Energetyka jądrowa: na ile wystarczy uranu [2/7]

Poprzednie części cyklu o energetyce jądrowej:

Kluczową kwestią dla przyszłości energetyki jądrowej jest kwestia ograniczonych zasobów uranu. Obecnie na świecie działa 436 elektrowni o mocy 370 GW , dostarczając 2.5% światowej produkcji energii. Do zasilania obecnie działających reaktorów o mocy 370 GW potrzeba 65 000 ton naturalnego uranu (zawierającego 0.7% 235U, będącego właściwym paliwem). IAEA (International Atomic Energy Agency – Międzynarodowa Agencja Atomowa) w Czerwonej Księdze szacuje zasoby uranu na 5.5 mln ton, z czego 3.3 mln ton są uważane za pewne, 2.2 mln ton czekają zaś na odkrycie. Pozwoliłoby to na dostarczanie paliwa do reaktorów o obecnej mocy przez następnych kilkadziesiąt lat. Komisja Europejska w roku 2001 stwierdziła, że przy obecnym poziomie zużycia uranu, jego znane zasoby wystarczą na 42 lata, a z uwzględnieniem  rezerw wojskowych i innych źródeł na 72 lata. Sześciokrotne zwiększenie zainstalowanych mocy oznaczało by wyczerpanie zasobów w ciągu 12 lat. Podobne dane przedstawia Euronuclear. To bardzo niewiele, nie daje też praktycznie marginesu na znaczące zwiększenie mocy elektrowni jądrowych.
Ilość zasobów uranu dostępnych do eksploatacji to kwestia absolutnie kluczowa dla decyzji o rozwoju opartej na uranie energetyki jądrowej. Można spotkać się z opiniami, że zasoby uranu mogą okazać się nawet skromniejsze, niż szacuje to IAEA, a wydobycie uranu ze względu na wyczerpywanie się złóż wysokiej jakości może wkrótce stać się nieopłacalne nie tylko finansowo, ale wręcz energetycznie. Poglądy takie przedstawiają  m.in. analitycy Energy Watch Group czy Ceedata. Odmienną opinię prezentuje np. dr inż. Andrzej Strupczewski z Instytutu Energii Atomowej, który prezentuje opinie, że zasoby uranu są praktycznie niewyczerpane i wystarczą nam na stulecia.
Rozbieżności w szacunkach idą tak daleko, że warto przyjrzeć im się bliżej. Ponieważ dr Strupczewski w swoim opracowaniu odnosi się krytycznie do analizy van Leeuwen’a z Ceedata, my z kolei odniesiemy się do tych argumentów.
Dr Strupczewski pokazuje przede wszystkim, jak wiele jest zasobów uranu.

Szacowane zasoby uranu

Rys. Zasoby uranu przy różnych zawartościach uranu w rudzie w cząsteczkach na milion, (na rysunku podano dolne progi przedziałów, a więc dla przedziału 100-200 ppm podano liczbę 100 ppm). Dane według Deffeyes i MacGregor, 1980 „World Uranium resources” Scientific American, Vol 242, No. 1, January 1980, pp. 66-76.

Ponieważ na tych samych danych opiera się van Leeuwen, można przyjąć, że w tym zakresie mamy zgodność.

Następnie dr Strupczewski pokazuje, jak wysoki jest zwrot energetyczny z obecnie eksploatowanych rud uranu (nawet niskiej jakości) i jak wiele w związku z tym jest rud uranu  pozwalających na korzystne energetycznie ich wykorzystywanie. Jednak jego analiza wydaje się dość stronnicza:

  • Po stronie wyprodukowanej energii liczona jest energia termiczna, choć nadaje się ona praktycznie jedynie dla celów grzewczych. Należałoby raczej przyjąć wartości odpowiadające jedynie energii elektrycznej, na poziomie 1/3 energii termicznej.
  • Po stronie wydatków energetycznych brana jest energia TNT i substancji chemicznych, a nie szara energia potrzebną na ich wyprodukowanie. To tak, jakbyśmy powiedzieli, że zasilając jakiś proces z bateryjki zużywamy X energii, ignorując zupełnie to, że wytworzenie baterii wymaga energii 1000 razy większej.
  • Wydatki energetyczne są selektywne, wśród substancji chemicznych uwzględniane są jedynie węglan sodu i dwuwęglan sodu. Zostały zupełnie zignorowane ważne składniki chemiczne wykorzystywane przy przetwarzaniu rudy, takie jak m.in. siarka, amoniak, wapno palone, kwas azotowy, kwas fluorowodorowy, chloran sodu czy azotan amonu.
  • Pomijany jest wydatek energetyczny związany z wyprodukowaniem i utrzymaniem stosowanego w kopalni ciężkiego sprzętu
  • Zupełnie ignorowana jest kwestia bariery mineralogicznej. Uran (podobnie jak większość innych pierwiastków), występuje w skorupie ziemskiej w tak małych koncentracjach, że ich jony łatwo wchodzą w skład tlenków i krzemianów, przez co są dość równomiernie „rozrzucone” po całej skale macierzystej. Aby powstały minerały uranowe, muszą zadziałać szczególne, a przez to rzadko zdarzające się, procesy geologiczne powodujące lokalne zwiększenie koncentracji uranu. Przy odpowiednio wysokiej koncentracji zaczynają się tworzyć minerały uranowe, takie jak UO2, tworzące małe ziarna rozrzucone wśród krzemianów skały macierzystej. Dlatego typowa ruda uranu składa się z wielkiej ilości bezwartościowych krzemianów wymieszanych z niewielką ilością ziaren skoncentrowanego minerału uranowego. Wydobycie uranu polega na rozkruszeniu skały na małe fragmenty i poddaniu jej działaniu czynnika rozpuszczającego minerał uranu (np. rozcieńczonego kwasu siarkowego), który jednocześnie nie działa na stanowiące większość materiału minerały krzemu.
    W skałach z zawartością uranu mniejszą od tej bariery mineralogicznej, nie będzie ziarenek minerału uranowego. Zamiast tego uran będzie rozproszony w całej masie skały – mamy do czynienia z tzw. stałym roztworem uranu w skale. Przykładami są skały fosforanowe i granity - nie jest możliwe pozyskiwanie z nich uranu metodami selektywnymi, czy to fizycznymi, czy chemicznymi. Aby wyciągnąć uran z czegoś takiego, trzeba zamienić w roztwór CAŁĄ masę skały. Dla uranu ta granica leży w okolicy rudy o koncentracji 100 ppm (0,01%). Poza barierą mineralogiczną konieczne nakłady materiałowe i energetyczne rosną 10-100 razy.
Ignorowana jest kwestia "miękkich" i "twardych" skał. Do miękkich należą szczególnie piaskowce i konglomeraty spojone węglanem wapnia. Twarde to np. granity. Miękkie są łatwe w przetwarzaniu, nie potrzeba też na to wiele energii. Na przetwarzanie skał twardych potrzeba znacznie więcej energii. Z tego powodu eksploatuje się właściwie tylko skały miękkie. Co bardzo ważne, rudy o niskiej zawartości uranu są twarde, co stanowi kolejny problem przy planowaniu eksploatacji rud o niskiej zawartości uranu.

Rozkład znanych zasobów uranu

Rys. Rozkład znanych zasobów uranu w funkcji jakości rudy. Rudy „miękkie” (kolor jasnoniebieski) są łatwe w przetwarzaniu, rudy „twarde” (kolor fioletowy), są trudne w przetwarzaniu. Źródło.

  • Spadek zawartości uranu w rudzie oznacza szybki spadek efektywności eksploatacji i wzrost kosztów. Dla naszego Radziejowa z przełomu lat '60 i '70:  zmniejszenie zawartości uranu w rudzie powoduje gwałtowny wzrost kosztów. Dla wyprodukowania 1 kg U w koncentracie z rudy o zwartości 0,1% należy przerobić około 1,16 tony rudy, natomiast z rudy o zawartości 0,05% potrzeba około 2,4 tony rudy. Sam więc koszt wsadu ma tu poważny wpływ na koszt jednostkowy produktu. To samo dotyczy zużycia chemikaliów, których ilość zależy od ilości rudy, a nie od jej zawartości. (...) Ogólnie należy stwierdzić, że głównym czynnikiem wpływającym na ekonomikę procesu jest jakość rudy. Pogorszenie jakości wsadu rudnego uniemożliwia osiągnięcie pozytywnych wyników ekonomicznych. Niedoboru ilości metalu w rudzie nie można nadrobić zwiększonym przerobem, ponieważ koszt wyprodukowania koncentratu wówczas gwałtowanie rośnie.
W ogóle nie jest poruszana kwestia ilości dostępnych rezerw w funkcji kosztów. Tymczasem, bazując na oszacowaniu "ile mamy rezerw przy określonym koszcie eksploatacji", widać, że nawet wzrost z 80 do 130$ za kg uranu nie daje znaczącego wzrostu rezerw. 

