Uran i pluton

Uran (metal, o niskiej radioaktywności) jest pierwiastkiem stosunkowo rozpowszechnionym na Ziemi, mniej więcej tak jak cyna lub cynk, a ok. 40-krotnie bardziej jak srebro, będąc składnikiem większości skał, a nawet wody morskiej.

Naturalny pierwiastek jest mieszaniną 3 izotopów: ²³⁴₉₂U (0,0058%), ²³⁵₉₂U (0,714%) i ²³⁸₉₂U (99,28%). Rudy uranowe bogate (high-grade) zawierają ok. 2% uranu, zaś ubogie (low-grade) ok. 0,1%.

Uran w przyrodzie występuje w ok. 150 minerałach, z których wartość przemysłową ma zaledwie kilkanaście (zlepieńce, piaskowce, żyły i żyłopodobne – Rys. 2.4). Często są to rudy polimetaliczne, w których uran jest produktem ubocznym.

Znane obecnie światowe geologiczne zasoby uranu, wg. wydanego w 2010 r. raportu NEA OECD i MAEA (IAEA) o światowych zasobach, produkcji i zapotrzebowaniu uranu³ (raporty te wydawane są periodycznie i znane są one pod nazwą „Red Book”), na dzień 01.01.2009 r.

oszacowano na łącznie ok. 16,7 mln t. Są to zasoby zarówno dobrze rozpoznane i udokumentowane: w cenie pozyskania do 260 $/kgU - ponad 6,3 mln t (w tym ponad 5,4 mln t w cenie do 130 $/kgU), jak też rozpoznane wstępnie (ok. 10,4 mln t). Należy oczekiwać, że zasoby te znacznie zwiększą się w miarę intensyfikacji prac poszukiwawczych (np. w ciągu 2 lat od 01.01.2007 r. zwiększyły się o 15%).

Ponieważ uran jest pierwiastkiem dość rozpowszechnionym w przyrodzie (47 miejsce wśród innych pierwiastków) – zatem znajduje się także w skupieniach o znacznie mniejszej jego zawartości, nazywanych rudami ubogimi. Rozpowszechniony jest także jako pierwiastek towarzyszący innym, pozyskiwanym drogą przemysłową metalom (np. miedzi). Ponadto, źródłem uranu mogą być fosforyty kopalne, a nawet – woda morska.

Technologie pozyskiwania uranu z źródeł naturalnych oraz jego wzbogacania dla potrzeb energetyki jądrowej będą ukierunkowane coraz bardziej na uboższe źródła tego surowca – w miarę wyczerpywania się źródeł o łatwiejszym i tańszym procesie wydobywczym. Należy nadmienić, że technologie pozyskiwania uranu np. z fosforytów podczas produkcji kwasu fosforowego zostały już w latach 70-tych XX wieku przetestowane w skali przemysłowej.

3 OECD NEA & IAEA: Uranium 2009: Resources, Production and Demand ("Red Book").

Podział światowych zasobów uranu (2009)

Rys. 2.1. Podział zasobów uranu na świecie [Oprac. wł. na podst. NEA OECD & IAEA „Red Book” 2009].

Jak widać z Rys. 2.1 i 2.2, zasoby uranu są na świecie dość równomiernie rozłożone oraz znajdują się w politycznie stabilnych regionach i krajach, w większości demokratycznych.

Pomimo tego, że 61% zasobów uranu skupionych jest w 4 krajach (Australia, Kazachstan, Kanada i Rosja), to jednak jeszcze wiele innych krajów świata dysponuje bardzo znaczącymi zasobami: 3-5% (RPA, Namibia, Brazylia, Niger, USA, Chiny). Nie ma tu monopolistów w skali światowej ani też karteli (takich jako OPEC) dyktujących ceny.

Światowy rynek uranu jest wolny i konkurencyjny (podobnie jak rynek usług związanych z jądrowym cyklem paliwowym). Natomiast większość światowych zasobów ropy naftowej i gazu ziemny skupiona jest w bardzo niestabilnym politycznie regionie Bliskiego Wschodu, lub jest w posiadaniu krajów stosujących szantaż energetyczny dla realizacji swoich celów politycznych jak Rosja (posiadająca największe we świecie zasoby gazu ziemnego), Iran (drugie największe zasoby gazu) czy Wenezuela.

Uran naturalny pozyskiwany z rud przetwarzany jest do postaci koncentratu uranowego tzw. „żółtego ciasta” (yellow cake) o zwartości  75% ośmiotlenku trójuranu (U3O8), będącego produktem handlowym.

