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Jul 24, 2023

Centrus und Oklo haben sich zum Ziel gesetzt, den HALEU-Brennstoffkreislauf zu festigen und mit fortschrittlicher Kernenergie und Brennstoff zu handeln

Centrus, ein Unternehmen, das bereit ist, die Produktion von niedrig angereichertem Uran (HALEU) mit hohem Probengehalt zu demonstrieren, wird mit dem Mikroreaktortechnologieentwickler Oklo bei mehreren bahnbrechenden Schritten zum Aufbau des HALEU zusammenarbeiten

Centrus, ein Unternehmen, das bereit ist, die Produktion von niedrig angereichertem Uran (HALEU) mit hohem Probengehalt zu demonstrieren, wird mit dem Mikroreaktortechnologieentwickler Oklo bei mehreren bahnbrechenden Schritten zum Aufbau der HALEU-Front-End-Lieferkette zusammenarbeiten, einschließlich entscheidender kommerzieller Dekonvertierungskapazitäten. Die bahnbrechende Zusammenarbeit könnte Centrus auch zu einem der ersten kommerziellen Stromabnehmer für zwei in Süd-Ohio geplante Reaktoren in Oklo machen und Centrus einen engagierten HALEU-Kunden bescheren.

Centrus ist insbesondere bereit, bis Ende 2023 mit der ersten HALEU-Produktion ihrer Art in seiner American Centrifuge Plant-Kaskade im Portsmouth Gaseous Diffusion Plant (PORTS)-Reservat des Energieministeriums in Piketon, Ohio, zu beginnen. Dies gab Oklo im Mai bekannt Es würde seinen zweiten und dritten kommerziellen 15-MWe-Aurora-Powerhouse-Reaktor auf einem PORTS-Grundstück in der Nähe bauen, das das DOE 2018 an die kommunale Wiederverwendungsorganisation Southern Ohio Diversification Initiative (SODI) übertrug. Im Rahmen einer am 28. August angekündigten Absichtserklärung (Memorandum of Understanding, MOU) sagten die beiden Unternehmen, dass sie eine Zusammenarbeit verstärken würden, die erstmals in einer Absichtserklärung vom November 2021 gepflegt wurde, um Südohio zu einem „entscheidenden Knotenpunkt für die Zukunft der US-Atomindustrie“ zu machen.

Im Rahmen der Absichtserklärung beabsichtigt Centrus, eine oder mehrere endgültige Vereinbarungen zum Kauf von Strom aus den in Piketon geplanten Aurora-Kraftwerken von Oklo abzuschließen. Obwohl Einzelheiten nicht öffentlich sind, deutete Oklo an, dass der Verkauf einen langfristigen Stromabnahmevertrag beinhalten könnte. Im Wesentlichen könnte dies bedeuten, dass „Oklo die Anreicherung für seine Kraftstoffproduktion für zukünftige Anlagen betreiben würde“, sagte das Unternehmen gegenüber POWER. Centrus beabsichtigt unterdessen, HALEU von seiner Produktionsanlage in Piketon an Oklo zu verkaufen. Oklo sagte, ein Deal könne „spezifische“ und „beträchtliche“ Mengen beinhalten. „Die HALEU-Produktionsanlage ist so konzipiert, dass sie für die Unterstützung von Hunderten von Reaktoren skaliert werden kann“, heißt es darin.

Die beiden Unternehmen gaben am Montag außerdem bekannt, dass sie bei der „Herstellung von Komponenten“ für Oklos Aurora-Kraftwerk in der modernen Produktionsanlage von Centrus in Oak Ridge, Tennessee, sowie bei der Herstellung von Produktionskapazitäten im American Centrifuge Plant in Piketon, Ohio, zusammenarbeiten würden. „Centrus verfügt über ein breites Spektrum an Fähigkeiten und wir prüfen eine Vielzahl von Komponenten, die sich gut für die Fähigkeiten von Centrus eignen könnten“, bemerkte Oklo.