Uran wydobyty

Rys. Uran wydobyty (Produced), potwierdzone rezerwy (RAR) i przypuszczalne rezerwy (IR) z uwzględnieniem progu opłacalności wydobycia. Źródło: NEA 2006

  • Dla źródeł niekonwencjonalnych, jak fosforany czy granity, koszty są naprawdę wysokie. Nic dziwnego. Dla złóż granitowych (o typowej koncentracji uranu 4 ppm), dla wydobycia uranu dla zasilenia jednego reaktora o mocy 1 GW przez rok, trzeba wydobyć, zmielić na proszek i chemicznie rozpuścić kwasem siarkowym lub innymi chemikaliami 80 milionów ton granitu. To blok granitu wysoki na 100 metrów, szeroki na 100 metrów i o długości 3 km. Dla porównania, elektrownia węglowa o tej samej mocy zużyje rocznie 3 miliony ton węgla.  O eksploatacji uranu w wodzie oceanicznej nawet nie marzmy w tym stuleciu.
  • Surowce energetyczne cierpią na syndrom "Horyzontu cenowego", czyli "jak jeszcze cena wzrośnie o 50%, to będzie to opłacalne". Problem w tym, że kiedy rośnie cena energii, rosną koszty wydobycia i przesuwa się cena opłacalności eksploatacji. Doświadczyły tego np. projekty CTL.
  • Dobór kopalni Treekopje jako przykładu nie jest przypadkowy, to kopalnia z uranem w pokładach węglanu wapnia, z dobrze (jak na rudę niskiej jakości) wyseparowanymi ziarnami minerałów uranowych. W żadnym razie nie jest to typowy przykład. Można raczej spodziewać się, że dla rud o trochę niższej jakości bardzo trudno będzie znaleźć rudę miękką i do tego z granulkami. Dr Strupczewski pozostawia wrażenie, że to wcale nie "kopalnia na granicy", ale coś typowego, co dla rud o rząd wielkości niższej jakości będzie dalej w mocy. Nie będzie.

Dr Strupczewski pokazuje na przykładach, że są zasoby rudy, nawet o niskiej koncentracji, które można skutecznie i opłacalnie wydobywać, jednak przedstawiane przez niego prognozy ignorują cały szereg problemów i ograniczeń. Jakie więc są możliwe do wykorzystania zasoby uranu? To trudne pytanie, na które nie ma dobrej i jednoznacznej odpowiedzi.

·         Czy podawane powszechnie rezerwy na poziomie 3-5 mln ton są realne? Myślę, że tak.

·         Czy możliwe jest kilkukrotne zwiększenie rezerw uranu, co zaspokoiłoby kilkanaście procenty naszych potrzeb przez kilkadziesiąt lat?
To całkiem prawdopodobne.

·         Czy możliwe jest kilkudziesięciokrotne zwiększenie rezerw uranu, co wystarczyłoby na zaspokojenie całości naszego zapotrzebowania na energię przez kilkadziesiąt lat?
Niewykluczone, lecz oparcie światowej energetyki na reaktorach obecnie stosowanego typu byłoby obarczone wysokim ryzykiem.

·         Czy możliwe jest kilkusetkrotne zwiększenie rezerw, co pozwoliłoby uznać, że znaleźliśmy rozwiązanie naszych problemów energetycznych?
Prędzej zjem swój notes.

Nawet kilkukrotne zwiększenie rezerw, przy jednoczesnym zwiększeniu mocy elektrowni jądrowych, tak, żeby zaspokajały chociaż kilkanaście procent światowego zapotrzebowania na energię, oznaczałyby wyczerpanie się zasobów uranu w ciągu kilkudziesięciu lat.

Aby zaspokoić obecne potrzeby energetyczne świata (nie mówiąc w ogóle o przewidywanym wzroście zużycia energii) z pomocą elektrowni jądrowych, należało by zwiększyć ich ilość 40-krotnie. Aby tego dokonać, musielibyśmy wybudować kilkanaście tysięcy elektrowni jądrowych o mocy 1 GW każda. A gdybyśmy tego dokonali, to obecny model liniowego przetwarzanie paliwa – od rudy uranu po odpady radioaktywne – poskutkowałby tym, że w ciągu kilku lat wyczerpały by się rezerwy stosowanego jako paliwo uranu 235U. Nie tędy droga.

Marcin Popkiewicz

Czytaj odcinek [3/7]: Energetyka jądrowa, jaką byśmy chcieli widzieć

Komentarze

18.01.2010 1:32 T.K.

> Surowce energetyczne cierpią na syndrom "Horyzontu cenowego", czyli "jak jeszcze cena wzrośnie o 50%, to będzie to opłacalne". Problem w tym, że kiedy rośnie cena energii, rosną koszty wydobycia i przesuwa się cena opłacalności eksploatacji. Doświadczyły tego np. projekty CTL.

Cena uranu zależy od ceny energii a cena energii zależy od ceny uranu, ale nie jest to sprzężenie zwrotne dodatnie. Wzrost ceny elektryczności na skutek wzrostu ceny uranu jest dużo mniejszy niż sutuacja odwrotna. W pewnym punkcie na wykresie obie funkcje liniowe muszą się przeciąć i dopiero jak zaczną stawać się równoległe wtedy punkt ich przecięcia może okazać się niepraktyczny.
Poza tym kopalnia może być zasilana np. energią słoneczną lub wiatrową co przekładałoby się na swoiste magazynowanie energii odnawialnej pod postacią uranu.

