Топливо будущего

Инженеры готовятся к появлению ядерных энергетических реакторов следующего поколения, которые будут способствовать укреплению энергетической безопасности и смягчению последствий изменения климата. Для многих проектов усовершенствованных реакторов, включая малые модульные реакторы (ММР), потребуется топливо на основе высокообъемного низкообогащенного урана (HALEU), в котором содержание урана-235 составляет от 5 до 20 процентов, тогда как в топливе для большинства действующих АЭС оно находится на уровне 5 процентов.

«Топливо HALEU позволит уменьшить размеры установок, увеличить продолжительность эксплуатационного цикла и повысить эффективность, — отмечает директор Отдела ядерного топливного цикла и технологии обращения с отходами МАГАТЭ Елена Миколайчук. — «При этом некоторые страны, стремясь воспользоваться всеми преимуществами топлива HALEU, наращивают производственные мощности, чтобы обеспечить достаточный объем предложения, который будет иметь решающее значение для внедрения ММР».

HALEU производится в Российской Федерации и Соединенных Штатах Америки, в основном для исследовательских реакторов и для возможного использования в действующих легководных реакторах. На сегодняшний день единственное предприятие по производству HALEU в промышленных масштабах находится в России.

В прошлом году Агентство по снабжению Евратома подготовило доклад об объемах будущих поставок топлива HALEU для европейских исследовательских реакторов, которые были переведены или скоро будут переведены на это топливо. Традиционно в европейских исследовательских реакторах в качестве топлива используется высокообогащенный уран. В настоящее время топливо для исследовательских реакторов, которые переводятся на HALEU, поступает из России и США, причем последние заявляют, что могут гарантировать эти поставки только до 2035 или 2040 года из-за отсутствия в настоящее время мощностей для производства HALEU, что увеличивает риск дефицита поставок для исследовательских реакторов, которые будут переведены на это топливо в будущем.

По оценкам Агентство по снабжению Евратома, к 2035 году Европейскому союзу ежегодно будет необходимо от 700 килограммов до тонны HALEU для поддержания работы исследовательских реакторов, не учитывая будущие потребности усовершенствованных реакторов, используемых для производства электроэнергии. Поэтому, принимая во внимание опасения по поводу безопасности поставок в будущем, Евратом рекомендует ЕС развивать собственные мощности по производству топлива HALEU.

В ближайшей перспективе производства HALEU в Европе не предвидится, однако крупнейшие производители ядерного топлива на континенте являются мировыми лидерами в области технологии обогащения. В настоящее время они производят уран с обогащением до 6 процентов и, согласно докладу Агентства по поставкам Евратома, без значительных технических проблем могут использовать ту же технологию для производства HALEU.

Однако лицензирование, строительство, обеспечение безопасности и эксплуатация таких установок требует значительных инвестиций, и европейские производители пока не уверены в их экономической обоснованности. Европейские компании могут начать производство HALEU уже через пять лет, и в настоящее время рассматриваются планы расширения существующего завода во Франции, а также строительства новых установок в Соединенном Королевстве и США.

Тем не менее представители атомной промышленности США предупреждают, что из-за отсутствия HALEU внедрение некоторых проектов ММР может быть отложено на годы. В настоящее время для девяти из десяти проектов усовершенствованных реакторов, финансируемых правительством США, в ближайшее десятилетие потребуется топливо HALEU. По прогнозам Министерства энергетики США, к 2030 году потребуется более 40 тыс. килограммов HALEU, и это количество будет расти с каждым годом по мере ввода в эксплуатацию нового парка усовершенствованных реакторов.

Стремясь удовлетворить эту потребность, Министерство энергетики США инвестирует в производство HALEU в стране. Оно создало Консорциум HALEU и совместно с другими компаниями финансировало создание демонстрационного завода в Пикетоне, штат Огайо. В июне 2023 года американский регулирующий орган разрешил предприятию в Пикетоне начать операции по обогащению.

Ожидается, что на каскаде центрифуг HALEU в Пикетоне к концу 2023 года будет произведено 20 килограммов HALEU, а в 2024 году — 900 килограммов. Совокупная производительность полного каскада для производства HALEU, состоящего из 120 отдельных центрифуг, составит приблизительно 6 тыс. килограммов HALEU в год.

В дополнение к этому начинается производство еще одного вида топлива HALEU, получаемого путем обеднения высокообогащенного урана из государственных запасов. Топливо с трехструктурным изотропным покрытием (TRISO) состоит из микросфер, содержащих уран, углерод и кислород и покрытых тремя слоями углеродных и керамических материалов, которые предотвращают выход радиоактивных продуктов деления. Затем эти микросферы могут быть собраны либо в более крупные сферы, размером с бильярдный шар (так называемые шаровые твэлы), либо в таблетки цилиндрической формы. Топливо TRISO-HALEU используется в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах; кроме того, некоторые поставщики планируют использовать его в своих проектах ММР и микрореакторов.

«Следующее поколение ядерных технологий потребует новых цепей поставок для новых видов топлива, — говорит специалист по разработке ядерного топлива в МАГАТЭ Сим Ки Соп. — Сейчас предпринимаются усилия по созданию этих цепей поставок, но еще предстоит сделать очень многое, в том числе убедительно продемонстрировать экономические преимущества этих усовершенствованных реакторов во многих регионах, если мы хотим обеспечить необходимые поставки топлива HALEU. Однако я уверен, что нам это удастся».