Wydobycie uranu. Czyli jak to rzeczywiście wygląda.

Wydobycie uranu. Czyli jak to rzeczywiście wygląda.

Właściwie pod każdym artykułem dotyczącym rozwoju energetyki jądrowej znajdziemy komentarz „a kto wam będzie ten uran dostarczał?”. W zbiorowej świadomości jako kluczowe źródło uranu dla funkcjonujących elektrowni jądrowych jest postrzegana Rosja. Niesłusznie. Jest to skutek dekad propagandy, wedle której związek radziecki miał być atomową potęgą.

Faktycznie kraje, które wchodziły w skład związku radzieckiego, produkują ogromne ilości uranu, lecz są to państwa, które były latami marginalizowane, a ich zasługi były przypisywane Rosji jako domyślnemu spadkobiercy ZSRR. Jak więc wygląda światowy rynek uranu i jak się go wydobywa? O tym pokrótce opowiem w poniższym tekście.

ILE WŁAŚCIWIE JEST URANU?

Mówiąc o uranie należy zdać sobie sprawę z faktu, że nie jest to wyjątkowo rzadki pierwiastek. Na podstawie raportu OECD wiadomo, że w poznanych złożach czeka na wydobycie jeszcze 7,64 miliona ton uranu (7 640 000 000 kg)*. Jest to dość abstrakcyjna liczba dopóki nie porównamy tego z ilością złota, którego w dostępnych złożach pozostało 50 razy mniej(!), bo zaledwie 160 tysięcy ton, nawet przy uwzględnieniu skrajnie nieopłacalnych złóż. Trzeba pamiętać, że mówimy tu jedynie o stałych i dostępnych pokładach geologicznych, ponieważ obecna technologia pozwala wyizolować zarówno uran, jak i złoto z wody morskiej. Jednak w tym zestawieniu różnice są jeszcze większe. Dzięki wymywaniu uranu z pokładów znajdujących się głęboko poniżej oceanu możemy liczyć nawet na 100 miliardów ton uranu. Jednocześnie w wodzie morskiej jest rozpuszczone tylko 20 tysięcy ton złota.

JAK WYGLĄDA WYDOBYCIE URANU?

Uran występuje w wielu różnych rodzajach minerałów. Sprawia to, że w zależności od rodzaju złoża możemy mówić o minerałach zawierających setne części grama na tonę skały, a niekiedy o blendzie smolistej, której zawartość uranu sięga 73,6% (czyli 736 kg na tonę). Dzięki temu występuje wiele sposobów na jego wydobycie i przetwarzanie. Do dziś najczęściej wydobywany jest za pomocą kopalni odkrywkowych. Nie oznacza to jednak, że dla wydobycia tego jednego pierwiastka musi powstać ogromna kopalnia dorównująca rozmiarom tej w Bełchatowie. Zazwyczaj uran jest pozyskiwany przy okazji wydobywania innych metali, a w szczególności miedzi. Tak też wygląda wydobycie w największej kopalni uranu na świecie – australijskiej Olympic Dam. Czerpie ona główne zyski (70%) z wydobycia niezwykle bogatego złoża miedzi, lecz przy okazji odzyskuje z wydobytej skały również uran, srebro i złoto.

Alternatywną i coraz popularniejszą metodą wydobycia uranu jest metoda otworowa (ISL/ISR). Opiera się ona na wtłaczaniu w złoże roztworu, który ma na celu rozpuścić zawarty w niej uran. Następnie roztwór jest wypompowywany i rozdzielany. Tym sposobem można prowadzić wydobycie bez przekształcania i niszczenia krajobrazu. Metoda ta jest podstawą wydobycia uranu w Kazachstanie, który jest odpowiedzialny za aż 40% światowej produkcji.

