เคยสงสัยไหมว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเล็กแบบโมดูลาร์ (Small Modular Reactor: SMR) สามารถรวมอุปกรณ์สำคัญหลายส่วนไว้ภายในถังปฏิกรณ์เดียวกันได้อย่างไร และยังสามารถผลิตไอน้ำเพื่อขับกังหันผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ?
หนึ่งในเทคโนโลยีหัวใจสำคัญที่ทำให้แนวคิดนี้เป็นจริงคือ Helical Coil Steam Generator (HCSG) หรือเครื่องกำเนิดไอน้ำแบบท่อขดเกลียว ซึ่งถูกนำมาใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำอัดความดันแบบ Integral SMR หลายแบบ เพื่อทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากวงจรปฐมภูมิไปยังวงจรทุติยภูมิ
หลักการทำงานของ HCSG ภายในถังความดันเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor Pressure Vessel: RPV)
น้ำหล่อเย็นปฐมภูมิจะรับความร้อนจากปฏิกิริยาฟิชชันในแกนปฏิกรณ์ จากนั้นจะนำความร้อนไปถ่ายเทให้กับน้ำป้อนในวงจรทุติยภูมิผ่านผนังท่อขดเกลียว
สำหรับการออกแบบ Integral SMR โดยทั่วไป น้ำป้อนจะไหล “ภายใน” ท่อขดเกลียว ส่วนน้ำหล่อเย็นปฐมภูมิจะไหล “ภายนอก” ท่อ ทำให้ความร้อนสามารถถ่ายเทผ่านผนังท่อได้โดยที่ของไหลจากทั้งสองวงจรไม่สัมผัสกันโดยตรง เมื่อน้ำป้อนรับความร้อน อุณหภูมิจะสูงขึ้นจนเกิดการเดือดและเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ ก่อนที่ไอน้ำนั้นจะถูกส่งไปขับกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไป
ทำไมถึงต้อง “ขดท่อเป็นเกลียว”?
การขดท่อซ้อนกันหลายชั้นช่วยเพิ่มพื้นที่ในการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมหาศาลภายในปริมาตรที่จำกัด จึงตอบโจทย์แนวคิด Integral SMR ที่ต้องการจัดวางอุปกรณ์สำคัญทุกอย่างไว้ภายในถังปฏิกรณ์อย่างกะทัดรัด
นอกจากนี้ ความโค้งของท่อยังเหนี่ยวนำให้เกิด การไหลทุติยภูมิ (Secondary Flow) ภายในท่อ ซึ่งช่วยเพิ่มการผสมตัวของของไหลและยกระดับประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน อย่างไรก็ตาม ความโค้งนี้ก็แลกมาด้วยความต้านทานการไหลและความดันตกคร่อม (Pressure Drop) ที่เพิ่มขึ้น วิศวกรจึงต้องออกแบบให้สมดุลกับอัตราการไหลและสภาวะการทำงาน
อีกหนึ่งแนวคิดที่มักใช้ร่วมกับ HCSG คือ Once-Through Steam Generator (OTSG) ซึ่งน้ำป้อนจะไหลผ่านท่อและเดือดกลายเป็นไอน้ำระหว่างทางแบบรวดเดียวจบ โดยไม่ต้องหมุนเวียนน้ำกลับผ่านระบบแยกไอน้ำแบบดั้งเดิม ไอน้ำที่ได้อาจเป็นได้ทั้งไอน้ำอิ่มตัวหรือไอน้ำร้อนยวดยิ่ง (Superheated steam) ขึ้นอยู่กับการออกแบบของแต่ละเทคโนโลยี
ตัวอย่างเทคโนโลยี HCSG จากทั่วโลก
แนวคิดท่อขดเกลียวถูกนำไปประยุกต์ใช้กับ Integral SMR ในหลายรูปแบบ แม้จะมีรายละเอียดปลีกย่อยที่ต่างกัน ดังนี้:
• 
NuScale VOYGR (สหรัฐอเมริกา): ใช้เครื่องกำเนิดไอน้ำแบบท่อขดเกลียวชนิด Once-Through ภายในโมดูล โดยออกแบบให้ผลิตไอน้ำร้อนยวดยิ่งเพื่อป้อนวงจรผลิตไฟฟ้า และอาศัยการไหลเวียนตามธรรมชาติ (Natural Circulation) ในวงจรปฐมภูมิ
