Обогащение урана. Ахиллесова пята Запада

Почти половина мировых мощностей по обогащению урана, необходимых для обеспечения США энергией, находится в России. Соединенные Штаты, крупнейший в мире производитель атомной электроэнергии, в значительной степени зависят от российских мощностей по обогащению урана для обеспечения энергией своих атомных электростанций.

В 2022 году примерно каждый двадцатый американский дом и предприятие были обеспечены электроэнергией, вырабатываемой за счет обогащения ядерного топлива в России. В результате каждый год Америка платит около 1 миллиарда долларов США Росатому — компании, контролируемой российским правительством.

В Министерстве энергетики США подсчитали, что достижение целей чистой энергетики к 2050 году, вероятно, потребует более чем удвоения ядерных энергетических мощностей США, при этом потребность в мощностях по обогащению урана в США возрастет примерно в восемь раз, а в главных странах Запада с небольшим ядерным потенциалом, вероятно, потребуется еще более резкое увеличение производства ядерной энергии.

Сегодня многие американские курчатовы и теслы ломают голову над тем, как избавиться от доминирования России на глобальном рынке обогащения урана. Агентство по ядерному регулированию Соединенных Штатов (NRC) уже выдало лицензию на два объекта — американскую центрифугу Завод в Пайктоне, штат Огайо,  Национальное предприятие по обогащению урана в Юнисе, штат Нью—Мексико, которые, если будут полностью выведены на лицензионные мощности, устранят зависимость Соединенных Штатов от российского ядерного топлива и снизят глобальную зависимость от него более чем на 75%.

Важно отметить, что это не только обеспечило бы энергетическую безопасность США, это помогло бы и другим странам снизить зависимость от России в области обогащения урана. Южная Африка, Швейцария, Финляндия и Объединенные Арабские Эмираты используют российские мощности по обогащению более половины своего ядерного топлива.

Украина, Мексика, Индия,  а также члены НАТО - Словакия, Венгрия, Болгария и Чехия полностью зависят от поставок обогащенного урана из России. 

Министерству энергетики США и Конгрессу США поставлена задача срочно принять меры для быстрого расширения мощностей по обогащению урана в Соединенных Штатах. 
 

В Соединенных Штатах на долю ядерной энергетики приходится 19% всей вырабатываемой электроэнергии, и она является ведущим источником экологически чистой энергии в стране, обеспечивая более половины всей чистой электроэнергии.

Для сравнения, с начала в 2000-х годов, Германия потратила более 500 миллиардов евро на "озеленение"  своей электроэнергетической системы - утроив использование солнечной энергии и удвоив использование энергии ветра. Однако немцы одновременно закрыли почти все свои атомные станции, в результате чего их энергосистема осталась без основного источника экологически чистой электроэнергии. Несмотря на огромные инвестиции в декарбонизацию, выбросы углекислого газа в энергосистеме Германии остаются одними из самых высоких в Европе. В 2021 году немецкая энергосистема выбросила в атмосферу 402 грамма углекислого газа в эквиваленте (CO2-экв.) парниковых газов на киловатт-час (кВтч) произведенной электроэнергии. Франция, которая полагалась на сочетание ядерной энергии и возобновляемых источников энергии, выбросила в 2021 году всего 67 граммов CO2-экв на киловатт-час.

Ссылаясь на опыт таких стран как Германия, Европейская экономическая комиссия ООН недвусмысленно заявила, что “международные климатические цели не будут достигнуты, если исключить ядерную энергетику из процесса декарбонизации”

Короче говоря, нехватка ядерного топлива, в условиях бурного роста технологий искусственного интеллекта и криптовалют, представляет собой потенциальную угрозу в области энергетической безопасности и декарбонизации энергетики  стран Запада.

В настоящее время три четверти урановой руды в мире добывается в Казахстане (45%), Намибии (12%), Канаде (10%) и Австралии(9%).

В природе уран в основном состоит из двух изотопов: Урана-235 (0,71%) и Урана-238 (99.28%). Только Уран-235 (U-235) может подвергаться ядерному делению — процессу расщепления атомов, который приводит в действие ядерные реакторы. 

Процесс увеличения относительной концентрации U-235 называется обогащением урана. Поскольку разные изотопы одного и того же элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, технологии обогащения урана используют небольшую разницу в массе между двумя изотопами, чтобы отделить их друг от друга. 
Исключением является лазерное обогащение, при котором используются незначительные различия в спектроскопических свойствах изотопов.

Существует три основных метода обогащения урана: газовое центрифугирование, газодиффузионный метод и лазерный метод. На сегодняшний день практически все действующие мощности по обогащению используют газовое центрифугирование. Газодиффузия больше не используется из-за высоких энергозатрат (примерно в 20-50 раз больше энергии на единицу обогащения, чем при газовом центрифугировании). Лазерное обогащение обладает большим потенциалом, но его еще предстоит освоить в промышленных масштабах, и в США активно ведутся работы в этой области.