Centrus bereitet sich derzeit auf die Produktion seiner ersten Charge HALEU-Uranhexafluorid (UF6, 19,75 % angereichert) im Rahmen einer mehrphasigen Vereinbarung mit dem DOE vor, die im November 2022 vergeben wurde. Phase 1 des Vertrags sieht die Fertigstellung der American Centrifuge Plant-Kaskade von Centrus und den Start vor Der Betrieb soll bis zum 31. Dezember 2023 zunächst 20 kg HALEU UF6 (19,75 % angereichert) produzieren. Im Rahmen von Phase 2 plant Centrus, die Produktion ein ganzes Jahr lang mit einer jährlichen Produktionsrate von 900 kg HALEU fortzusetzen. Das Unternehmen schloss im Februar 2023 den Bau und die ersten Tests seiner fortschrittlichen Zentrifugenkaskade zur Urananreicherung sowie der meisten zugehörigen Unterstützungssysteme ab und erhielt im Juni 2023 grünes Licht von der Nuclear Regulatory Commission (NRC) für die Einführung von UF6 in die Kaskade.

Das DOE wird Eigentümer des aus der Demonstrationskaskade erzeugten HALEU sein, der Betriebsvertrag gibt dem DOE jedoch auch Optionen zur Zahlung für bis zu neun weitere Jahre über den Basisvertrag hinaus (obwohl diese Optionen von der Verfügbarkeit von Mitteln des Kongresses abhängen). Centrus prüft jedoch separat auch die Möglichkeit, die Anlage in Piketon für eine erweiterte HALEU-Produktion zu vergrößern. Das Unternehmen sagte, dass eine vollständige HALEU-Kaskade – bestehend aus 120 einzelnen Zentrifugenmaschinen mit einer Gesamtkapazität von etwa 6.000 kg HALEU pro Jahr (6 MTU/Jahr) – möglich sein könnte, vorausgesetzt, es kann sich ausreichende Finanzmittel oder Abnahmeverträge sichern innerhalb von ca. 42 Monaten online gestellt werden. „Centrus hat die Möglichkeit, danach alle sechs Monate eine zusätzliche Kaskade hinzuzufügen“, hieß es.

Im Rahmen der Absichtserklärung kündigten Centrus und Oklo am Montag außerdem an, dass sie zusammenarbeiten würden, „um die erforderlichen Kapazitäten aufzubauen und zu lizenzieren, um HALEU von Uranhexafluorid in Uranmetall umzuwandeln und Brennelemente für Oklos Aurora-Kraftwerke herzustellen.“

Wenn diese Anstrengung gelingt, wäre sie ein bedeutender Schritt in der Entwicklung einer HALEU-Front-End-Lieferkette. Während Russland der weltweit einzige kommerzielle Lieferant von HALEU ist, haben jüngste geopolitische Bedenken zu kritischen Versorgungsengpässen bei dem Brennstoffmaterial geführt, das für viele fortschrittliche Reaktorkonstruktionen benötigt wird. Nach Angaben des Energieministeriums ist die inländische HALEU-Produktion derzeit auf „Downblending“ angewiesen, bei dem vorhandenes oder gewonnenes hochangereichertes Uran (HEU) mit Uran geringerer Anreicherung vermischt wird. Es stehen jedoch begrenzte HEU-Bestände für die Heruntermischung zur Verfügung, die über die von der National Nuclear Security Administration (NNSA) vorgeschriebenen Bestände hinausgehen.

Bei der Urananreicherung, einer weiteren Möglichkeit, wird das U-235-Isotop in einem mehrstufigen Prozess „anreichert“. Abgebautes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus U-238 und 0,7 % U-235, das spaltbar ist, wenn es auf mehr als 3 % angereichert ist (sowie zu weniger als 0,01 % U-234). In einer Umwandlungsanlage wird Uranoxid vom Pulver in UF6 umgewandelt, ein Gas, dessen Fluorelement nicht zum Gewichtsunterschied beiträgt, während U-235 von U-238 getrennt wird. Bei der Anreicherung wird das UF6-Gas in zwei Ströme aufgeteilt, einer mit mehr U-235 als zuvor und der andere mit weniger. Centrus und Urenco nutzen die Gaszentrifugentechnologie, bei der viele rotierende Zylinder in langen Leitungen verbunden sind, um eine starke Zentrifugalkraft zu erzeugen. Die Zentrifugen bewegen schwereres U-238 zu den Zylinderwänden, während sich leichteres U-235 in der Nähe der Mitte sammelt. Während typischer Leichtwasserreaktorbrennstoff (LWR) eine Anreicherung von U-235 auf 3 % bis 5 % erfordert, liegt die Anreicherung bei HALEU im Bereich von 5 % bis 19,75 %.

