Uranium là một nguyên tố quan trọng để làm nhiên liệu hạt nhân. Nhưng trong tự nhiên uranium chỉ chứa 0,71% U-235, loại đồng vị có khả năng duy trì phản ứng hạt nhân. Vì vậy để dùng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng thì lượng U-235 cần phải được “làm giàu” lên tối da 20%, gọi là uranium làm giàu mức độ thấp (Low Enriched Uranium, hay LEU).
Hầu hết các lò phản ứng hiện nay đều sử dụng loại LEU tiêu chuẩn, có lượng U-235 dưới 5%. Mặt khác, uranium có độ tinh khiết cao (HALEU) sẽ được làm giàu để chứa lượng U-235 từ 5-19,75%, đây là loại nhiên liệu chính của các lò phản ứng cỡ nhỏ dạng mô-đun (SMR). Nhờ mức độ "làm giàu" cao hơn, những lò này sẽ đạt hiệu suất cao mà lại nhỏ hơn các lò hiện tại.
Hiện nay ở Mỹ có 94 lò phản ứng thuộc thế hệ thứ 2 và 3, còn các lò SMR được coi là thế hệ thứ 4. Dù chưa có lò nào dùng HALEU làm nhiên liệu, nhưng nhiều công ty Mỹ đã bắt đầu phát triển các lò SMR nguyên mẫu. Trong tương lai, dự kiến chúng sẽ được phân bố khắp nước Mỹ và mỗi lò SMR sẽ sản xuất đủ năng lượng để cấp điện cho 650 ngôi nhà.
Có điều là nguồn cung uranium của Mỹ lại phụ thuộc vào Nga. Cuối thập niên 1990, Mỹ đã hạn chế nhập khẩu uranium làm giàu từ Nga và nó sẽ thành lệnh cấm bắt đầu từ năm 2028. Nếu không có đủ nguồn cung thì Mỹ khó mà hiện thực hóa tầm nhìn về mạng lưới năng lượng sạch gồm các lò SMR, nên họ buộc phải tìm ra cách tự sản xuất nó.
Hầu hết các lò phản ứng hiện nay đều sử dụng loại LEU tiêu chuẩn, có lượng U-235 dưới 5%. Mặt khác, uranium có độ tinh khiết cao (HALEU) sẽ được làm giàu để chứa lượng U-235 từ 5-19,75%, đây là loại nhiên liệu chính của các lò phản ứng cỡ nhỏ dạng mô-đun (SMR). Nhờ mức độ "làm giàu" cao hơn, những lò này sẽ đạt hiệu suất cao mà lại nhỏ hơn các lò hiện tại.
Hiện nay ở Mỹ có 94 lò phản ứng thuộc thế hệ thứ 2 và 3, còn các lò SMR được coi là thế hệ thứ 4. Dù chưa có lò nào dùng HALEU làm nhiên liệu, nhưng nhiều công ty Mỹ đã bắt đầu phát triển các lò SMR nguyên mẫu. Trong tương lai, dự kiến chúng sẽ được phân bố khắp nước Mỹ và mỗi lò SMR sẽ sản xuất đủ năng lượng để cấp điện cho 650 ngôi nhà.
Có điều là nguồn cung uranium của Mỹ lại phụ thuộc vào Nga. Cuối thập niên 1990, Mỹ đã hạn chế nhập khẩu uranium làm giàu từ Nga và nó sẽ thành lệnh cấm bắt đầu từ năm 2028. Nếu không có đủ nguồn cung thì Mỹ khó mà hiện thực hóa tầm nhìn về mạng lưới năng lượng sạch gồm các lò SMR, nên họ buộc phải tìm ra cách tự sản xuất nó.
Quốc hội Mỹ đã đưa ra phương án tạm thời là chiết xuất uranium từ các đầu đạn hạt nhân đã ngừng hoạt động và uranium phế liệu từ các dự án hạt nhân cũ để làm nhiên liệu cho các lò SMR. Do có dính đến vũ khí nguy hiểm, việc này chỉ được thực hiện bởi Bộ Năng lượng Mỹ (DoE) và Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia (NNSA).
Họ lấy uranium làm giàu cao (nồng độ U-235 trên 20%) từ các đầu đạn trộn với uranium làm giàu thấp (LEU) để đưa nồng độ làm giàu về mức từ 5-19,75%, tức là HALEU. Với cách này, NNSA có thể tạo ra 1,5 tấn HALEU từ đầu đạn và 6 tấn nếu tính cả uranium phế liệu.
Ý tưởng về lò SMR của Westinghouse.
Vấn đề là những con số này không phải là sản lượng hàng năm mà là tất cả những gì họ có. Nên khi phế liệu và đầu đạn cũ hết sạch, thì không sản xuất thêm được. Do đó để tạo ra HALEU trên quy mô lớn và bền vững, DoE đang nghiên cứu 2 cách tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng từ các lò phản ứng hiện có, thay vì đầu đạn.
Cách thứ nhất là xử lý điện hóa. Đầu tiên, nhiên liệu đã qua sử dụng được đặt trong bồn muối nóng chảy ở nhiệt độ cao, sau đó một dòng điện được đưa vào bồn để tách uranium khỏi các tạp chất. Phần uranium đã tinh chế được trộn với urani làm giàu thấp (LEU) để đạt mức làm giàu của HALEU (5-19,75%). DoE cho hay có thể tạo ra 10 tấn HALEU bằng cách này.
Còn cách thứ hai vẫn đang được nghiên cứu. Trước tiên các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng được tiếp xúc với axit clohydric ở thể khí để nó hòa tan lớp vỏ nhôm/Zirconium bọc ngoài các thanh này. Sau khi loại bỏ lớp vỏ, uranium được lọc bỏ tạp chất để thu được dạng tinh khiết. Cuối cùng người ta trộn nó với uranium làm giàu thấp (LEU) và có được HALEU.
Nhà máy sản xuất HALEU do DoE xúc tiến tại bang Ohio đang sản xuất 100 kg HALEU mỗi năm, dự kiến tăng lên 900 kg trong các năm tới.
Quảng cáo
DoE đang tài trợ cho 4 công ty Terrapower, Westinghouse, Radiant và X-energy để xây dựng năng lực sản xuất HALEU trên quy mô lớn. Họ ước tính từ năm 2035 thì nhu cầu HALEU sẽ lên tới 50 tấn/năm. Quá trình này tuy lâu dài nhưng sẽ giúp Mỹ có một chuỗi cung ứng mà không còn phụ thuộc nguồn cung bên ngoài.
Theo Popular Mechanics, CNBC.