США зависят от других стран в области обогащения ядерного топлива. Существующий мировой парк ядерных реакторов требует 50,205 миллиона единиц работы разделения (ЕРР) в год. Единица работы разделения (ЕРР, Separative work unit, SWU) — единица работы по разделению изотопов. Для определенного изменения изотопного состава определенной смеси требуется одинаковое количество ЕРР, независимо от технологии разделения изотопов.

Для 92-х атомных реакторов США требуется примерно 15 миллионов ЕРР в год. Ежегодные мощности США по обогащению урана составляют всего 5,4 миллиона ЕРР (на заводе Urenco в штате Нью-Мексико), что означает, что, как минимум, США зависят от зарубежных мощностей по обогащению примерно двух третей своего ядерного топлива. В 2021 году США импортировали почти 80% необходимого количества высокообогащенного Урана-235.

Ограниченные мощности США по обогащению урана создают две насущные проблемы:

1) США и весь мир зависят от России в обеспечении топливом современного парка атомных реакторов.

2) США и всему миру не хватает мощностей по обогащению урана, необходимых для скорейшего увеличения  производства ядерной энергии и достижения целей по декарбонизации к 2050 году.

Россия контролирует почти половину мировых мощностей по обогащению урана. 

Мощность России по обогащению урана - 27,7 млн ЕРР в год, что составляет 46% мировых мощностей по обогащению урана.  

Доминирование России в мировом секторе обогащения урана обусловлено главным образом двумя факторами:

1. Наследием  коммунистического прошлого России в виде  масштабной и эффективной государственной программы обогащения урана на основе газовых центрифуг, созданной Советским Союзом до его распада в 1991 году.

2. Решением Президента России Владимира Путина национализировать атомную промышленность, включая мощности по обогащению урана, и инвестировать десятки миллиардов долларов в её субсидирование.

Более того, Россия - единственная страна в мире, которая в настоящее время обладает возможностью промышленного производства низкообогащенного урана с высокой степенью очистки (HALEU), необходимого для большинства современных атомных реакторов 4-го поколения. Министерство энергетики США прогнозирует, что к 2030 году США потребуется 40 тонн низкообогащенного урана с высокой степенью очистки. Американская компания TerraPower объявила, что отложила строительство своего реактора на 2 года из-за того, что в мире, кроме России, просто не существует других источников  низкообогащенного урана с высокой степенью очистки.  

Критическая зависимость США от России в области обогащения урана признается в качестве неотложной проблемы Конгрессом США, МАГАТЭ и Министерством энергетики США.

На сегодняшний день миру требуется ежегодная мощность по обогащению в 37,4 миллион ЕРР для обеспечения топливом существующего парка ядерных  реакторов за пределами России и Китая. В настоящее время за пределами России и Китая существует всего 26,2 млн ЕРР обогатительных мощностей. Установка новых мощностей по обогащению на 11,2 млн ЕРР в год положит конец зависимости от России и Китая в области поставок ядерного топлива за пределы этих стран. Кроме того, это примерно то же самое увеличение мощностей по обогащению, которое необходимо США, чтобы прекратить зависимость от других стран в плане удовлетворения своих потребностей в ядерном топливе, и в США существуют готовые решения для быстрого увеличения мощностей по обогащению.

По оценкам Национальной лаборатории Айдахо, для полной декарбонизации экономики США к 2050 году потребуется, в совокупности, 5350 метрических тонн урана HALEU и 78000 метрических тонн урана LEU. Для этого потребуется в среднем около 32 миллионов ЕРР в год в период с 2023 по 2050 год. Согласно отчету Министерства энергетики США за 2023 год, для достижения целей по декарбонизации к 2050 году потребуется почти утроение производства ядерной энергии (примерно со 100 ГВт до 300 ГВт).  Такой уровень мощности потребует ~30 миллионов дополнительных ЕРР в год (в шесть раз больше нынешних мощностей в США) и ~40 миллионов ЕРР в год для достижения энергетической независимости.

Достижение глобальных целей по декарбонизации потребует значительного расширения мощностей по обогащению урана. Многие сценарии моделирования процесса декарбонизации, рассмотренные Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) и Международным энергетическим агентством (МЭА), основаны на значительном увеличении производства ядерной энергии в мире.

Учитывая, что США взяли на себя обязательство быть ведущим мировым партнером стран с низким и средним уровнем дохода в деле декарбонизации их экономики, избегая при этом риска распространения ядерного оружия, США потребуется увеличить мощности по обогащению урана в несколько раз по сравнению с мощностями, необходимыми для удовлетворения внутренних потребностей. Если США смогут обеспечить  мировые поставки обогащенного урана, другие страны с меньшей вероятностью будут испытывать потребность в строительстве собственных установок по обогащению урана.