Aber nach der Anreicherung muss das UF6 in eine Uranform „dekonvertiert“ werden (einschließlich Oxiden, Metallen und Legierungen sowie Nitriden und Carbiden), die für die Brennstoffherstellung geeignet ist (weitere Informationen finden Sie in der Seitenleiste „Was ist HALEU-Dekonversion?“). Im konventionellen Kraftstoffkreislauf wird dieser Schritt traditionell in Kraftstofffabriken durchgeführt. Eine HALEU-Lieferkette erfordert jedoch die Berücksichtigung unterschiedlicher Brennstoffformen für fortgeschrittene Reaktoren. Der Transport von HALEU in UF6-Form bringt auch erhebliche Schwierigkeiten mit sich – mit Auswirkungen auf die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit. Insbesondere muss die Rückkonvertierung von HALEU, das auf 10 % oder mehr angereichert ist, auch in einer Einrichtung der physischen Sicherheitskategorie II durchgeführt werden. Diese Faktoren spielen eine Rolle in einer Branchendebatte darüber, ob es praktikabler wäre, die HALEU-Dekonvertierungskapazitäten am Ort der Anreicherung unterzubringen.

Das DOE prüft unterdessen auch mögliche Optionen. Am 4. Juni veröffentlichte das Unternehmen einen Entwurf für eine Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen, um sein Ziel zu unterstützen, inländische Dekonversionsdienste als Teil einer umfassenderen Anstrengung zu erwerben, um ein vielfältiges inländisches kommerzielles Angebot und eine vielfältige kommerzielle Nachfrage nach HALEU zu stimulieren. „DOE hat festgestellt, dass die inländische Fähigkeit zur Anreicherung von Uran als UF6 auf <20 Gewichtsprozent des Isotops U-235 und anschließende Dekonvertierung als Teil des vorübergehenden HALEU-Bedarfs, den es etablieren möchte, erforderlich ist“, stellte die Agentur fest.

Während die HALEU-UF6-Dekonvertierung nichts Neues ist – sie wird traditionell in nationalen Laboratorien wie dem INL durchgeführt, um metallischen Brennstoff für Hochleistungsforschungsreaktoren herzustellen – ist für die Einführung einer kommerziellen HALEU-Dekonvertierung eine entsprechende Lizenz erforderlich. Laut Dr. Charlyne Smith, Expertin für Kernbrennstoffe am Breakthrough Institute, umfassen die geltenden Vorschriften 10 CFR 40 (Inländische Lizenzierung von Ausgangsmaterial), 10 CFR 70 (Inländische Lizenzierung von Spezialkernmaterialien) und 10 CFR Teil 71 (Verpackung und Verpackung). Transport radioaktiver Stoffe).

„Ich denke, zu den wichtigsten regulatorischen Herausforderungen gehören [erstens] der Nachweis angemessener Sicherheitsmaßnahmen zur nuklearen Nichtverbreitung, [und zweitens] der Nachweis der Sicherheit und der Umweltauswirkungen einer kommerziellen Dekonversionsanlage, um Protokolle sicherzustellen, die potenzielle Risiken im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen und Kritikalität minimieren und Strahlenexposition sowie Protokolle zur Verhinderung von Kontaminationen und zur effektiven Abfallbewirtschaftung“, sagte sie. „Eine weitere offensichtlichere Herausforderung ist die Finanzierung einer kapitalintensiven Anlage mit Dekonversionsmöglichkeiten.“

Bei der HALEU-Dekonvertierung (High-Assay, Low-Enriched Uranium) wird Uranhexafluorid (UF6)-Gas in metallisches Uran oder andere Uranverbindungen zur Brennstoffherstellung umgewandelt. Da jedoch „metallische Brennstoffe nicht direkt aus UF6 gebildet werden können, umfasst der Prozess eine Reihe chemischer Reaktionen, um UF6-Gas in feste Form umzuwandeln“, erklärte Dr. Charlyne Smith, leitende Analystin für Kernenergiepolitik am Breakthrough Institute.