RÓWNIE WAŻNYM PROCESEM JEST RAFINACJA POZYSKANEGO METALU

W pierwszej kolejności należy rozdrobnić wydobyte skały. Im wyższy poziom rozdrobnienia tym więcej można z nich uzyskać. Z tego powodu często skały mieli się aż do otrzymania pyłu. Tak przygotowany surowiec poddaje się ługowaniu, czyli przemywaniu żrącym roztworem, który ma na celu wymyć zawarte w skale metale. Co istotne, w przypadku wydobycia metodą otworową możemy pominąć powyższe dwa procesy, ponieważ odbywają się one jeszcze na etapie wydobycia.

Po zakończeniu procesu roztwór bogaty w metale jest mieszany z różnymi rodzajami soli, dzięki czemu udaje się oddzielić wydobyte przy okazji metale takie jak molibden, wanad, selen, żelazo, ołów czy arsen. Następnie, wykorzystując rozpuszczalniki organiczne, #!$%@? się uran z pozostałego roztworu (miesza się roztwór uranu z niemieszającym się rozpuszczalnikiem organicznym, w efekcie stężenie uranu wyrównuje się w obu płynach, które można następnie rozdzielić). Czysty roztwór uranu miesza się z siarczanem amonu, co powoduje osadzenie się na dnie zbiorników trudno rozpuszczalnych soli uranu. Tak powstały osad kilkukrotnie się suszy i oczyszcza uzyskując na koniec charakterystyczny żółty proszek zwany „Yellowcake”.

Yelllowcake jest idealnym półproduktem. Trudno wchodzi w reakcje chemiczne i jest mało radioaktywny. W takiej też formie jest transportowany do zakładów przetwórstwa paliwa.
Najistotniejsze zakłady znajdują się na terytorium Francji, USA i Rosji, chociaż Kazachstan również rozbudowuje swoje zakłady. Na terenie kombinatu odbywa się najistotniejszy proces wzbogacania. Yellowcake zalewany jest kwasem fluorowodorowym. W ten sposób powstaje heksafluorek uranu (UF6), który łatwo można przekształcić w stan stały, ciekły i gazowy. Do procesu wzbogacania wykorzystywany jest jako płyn. Płynny UF6 wprowadzany jest do wirówek, w których jest przez długi czas odwirowywany. W trakcie wirowania cząsteczki zbudowane z U238 wyrzucane siłą odśrodkową odkładają się przy ściance wirówki, zaś cząsteczki zawierające U235 pozostają bliżej osi obrotu wirówki. W ten sposób dochodzi do powolnego rozdzielenia izotopów uranu. Niestety, proces ten jest bardzo trudny do przeprowadzenia i długotrwały.

Wysoko wzbogacony uran do budowy bomb jądrowych może być rozdzielany nawet parę lat. Warto przypomnieć, że produkcja irańskiej broni jądrowej została poważnie zaburzona działaniem wirusa komputerowego Stuxnet, który zmienił prędkość wirówek powodując ponowne wymieszanie izotopów, a tym samym wielomiesięczne opóźnienie. Po zakończeniu wzbogacania uran kierowany jest do reaktorów chemicznych, w których uzyskiwany jest dwutlenek uranu (UO2). Uran w formie tlenku nie może ulec zapłonowi, dzięki czemu ogranicza się ryzyko wypadku w elektrowni. Tak przygotowany materiał jest gotowy do formowania prętów paliwowych.

Zazwyczaj do wykorzystania w reaktorach jądrowych paliwo przybiera formę kapsułek tlenku uranu zamkniętych w cyrkonowej koszulce paliwowej. Lecz w zależności od potrzeb może przyjmować najróżniejsze formy. Dla przykładu w reaktorze MARIA wykorzystuje się paliwo uformowane w koncentryczne rury ze spieku aluminium z tlenkiem uranu, między którymi przepływa chłodziwo. Inną nietypową formą paliwa są kule paliwa TRISO do zastosowania w reaktorach HTGR. Są to kule wielkości piłki do tenisa wykonane ze sprasowanego grafitu wewnątrz którego znajdują się zaledwie milimetrowe ziarna uranu powleczonego węglikiem cyrkonu i węglem pirolitycznym. Tego typu paliwo ma zwiększyć bezpieczeństwo, ponieważ jego „koszulki” są prawie niezniszczalne, jak również umożliwić swobodną rotację tegoż paliwa w reaktorze. Ponadto paliwo tego typu umożliwia uzyskanie wyższego stopnia wypalenia oraz przystosowane jest do stosowania również uranu 238 i toru 232.

