Centrus y Oklo se propusieron solidificar el ciclo del combustible HALEU y comercializar energía y combustible nucleares avanzados

Centrus, una empresa preparada para demostrar la producción de uranio poco enriquecido y de alto ensayo (HALEU), se asociará con el desarrollador de tecnología de microrreactores Oklo en varios pasos pioneros para desarrollar la cadena de suministro inicial de HALEU, incluidas capacidades fundamentales de desconversión comercial. La histórica colaboración también podría convertir a Centrus en uno de los primeros compradores de energía comercial de Oklo para dos reactores planificados en el sur de Ohio y proporcionar a Centrus un cliente comprometido con HALEU.

En particular, Centrus está preparado para comenzar la producción de HALEU, la primera de su tipo, en su cascada de plantas centrífugas estadounidenses ubicadas en la reserva de la planta de difusión gaseosa de Portsmouth (PORTS) del Departamento de Energía en Piketon, Ohio, para fines de 2023. Oklo anunció en mayo construiría su segundo y tercer reactor comercial Aurora Powerhouse de 15 MWe en una parcela de tierra cercana a PORTS que el DOE transfirió en 2018 a la organización comunitaria de reutilización Southern Ohio Diversification Initiative (SODI). En virtud de un memorando de entendimiento (MOU) anunciado el 28 de agosto, las dos compañías dijeron que impulsarían una colaboración cultivada por primera vez en una carta de intención de noviembre de 2021 para hacer del sur de Ohio un “centro crítico para el futuro de la industria nuclear estadounidense”.

En virtud del memorando de entendimiento, Centrus tiene intención de celebrar uno o más acuerdos definitivos para comprar energía de las centrales eléctricas Aurora de Oklo previstas en Piketon. Si bien los detalles no son públicos, Oklo sugirió que la venta podría implicar un acuerdo de compra de energía a largo plazo. Fundamentalmente, podría significar que “Oklo impulsaría el enriquecimiento para su producción de combustible para futuras plantas”, dijo la compañía a POWER. Mientras tanto, Centrus tiene la intención de vender HALEU desde su planta de producción de Piketon a Oklo. Oklo dijo que un acuerdo podría implicar cantidades "específicas" y "considerables". "La planta de producción de HALEU está diseñada para ampliarse y soportar cientos de reactores", señaló.

Las dos compañías también dijeron el lunes que colaborarían para "fabricar componentes" para la central eléctrica Aurora de Oklo en las instalaciones de fabricación avanzada de Centrus en Oak Ridge, Tennessee, así como la capacidad de fabricación en la planta estadounidense de centrífugas en Piketon, Ohio. "Centrus tiene una amplia gama de capacidades y estamos explorando una variedad de componentes que podrían adaptarse bien a las capacidades de Centrus", señaló Oklo.

Actualmente, Centrus se está preparando para producir su primer lote de hexafluoruro de uranio HALEU (UF6, enriquecido al 19,75%) en virtud de un acuerdo de varias fases con el DOE adjudicado en noviembre de 2022. La fase 1 del contrato exige la finalización de la cascada de la planta centrífuga estadounidense de Centrus y el inicio. de operaciones para producir 20 kg iniciales de HALEU UF6 (19,75% enriquecido) antes del 31 de diciembre de 2023. En la Fase 2, Centrus planea continuar la producción durante un año completo a una tasa de producción anual de 900 kg de HALEU. En febrero de 2023, la compañía completó la construcción y las pruebas iniciales de su avanzada cascada centrífuga de enriquecimiento de uranio, así como la mayoría de sus sistemas de soporte asociados, y en junio de 2023, obtuvo la luz verde de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) para introducir UF6 en la cascada.

El DOE será propietario del HALEU producido a partir de la cascada de demostración, pero el contrato de operación también le otorga opciones de pagar hasta nueve años adicionales más allá del contrato base (aunque esas opciones estarán sujetas a la disponibilidad de asignaciones del Congreso). Sin embargo, Centrus también está explorando por separado la posibilidad de ampliar las instalaciones de Piketon para ampliar la producción de HALEU. La compañía ha dicho que, siempre que pueda conseguir suficiente financiación o contratos de compra, una cascada HALEU a gran escala, que consta de 120 máquinas centrífugas individuales con una capacidad combinada de aproximadamente 6.000 kg de HALEU por año (6 MTU/año), podría estará disponible en línea en aproximadamente 42 meses. "Centrus tiene la capacidad de agregar una cascada adicional cada seis meses después de eso", dijo.

