米国、核燃料市場に再参入

 (spectrum.ieee.org)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-11-16 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 米国の既存の原子力発電所93基は毎年約2,000トンのウラン燃料を使用しているが、次世代炉の商用化には、商業規模の生産がロシアに集中している HALEU の確保が必要となる
  • Centrus Energyがオハイオ州Piketon工場で製造した最初のHALEUを米国エネルギー省に引き渡し、米国内の 商業的な核燃料生産 が70年ぶりに再開された
  • HALEUはU-235濃度がほぼ20%で、従来の低濃縮ウランの約5%より高いが、兵器級ウランの90%以上よりは低いため、低濃縮 に分類される
  • 米国エネルギー省のAdvanced Reactor Demonstration Program対象の次世代炉10基のうち9基がHALEUを使用しており、政府投資規模は約 6億ドル と見込まれている
  • 米国は2030年までに40トン超のHALEUが必要になると予想されており、初期の産業需要を生み出すための年間約 25トン の購入計画がサプライチェーン構築の中核となっている

Centrusによる最初のHALEU供給

  • メリーランド州Bethesdaに本社を置くCentrus Energyは、オハイオ州 Piketon 工場で生産した最初のHALEUを米国エネルギー省に引き渡した
  • この供給は、米国で70年ぶりに再開された 商業的な国内核燃料生産 の出発点と評価されている
  • 初期生産量はまだ小さく、段階的に増やしていく構造となっている
    • 2023年末までに 20kg を生産予定
    • 2024年には 900kg の生産を見込む
  • 現在Centrusは、16基の遠心分離機 で構成された1つのカスケードを運用中である
  • 商業規模の生産には、それぞれ 120基の遠心分離機 を備えた複数のカスケード構築が必要となる

次世代炉がHALEUを必要とする理由

  • 米国で現在稼働中の原子力発電所93基は、毎年約 2,000トン のウラン燃料を使用している
  • 従来炉向けの低濃縮ウランでは、今後稼働する一部の次世代炉の要求条件を満たしにくい
  • HALEUは次世代炉の 高い出力密度 を可能にする
    • より小さな炉心
    • より長い炉心寿命
    • より少ない燃料廃棄物
  • Centrusによれば、HALEUを大さじ3杯分に含まれるエネルギーは、平均的な米国の消費者の生涯電力使用量をまかなえる水準だという

ウラン濃縮方式と技術選択

  • 天然ウランでは、核連鎖反応を維持できる U-235 の比率は1%未満である
  • 今日の原子炉は、U-235がほぼ5%の LEU を使用している
  • HALEUは、U-235濃度を 19.75% まで高めた燃料である
  • 従来のガス拡散方式はManhattan Projectや商業用原子力発電分野で使われたが、エネルギー消費が非常に大きいため、好まれなくなった
  • Centrusとロシア国営のTenexは、ガス遠心分離 方式でHALEUを生産している
    • 約5%に濃縮されたウランをガスの形で投入する
    • 高さ4階分の管状遠心分離機で高速回転させる
    • 重いU-238は壁側へ押しやられ、U-235は内部により多く残る
    • ガスは遠心分離機のカスケードを通過しながら、目標濃度まで段階的に濃縮される
  • レーザー濃縮は有望な技術として挙げられているが、まだ開発初期段階にある
    • 米国エネルギー省はノースカロライナ州Wilmingtonの Global Laser Enrichment に注目している

HALEUを使う原子炉と使わない原子炉

  • すべての次世代炉がHALEUを必要とするわけではない
  • GEとWestinghouseが開発中の一部の 小型モジュール炉 は、水を冷却材とし、酸化ウランを燃料に用い、標準的なLEU燃料を使う方針である
  • HALEUは、より独創的な冷却材や燃料を用い、非常に小さな炉心を目指す次世代炉で必要とされる
    • TerraPowerの ナトリウム冷却高速炉
    • X-energyの 高温ガス炉
    • Kairos Powerの フッ化塩冷却高温炉

需要見通しと供給ボトルネック

  • 米国エネルギー省は、米国が2030年までに 40トン超 のHALEUを必要とすると予想している
  • 次世代炉メーカーは、実際の炉心稼働までまだ数年を要する
  • Bill Gatesが支援するTerraPowerは、HALEU不足により Natrium原子炉実証 を2年延期すると発表した
  • CentrusはTerraPowerと覚書を結んでいるが、正式な購入契約はまだない

他の供給候補と政府の購入計画

  • Urencoはニューメキシコ州の濃縮施設でHALEU生産を検討中である
    • 英国政府、オランダ政府、ドイツの電力会社が共同所有する企業である
    • 現在はLEUを生産している
  • BWXTは2023年8月、National Nuclear Security Administration向けに今後5年間で 2トン のHALEUを生産すると発表した
  • 米国エネルギー省は、産業を立ち上げ、生産者に安定した契約を提供するため、年間約 25トン のHALEU購入を計画している
  • 今後の商用化を目指す次世代炉の数を考えると、ロシアの核燃料依存をこれ以上高めないための HALEU供給確保 が、米国の原子力発電戦略の要となり続けている

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-11-16
Hacker Newsのコメント

  • 米国が核燃料の大半をロシアに依存しているという話には、Megatons to Megawattsプログラムによって核燃料市場が10年間かく乱された、という重要な文脈を添える必要がある
    IEEEの記事に出てくるCentrusは、当時はUS Enrichment Corporationという名前で、この交換の米国側を担っていた
    このプログラムは核弾頭20,008発分の核軍縮には成功したが、事実上、燃料を「ダンピング」して遠心分離機の運営会社を市場から締め出した
    https://en.wikipedia.org/wiki/Megatons_to_Megawatts_Program
    https://www.centrusenergy.com/who-we-are/history/megatons-to...

    • さらにさかのぼれば、チェルノブイリとThree Mile Island事故がある。原子力は失敗すると本当に大惨事になる、という認識が集団心理に深く刻み込まれた
      それが、米国が原子力をどこまで推し進めるかという空気を決め、全体としてより良い解決策になり得たとしても、政治的にあまりにも簡単に潰せる間は人々が支持しようとしなかった。Jack Welchの本『Straight from the Gut』にも、GEが流れの変化を見て開発から原発サービスへと事業を転換し、その判断が正しかったという内容が出てくる
      核分裂という猛獣を手なずける方法を学ばなければならない、と受け入れられるようになった今回の流れには本当に期待している。利点が欠点を上回るからだ
      https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident
    • 米国が核燃料をロシアに依存している理由は、米国政府が自国のウラン鉱山の相当数を、ペーパーカンパニーを通じてロシアの国営支援組織に売却することを承認したためだ
      https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_One

  • 米国が「核燃料ゲーム」から抜けていたわけではない。ネバダ州のURENCOを含む商用濃縮施設があり、既存の原発やAP-1000のような新しい従来型設計に燃料を供給している
    今回のプレスリリースは、まだ多くの原子炉では使われていない高純度低濃縮ウラン（HALEU）に関するものだ
    NuScaleはこの燃料を使おうとしていたが、そのプロジェクトは数週間前にコスト問題で中止された。複数の先進炉が議論されてはいるが、今すぐこの燃料を必要とする原子炉が実際にあるのかは分からない。米国外にはあるかもしれない
    NRC基準では、天然ウランのU-235は約0.7%、従来型原子炉の燃料は3〜5%に濃縮される。HALEUは5〜20%のU-235で、兵器級は約90%だ

    • NuScaleの原子炉はHALEUではなく、4.95%濃縮ウランを使用する予定だ
      https://www.nuscalepower.com/-/media/nuscale/pdf/fact-sheets...
    • 一般的な軽水炉でもHALEUは使え、燃料交換のための停止期間が減って経済性が向上する可能性がある
      Bill Gatesが共同創業者の1人であるTerraPowerも、この10年以内にNatrium原子炉の燃料としてHALEUを使おうとしている
    • 軍事費には数兆ドルを使う一方で、あらゆるエネルギー問題と地球温暖化を解決する、より良い核分裂設計を探すマンハッタン計画式の事業には1,000億ドルも使わないのは奇妙だ
      バッテリーのエネルギー密度が現在の10〜20倍になるまでは、太陽光と風力は従来型発電や原子力に比べ、常に二番手の電源にとどまらざるを得ない

  • 記事の数字どおりなら、2024年にエネルギー省が唯一の米国生産者から0.9トンを買い、残りの24.1トンはロシアから買うということなのか？

    • 記事のどこかで、ロシアから何かを買うと示唆していた？
      既存の原子炉はこの燃料を使わない。まだ建設されていない新しい原子炉向けに生産を増やす燃料だ
    • 2025年にまた増える仕組みだと見るべきなのか？

  • 米国には原子炉が93基もあるのか？Greta側に立つ。原子力で行こう

    • その通り。米国の電力のおよそ20%、低炭素電力の約**50%**を生産している
      https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_the_United_St...
    • 自分は第4世代原子炉派だ。その区別は重要だと思う
      例: https://www.energy.gov/ne/articles/3-advanced-reactor-system...
    • Gretaは原発賛成ではない。環境活動家の大半もそうではない
    • 原発の最大の問題は、建設にあまりにも時間がかかることだ。米国は30年以上、実質的に止まっていたため遅れを取り、気候目標に間に合うほど早く稼働させるのは難しい
      だから、より速い別の手段も必要だし、同時にベースロード電力を支える原発も建てなければならない
    • このプロジェクトを回すためのウラン鉱石はどこから調達するのか？1GWの原発1基が毎年必要とする約200トンの燃料棒を経済的に作れる高品位ウラン鉱石はどこにあるのか？
      ウラン含有量が0.1%の鉱石なら、ウラン1トンに鉱石1,000トンが必要になる。その1トンを得るためのエネルギーコストも大きく、廃棄物も膨大だ。1GWの原子炉1基には毎年200トンが必要なので、鉱石では年間20万トンになる
      比較すると、1GWの石炭火力発電所は毎年300万〜400万トンの石炭を投入しなければならない。石炭のエネルギー含有量は、酸素燃焼基準で多少異なる
      そして1GWを安定して24時間供給する太陽光／風力／蓄電システムには、毎年何トン必要だろうか？バッテリー交換の問題はあるが、自分で計算してみればよい

  • ロシアに対するもう一つの望ましくない依存は、ロシア型原子炉向けの完成燃料です。幸い、複数の国が Westinghouse に代替燃料の生産を委託し始めていますが、私にはまだ VVER-440 の1設計だけが対象のように見えます

  • 「今後数年以内に稼働する先進原子炉には、既存のウラン燃料では十分ではない」という文を読んで、私のように「それは先週キャンセルされたのでは？」と思ったかもしれません
    https://news.ycombinator.com/item?id=38199061
    しかしキャンセルされたのは NuScale の原子炉で、TerraPower はまだ進行中のようです。創業者の例外的な富と関係があるのかもしれません
    https://abcnews.go.com/Technology/bill-gates-future-nuclear-...
    億万長者の資金をさらに呼び込む方法も見つけたようです
    https://www.theguardian.com/us-news/2021/jun/03/bill-gates-w...
    どこかに「私たちにふさわしい英雄」ミームが隠れている気がします

  • 同社が年末までに HALEU を20kg作り、2024年に900kgを生産するという数字と、HALEU が大さじ3杯あれば平均的な米国消費者1人の生涯分の電力を供給できるという話をもとに計算すると、20kgは米国消費者1,867人の1年分、900kgは約84,000人分になります。出だしとしては悪くないようです
    https://www.wolframalpha.com/input?i=20+kg+%2F+%28%283+table...

    • 85,000人の生涯分なら悪くありません。その計算には79年が入っています
      1年基準では670万人分です。人口がそれより多い州は16州しかありません
      よさそうに見えます。もっと良い状況を望むなら50年前に始めるべきだったでしょうが、今始めるのも良いことです

  • 敵国に武器を依存するのは、彼らが食料を敵国に依存するのと同じくらい愚かです

    • 依存の有無は、たいてい最終決定だけで終わる問題ではありません
      独立にかかるコストとリードタイムが、戦略的考慮では重要です

  • 関連記事: https://www.eurasiantimes.com/nuclear-champions-us-lags-behi...