Пример этой концепции уже существует в практике МАГАТЭ в виде  банка низкообогащенного урана (НОУ). Банк НОУ МАГАТЭ, расположенный в Казахстане, представляет собой физический запас в размере 90
метрических тонн гексафторида урана, пригодного для производства топлива для ядерных реакторов. Этот банк предназначен для использования отдельными странами с целью предотвращения создания ими собственных мощностей по обогащению ядерного топлива. В случае перебоев с поставками обогащенного урана на гражданскую коммерческую атомную электростанцию государство - член МАГАТЭ может получить доступ к хранящемуся в банке обогащенному урану, если оно не в состоянии приобрести НОУ на мировом рынке. Банк НОУ снижает риск распространения радиоактивных материалов, предоставляя странам, заинтересованным в мирной ядерной энергетике, гарантии поставок и больше возможностей для реализации их энергетических программ без необходимости развивать собственные мощности по обогащению урана. 

За счет резкого увеличения поставок обогащенного урана, не контролируемых одной страной (т.е.Россия), США могли бы создать новый банк обогащенного урана, управляемый из США, МАГАТЭ или другим многосторонним агентством, что снизило бы вероятность перебоев в глобальных поставках.

История создания атомной индустрии в СССР.

После окончания Второй мировой войны советский спецназ похитил группу немецких физиков и инженеров-механиков, которые разрабатывали методы разделения изотопов для нацистов. Находясь в специализированном лагере для военнопленных в Советском Союзе, немецкие ученые во главе с физиком Максом Стинбоком и инженером Гернотом Зиппе разработали успешную конструкцию газовой центрифуги для обогащения урана. В отличие от основного метода обогащения урана, применявшегося тогда в Западной Европе и Соединенных Штатах, — газодиффузионного, метод обогащения урана на основе центрифуг, был чрезвычайно энергоэффективным, поскольку для эквивалентного обогащения требовалось менее одной двадцатой энергии газовой диффузии.  Разработка Стинбока и Зиппе дала СССР ключевое преимущество перед США и Западной Европой в плане обогащения урана. СССР начал промышленную разработку газовой центрифуги для обогащения урана в 1951 году, на десятилетия раньше других стран. В СССР при массовом расширении мощностей по обогащению урана в 1960-х и 1970-х годах использовались газовые центрифуги, в то время как США и Франция в тот же период инвестировали в строительство крупных заводов, использующих гораздо менее эффективный газодиффузионный процесс.

Только после смерти советского лидера Иосифа Виссарионовича Сталина, Герноту Зиппе разрешили покинуть СССР. В 1957 году Зиппе начал сотрудничать с американскими учеными в разработке технологии газовых центрифуг, основываясь на своих воспоминаниях о советских разработках, но было уже слишком поздно. Первые центрифуги в Западной Европе и Соединенных Штатах были введены в эксплуатацию спустя десятилетия после того, как в 1962 году была введена в эксплуатацию первая промышленная установка в Советском Союзе. 
Накануне своего распада в 1991 году, СССР располагал мощностями по обогащению урана в 20 миллионов ЕРР, и все они располагались на предприятиях в России. Это было равно объему мощностей по обогащению, которыми располагали Соединенные Штаты в 1991 году — две установки по обогащению урана в Падьюке, штат Кентукки, и Пайктоне, штат Огайо, которые имели совокупную мощность в 19,6 миллиона ЕРР. Однако, в отличие от установок СССР, которые были основаны почти исключительно на технологии газовых центрифуг, американские установки были полностью основаны на значительно менее эффективной технологии газовой диффузии. После распада СССР, на базе Третьего главного технологического управления Министерства атомной энергетики и промышленности СССР в 1991 году был образован Государственный концерн «ТВЭЛ».

Огромное преимущество, которое Советский Союз имел перед Соединенными Штатами, означало, что американская промышленность по обогащению на основе газодиффузии не могла конкурировать с гораздо более эффективными обогатительными мощностями ТВЭЛа на основе газового центрифугирования, расположенными на территории, ставшей Российской Федерацией.

В 1992 году Министерство торговли США (DOC) инициировало антидемпинговое расследование в отношении поставок урана из России, утверждая, что он был продан по цене ниже его справедливой рыночной стоимости и нанес ущерб американской промышленности по обогащению урана. Министерство торговли и Министерство Атомной Энергетики России (Минатом) — ныне "Росатом" — подписали соглашение о приостановке расследования и ограничении объемов экспорта российского урана на рынок США специальными квотами. 