Como parte del MOU, Centrus y Oklo también anunciaron el lunes que colaborarían "para establecer y licenciar las capacidades necesarias para desconvertir HALEU de hexafluoruro de uranio a uranio metálico y fabricar conjuntos de combustible para las centrales eléctricas Aurora de Oklo".

Si se logra, ese esfuerzo marcaría un paso significativo en el desarrollo de una cadena de suministro inicial de HALEU. Si bien Rusia es el único proveedor comercial de HALEU en el mundo, recientes preocupaciones geopolíticas han planteado cuellos de botella críticos en el suministro del material combustible que será necesario para muchos diseños de reactores avanzados. Según el DOE, la producción nacional de HALEU depende actualmente de la “mezcla descendente”, que implica mezclar uranio altamente enriquecido (UME) existente o recuperado con uranio de menor enriquecimiento. Sin embargo, hay existencias limitadas de UME disponibles para su reducción más allá de las obligadas ante la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA).

El enriquecimiento de uranio, otra opción, implica “enriquecer” el isótopo U-235 en un proceso de varios pasos. El uranio extraído se compone aproximadamente de un 99,3% de U-238 y un 0,7% de U-235, que es fisionable cuando se enriquece más del 3% (así como menos del 0,01% de U-234). En una planta de conversión, el óxido de uranio se convierte del polvo en UF6, un gas cuyo elemento flúor no contribuye a la diferencia de peso al separar el U-235 del U-238. Durante el enriquecimiento, el gas UF6 se separa en dos corrientes, una con más U-235 que antes y la otra con menos. Centrus y Urenco utilizan tecnología de centrífuga de gas, que utiliza muchos cilindros giratorios conectados en largas líneas para crear una fuerte fuerza centrífuga. Las centrífugas mueven el U-238 más pesado hacia las paredes del cilindro, mientras que el U-235 más ligero se acumula cerca del centro. Mientras que el combustible típico de un reactor de agua ligera (LWR) requiere un enriquecimiento de U-235 entre 3% y 5%, el enriquecimiento HALEU necesita rangos de entre 5% y 19,75%.

Pero después del enriquecimiento, el UF6 debe "desconvertirse" a una forma de uranio (que incluya óxidos, metales y aleaciones, y nitruros y carburos) adecuada para la fabricación de combustible (para obtener más información, consulte el recuadro "¿Qué es la desconversión HALEU?"). En el ciclo del combustible convencional, este paso se realiza tradicionalmente en instalaciones de fabricación de combustible. Sin embargo, una cadena de suministro HALEU requerirá acomodar diferentes formas de combustible para reactores avanzados. También presenta importantes dificultades (con implicaciones económicas y de seguridad) asociadas con el transporte de HALEU en forma de UF6. En particular, la desconversión de HALEU enriquecido al 10% o más también debe realizarse en una instalación de seguridad física de Categoría II. Esos factores están influyendo en un debate de la industria sobre si sería más factible o no ubicar las capacidades de desconversión de HALEU en el punto de enriquecimiento.

Mientras tanto, el DOE también está explorando opciones factibles. El 4 de junio, lanzó un borrador de solicitud de propuestas para respaldar su objetivo de adquirir servicios de desconversión nacionales como parte de un esfuerzo más amplio para estimular una oferta y demanda comercial nacional diversa de HALEU. "El DOE ha determinado que la capacidad nacional para enriquecer uranio como UF6 hasta <20% en peso del isótopo U-235 y posteriormente desconvertirlo es necesaria como parte de la demanda temporal de HALEU que pretende establecer", señaló la agencia.