18.01.2010 3:26 T.K.

> Po stronie wyprodukowanej energii liczona jest energia termiczna, choć nadaje się ona praktycznie jedynie dla celów grzewczych. Należałoby raczej przyjąć wartości odpowiadające jedynie energii elektrycznej, na poziomie 1/3 energii termicznej.

Zasadniczo tak, ale dzisiejsze procesy przemysłowe są za bardzo oparte o paliwa kopalne i do nakładów energetycznych wlicza się ich całą energię termiczną. Bardziej uzasadnione byłoby wliczanie energii elektrycznej jaką można uzyskać z danej ilości paliwa kopalnego. W takiej sytuacji porównywanie z energią elektryczną EJ byłoby najbardziej miarodajne. A gdyby do odsalania wody morskiej używać odpadowego ciepła z EJ wtedy bilans energetyczny byłby jeszcze korzystniejszy dla tej ostatniej.

> Po stronie wydatków energetycznych brana jest energia TNT i substancji chemicznych, a nie szara energia potrzebną na ich wyprodukowanie. To tak, jakbyśmy powiedzieli, że zasilając jakiś proces z bateryjki zużywamy X energii, ignorując zupełnie to, że wytworzenie baterii wymaga energii 1000 razy większej.

To rzeczywiście dziwne. Powinna zostać wzięta energia jednostkowa wytworzenia TNT i innych potrzebnych substancji a nie ich energia chemiczna.

> Pomijany jest wydatek energetyczny związany z wyprodukowaniem i utrzymaniem stosowanego w kopalni ciężkiego sprzętu.

Wydatek energetyczny na utrzymanie ciężkiego sprzętu to przesada, ale wydatek na wyprodukowanie sprzętu już nie. Tylko czy ktokolwiek jest w stanie policzyć ile wkładu energetycznego przypada na każdą śróbkę.

12.07.2011 8:32 krzys

"Wydatek energetyczny na utrzymanie ciężkiego sprzętu to przesada, ale wydatek na wyprodukowanie sprzętu już nie. Tylko czy ktokolwiek jest w stanie policzyć ile wkładu energetycznego przypada na każdą śróbkę."
Na pewno producent sprzętu posiada takie informacje, przynajmniej przybliżone nie na każdą śróbkę, ale np na jedną sztukę koparki.

21.07.2015 11:58 Sławek z OPOLA

Myśl, że za 15 lat będzie już po energetyce jądrowej... będą tylko te reaktory który chodzą bo nowych nie będzie się opłacało budować.... cena uranu będzie za wysoka np. rzędu 300-500 dolarów. Teraz jest znacznie większa podaż od popytu ale to się za 15 lat skończy i wówczas siła popytu będzie windować cenę ekstremalnie do góry... W budowie jest kilkadziesiąt elektro atomowych, kiedy je uruchomią ilość zasobów uranu będzie mocno spadać a tym samym cena w gorę będzie szła.... nic dziwnego, że niektórzy nie chcą elektrowni jądrowej w Polsce uważając ze jak za 15-20 lat ceny wzrosną to się okaże że ta energetyka jądrowa Polsce nie była potrzebna.... bo koszty funkcjonowania elektrowni są ogromne... a za wszystko zapłaci obywatel.... także ja bym si zastanowił dobrze nad budową elektrowni atomowej w POlsce.... okaże się że to będzie taki sam niewypał jak te Pendolino....


Myślę ze zbliża się zmierzch energetyki jądrowej......

15.04.2016 12:02 Maciek

Obecnie na świecie działa 436 elektrowni o mocy 370 GW , dostarczając 2.5% światowej produkcji energii.

Chciałbym zapytać skąd pochodzi ta informacja ? Dane IAEA dla 2014 roku podają ilość energii wyprodukowanej w EJ rzędu 2400 TWh, Produkcja energii elektrycznej na świecie w tym roku wynosiła ok 24 tys TWh. Udział EJ wynosi zatem około 10%. Chyba że dane procentowe odnoszą się również do energii cieplnej... Ale wypadałoby to zaznaczyć w tekście. EJ jądrowe rzadko ze względu na odległość od potencjalnych odbiorców służą do produkcji energii cieplnej. To elektrownie, a nie elektrociepłownie.

29.08.2017 14:38 Dragon

@Maciek
Piszesz o prądzie, a w artykule jest o produkcji całości energii (w tym ropa w transporcie, węgiel i gaz w piecykach itd.). Można sprawdzić dane np. w http://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto