Amerykański ośrodek w Ohio opracował bardziej wydajne paliwo jądrowe. Czy to koniec rosyjskiego monopolu?

Oprócz USA, nad nowym paliwem jądrowym pracują obecnie: Unia Europejska, Wielka Brytania oraz państwa azjatyckie. Chodzi o nisko wzbogacony uran (HALEU), którego powszechne stosowanie pozwoliłoby uniezależnić Zachód od dostaw podobnego, zaawansowanego paliwa jądrowego z Rosji. Tak się szczęśliwie składa, że wskutek podpisania przez spółkę Polskie Elektrownie Jądrowe z konsorcjum Westinghouse i Bechtel, to Amerykanie mają wybudować w Polsce pierwsze reaktory jądrowe. Wygranie wyścigu o bardziej wydajne paliwo do reaktorów przez fabrykę w Ohio, otwiera przed Polską nowe możliwości.

Polska planująca w najbliższych dekadach budowę kilku dużych elektrowni atomowych i wielu małych reaktorów modułowych (SMR) powinna dysponować możliwie najnowocześniejszym paliwem jądrowym, pozwalającym na efektywne wykorzystywanie technologii nuklearnych. Powinno być ono jednak również możliwie łatwo dostępne. Na przeszkodzie mogą jednak stanąć kwestie bezpieczeństwa, ochrony technologii, a także sama cena uczestnictwa. Nie wspominając o tym, że polska nauka, wskutek braku większych doświadczeń państwa polskiego z energetyką jądrową, może mieć problem kompetencyjny, by takie paliwo powstawało w Polsce. Co zatem można zrobić? Na początku warto poznać samą problematykę.

Ze zwiększeniem efektywności paliwa wodorowego chodzi o to, aby mniejsza ilość nisko wzbogaconego uranu mogła wystarczyć na dłużej. Kłopot w tym, że jak dotychczas tylko Rosjanie dysponują know–how, które pozwala produkować tego typu paliwo w dużych ilościach. Choć wydajniejsze paliwo (HALEU) może być używane także w obecnie działających reaktorach, to prace nad jego upowszechnieniem związane są przede wszystkim z rozwojem mniejszych reaktorów, w tym SMR–ów.

Jak wyjaśnia dr Łukasz Tolak z Collegium Civitas, ekspert ds. bezpieczeństwa i energetyki, HALEU to paliwo jądrowe o wyższym poziomie wzbogacenia. O co chodzi dokładnie? – Zgodnie z przyjętą definicją jest to paliwo, w którym zawartość izotopu u–235 przekracza poziom 5 proc. Jednocześnie poziom ten nie będzie przekraczał 20 proc. – tłumaczy ekspert.

Jak wskazuje dr Tolak, paliwo tego rodzaju (HALEU) jest planowane do wprowadzenia w absolutnej większości przygotowanych SMR–ów (ponad ¾ projektów). Mowa tutaj o krótkiej z punktu widzenia przemysłu jądrowego perspektywie od pięciu do dziesięciu lat – wskazuje naukowiec. Okazuje się, że podobnie ma być w znacznej części rozwijanych obecnie koncepcji budowy reaktorów tzw. czwartej generacji. Pierwsze jednostki demonstratorów technologii mają pojawić się już pod koniec lat 30. XXI wieku – alarmuje dr Tolak. Oznacza to, że czasu jest naprawdę niewiele – alarmował jeszcze w połowie kwietnia 2024 roku dr Tolak.

Jak się jednak okazuje, zachodnie HALEU powstało już teraz i trzeba to wykorzystać. Tylko, jak?

W wypadku SMR–ów wykorzystanie paliwa HALEU oznacza możliwość zmniejszenia wielkości rdzenia reaktora i uzyskanie wyższej gęstości energetycznej. Podobnie w reaktorach generacji czwartej (wyższe temperatury pracy etc.) – Wykorzystanie wyżej wzbogaconego paliwa zarówno w istniejących jak i planowanych konstrukcjach oznacza wydłużenie okresów pomiędzy wymianą wypalonego paliwa jądrowego, a co za tym idzie poprawę tzw. capacity factor (współczynnik wydajności), czyli uzyskanie wyższego poziomu wypalenia i całościowego zmniejszenia ilości wysokoenergetycznych odpadów radioaktywnych – tłumaczy ekspert. Paliwo to jest zatem krokiem w kierunku poprawy efektywności wykorzystania uranu.

Dowiadujemy się jednak, że bardziej wydajne paliwo oznacza także wyższy koszt jego produkcji. Przede wszystkim dłuższy i wymagający większych ilości energii będzie proces wzbogacania uranu. Wyższe wymagania, a co tym idzie i koszty, dotyczyć będą konstrukcji, wytrzymałości i odporności na korozję zbiorników ciśnieniowych chroniących rdzeń (przy ich mniejszych potencjalnie rozmiarach: SMR–y i przyszłe duże reaktory).

– Ze względu na inne charakterystyki oraz wyższą zawartość izotopów rozszczepialnych niezbędne będzie zastosowanie nowych procedur (w tym bezpieczeństwa) dotyczących zarówno: procesów produkcji, składowania, transportu oraz przechowywania odpadów – uprzedza dr Tolak.

W ostatecznym rozrachunku proces wprowadzania HALEU jest jednak niezbędny z perspektywy eksploatacji SMR–ów i części reaktorów czwartej generacji – dodaje. – W przypadku obecnych reaktorów (generacji III i III+), jest to logiczny krok (przy świadomości wszystkich kosztów), zmierzający do poprawy efektywności wykorzystania paliwa jądrowego i zmniejszenia ilości odpadów, co stanowi jedną z głównych bolączek przemysłu jądrowego – podsumowuje ekspert.

Oprócz zmniejszenia ilości odpadów i zwiększenia efektywności samych reaktorów Zachód musi mieć nowe paliwo jądrowe z jeszcze jednego, i to najbardziej oczywistego powodu. Chodzi o rosnący koszt nabycia surowca podstawowego. Aktualna cena uranu to ponad 89 USD za funt i rośnie, choć na początku 2024 r. było jeszcze drożej.

Od lat 90. można zaobserwować silne niedobory związane z wahaniem poziomu produkcji uranu – alarmował już pod koniec 2023 roku Grzegorz Dróżdż, analityk Conotoxia Ltd, prognozujący, jak się okazało, trafnie dalszy wzrost cen tego pierwiastka.

W 2022 r. zapotrzebowanie na ten surowiec wyniosło ok. 60 tys. ton, podczas gdy wydobycie osiągnęło jedynie ok. 49 tys. ton. – Oznacza to, że państwa zmuszone są corocznie korzystać z własnych rezerw tego surowca – sugeruje ekspert.

W ostatnich latach największy udział w światowym wydobyciu uranu miał Kazachstan (43 proc. globalnej podaży), na drugim miejscu plasowała się Kanada (15 proc.), a na trzecim Namibia (11 proc.).

Według danych raportu „World Nuclear Performance Report 2022” opublikowanego przez World Nuclear Association, w 2021 roku, energię elektryczną produkowało 436 reaktorów, o łącznej mocy elektrycznej około 390 GWe (GWe oznacza ilość mocy jedynie elektrycznej). Co roku wszystkie zainstalowane reaktory pochłaniają średnio 74 000 ton koncentratu tlenku uranu, który powstaje z ok. 62 500 ton surowca. Popyt na uran nie powinien słabnąć, nawet jeśli obecnie nie powstaje dużo siłowni opartych na atomie, ponieważ po decyzji Brukseli o zerwaniu z węglem, energetyka jądrowa stała się dość powszechnym remedium na deficyty mocy. Zatem nawet pomimo zwiększenia efektywności samego paliwa jądrowego, wzrost cen samego surowca może w kolejnych latach się nie zatrzymać, a to oznacza, że zgoda na stosowanie tańszego paliwa, to de facto akceptacja wyższych cen energii. Podobnego zdania są analitycy.

Zgodnie z raportem dotyczącym paliw jądrowych World Nuclear Association z 2021 r. prognozy na najbliższe dziesięć lat przewidują wzrost popytu na uran – zauważa Grzegorz Dróżdż. – Przewiduje się 27 proc. wzrost zapotrzebowania na surowiec do 2030 r., a także prognozuje się 38-proc. wzrostu w kolejnej dekadzie – wskazuje ekspert.

Wzrost popytu ma związek z planowanym wzrostem ilości reaktorów. Obecnie najwięcej reaktorów mają Stany Zjednoczone (93), na drugim miejscu jest Francja z 56 reaktorami, na trzecim Chiny z 55 reaktorami. Za dekadę te dane mogą być już mocno nieaktualne, bo na atom stawia wiele państw. Finowie uruchomili niedawno Olkiluoto – największy reaktor jądrowy na Starym Kontynencie o mocy 1,6 GWe. Francuzi ogłosili z kolei chęć budowy ośmiu elektrowni jądrowych, poza planowanymi nieco wcześniej sześcioma siłowniami tego typu. Do tego Program polskiej enerfetyki jądrowej i plany budowania nad Wisłą licznych SMR–ów. Co warte podkreślenia, nikt w zachodniej Europie ani w Azji czy w Ameryce nie bierze pod uwagę korzystania w przyszłości z mniej efektywnego paliwa, bo to się po prostu nie będzie opłacać.

Na początku 2024 roku rząd Rishiego Sunaka, planujący wygrać wyścig o HALEU, zapowiedział przeznaczenie 300 mln GBP (ok. 1,5 mld zł) na program produkcji bardziej wydajnego paliwa jądrowego. Wystartowało w nim ponad 20 państw, które podpisały zobowiązanie do potrojenia globalnej mocy jądrowej do 2050 r. w ramach międzynarodowych wysiłków na rzecz ograniczenia szkodliwych dla klimatu emisji dwutlenku węgla. Wśród sygnatariuszy znalazły się m.in.: USA, Francja, Korea Południowa, czyli liderzy energetyki jądrowej.

Elżbieta Pełka, członek zarządu British Polish Chamber of Commerce jeszcze na początku roku w rozmowie ze Strefą Biznesu powiedziała, że Polska mająca swój ambitny program jądrowy, mogłaby skorzystać na produkcji brytyjskiej. Sukces fabryki w Ohio zmienia jednak perspektywę

Departament Energii Stanów Zjednoczonych podpisał niedawno umowę z firmą Centrus na wdrożenie wirówek do wzbogacania uranu w fabryce Piketon (Ohio), a miejscowy zakład otrzymał od Komisji Regulacji Jądrowej licencję na produkcję HALEU. Mało kto spodziewał się jednak, że Amerykanie będą pierwsi w wyścigu o HALEU. Co więcej zakład w Ohio jest w stanie zaspokoić potrzeby rynku lokalnego, a ten w USA i tak jest ogromny.

Zapowiadana tona (do końca roku) wydajniejszego paliwa może nie wystarczyć nawet na amerykańskie elektrownie jądrowe, których jest 93. Zostaje zatem zachodnia Europa, w tym przede wszystkim Francja. Tu na przeszkodzie może jednak stanąć fakt, że nie zanosi się na to, aby to Francuzi otrzymali szansę budowy elektrowni jądrowych w Polsce. A można się spodziewać, że Paryż postawiłby właśnie taki warunek. Z drugiej strony, wspólne badania mogłyby ułatwić fundusze europejskie.

Jak twierdzi prasa za Oceanem: USA chcą produkować ulepszone paliwo wraz z Wielką Brytanią, Francją, Japonią i Kanadą. Na razie nikt nie wspomina o Polsce.

Polska energetyka jądrowa może uczynić z nowego paliwa jądrowego nowy element negocjacyjny, ale z uwagi na ograniczone moce wytwórce USA, i tak konieczny będzie wybór któregoś z partnerów europejskich.

Można też rozwaćyć kierunek azjatycki, pamiętając jednak, że w przypadku Korei Południowej trudniej będzie o fundusze europejskie. Za to, Azjaci mogą być bardziej elastyczni w przypadku powstania zakładu produkcyjnego w Polsce. Trzeba tylko uważać, by nie stało się tak, jak w przypadku telewizorów: oni produkują w Azji, my tylko to składamy do kupy. A co z know–how? No właśnie... Bez niego żaden kraj nie może mieć dojrzałej energetyki.

Jesteśmy na Google News. Dołącz do nas i śledź Strefę Biznesu codziennie. Obserwuj StrefaBiznesu.pl!

Źródła: World Nuclear Association, Conotoxia Ltd, CIRE, Big News Network,com.