Si bien la desconversión de HALEU UF6 no es nueva (tradicionalmente se ha realizado en laboratorios nacionales como INL para fabricar combustible metálico para reactores de investigación de alto rendimiento), establecer la desconversión comercial de HALEU requerirá una licencia relevante. Según la Dra. Charlyne Smith, experta en combustible nuclear del Breakthrough Institute, las regulaciones aplicables incluyen 10 CFR 40 (Licencia nacional de material fuente), 10 CFR 70 (Licencia nacional de materiales nucleares especiales) y 10 CFR Parte 71 (Embalaje y Transporte de Material Radiactivo).

“Creo que algunos de los principales desafíos regulatorios incluyen [primero] la demostración de salvaguardias adecuadas de no proliferación nuclear, [y segundo,] demostrar la seguridad y el impacto ambiental de una instalación de desconversión comercial para garantizar protocolos que minimicen los riesgos potenciales asociados con reacciones químicas, criticidad y y exposición a la radiación, así como protocolos para prevenir la contaminación y un manejo efectivo de los residuos”, dijo. "Otro desafío más obvio es financiar un mecanismo intensivo de capital con capacidades de desconversión".

La desconversión de uranio poco enriquecido y de alto ensayo (HALEU) implica transformar el gas hexafluoruro de uranio (UF6) en uranio metálico u otros compuestos de uranio para la fabricación de combustible. Pero como “los combustibles metálicos no pueden formarse directamente a partir del UF6, el proceso implica una serie de reacciones químicas para convertir el gas UF6 en forma sólida”, explicó la Dra. Charlyne Smith, analista senior de políticas de energía nuclear del Breakthrough Institute.

“Generalmente, el primer paso es la hidrólisis, lo que significa agregar vapor de agua al gas UF6 para formar fluoruro de uranilo (sólido) y fluoruro de hidrógeno (UF6 + 2H2O —> UO2F2 + 4HF). El fluoruro de uranilo es lo que será útil a partir de ahora”, dijo. “El siguiente paso es eliminar los átomos de fluoruro utilizando hidrógeno como agente reductor para producir dióxido de uranio en forma de energía sólida (UO2F2 + H2 —> UO2 + 2HF). La energía del dióxido de uranio es el ingrediente clave para preparar combustible metálico, ya sea que esté fabricando uranio-circonio (U-Zr), uranio-molibdeno (U-Mo), siliciuro de uranio (U3Si2) o cualquier otro combustible metálico”.

La producción de combustibles metálicos a base de HALEU U-Zr requeriría mezclar y distribuir uniformemente el polvo de UO2 y el polvo de hidruro de circonio (ZH2) en porciones precisas, dijo Smith. “Esto facilita la compactación de los polvos a una forma específica, ya sea una pastilla de combustible o una placa (según el diseño del reactor). Una vez que se ha compactado en una forma específica, se sinteriza, lo que significa que el pellet o placa se calienta a temperaturas muy altas en un ambiente controlado para fusionar las partículas y aumentar la densidad del combustible”. Los últimos pasos implican recubrir y sellar el combustible con un material protector que evitará el contacto entre el combustible y el refrigerante del reactor. "Queremos que ese revestimiento sea resistente a la corrosión", dijo Smith. "Por supuesto, el combustible pasará por un control de calidad antes del montaje".

Para Oklo, con sede en Santa Clara, California, la colaboración con Centrus proporciona una dirección clara para desarrollar de manera factible un camino hacia la operación comercial para su Aurora Powerhouse y comenzar a posicionarla para satisfacer la creciente demanda nuclear. Aurora Powerhouse es un reactor pasivo compacto de espectro rápido orientado verticalmente derivado del Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) que utiliza metal líquido como refrigerante. Si bien hasta ahora la compañía ha comercializado una versión de microrreactor de 1,5 MWe del Aurora, ahora ha ampliado su oferta de capacidad de 15 MWe a 100 MWe. El reactor rápido compacto utiliza un combustible de uranio-circonio metálico HALEU enriquecido aproximadamente al 19%.

