Mỹ tái gia nhập thị trường nhiên liệu hạt nhân

 (spectrum.ieee.org)
1 điểm bởi GN⁺ 2023-11-16 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • 93 nhà máy điện hạt nhân hiện có của Mỹ sử dụng khoảng 2.000 tấn nhiên liệu uranium mỗi năm, nhưng để thương mại hóa các lò phản ứng thế hệ mới cần bảo đảm nguồn HALEU, loại hiện có sản xuất quy mô thương mại tập trung ở Nga
  • Centrus Energy đã bàn giao lô HALEU đầu tiên sản xuất tại nhà máy Piketon, Ohio cho Bộ Năng lượng Mỹ, đánh dấu việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân thương mại trong nước được nối lại sau 70 năm
  • HALEU có nồng độ U-235 gần 20%, cao hơn mức khoảng 5% của uranium làm giàu thấp thông thường, nhưng thấp hơn mức trên 90% của uranium cấp vũ khí nên được phân loại là làm giàu thấp
  • 9 trong 10 lò phản ứng thế hệ mới thuộc Advanced Reactor Demonstration Program của Bộ Năng lượng Mỹ sử dụng HALEU, với quy mô đầu tư của chính phủ được ước tính khoảng 600 triệu USD
  • Mỹ dự kiến cần hơn 40 tấn HALEU trước năm 2030, và kế hoạch mua khoảng 25 tấn mỗi năm để tạo nhu cầu công nghiệp ban đầu sẽ là trọng tâm của việc xây dựng chuỗi cung ứng

Lô HALEU đầu tiên của Centrus

  • Centrus Energy, có trụ sở tại Bethesda, Maryland, đã bàn giao lô HALEU đầu tiên sản xuất tại nhà máy Piketon ở Ohio cho Bộ Năng lượng Mỹ
  • Lô này được xem là điểm khởi đầu cho việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân thương mại trong nước tại Mỹ sau 70 năm gián đoạn
  • Sản lượng ban đầu vẫn còn nhỏ và sẽ tăng dần theo từng giai đoạn
    • Dự kiến sản xuất 20kg đến cuối năm 2023
    • Dự kiến sản xuất 900kg trong năm 2024
  • Hiện Centrus đang vận hành 1 cascade gồm 16 máy ly tâm
  • Để sản xuất ở quy mô thương mại, cần xây dựng nhiều cascade, mỗi cascade có 120 máy ly tâm

Vì sao lò phản ứng thế hệ mới cần HALEU

  • 93 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành hiện nay của Mỹ sử dụng khoảng 2.000 tấn nhiên liệu uranium mỗi năm
  • Uranium làm giàu thấp dùng cho các lò phản ứng hiện hữu khó đáp ứng yêu cầu của một số lò phản ứng thế hệ mới sẽ được vận hành trong tương lai
  • HALEU cho phép các lò phản ứng thế hệ mới đạt mật độ công suất cao
    • Lõi lò nhỏ hơn
    • Tuổi thọ lõi lò dài hơn
    • Ít chất thải nhiên liệu hơn
  • Theo Centrus, năng lượng chứa trong 3 thìa canh HALEU đủ để cung cấp lượng điện mà một người tiêu dùng Mỹ trung bình sử dụng trong suốt đời

Phương thức làm giàu uranium và lựa chọn công nghệ

  • Trong uranium tự nhiên, tỷ lệ U-235 có thể duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân là dưới 1%
  • Các lò phản ứng ngày nay sử dụng LEU có tỷ lệ U-235 gần 5%
  • HALEU là nhiên liệu được nâng nồng độ U-235 lên khoảng 19,75%
  • Phương pháp khuếch tán khí truyền thống từng được dùng trong Manhattan Project và lĩnh vực điện hạt nhân thương mại, nhưng mức tiêu thụ năng lượng rất lớn khiến nó ngày càng ít được ưa chuộng
  • Centrus và Tenex thuộc sở hữu nhà nước Nga sản xuất HALEU bằng phương pháp ly tâm khí
    • Bắt đầu với uranium làm giàu khoảng 5% ở dạng khí
    • Quay tốc độ cao trong máy ly tâm dạng ống cao 4 tầng
    • U-238 nặng hơn bị đẩy về phía thành, còn U-235 còn lại nhiều hơn ở bên trong
    • Khí đi qua các cascade máy ly tâm và được làm giàu dần đến nồng độ mục tiêu
  • Làm giàu bằng laser được nhắc đến như một công nghệ hứa hẹn, nhưng vẫn ở giai đoạn phát triển ban đầu
    • Bộ Năng lượng Mỹ đang theo dõi Global Laser Enrichment ở Wilmington, North Carolina

Các lò phản ứng dùng và không dùng HALEU

  • Không phải mọi lò phản ứng thế hệ mới đều cần HALEU
  • Một số lò phản ứng mô-đun nhỏ do GE và Westinghouse phát triển sử dụng nước làm chất làm mát, uranium oxide làm nhiên liệu và dự định dùng nhiên liệu LEU tiêu chuẩn
  • HALEU trở nên cần thiết trong các lò phản ứng thế hệ mới dùng chất làm mát và nhiên liệu sáng tạo hơn, đồng thời hướng tới lõi lò rất nhỏ
    • Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri của TerraPower
    • Lò phản ứng khí nhiệt độ cao của X-energy
    • Lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng muối fluoride của Kairos Power

Triển vọng nhu cầu và nút thắt nguồn cung

  • Bộ Năng lượng Mỹ dự báo Mỹ sẽ cần hơn 40 tấn HALEU trước năm 2030
  • Các nhà sản xuất lò phản ứng thế hệ mới vẫn còn vài năm nữa mới vận hành lõi lò thực tế
  • TerraPower, được Bill Gates hậu thuẫn, đã thông báo hoãn trình diễn lò phản ứng Natrium 2 năm do thiếu HALEU
  • Centrus có biên bản ghi nhớ với TerraPower, nhưng hiện vẫn chưa có hợp đồng mua chính thức

Các ứng viên cung ứng khác và kế hoạch mua của chính phủ

  • Urenco đang xem xét sản xuất HALEU tại cơ sở làm giàu ở New Mexico
    • Đây là công ty do chính phủ Anh, chính phủ Hà Lan và các công ty điện lực Đức cùng sở hữu
    • Hiện công ty này sản xuất LEU
  • BWXT thông báo vào tháng 8/2023 rằng họ sẽ sản xuất 2 tấn HALEU trong 5 năm tới cho National Nuclear Security Administration
  • Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch mua khoảng 25 tấn HALEU mỗi năm để khởi động ngành và cung cấp các hợp đồng ổn định cho nhà sản xuất
  • Xét đến số lượng lò phản ứng thế hệ mới muốn thương mại hóa trong tương lai, việc bảo đảm nguồn cung HALEU để không tăng phụ thuộc vào nhiên liệu hạt nhân của Nga vẫn là yếu tố then chốt trong chiến lược điện hạt nhân của Mỹ

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2023-11-16
Ý kiến trên Hacker News

  • Với nhận định rằng Mỹ phụ thuộc phần lớn nhiên liệu hạt nhân vào Nga, cần bổ sung bối cảnh quan trọng là chương trình Megatons to Megawatts đã làm xáo trộn thị trường nhiên liệu hạt nhân trong 10 năm
    Centrus được nhắc trong bài IEEE khi đó mang tên US Enrichment Corporation và phụ trách phía Mỹ trong thương vụ trao đổi này
    Chương trình này đã thành công trong việc giải trừ lượng hạt nhân tương đương 20.008 đầu đạn, nhưng trên thực tế cũng đã “bán phá giá” nhiên liệu và đẩy các công ty vận hành máy ly tâm ra khỏi thị trường
    https://en.wikipedia.org/wiki/Megatons_to_Megawatts_Program
    https://www.centrusenergy.com/who-we-are/history/megatons-to...

    • Nếu nhìn xa hơn nữa thì có Chernobyl và tai nạn Three Mile Island. Nhận thức rằng điện hạt nhân nếu có sự cố thì sẽ là sự cố cực lớn đã ăn sâu vào tâm lý tập thể
      Điều đó đã định hình bầu không khí về việc Mỹ sẽ thúc đẩy điện hạt nhân đến đâu, và trong lúc nó vẫn quá dễ bị giết chết về mặt chính trị dù có thể là giải pháp tốt hơn về tổng thể, người ta không muốn ủng hộ nó. Trong sách "Straight from the Gut" của Jack Welch cũng có đoạn GE nhận ra sự thay đổi của xu hướng và chuyển từ phát triển sang dịch vụ nhà máy điện hạt nhân, và đó là một quyết định đúng
      Xu hướng hiện nay, khi người ta chấp nhận rằng cần phải học cách thuần hóa con thú mang tên phân hạch hạt nhân, thực sự rất đáng kỳ vọng. Vì lợi ích của nó lớn hơn bất lợi
      https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident
    • Lý do Mỹ phụ thuộc vào nhiên liệu hạt nhân từ Nga là vì chính phủ Mỹ đã phê duyệt việc bán một phần đáng kể mỏ uranium trong nước cho các tổ chức được nhà nước Nga hậu thuẫn thông qua các công ty bình phong
      https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_One