„Im Allgemeinen ist der erste Schritt die Hydrolyse, das heißt die Zugabe von Wasserdampf zum UF6-Gas, um Uranylfluorid (fest) und Fluorwasserstoff (UF6 + 2H2O -> UO2F2 + 4HF) zu bilden. Das Uranylfluorid ist von nun an nützlich“, sagte sie. „Der nächste Schritt besteht darin, die Fluoridatome mithilfe von Wasserstoff als Reduktionsmittel zu entfernen, um Urandioxid in fester Energieform (UO2F2 + H2 -> UO2 + 2HF) herzustellen. Die Urandioxidenergie ist der Schlüsselbestandteil zur Herstellung metallischer Brennstoffe, unabhängig davon, ob Sie Uran-Zirkonium (U-Zr), Uran-Molybdän (U-Mo), Uransilizid (U3Si2) oder andere metallische Brennstoffe herstellen.“

Die Produktion von HALEU U-Zr-basierten metallischen Brennstoffen würde das Mischen und gleichmäßige Verteilen des UO2-Pulvers und des Zirkoniumhydrid-Pulvers (ZH2) in präzisen Portionen erfordern, sagte Smith. „Dadurch ist es einfach, die Pulver anschließend in eine bestimmte Form zu verdichten, sei es ein Brennstoffpellet oder eine Brennstoffplatte (je nach Reaktordesign). Sobald es in einer bestimmten Form verdichtet wurde, wird es gesintert, was bedeutet, dass das Pellet oder die Platte in einer kontrollierten Umgebung auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird, um die Partikel miteinander zu verschmelzen und die Dichte des Brennstoffs zu erhöhen.“ In den letzten Schritten wird der Brennstoff mit einem Schutzmaterial ummantelt und versiegelt, um den Kontakt zwischen Brennstoff und Reaktorkühlmittel zu verhindern. „Wir wollen, dass diese Verkleidung korrosionsbeständig ist“, sagte Smith. „Selbstverständlich wird der Kraftstoff vor der Montage einer Qualitätssicherung unterzogen.“

Für das in Santa Clara, Kalifornien, ansässige Unternehmen Oklo bietet die Zusammenarbeit mit Centrus eine klare Richtung für die machbare Entwicklung eines Wegs zum kommerziellen Betrieb seines Aurora-Kraftwerks und für die Positionierung, um die steigende Nachfrage nach Kernenergie zu decken. Das Aurora Powerhouse ist ein vertikal ausgerichteter kompakter passiver Schnellspektrumreaktor, der vom Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) abgeleitet ist und flüssiges Metall als Kühlmittel verwendet. Während das Unternehmen bisher eine 1,5-MWe-Mikroreaktorversion des Aurora auf den Markt gebracht hat, hat es nun sein Kapazitätsangebot von 15 MWe auf 100 MWe erweitert. Der kompakte schnelle Reaktor verwendet einen auf etwa 19 % angereicherten metallischen Uran-Zirkonium-Brennstoff HALEU.

Seit der Einführung seines Aurora-Designs im Dezember 2019 hat Oklo eine Reihe von Meilensteinen sowohl in der Technologie- als auch in der Brennstoffentwicklung gesetzt und sich damit den Ruf eines Vorreiters im aufkeimenden Bereich der fortgeschrittenen Nukleartechnik erworben. Im Jahr 2019 erhielt das Unternehmen vom DOE eine Standortnutzungsgenehmigung und im Februar 2020 eine Vereinbarung mit dem Idaho National Laboratory (INL), um heruntergemischtes HALEU in einem Aurora-Reaktor im kommerziellen Maßstab zu demonstrieren. Oklo versucht derzeit, dieses Projekt innerhalb eines Zeitraums von 2026 oder 2027 online zu stellen. Es heißt, dass es inzwischen eine „robuste Pipeline potenzieller Kundenengagements in einer Reihe von Branchen pflegt und unverbindliche Interessenbekundungen unterzeichnet hat, von denen es glaubt, dass sie zu einem Umsatz von über 700 MWe führen könnten.“

