ผสมกันเป็นเนื้อเดียว และละลายในเกลือหลอมเหลว ทำให้หมุนเวียนได้อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงสามารถเติมเชื้อเพลิงได้ทันทีโดยไม่รบกวนการทำงาน
“การออกแบบนี้ ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมาก แต่ยังช่วยลดปริมาณกากกัมมันตรังสีที่มีช่วงชีวิตยาวนานได้มากนี่เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญที่ทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เกลือหลอมเหลวทอเรียมเหนือกว่า” หลี่กล่าว
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไปที่มักสร้างขึ้นใกล้ชายฝั่งเนื่องจากต้องการการระบายความร้อนจำนวนมาก ดังนั้นจึงแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะรติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในพื้นที่แห้งแล้งหรือพื้นที่ตอนในประเทศ แต่ปัญหานี้ก็ไม่ได้เป็นอุปสรรคต่อระบบ TMSR ซึ่งใช้เกลือฟลูออไรด์หลอมเหลวอุณหภูมิสูงแทนน้ำเป็นทั้งตัวพาเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็น เนื่องจากเกลือเหล่านี้ถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิที่สูงจัด โดยไม่จำเป็นต้องใช้น้ำเลย
เทคโนโลยีนี้จึงเปิดประตูสู่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในพื้นที่ตอนใน หรือแม้แต่บนแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ เช่น เรือขนาดใหญ่ ตามรายงาน
สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน (CAS) เปิดตัวระบบพลังงานนิวเคลียร์ TMSR ในปี 2011 ในฐานะโครงการวิจัยเชิงกลยุทธ์ที่มุ่งเน้นการบรรลุเป้าหมายระดับชาติด้านพลังงานที่ยั่งยืนและการลดคาร์บอน มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างอิสรภาพทางพลังงานด้วยเทคโนโลยี ควบคู่ไปกับความเป็นไปได้ทางการค้าและเชิงกลยุทธ์อันกว้างขวาง จากแร่ทอเรียมที่จีนมีสำรองอยู่เป็นจำนวนมาก
หลังจากการวิจัยและพัฒนามาเกือบ 15 ปี ทีมงานที่นำโดยซู หงเจี๋ย อดีตผู้อำนวยการสถาบันเซี่ยงไฮ้ เอาชนะความท้าทายอันใหญ่หลวง สร้างรากฐานทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมที่แข็งแกร่งสำหรับห่วงโซ่อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ขั้นสูงของจีน
ความสำเร็จในครั้งนี้ ทำให้จีนกลายเป็นประเทศเดียวในโลกที่มีเครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลวที่ใช้เชื้อเพลิงทอเรียมที่ใช้งานได้จริง
สำหรับในแง่ความปลอดภัยที่เป็นเรื่องที่สำคัญที่สุด นักพัฒนากล่าวว่าเตาปฏิกรณ์ TMSR มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยในตัว ระบบนี้ทำงานที่ความกดอากาศ จึงช่วยลดความเสี่ยงจากการระเบิดจากแรงดันสูง ซึ่งสร้างขึ้นใต้ดินพร้อมระบบป้องกันรังสีเต็มรูปแบบ ขณะเดียวกันเกลือหลอมเหลวที่มีความเสถียรทางเคมียังสามารถดักจับสารกัมมันตรังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ในกรณีที่เกิดการรั่วไหล (ซึ่งนักวิจัยยืนยันว่าไม่น่าจะเกิดขึ้น) เกลือหลอมเหลวจะไหลเข้าสู่ถังระบายความปลอดภัยแบบพาสซีฟ ซึ่งจะแข็งตัวเมื่อเย็นตัวลงและกักเก็บการรั่วไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ระบบนิเวศอุตสาหกรรมที่สมบูรณ์แบบสำหรับเทคโนโลยี TMSR กำลังก่อตัวขึ้นในประเทศจีน มีสถาบันวิจัยเกือบ 100 แห่งร่วมมือกันในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และความท้าทายสำคัญอื่น ๆ
ที่สำคัญ ส่วนประกอบหลักทั้งหมดของเครื่องปฏิกรณ์นี้ผลิตในจีน 100% สร้างความเป็นอิสระของห่วงโซ่อุปทานและการพึ่งพาตนเองทางเทคโนโลยี ขณะนี้จีนกำลังสร้างเครื่องปฏิกรณ์สาธิตขนาด 100 เมกะวัตต์ในทะเลทรายโกบี โดยมีเป้าหมายเพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีนี้สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ภายในประมาณปี 2035 ตามกรอบเวลาอย่างเป็นทางการล่าสุด
ที่มา: Interesting Engineering, People's Daily Online, South China Morning Post, Xinhua