  • Không phải là Mỹ đã rời khỏi “cuộc chơi nhiên liệu hạt nhân”. Vẫn có các cơ sở làm giàu thương mại, gồm cả URENCO ở Nevada, cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy điện hiện có và các thiết kế truyền thống mới như AP-1000
    Thông cáo lần này là về uranium làm giàu thấp độ tinh khiết cao (HALEU), thứ mà nhiều lò phản ứng hiện vẫn chưa dùng
    NuScale từng định dùng loại nhiên liệu này, nhưng dự án đó đã bị hủy vài tuần trước vì vấn đề chi phí. Có nhiều lò phản ứng tiên tiến đang được bàn tới, nhưng tôi không rõ hiện giờ có lò nào thực sự cần loại nhiên liệu này ngay hay chưa. Có thể là có ở ngoài Mỹ
    Theo tiêu chuẩn của NRC, uranium tự nhiên chứa khoảng 0,7% U-235, nhiên liệu cho lò phản ứng truyền thống được làm giàu lên 3~5%. HALEU ở mức 5~20% U-235, còn cấp độ vũ khí là khoảng 90%

    • Lò phản ứng của NuScale dự kiến sẽ dùng uranium làm giàu 4.95%, chứ không phải HALEU
      https://www.nuscalepower.com/-/media/nuscale/pdf/fact-sheets...
    • Các lò nước nhẹ thông thường cũng có thể dùng HALEU, và thời gian dừng để thay nhiên liệu có thể giảm xuống, giúp hiệu quả kinh tế tốt hơn
      TerraPower, công ty mà Bill Gates là một trong các đồng sáng lập, cũng đang định dùng HALEU làm nhiên liệu cho lò Natrium trong thập kỷ này
    • Thật lạ khi người ta chi hàng nghìn tỷ USD cho quân sự, nhưng lại không bỏ nổi 100 tỷ USD cho một dự án kiểu Manhattan Project nhằm tìm ra các thiết kế phân hạch hạt nhân tốt hơn để giải quyết mọi vấn đề năng lượng và sự nóng lên toàn cầu
      Cho đến khi mật độ năng lượng của pin tăng lên gấp 10~20 lần hiện nay, điện mặt trời và điện gió sẽ vẫn chỉ có thể là nguồn điện hạng hai so với phát điện truyền thống và điện hạt nhân

  • Nếu theo các con số trong bài, có phải năm 2024 Bộ Năng lượng mua 0.9 tấn từ nhà sản xuất duy nhất của Mỹ, còn 24.1 tấn còn lại thì mua từ Nga không?

    • Bài báo có ngụ ý là mua gì đó từ Nga không?
      Các lò phản ứng hiện có không dùng loại nhiên liệu này. Đây là nhiên liệu đang được tăng sản lượng để phục vụ các lò phản ứng mới còn chưa được xây
    • Có nên hiểu là sang năm 2025 thì quy mô sẽ lại tăng lên không?

