ArtykulyRozwiązania technologiczne

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
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

Podobne wpisy

Więcej w Artykuly