Первым предприятием обогащения урана в США, которое было полностью остановлено в 2001 году, стал Портсмутский газодиффузионный завод в Пайктоне, штат Огайо, (8,3 миллиона ЕРР в год). В 2013 году был закрыт навсегда  газодиффузионный завод в Падуке, штат Кентукки, (11,3 миллиона ЕРР в год). Соединенные Штаты так и не восстановили  остановленные газодиффузионные мощности объемом 19,6 млн ЕРР.  

                                     Мощности по обогащению урана в России и США с 1960 года:

И хотя соглашение о поставках обогащенного урана из России оказало определенное влияние на предотвращение полной зависимости США от российского урана и услуг по обогащению, это соглашение, было скорее вопросом торговой политики, чем политики национальной безопасности, недостаточное для прекращения зависимости США от России в области ядерного топлива. Оно и сегодня по-прежнему предусматривает крупномасштабный импорт в США до 2040 года обогащенного в России урана . Это соглашение, несмотря на свою силу, не способно поддержать нынешнюю политику США, направленную на полное прекращение зависимости от всех российских источников энергии.

Министерством энергетики США и Конгрессом США предприняты первые шаги к прекращению зависимости от поставок обогащённого урана из России, в частности в рамках Закона о сокращении инфляции 2022-го года в виде регулярных, ежегодных ассигнований в последние годы. Однако эти усилия были сосредоточены
конкретно на увеличении мощностей по обогащению для производства HALEU - обогащенного урана той марки, которая требуется для многих реакторов следующего поколения, но в настоящее время не используется в парке действующих реакторов Соединенных Штатов. В рамках Закона о снижении инфляции Министерство энергетики США выделило 700 миллионов долларов до 2026 года на начало опытного производства  HALEU с целью производства 25 метрических тонн в год в ближайшей перспективе. Однако первоначальные ассигнования в размере 150 миллионов долларов позволят производить только 900 кг в год, когда завод выйдет на полную мощность в 2024 году. В Министерстве Энергетики США  пока не пояснили  каким образом остальные 550 миллионов долларов позволят нарастить производство в 25 раз, однако отметили , что это будет зависеть от ежегодных ассигнований. На сегодняшний день этот политический ответ не соответствует масштабам критической, неотложной проблемы зависимости США от российских услуг по обогащению урана. Производство 900 кг HALEU в год к 2024 году предполагает увеличение мощностей по обогащению примерно на 5600 ЕРР в год, что составляет лишь одну десятую процента от 4,2 млн ЕРР импортируемых из России в США в год.

Хотя удовлетворение потребностей современных реакторов в HALEU-топливе имеет важное значение, проблема поставок низкообогащённого урана гораздо серьезнее, учитывая, что НОУ необходим как для заправки существующих реакторов, так и для производства HALEU (при этом для производства 1 кг HALEU
требуется чуть более 4 кг НОУ). 

Готовые решения для расширения возможностей США по обогащению урана

Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) уже лицензировала два объекта на 13,8 млн ЕРР. Это на 8,5 млн ЕРР больше, чем существующие мощности по обогащению в США.  Если эти установки будут выведены на полную мощность, они полностью прекратят зависимость Соединенных Штатов от российских услуг по обогащению ядерного топлива и снизят глобальную зависимость в мире от России по обогащению более чем на 75%. 

Национальная обогатительная фабрика Urenco в Юнисе, штат Нью-Мексико, уже имеет лицензию NRC на производство до 10 миллионов ЕРР, что на 4,6 миллиона ЕРР превышает ее текущую производственную мощность. Кроме того, ещё в 2007 году NRC выдала центрифужному заводу в Огайо комбинированную лицензию на строительство и эксплуатацию для обогатительных мощностей мощностью до 3,8 млн ЕРР. Хотя его строительство было прекращено в 2009 году, лицензия NRC все еще действительна. Если будет оказана надлежащая поддержка, этот центр может быть введен в эксплуатацию с минимальными нормативными барьерами. По данным NRC, в процессе расширения этих объектов будут созданы тысячи рабочих мест. 

Получение лицензии это дорогостоящий и длительный процесс для любого коммерческого проекта атомной энергетики. Лицензии NRC для предприятий Eunice и Piketon являются результатом многолетней работы обеих компаний и регулирующих органов, в ходе которой был проведен подробный анализ мер предосторожности на каждом предприятии для обеспечения безопасности работников, общественного здоровья и окружающей среды.  В настоящее время планируемая мобилизация завода Пикетон ограничена
демонстрационной программой HALEU, в рамках которой будет задействовано всего 16 центрифуг и менее 6000 ЕРР для производства 900 кг HALEU к концу 2024 года.

The American Centrifuge Plant in Piketon, Ohio