  • Mỹ có tới 93 lò phản ứng à? Tôi đứng về phía Greta. Điện hạt nhân tiến lên

    • Đúng vậy. Chúng tạo ra khoảng 20% điện năng của Mỹ và khoảng 50% điện năng carbon thấp
      https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_the_United_St...
    • Tôi nghiêng về phía điện hạt nhân thế hệ IV. Tôi nghĩ sự phân biệt đó là quan trọng
      Ví dụ: https://www.energy.gov/ne/articles/3-advanced-reactor-system...
    • Greta không ủng hộ điện hạt nhân. Phần lớn các nhà hoạt động môi trường cũng vậy
    • Vấn đề lớn nhất của điện hạt nhân là thời gian xây dựng quá lâu. Mỹ đã gần như dừng lại hơn 30 năm nên bị tụt hậu, và rất khó đưa vào vận hành đủ nhanh để kịp các mục tiêu khí hậu
      Vì vậy cũng cần các biện pháp khác nhanh hơn, đồng thời vẫn phải xây điện hạt nhân để chống lưng cho điện nền
    • Sẽ lấy quặng uranium ở đâu để chạy dự án này? Quặng uranium chất lượng cao ở đâu để có thể sản xuất kinh tế khoảng 200 tấn thanh nhiên liệu mỗi năm mà một nhà máy điện hạt nhân 1GW cần?
      Nếu là quặng có hàm lượng uranium 0,1% thì cần 1.000 tấn quặng để có 1 tấn uranium. Chi phí năng lượng để lấy ra 1 tấn đó cũng lớn, và lượng chất thải cũng khổng lồ. Một lò phản ứng 1GW cần 200 tấn mỗi năm, tức là tương đương 200.000 tấn quặng mỗi năm
      Để so sánh, một nhà máy nhiệt điện than 1GW phải đốt khoảng 3~4 triệu tấn than mỗi năm. Hàm lượng năng lượng của than có chênh lệch đôi chút tùy theo điều kiện đốt với oxy
      Và một hệ thống điện mặt trời/điện gió/lưu trữ có thể cung cấp ổn định 1GW suốt 24 giờ thì mỗi năm sẽ cần bao nhiêu tấn vật liệu? Có vấn đề thay pin, nhưng cứ tự tính thử là ra

  • Một sự phụ thuộc không mong muốn khác vào Nga là nhiên liệu thành phẩm cho lò phản ứng kiểu Nga. May là nhiều quốc gia đã bắt đầu giao cho Westinghouse sản xuất nhiên liệu thay thế, nhưng theo tôi thấy thì dường như hiện mới chỉ áp dụng cho một thiết kế là VVER-440

  • Khi đọc câu “Không có đủ nhiên liệu uranium truyền thống cho các lò phản ứng tiên tiến sẽ đi vào hoạt động trong vài năm tới”, có thể bạn đã nghĩ như tôi: “Cái đó chẳng phải đã bị hủy vào tuần trước rồi sao?”
    https://news.ycombinator.com/item?id=38199061
    Nhưng thứ bị hủy là lò phản ứng NuScale, còn TerraPower dường như vẫn đang tiếp tục. Có thể điều đó liên quan đến sự giàu có vượt trội của nhà sáng lập
    https://abcnews.go.com/Technology/bill-gates-future-nuclear-...
    Và dường như họ cũng đã tìm ra cách thu hút thêm tiền từ các tỷ phú
    https://www.theguardian.com/us-news/2021/jun/03/bill-gates-w...
    Có cảm giác đâu đó trong này ẩn chứa meme “người hùng mà chúng ta xứng đáng có được”

  • Nếu lấy các con số công ty nói rằng sẽ làm ra 20kg HALEU vào cuối năm và sản xuất 900kg trong năm 2024, rồi tính cùng với nhận định rằng 3 thìa canh HALEU có thể cung cấp toàn bộ điện năng suốt đời cho một người tiêu dùng Mỹ trung bình, thì 20kg tương đương khoảng 1 năm điện cho 1.867 người tiêu dùng Mỹ, còn 900kg là khoảng 84.000 người. Có vẻ là một khởi đầu ổn
    https://www.wolframalpha.com/input?i=20+kg+%2F+%28%283+table...

    • 85.000 người cho cả đời thì cũng không tệ. Phép tính đó dùng 79 năm
      Nếu tính theo 1 năm thì là 6,7 triệu người. Chỉ có 16 bang có dân số lớn hơn con số đó
      Trông khá ổn. Nếu muốn tình hình tốt hơn thì đáng ra phải bắt đầu từ 50 năm trước, nhưng bắt đầu bây giờ vẫn tốt

  • Phụ thuộc vào kẻ thù về vũ khí cũng ngu ngốc chẳng kém việc họ phụ thuộc vào kẻ thù về lương thực

    • Việc có phụ thuộc hay không thường không phải là vấn đề chỉ cần một quyết định cuối cùng là xong
      Chi phí và thời gian chuẩn bị cần thiết để giành độc lập là những yếu tố quan trọng trong cân nhắc chiến lược

  • Bài liên quan: https://www.eurasiantimes.com/nuclear-champions-us-lags-behi...