Desde el lanzamiento de su diseño Aurora en diciembre de 2019, Oklo ha marcado una rápida sucesión de hitos tanto en tecnología como en desarrollo de combustible, ganando efectivamente una reputación de pionero en el floreciente ámbito nuclear avanzado. En 2019, la compañía obtuvo un permiso de uso del sitio del DOE y, en febrero de 2020, firmó un acuerdo con el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) para demostrar HALEU mezclado en un reactor Aurora a escala comercial. Actualmente, Oklo está buscando poner ese proyecto en línea dentro de un plazo de 2026 o 2027. Mientras tanto, dice que está fomentando una “sólida cartera de compromisos con clientes potenciales en una serie de industrias y ha firmado indicaciones de interés no vinculantes que cree que podrían resultar en ventas de más de 700 MWe”.

Al mismo tiempo, Oklo ha dado pasos pioneros en materia de licencias. En marzo de 2020, presentó la primera solicitud de licencia combinada (COLA) a la NRC para un reactor avanzado de agua no ligera (LWR) para el proyecto INL. Si bien el personal de la NRC negó en enero la solicitud “sin prejuicios”, Oklo en septiembre de 2022 relanzó formalmente el esfuerzo de concesión de licencia. Al mismo tiempo, la compañía ha iniciado actividades regulatorias para una instalación de reciclaje de combustible nuclear, la primera de su tipo, que podría producir material comercial a partir de combustible LWR usado a principios de la década de 2030. El reciclaje de combustible, una “vía complementaria” a su negocio de producción de energía, podría desbloquear una oportunidad de mercado que se estima representa cientos de miles de millones de dólares con suficiente contenido de energía en el combustible usado hoy en día para producir la energía que se necesita en los EE. UU. durante más de 100 años, de manera segura. y con emisiones de carbono casi nulas”, dice.

El ímpetu de Oklo es la perspectiva de vender energía "directamente a los clientes, ofreciendo la flexibilidad de comprar energía limpia y confiable y ofreciendo condiciones financieras más favorables a un mercado estimado en 3 billones de dólares". El modelo de negocios, dice, se ve reforzado por un enfoque en reactores pequeños, “que tienen un costo de proyecto esperado altamente competitivo de menos de 60 millones de dólares para la planta de 15 MWe, en comparación con grandes proyectos multimillonarios a escala de servicios públicos perseguidos por los competidores. " En un hito notable reciente, Oklo celebró el 11 de julio una combinación de negocios definitiva con la empresa de adquisiciones con fines especiales AltC Acquisition Corp., posicionando a la empresa para la cotización pública en la Bolsa de Valores de Nueva York. Se espera que la transacción proporcione a la startup 516 millones de dólares en efectivo en su balance para respaldar su “estrategia de comercialización”, incluido su primer proyecto en INL y una instalación de reciclaje de combustible a escala comercial. "En el mediano y largo plazo, se espera que la transacción tenga un impacto positivo en los resultados operativos de Oklo, proporcionando financiamiento para la comercialización de sus plantas de energía, una mayor integración tecnológica y el desarrollo de economías de escala", dijo Oklo.

La asociación "histórica" ​​con Centrus marca una nueva oportunidad que abarca "la producción de combustible, la fabricación y el consumo de energía, lo que ejemplifica el interés inicial del mercado en nuestras plantas de energía escalables y nuestro modelo de negocio diferenciado, que implica la venta de energía, no de plantas de energía", señaló. Dr. Jacob DeWitte, cofundador y director ejecutivo de Oklo. "Se espera que esta importante colaboración facilite varios elementos de nuestra estrategia para satisfacer la creciente demanda de nuestras potencias que surge de nuestra cartera de compromisos con clientes en diversas industrias", dijo.

—sonal pateles editor asociado senior de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

Corrección (30 de agosto): una versión anterior de este artículo sugirió erróneamente que el diseño de Aurora Powerhouse utiliza tubos de calor. Si bien eso era cierto para su oferta original, el diseño mejorado de Oklo (15 MW y más) es parte de la familia de productos de reactores rápidos de metal líquido Aurora. El diseño ahora utiliza diferentes mecanismos de transporte de calor (flujo de sodio versus metal líquido en tubos de calor) para permitir que se transporte significativamente más calor desde el combustible.

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