Geografia rozmieszczenia rud uranu, których eksploatacja jest w obecnych warunkach najbardziej ekonomiczna – nie do końca pokrywa się z geografią najważniejszych jego producentów. Największymi producentami uranu z kopalń na świecie są: Kanada, Australia, Kazachstan, Niger, Rosja, Namibia, Uzbekistan i USA. Przy czym, 85,5%

uranu naturalnego produkowanego na świecie pochodzi z kopalń eksploatowanych przez 8 najważniejszych producentów: Cameco – Kanada, Rio Tinto i BHP Billiton – Australia, AREVA – Francja, KazAtomProm i Uranium One – Kazachstan, TVEL – Rosja i Navoi – Uzbekistan. Duże inwestycje w przemysł uranowy planuje Australia, która w niedługim czasie może stać się czołowym światowym producentem uranu, prześcigając Kanadę.

Rys. 2.2. Podział światowych zasobów uranu z uwzględnieniem kosztów ich pozyskania [World Nuclear Association: Supply of Uranium (updated August 2010)].

Uran występuje również i w Polsce (podobnie jak w innych krajach Europy Środkowowschodniej). Polskie zasoby rudy uranowej, zakwalifikowanej do kategorii rud ubogich, mają zawartość uranu 250 ÷ 1100 ppm, przy czym szacuje się zasoby zidentyfikowane na ponad 7 tys. ton, zaś zasoby prognozowane – na 100 tys. ton, co w odniesieniu do zastosowania uranu, jako paliwa energetycznego oznacza odpowiednio ponad 45 i ponad 625 lat pracy reaktorów lekkowodnych LWR o mocy 1000MWe (w cyklu otwartym).

Zestawienie wielkości zasobów rudy uranowej już rozpoznanych w Polsce^{4 5} zawiera w Tabela 2.1.

4 Piestrzyfiski, A., Uranium and thorium in the Kupferschiefer formation, Lower Zechstein, Poland. Mineralium Deposita 25(1990)2, pp. 146-151.

5 Oszczepalski, S., Blundell, D., 2005, Kupferschiefer Copper Deposits of SW Poland. in: J. Ore Geology Reviews (2005) p. 271.

Tab. 2.1. Zasoby rudy uranowej w Polsce (zasoby prognozowane są na głębokości większej niż

Okrzeszyn (niecka Wałbrzyska Sudety) 940 500-1100

Grzmiąca w Głuszycy Dolnej (Sudety) 790 500

Wambierzyce (Sudety) 220 236 2000 Okrzeszyn) mają szczególną zaletę. Są to złoża pokładowe, o w miarę jednolitym charakterze, co umożliwia ich w miarę regularną eksploatację przez dziesiątki lat.⁶

Opisane powyżej zasoby uranu są to tzw. „zasoby konwencjonalne” (geologiczne). Bilans ten nie uwzględnia źródeł „niekonwencjonalnych” jak: fosforyty (22 mln t – jako produkt uboczny), woda morska (4 mld t), czy popiół węglowy (pierwsze zachęcające wyniki uzyskano w Chinach), których eksploatacja może okazać się ekonomiczna w przyszłości w miarę wzrostu cen uranu. Prawdopodobnie może stać się też opłacalna eksploatacja ubogich rud w Maroku.

Ponadto uran można uzyskiwać jako produkt uboczny przy wydobyciu innych minerałów.

Największa na świecie kopalnia uranu to Olympic Dam w Australii, gdzie uran jest domieszką do złóż miedzi o zawartości 0,02% w rudzie, to jest 200 ppm⁷. W Polsce także możliwy jest odzysk uranu występującego jako domieszka do pokładów miedzi w rejonie Lubin-Sieroszowice. Zawartość uranu w rudzie wynosi tam ~ 60 ppm, przy zawartości miedzi 2%.

Całkowite zasoby rudy to 2400 mln ton, miedzi 48 mln ton, a uranu 144 000 ton. Stanowi to ekwiwalent ~ 900 GWe-lat, które można uzyskać z tych zasobów w elektrowniach jądrowych, przy wkładzie energii mniejszym niż 5% energii uzyskiwanej w tych elektrowniach.

Dodatkową zaletą byłaby redukcja radioaktywności w odpadach z oczyszczania miedzi.

Obecna roczna produkcja w zagłębiu Lubin Sieroszowice wynosi ~ 569 000 ton Cu, a ilość uranu zrzucana na hałdy to ~ 1 700 t/a. Stanowi to rocznie ekwiwalent paliwa dla 10 elektrowni jądrowych, o łącznej mocy 10 000 MW_e.⁸

Ponieważ obecnie koszty paliwa uranowego, opartego na źródłach australijskich, kanadyjskich czy namibijskich są zdecydowanie niższe, niż gdyby próbować je oprzeć o zasoby krajowe - energetyka jądrowa w Polsce przewiduje oparcie się na paliwie importowanym. Przeważa rachunek ekonomiczny. Tym niemniej – rozważa się przyszłościowe wykorzystanie istniejących w Polsce rud ubogich oraz odpadów poprodukcyjnych z przemysłu miedziowego. Dodatkowym zaś aspektem jest polityczno-strategiczny wydźwięk sytuacji, związany z niezależnością sektora energetycznego.

6 http://www.redbor.pl/artykuly/uran.htm.

7 BHP Billiton outlines Olympic Dam grand plans WNN, 06 November 2008.

Łączne zasoby uranu na świecie są bardzo duże. Na Rys. 2.3 pokazano rozkład ilości uranu zawartego w rudzie (i innych materiałach) dla różnych zawartości U3O8. Widać, że przy przejściu do rudy o 10-krotnie niższej zawartości uranu, łączna ilość uranu w pokładach takiej rudy rośnie około 50-100 razy. Np. łączna ilość uranu w rudzie ubogiej o zawartości od 0,01 do 0,02% U3O8 (czyli 100-200 ppm) jest 20 razy większa niż w rudzie o zawartości uranu od 0,02% do 0,1% (200-1000 ppm) U₃O₈. Nie ma więc obawy, że uranu w ogóle nam zabraknie, powstaje natomiast pytanie, przy jakiej zawartości jeszcze opłaci się go pozyskiwać.⁹

Rys. 2.3. Zasoby uranu przy różnych zawartościach uranu w rudzie (na rysunku podano dolne progi przedziałów, a więc dla przedziału 100-200 ppm podano liczbę 100 ppm).

[Andrzej Strupczewski¹⁰].

Bardzo istotne znaczenie w bilansie paliw dla energetyki jądrowej mają uran i pluton zawarte w wypalonym paliwie pochodzącym z elektrowni jądrowych. Po ich wyodrębnieniu w czasie przerobu paliwa wypalonego, materiały rozszczepialne są ponownie wykorzystywane do sporządzenia świeżego paliwa jądrowego.

W szczególności pluton (zwierający rozszczepialne izotopy PU-239 i Pu-241) używany jest do wyprodukowania mieszanego paliwa tlenkowego UO2 + PuO2 (mixed oxides – MOX), które może być wykorzystane w obecnie eksploatowanych reaktorach termicznych, zwłaszcza lekkowodnych. Obecnie uran i pluton z recyklizacji pozwala zaoszczędzić 1500-2000 t świeżego uranu rocznie (w skali światowej).

Ponadto, istotnym źródłem paliwa dla cywilnej energetyki jądrowej są światowe zasoby wojskowe: wysoko wzbogaconego uranu (highly enriched uranium – HEU) oraz Pu-239, w tym z demontowanych głowic bojowych.

9 Andrzej Strupczewski (Instytut Energii Atomowej POLATOM): Czy wystarczy uranu dla elektrowni jądrowych.

Energetyka Cieplna i Zawodowa” – nr 10/2009.

10 Strupczewski A.: Program rozwoju energetyki jądrowej w Polsce a zaopatrzenie w paliwa rozszczepialne z zasobów krajowych. XXIII Konferencja Zagadnienia surowców energetycznych i energii w gospodarce krajowej – Dylematy polskiej polityki energetycznej, Zakopane, 11-14. 10. 2009. (na podstawie: Deffeyes & MacGregor:

1980 „World Uranium resources” Scientific American, Vol 242, No. 1, January 1980, pp. 66-76).

Od 1987 r. USA i kraje b. ZSRR podpisały szereg układów rozbrojeniowych, zobowiązując się do redukcji swoich arsenałów jądrowych o ok. 80%. Głowice jądrowe zawierają >90%

izotopów rozszczepialnych U-239 lub Pu-239 (weapons-grade), które mogą zostać

„rozcieńczone” aby uzyskać paliwo dla energetycznych reaktorów jądrowych. Od 2000 r.

wykorzystano 30 t HEU, zastępując tym samym 10 600 t U3O8 z kopalń, co stanowi ok. 13%

zapotrzebowania światowej energetyki jądrowej na uran. Zasoby plutonu z demontowanych głowic bojowych szacuje się na 150-200 t – można z nich uzyskać np. ok. 4500 t paliwa MOX, co odpowiada rocznemu zapotrzebowaniu ok. 150 reaktorów lekkowodnych LWR o mocy 1000 MWe (tj. ponad 40% mocy wszystkich reaktorów energetycznych obecnie pracujących na świecie).

Obecne roczne zapotrzebowanie światowej energetyki jądrowej na świeży uran (z kopalń lub zapasów) wynosi ok. 68 000 ton. Szacuje się, że aktualnie znane zasoby konwencjonalne uranu – przy zastosowaniu do reaktorów obecnej generacji (ze stosunkowo niewielkim wykorzystaniem potencjału energetycznego paliwa) – wystarczą na ok. 300 lat¹¹.