NuScale VOYGR (สหรัฐอเมริกา): ใช้เครื่องกำเนิดไอน้ำแบบท่อขดเกลียวชนิด Once-Through ภายในโมดูล โดยออกแบบให้ผลิตไอน้ำร้อนยวดยิ่งเพื่อป้อนวงจรผลิตไฟฟ้า และอาศัยการไหลเวียนตามธรรมชาติ (Natural Circulation) ในวงจรปฐมภูมิ • 
SMART (เกาหลีใต้): เครื่องปฏิกรณ์น้ำอัดความดันแบบ Integral ที่ใช้ HCSG ชนิด Once-Through ติดตั้งภายในถังปฏิกรณ์ เทคโนโลยีนี้ผ่านการศึกษาและทดลองในระบบจำลอง SMART-ITL เพื่อประเมินสมรรถนะทางความร้อนและไฮดรอลิกอย่างละเอียด
SMART (เกาหลีใต้): เครื่องปฏิกรณ์น้ำอัดความดันแบบ Integral ที่ใช้ HCSG ชนิด Once-Through ติดตั้งภายในถังปฏิกรณ์ เทคโนโลยีนี้ผ่านการศึกษาและทดลองในระบบจำลอง SMART-ITL เพื่อประเมินสมรรถนะทางความร้อนและไฮดรอลิกอย่างละเอียด • 
CAREM-25 (อาร์เจนตินา): เครื่องปฏิกรณ์แบบ Integral ที่ออกแบบให้มี HCSG ถึง 12 ชุดอยู่ภายในถังปฏิกรณ์เดียว และใช้การไหลเวียนตามธรรมชาติในวงจรปฐมภูมิเช่นกัน
CAREM-25 (อาร์เจนตินา): เครื่องปฏิกรณ์แบบ Integral ที่ออกแบบให้มี HCSG ถึง 12 ชุดอยู่ภายในถังปฏิกรณ์เดียว และใช้การไหลเวียนตามธรรมชาติในวงจรปฐมภูมิเช่นกัน ความท้าทายทางวิศวกรรม
แม้ HCSG จะมีจุดเด่นเรื่องความกะทัดรัด แต่ก็มาพร้อมกับความท้าทายทางวิศวกรรมที่ซับซ้อน ได้แก่:
1. Heat Transfer: ความซับซ้อนของการถ่ายเทความร้อนและการเปลี่ยนสถานะของน้ำภายในท่อขด
2. Pressure Drop: ความดันตกคร่อมที่เกิดจากแรงเสียดทานและความโค้งงอของท่อ
3. Flow Instability: ความไม่เสถียรของอัตราการไหลและการผลิตไอน้ำ โดยเฉพาะในช่วงรอยต่อของการเดือด
4. Flow-Induced Vibration: การสั่นสะเทือนของท่อที่เกิดจากแรงพลศาสตร์ของการไหล
5. Tube Integrity: ความแข็งแรง ความล้า (Fatigue) การกัดกร่อน และความน่าเชื่อถือของท่อ เพื่อป้องกันการรั่วไหลระหว่างวงจร
ประเด็นเหล่านี้ต้องอาศัยการทดลอง การวิเคราะห์ด้าน Thermal-Hydraulics และการตรวจสอบแบบจำลองวิศวกรรมอย่างเข้มงวด ทั้งในสภาวะเดินเครื่องปกติและเมื่อเกิดเหตุฉุกเฉิน
บทบาทการกำกับดูแลโดยสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ (OAP)
หากประเทศไทยจะนำเทคโนโลยี SMR เข้ามาใช้งาน สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ (OAP) ในฐานะหน่วยงานกำกับดูแลความปลอดภัยทางนิวเคลียร์และรังสีระดับชาติ จะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการประเมินความปลอดภัยของนวัตกรรมเหล่านี้
ในการพิจารณาอนุญาตเทคโนโลยีที่ใช้ HCSG ทาง OAP จะต้องกำกับดูแลในประเด็นสำคัญ ดังนี้:
• การประเมินความปลอดภัยของ Tube Integrity: OAP จะให้ความสำคัญสูงสุดกับ “ความสมบูรณ์ของท่อ” เนื่องจากท่อ HCSG เป็นปราการด่านสำคัญที่กั้นระหว่างน้ำหล่อเย็นปฐมภูมิ (ที่อาจมีสารกัมมันตรังสีเจือปน) และน้ำป้อนทุติยภูมิ (ที่ส่งไปยังกังหัน) หากท่อเกิดการล้า (Fatigue) หรือกัดกร่อนจนรั่วซึม อาจนำไปสู่การปนเปื้อนของรังสีสู่สิ่งแวดล้อมได้ การออกแบบจึงต้องผ่านเกณฑ์ความปลอดภัยที่เข้มงวด
• การตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง (V&V): การวิเคราะห์ Flow Instability หรือ Heat Transfer ที่ซับซ้อน ผู้พัฒนาเทคโนโลยีจะต้องส่งมอบข้อมูลการทดสอบ (เช่น จากรหัสคอมพิวเตอร์ทาง Thermal-Hydraulics) ซึ่ง OAP จะต้องทำการตรวจสอบและยืนยัน (Verification and Validation) ว่าระบบสามารถรับมือกับสภาวะผิดปกติและทำงานร่วมกับระบบความปลอดภัยแบบพาสซีฟ (Passive Safety) ได้จริง
• การอ้างอิงมาตรฐานสากล: OAP จะทำงานร่วมกับทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) อย่างใกล้ชิด เพื่อนำมาตรฐานความปลอดภัย (Safety Standards) ล่าสุดที่ครอบคลุมนวัตกรรม SMR มาปรับใช้เป็นกรอบการกำกับดูแลภายในประเทศ เพื่อให้ประชาชนมั่นใจว่าเทคโนโลยีใหม่นี้มีความปลอดภัยสูงสุด
บทสรุป การพัฒนา SMR ไม่ได้เป็นเพียงแค่การ “ย่อส่วน” โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่เป็นการปฏิวัติการออกแบบระบบถ่ายเทความร้อนให้มีประสิทธิภาพ กะทัดรัด และทำงานร่วมกับระบบความปลอดภัยได้อย่างไร้รอยต่อ Helical Coil Steam Generator คือภาพสะท้อนที่ชัดเจนของการผสานวิศวกรรมนิวเคลียร์ กลศาสตร์ของไหล และการถ่ายเทความร้อนเข้าด้วยกัน
ในขณะเดียวกัน การนำเทคโนโลยีขั้นสูงเหล่านี้มาใช้งานจริง จะต้องควบคู่ไปกับ ระบบการกำกับดูแลที่เข้มแข็ง ทันสมัย และรัดกุมโดยหน่วยงานอย่างสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ (OAP) เพื่อเป็นหลักประกันว่า โรงไฟฟ้าพลังงานสะอาดแห่งอนาคตนี้ จะมอบความมั่นคงทางพลังงาน บนพื้นฐานของความปลอดภัยสูงสุดต่อประชาชนและสิ่งแวดล้อม
บทความนี้เขียนโดย…
นายแพทย์รุ่งเรือง กิจผาติ เลขาธิการสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม
ขอบคุณข้อมูลจาก Facebook “Nuclear Engineering, Chulalongkorn University”
เอกสารอ้างอิง
• NuScale Power. NuScale Power — Technical Information
• Hwang, B. et al. Evaluation of thermal-hydraulic characteristics of reactor coolant system and helically coiled steam generator based on performance tests with SMART-ITL. Nuclear Engineering and Design (2021). ScienceDirect
• International Atomic Energy Agency (IAEA). Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. IAEA — Small Modular Reactors
• Thermal-hydraulic stability investigations of once-through helically coiled steam generators for SMR applications. Nuclear Engineering and Design. ScienceDirect
บทความนี้เผยแพร่บน Facebook สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ https://www.facebook.com/share/p/1KHSvCchVz/
สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ (ปส.) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.)
เผยแพร่โดย : กลุ่มเผยแพร่และประชาสัมพันธ์ สำนักงานเลขานุการกรม เบอร์โทรศัพท์ภายใน 1110 , 1120