Gleichzeitig hat Oklo bahnbrechende Lizenzierungsschritte unternommen. Im März 2020 reichte es beim NRC den allerersten kombinierten Lizenzantrag (COLA) für einen fortschrittlichen Nicht-Leichtwasserreaktor (LWR) für das INL-Projekt ein. Während NRC-Mitarbeiter im Januar den Antrag „unbeschadet“ ablehnten, nahm Oklo im September 2022 die Lizenzierungsbemühungen offiziell wieder auf. Parallel dazu hat das Unternehmen regulatorische Aktivitäten für eine einzigartige Kernbrennstoff-Recyclinganlage eingeleitet, die bis Anfang der 2030er Jahre kommerzielles Material aus gebrauchtem LWR-Brennstoff produzieren könnte. Das Brennstoffrecycling, ein „ergänzender Weg“ zum Stromerzeugungsgeschäft, könnte eine Marktchance eröffnen, die schätzungsweise Hunderte von Milliarden Dollar ausmacht, da der Energiegehalt der heute verwendeten Brennstoffe ausreicht, um den Strombedarf in den USA für mehr als 100 Jahre sicher zu decken Und das mit nahezu null CO2-Emissionen“, heißt es.

Oklos Impuls ist die Aussicht, Strom „direkt an Kunden zu verkaufen, die Flexibilität zu bieten, sauberen, zuverlässigen Strom zu kaufen und günstigere finanzielle Konditionen für einen geschätzten 3-Billionen-Dollar-Markt zu liefern“. Das Geschäftsmodell werde durch die Konzentration auf kleine Reaktoren gestützt, „deren erwartete Projektkosten für das 15-MWe-Kraftwerk im Vergleich zu großen Multimilliarden-Dollar-Projekten im Versorgungsmaßstab, die von Wettbewerbern verfolgt werden, äußerst konkurrenzfähig sind.“ ” In einem kürzlichen bemerkenswerten Meilenstein hat Oklo am 11. Juli einen endgültigen Unternehmenszusammenschluss mit der Zweckgesellschaft AltC Acquisition Corp. abgeschlossen und das Unternehmen für den öffentlichen Handel an der New Yorker Börse positioniert. Es wird erwartet, dass die Transaktion dem Startup 516 Millionen US-Dollar in bar in seiner Bilanz einbringt, um seine „Go-to-Market-Strategie“ zu unterstützen, einschließlich seines ersten Projekts am INL und einer Kraftstoffrecyclinganlage im kommerziellen Maßstab. „Mittel- bis längerfristig wird erwartet, dass sich die Transaktion positiv auf die Betriebsergebnisse von Oklo auswirkt und Mittel für die Kommerzialisierung seiner Kraftwerke, die weitere Technologieintegration und die Entwicklung von Skaleneffekten bereitstellt“, sagte Oklo.

Die „bahnbrechende“ Partnerschaft mit Centrus stellt eine neue Chance dar, die „die Brennstoffproduktion, die Herstellung und die Stromabnahme umfasst und das frühe Marktinteresse an unseren skalierbaren Kraftwerken und unserem differenzierten Geschäftsmodell veranschaulicht, das den Verkauf von Strom und nicht von Kraftwerken beinhaltet“, heißt es Dr. Jacob DeWitte, Mitbegründer und CEO von Oklo. „Diese wichtige Zusammenarbeit wird voraussichtlich mehrere Elemente unserer Strategie erleichtern, um der wachsenden Nachfrage nach unseren Kraftpaketen gerecht zu werden, die sich aus unserer Pipeline an Kundenengagements in verschiedenen Branchen ergibt“, sagte er.

—Sonal Patelist leitender Mitherausgeber von POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

Korrektur (30. Aug.): In einer früheren Version dieses Artikels wurde fälschlicherweise vorgeschlagen, dass das Aurora Powerhouse-Design Heatpipes verwendet. Während dies für das ursprüngliche Angebot zutraf, ist das verbesserte Design von Oklo (15 MW und mehr) Teil der Produktfamilie der Aurora-Flüssigmetall-Schnellreaktoren. Das Design nutzt nun unterschiedliche Wärmetransportmechanismen (fließendes Natrium im Vergleich zu flüssigem Metall in Wärmerohren), um den Transport von deutlich mehr Wärme aus dem Brennstoff zu ermöglichen.

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