โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ใช้เชื้อเพลิงประเภทใด?
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแบบหนึ่งที่ใช้แหล่งพลังงานความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไอน้ำแรงดันสูงจ่ายให้กับกังหันไอน้ำ กังหันไอน้ำจะไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าออกมา โดยเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบวิจัย () ที่ใช้ประโยชน์จากนิวตรอนฟลักซ์ในการวิจัย และระบายความร้อนที่เกิดขึ้นออกสู่ชั้นบรรยากาศ และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลัง () ที่ใช้พลังความร้อนที่เกิดขึ้นเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลัง มีขนาดใหญ่โตกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยเป็นอย่างมาก ยูเรเนียมที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์จะถูกอัดเป็นเม็ดเซรามิก บรรจุเรียงตัวกันภายในแท่งเชื้อเพลิง จากนั้นจึงนำไปใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กากกัมมันตรังสีจากปฏิกิริยาการแตกตัวของยูเรเนียมที่เกิดอย่างต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ภายในเครื่องปฏิกรณ์จะถูกกักเก็บอย่างมิดชิดภายในเม็ดเชื้อเพลิงที่มีปลอกแท่งเชื้อเพลิงห่อหุ้มอีกชั้นหนึ่ง ภายหลังการใช้งานแท่งเชื้อเพลิงไประยะหนึ่งจะมีกากกัมมันตรังสีเกิดสะสมขึ้นในเม็ดเชื้อเพลิงเป็นจำนวนมาก ทำให้ประสิทธิภาพของปฏิกิริยาลูกโซ่ลดลงจึงจำเป็นต้องมีการสับเปลี่ยนนำแท่งเชื้อเพลิงใช้แล้ว () ออกมาและเติมแท่งเชื้อเพลิงใหม่เข้าไปเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ ค่าใช้จ่ายของเชื้อเพลิงคิดเป็นประมาณ 28% ของค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานของโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ ณ ปี 2013 ครึ่งหนึ่งของค่าใช้จ่ายของเชื้อเพลิงเตาปฏิกรณ์ถูกใช้ไปในการเพิ่มสมรรถนะและการผลิต เพื่อให้ค่าใช้จ่ายของวัตถุดิบของยูเรเนียมเข้มข้นเป็นร้อยละ 14 ของค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน การเพิ่มขึ้นราคาของยูเรเนียมเป็นสองเท่าจะเพิ่มค่าใช้จ่ายในการผลิตไฟฟ้าในโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ที่มีอยู่เพียงประมาณ 10% และมากเพียงประมาณครึ่งหนึ่ง(5%)ที่จะเพิ่มเข้าไปในค่ากระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้​​าในอนาคต โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ต้องใช้เชื้อเพลิงแบบฟิชชันได้ โดยทั่วไปเชื้อเพลิงที่ใช้เป็นยูเรเนียมแม้ว่าวัสดุอื่น ๆ ก็อาจใช้ได้ (ดูเชื้อเพลิง MOX หรือทอเรียม) ในปี 2005 ราคาในตลาดโลกสำหรับยูเรเนียมเฉลี่ยอยู่ที่ US$20/ปอนด์ (US$44.09/กิโลกรัม) เมื่อวันที่ 19 เมษายน 2007 ราคาสูงถึง US$113/ปอนด์ (US$249.12/kg) เมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม 2008 ราคาได้ตกลงมาอยู่ที่ US$59/ปอนด์ การแปลงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าเกิดขึ้นทางอ้อม เช่นเดียวกับในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนธรรมดาทั่วไป ความร้อนเกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา) ไอของน้ำ (ไอน้ำ) ถูกผลิตขึ้นโดยตรงหรือโดยอ้อม จากนั้น ไอน้ำแรงดันสูงมักจะจ่ายให้กับกังหันไอน้ำในหลายขั้นตอน กังหันไอน้ำในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของประเทศตะวันตกมักอยู่ในหมู่กังหันไอน้ำที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้าง หลังจากผ่านกังหันไอน้ำ ไอน้ำมีการขยายตัวและบางส่วนก็ควบแน่น ไอน้ำที่เหลือจะควบแน่นในคอนเดนเซอร์ คอนเดนเซอร์เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งจะเชื่อมต่อกับฝั่งด้านรองเช่นแม่น้ำหรือหอหล่อเย็น จากนั้น น้ำจะถูกสูบกลับเข้ามาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และวงจรก็เริ่มต้นอีกครั้ง วัฏจักรของน้ำกับไอเป็นไปตามวงจรของ "Rankine cycle" ระบบหล่อเย็นจะระบายความร้อนออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์และลำเลียงมันไปยังอีกพื้นที่หนึ่งของโรงงาน ในพื้นที่นี้พลังงานความร้อนสามารถถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการผลิตไฟฟ้าหรือทำงานที่มีประโยชน์อื่นๆ โดยปกติตัวหล่อเย็นที่ร้อน() จะถูกใช้เป็นแหล่งจ่ายความร้อนสำหรับหม้อต้มน้ำ และแรงดันไอน้ำจากหม้อต้มน้ำนั้นจะเป็นกำลังขับกังหันไอน้ำหนึ่งเครื่องหรือมากกว่าที่จะไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เทคโนโลยีการนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่ได้รับการพัฒนาที่จะแยกและกู้คืนพลูโตเนียมที่สามารถทำฟิชชั่นได้ทางเคมีจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ผ่านการฉายรังสี. การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่มีวัตถุประสงค์หลายอย่างที่ความสำคัญที่เกี่ยวข้องกันมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป. การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่แต่เดิมถูกใช้แต่เพียงอย่างเดียวในการสกัดพลูโตเนียมในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์. ด้วยการทำในเชิงพาณิชย์ของพลังงานนิวเคลียร์, พลูโตเนียมที่ถูกนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่จะถูกรีไซเคิลกลับไปเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ MOX สำหรับ'เครื่องปฏิกรณ์ร้อน'. ยูเรเนียมที่ถูกนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่, ซึ่งรวมต้วเป็นกลุ่มของวัสดุเชื้อเพลิงใช้แล้ว, ในหลักการสามารถที่จะถูกนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิงใหม่ได้เช่นกัน, แต่นั่นเป็นเพียงเพื่อการประหยัดเท่านั้นถ้ายูเรเนียมมีราคาสูงหรือการกำจัดมันมีราคาแพง. ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์แบบ breeder สามารถใช้เชื้อเพลิงไม่เพียงจากพลูโตเนียมและยูเรเนียมที่รีไซเคิลในเชื้อเพลิงใช้แล้วเท่านั้น, แต่ actinides ทั้งหมด, เป็นการปิดท้ายวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และอาจทวีคูณพลังงานที่สกัดจากยูเรเนียมธรรมชาติได้มากกว่า 60 เท่า. เศรษฐศาสตร์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใหม่เป็นเรื่องความขัดแย้ง, และการลงทุนหลายพันล้านดอลลาร์นั่งอยู่บนทางเลือกของแหล่งพลังงาน. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มักจะมีค่าใช้จ่ายในการลงทุนสูง, แต่ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงโดยตรงต่ำ, กับค่าใช้จ่ายของการสกัดเชื้อเพลิง, กระบวนการ, การใช้งานและค่าใช้จ่ายในการเก็บรักษาเชื้อเพลิงใช้แล้ว. ดังนั้น การเปรียบเทียบกับวิธีการผลิตไฟฟ้าอื่นๆจะขึ้นอยู่กับสมมติฐานเกี่ยวกับระยะเวลาการก่อสร้างและการจัดหาเงินลงทุนสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์. การประมาณการค่าใช้จ่ายจะต้องนำค่าใช้จ่ายในการรื้อถอนและการเก็บรักษากากนิวเคลียร์หรือค่าใช้จ่ายโรงงานรีไซเคิลเข้ามาคิดด้วยถ้าสร้างในสหรัฐอเมริกาเนื่องจาก'พระราชบัญญัติด้านราคา Anderson'. กับความคาดหวังว่าทั้งหมดของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว/"กากนิวเคลียร์"อาจมีศักยภาพในการนำกลับมาใช้ใหม่โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ในอนาคต,เครื่องปฏิกรณ์ generation IV, ที่กำลังออกแบบมาเพื่อปิดวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้อย่างสมบูรณ์. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นโรงไฟฟ้าชนิด Baseload คือผลิตพลังงานคงที่ โดยไม่ขึ้นกับกำลังงานที่ต้องการใช้จริง เนื่องจากต้นทุนเชื้อเพลิงมีราคาถูกเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายอื่นๆในการผลิต (ในขณะที่โรงไฟฟ้าที่ใช้การต้มน้ำด้วยแหล่งพลังงานอื่น สามารถลดการจ่ายไฟลงครึ่งหนึ่งได้เวลากลางคืนเพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิง) กำลังไฟที่หน่วยผลิตจ่ายได้นั้นอาจมีตั้งแต่ 40 เมกะวัตต์ จนถึงเกือบ 2000 เมกะวัตต์ ในปัจจุบันหน่วยผลิตที่สร้างกันมีขอบเขตอยู่ที่ 600-1200 เมกะวัตต์ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกชนิดหนึ่งที่ประเทศไทยโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย เลือกใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า เพื่อให้เพียงพอต่อความต้องการใช้ไฟฟ้าปริมาณมากของคนไทย โดยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นี้ผลิตจากแร่ยูเรเนียม ที่ผ่านกระบวนการสกัด แปลงสภาพ และทำให้เข้มข้น (Enriched) ก่อนที่จะทำเป็นเม็ดแล้วนำไปบรรจุในท่อ ซึ่งจะนำไปรวมเป็นมัดเชื้อเพลิงบรรจุในแกนปฏิกรณ์เพื่อใช้งาน สำหรับปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมนั้น ดังได้กล่าวมาแล้ว ตั้งแต่ต้นว่า การใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะทำให้ปลอดภัยจากภาวะปฏิกิริยาเรือนกระจก ปลอดภัยจากภาวะฝนกรด ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตในโลก ตลอดจนไม่ทำให้อุณหภูมิของโลกเพิ่มสูงขึ้นมากเหมือนอย่างการใช้เชื้อเพลิงอย่างอื่น นอกจากนี้ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยังใช้พื้นที่ในการก่อสร้างน้อยกว่าและไม่ทำลายพื้นที่ป่าเขา เหมือนอย่างการสร้างเขื่อนสำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ อีกด้านหนึ่ง, ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง, หรือทุนอื่นๆนอกจากนี้, มาตรการเพื่อลดภาวะโลกร้อนเช่นภาษีคาร์บอนหรือการซื้อขายการปลดปล่อยคาร์บอน, ยิ่งเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐศาสตร์ของพลังงานนิวเคลียร์. ประสิทธิภาพที่ก้าวหน้าถูกคาดหวังว่าจะประสบความสำเร็จผ่านการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงยิ่งขึ้น, เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Generation III สัญญาว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพด้านเชื้อเพลิงมากขึ้นอย่างน้อย 17%, และมีค่าใช้จ่ายเงินทุนลดลง, ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV ในอนาคตสัญญาว่าจะมีประสิทธิภาพด้านเชื้อเพลิงมากขึ้น 10,000-30,000% และไม่เกิดกากนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์เป็นหัวใจของโรงไฟฟ้า ในส่วนกลางของมัน ความร้อนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการควบคุม ความร้อนนี้ถูกส่งผ่านไปให้น้ำหล่อเย็นขณะที่มันถูกสูบผ่านเครื่องปฏิกรณ์และนี่เองเป็นการดึงเอาพลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์ออกมา ความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นจะถูกใช้ในการสร้างไอน้ำซึ่งจะไหลผ่านกังหันไอน้ำที่จะส่งกำลังไปที่ใบพัดของเรือหรือไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่ต้องการแหล่งจ่ายไฟที่มีหม้อแปลงไฟฟ้าบริการจากสถานีจ่ายด้านนอกที่แตกต่างกันสองแห่งและอยู่ภายในพื้นที่ที่เป็น switchyard ของโรงงานที่อยู่ห่างกันพอสมควรและสามารถรับกระแสไฟฟ้าจากสายส่งหลายสาย นอกจากนี้ในบางโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันสามารถให้กำลังไฟกับโหลดบ้านของโรงงานในขณะที่โรงงานต่ออยู่กับหม้อแปลงบริการของสถานีซึ่งต่อพ่วงไฟฟ้ามาจากบัสบาร์เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าก่อนที่จะถึง step-up transformer (โรงงานเหล่านี้ยังมีหม้อแปลงไฟฟ้าบริการของสถานีที่รับพลังงานนอกสถานที่โดยตรงจาก switchyard) แม้จะมีความซ้ำซ้อนของแหล่งพลังงานสองแหล่ง การสูญเสียพลังงานนอกสถานที่โดยรวมยังคงเป็นไปได้ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีการติดตั้งระบบไฟฉุกเฉินเพื่อรักษาความปลอดภัยในกรณีที่มีการปิดหน่วยและการขาดหายของพลังงานนอกสถานที่ แบตเตอรี่ให้พลังงานสำรองกับเครื่องมือและระบบการควบคุมและวาล์วทั้งหลาย เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลฉุกเฉินให้ไฟ AC โดยตรงในการชาร์จแบตเตอรี่และเพื่อให้กำลังไฟกับระบบที่ต้องใช้ไฟ AC เช่นมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนปั๊ม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลฉุกเฉินไม่ได้กำลังไฟให้กับทุกระบบในโรงงาน เฉพาะระบบที่จำเป็นต้องปิดเครื่องปฏิกรณ์ลงอย่างปลอดภัย เอาความร้อนจากการสลายตัวของเครื่องปฏิกรณ์ออก ระบายความร้อนที่แกนในกรณีฉุกเฉิน, และในโรงงานบางชนิดใช้สำหรับระบายความร้อนในบ่อเชื้อเพลิงใช้แล้ว () ปั๊มผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่เช่นปั๊มจ่ายน้ำหลัก คอนเดนเสท น้ำหมุนเวียน และ (ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง) ปั๊มตัวหล่อเย็นของเตาปฏิกรณ์ไม่ได้รับการสำรองจากเครื่องยนต์ดีเซลในประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา, คนงานยกเว้นผู้บริหารจัดการ, บุคคลากรมืออาชีพ (เช่นวิศวกร) และเจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยมีแนวโน้มที่จะเป็นสมาชิกของ'ภราดรภาพของคนงานไฟฟ้านานาชาติ'() หรือ'สหภาพคนงานยูทิลิตี้แห่งอเมริกา'()อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือหนึ่งในสหภาพของธุรกิจการค้าต่างๆและสหภาพแรงงานที่เป็นตัวแทนของช่างเครื่อง, แรงงาน, ผู้สร้างหม้อต้มน้ำ, คนงานโรงสี, คนงานเหล็ก, ฯลฯ