ความปลอดภัยของแท่งเชื้อเพลิงแบบ UZrH
และ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA

เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA เป็นเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก (รูปที่ 1) โดยมีการติดตั้งประมาณ 65 เครื่อง และใช้ใน 24 ประเทศ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA มีคุณสมบัติและกำลังที่แตกต่างกันตั้งแต่ 20 กิโลวัตต์ ถึง 16 เมกะวัตต์ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA มีระบบที่เรียกว่า inherent safety ซึ่งทำให้มีความปลอดภัยเพิ่มขึ้นจากระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม (engineered safety)

แนวคิดของระบบความปลอดภัยแบบ inherent safety เริ่มจากในปี ค.ศ. 1956 โดย Dr. Edward Teller และนักวิจัยในแซนดิเอโก ได้มีแนวคิดในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ปลอดภัย โดยเริ่มจากแนวคิดที่ว่า ในภาวะดับเครื่องปฏิกรณ์ ฯ และดึงแท่งควบคุมทุกแท่งออกหมดทันที เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย สามารถจะเดินเครื่องต่อได้ โดยที่แท่งเชื้อเพลิงไม่หลอมละลาย หรือ อีกนัยหนึ่ง เพื่อป้องกันการเกิดความผิดปกติ หรืออุบัติเหตุ ที่เกิดจากระบบควบคุมความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย แบบระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม ในกรณีที่เกิดความบกพร่อง ดังนั้นการออกแบบความปลอดภัยแบบ inherent safety โดยใช้หลักการของธรรมชาติ จะช่วยเสริมและเพิ่มความปลอดภัยให้แก่เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย นอกเหนือจากระบบความปลอดภัย แบบระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม ดังนั้น ระบบความปลอดภัยแบบ inherent safety จะทำให้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA มีความปลอดภัยมากขึ้น แม้ว่าระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม จะขัดข้องหรือแท่งควบคุมทุกแท่งถูกดึงออกหมด

แนวคิด “หลักการวอร์มนิวตรอน” (วอร์มนิวตรอน หรือ epithermal neutron มีช่วงพลังงานระหว่าง 0.025 – 1 eV) ได้ถูกนำมาใช้ในการออกแบบความปลอดภัยแบบ inherent safety ของเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA โดยทั่วไปในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบหล่อเย็นด้วยน้ำ (water-cooled) ถ้ามีการดึงแท่งควบคุมออกหมดแบบทันทีทันใด จะทำให้เกิดอุบัติเหตุรุนแรง ซึ่งทำให้การเกิดแท่งเชื้อเพลิงหลอมละลายได้ ทั้งนี้เนื่องจากนิวตรอนจากปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียสหรือฟิชชัน ยังเป็นโคลด์นิวตรอน (cold neutron มีช่วงพลังงานระหว่าง 5x10^-5 eV – 0.025 eV) จากการเกิดอันตรกิริยากับน้ำเย็นที่อยู่รอบ ๆ แท่งเชื้อเพลิง จึงทำให้อะตอมยูเรเนียมในแท่งเชื้อเพลิงเกิดฟิชชันต่อเนื่องได้ ดังนั้น จะทำให้อุณหภูมิของแท่งเชื้อเพลิงสูงขึ้น และทำให้แท่งเชื้อเพลิงหลอมละลายได้

แต่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA ใช้ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (moderator) คือ ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นส่วนผสมอยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิง เมื่อแท่งควบคุมถูกดึงออกทันทีทันใด จะทำให้อุณหภูมิของแท่งเชื้อเพลิงสูงขึ้น และเป็นผลทำให้นิวตรอนที่อยู่ภายในแท่งเชื้อเพลิง ที่ผสมไฮโดรเจน เริ่มมีพลังงานสูงกว่านิวตรอนที่อยู่ในน้ำ นิวตรอนในแท่งเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงขึ้นนี้ (warm neutron) ทำให้การเกิดปฎิกิริยาฟิชชันในแท่งเชื้อเพลิงลดลง และยังหลุดลอดออกมาในน้ำที่อยู่รอบ ๆ ดังนั้น ผลสุดท้ายที่เกิดขึ้นคือ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA จะมีกำลัง (power) ลดลงโดยอัตโนมัติ ภายในระยะเวลาสั้นมาก (few thousandths of a second) ซึ่งความปลอดภัยแบบ inherent safety นี้สามารถทำได้เร็วกว่าการใช้ระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม ซึ่งอาจกล่าวได้ว่า แท่งเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA ทำหน้าที่เหมือนตัวควบคุมกำลังแบบอัตโนมัติ (automatic power regulator) และสามารถทำให้ดับเครื่องได้อย่างปลอดภัย โดยไม่ต้องใช้ระบบความปลอดภัยเชิงวิศวกรรม

ในปี ค.ศ. 1950 บริษัท General Atomics ได้ออกแบบแท่งเชื้อเพลิงที่มีส่วนผสมของไฮโดรเจน โดยแท่งเชื้อเพลิงมีส่วนผสมของไฮโดรเจนที่มีความเข้มข้นสูง และใช้โลหะผสมยูเรเนียมผสมเซอร์โคเนียม (รูปที่ 2) ผลการทดสอบพบว่า โลหะผสม สามารถต้านทานการผุกร่อนได้ เช่นเดียวกับเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) ดังนั้นแท่งเชื้อเพลิงแบบ ยูเรเนียม-เซอร์โคเนียม-ไฮดรายด์ (Uranium-Zirconium-Hydride (UZrH) ซึ่งคิดค้นและพัฒนาโดยบริษัท General Atomics ได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA และทำให้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยนี้มีความปลอดภัยสูงขึ้น

1. ใช้หลักการของ warm neutron ดังนั้น ทำให้เกิด prompt negative temperature coefficient เมื่อเปรียบเทียบกับ delayed coefficient ของแท่งเชื้อเพลิงชนิดอื่น ๆ เช่น แท่งเชื้อเพลิงแบบ aluminum clad plate type ซึ่งทำให้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยแบบ TRIGA มีความปลอดภัยมากกว่า เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แท่งเชื้อเพลิงแบบ aluminum plate-fuel
2. สารประกอบ UZrH มีความเสถียรทางเคมี (quenched ที่อุณหภูมิ 1200 ^oC) ในขณะที่แท่งเชื้อเพลิงแบบ aluminum plate type จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำแบบ exothermic metal-water ที่อุณหภูมิ 650 ^oC
3. เปลือกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงของ TRIGA แบบเหล็กกล้าไร้สนิมหรือ alloy 800 สามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึง 950 ^oC ในขณะที่เปลือกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงแบบ aluminum plate type สามารถทนอุณหภูมิได้ประมาณ 650 ^oC
4. แท่งเชื้อเพลิงแบบ UZrH สามารถเก็บกักผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission products) ได้มากกว่าแท่งเชื้อเพลิงแบบ plate type ซึ่งจะหลอมละลายที่อุณหภูมิประมาณ 650 ^oC และจะปลดปล่อยผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสออกมา ในขณะที่อุณหภูมิเท่ากันนั้น แท่งเชื้อเพลิงแบบ UZrH สามารถเก็บกักผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียสไว้ได้ประมาณ 99 % ถึงแม้ว่าจะไม่มีเปลือกหุ้มแท่งเชื้อเพลิง