ILE KOSZTUJE URAN?

Cena za kilogram uranu bardzo się waha. Dziś ma najwyższą cenę od 11 lat, wynoszącą ok. 57,70 $/funt, czyli 580 zł za kilogram. Czy to dużo? O połowę mniej niż baryłka ropy naftowej oraz 6 razy mniej niż tona węgla. Jednocześnie 1 kg uranu dostarcza tyle energii, co spalenie 100 ton węgla. Tym samym jest paliwem 600 razy tańszym. Oczywiście należy pamiętać, że jest to cena Yellowcake, nie zaś gotowego produktu. Lecz wówczas należałoby też uwzględnić, że węgiel trzeba jeszcze zmielić na pył, zanim będzie możliwe użycie go w nowoczesnej elektrowni. Inwestując w uran należy też pamiętać, że jest surowcem, który bardzo często zmienia swoją wartość. W 2008 cena sięgała 130$/funt, zaś 3 lata wcześniej był 12-krotnie tańszy. Podobny skok nastąpił w połowie lat 70., gdy cena wzrosła 14-krotnie. Jednocześnie trzeba pamiętać, że w obu przypadkach w krótkim czasie cena wróciła do znacznie niższych poziomów. Wahania wartości wynikają głównie z przyczyn politycznych. Gwałtowna rozbudowa energetyki jądrowej przypadająca na lata 70. spowodowała czasowy niedobór tego surowca. Natomiast rozbrojenie jądrowe następujące po upadku ZSRR spowodowało pojawienie się ogromnej nadwyżki uranu pochodzącej z arsenałów jądrowych, powodując spadek cen.

Zauważalny wpływ mają również decyzje władz Stanów Zjednoczonych, które regularnie cofają finansowanie dla przemysłu jądrowego powodując podwyższenie kosztów wydobycia, a tym samym zamknięcie kopalni i skok cen spowodowany za małą podażą uranu. Co ciekawe, hossa na rynku uranu dotyczy również rynku cywilnego i kolekcjonerskiego. Od paru lat można zaobserwować nawet 10-krotny wzrost cen szkła uranowego i minerałów promieniotwórczych. Można podejrzewać, że do powyższego zjawiska przyczynili się czytelnicy tego artykułu wykupując uranowe „artefakty”.

JAKIE KRAJE WYDOBYWAJĄ URAN?

Dla niektórych może być niemałym zaskoczeniem, że Rosja nawet nie jest w pierwszej piątce producentów uranu, wyrabiając mniej niż Niger (2911 ton) czy Namibia (5525 ton). Największym obecnie producentem jest Kazachstan wytwarzający średnio 21 500 ton uranu rocznie. Na drugim miejscu jest Kanada produkująca blisko 3 razy mniej, bo 7000 ton, a zaraz za nią Australia z 6517 tonami.

Co ciekawe, w pierwszej dziesiątce producentów znajduje się Ukraina produkująca prawie 1200 ton, mając wydobycie 2 razy większe od Stanów zjednoczonych. Struktura wydobycia jest zbliżona do wielu innych surowców, gdzie zwyczajowo królują kraje posiadające największe złoża (Australia, Kanada, Kazachstan, Rosja) oraz kraje o bardzo taniej sile roboczej (Namibia, Niger, Uzbekistan, Rosja, Chiny). Jednocześnie zauważalny jest niewielki udział krajów wysoko rozwiniętych które posiadają zbyt wysokie koszty zatrudnienia, by umożliwić opłacalne wydobycie (USA i UE). Z tego zjawiska jest wyłączona Australia i Kanada, jako kraje posiadające długą tradycję wysoko zmechanizowanego górnictwa, dzięki czemu koszty wydobycia są wyraźnie niższe. Co ciekawe, gdyby Polska odzyskiwała uran wydobywany wraz z miedzią, to mogła by się stać jednym z 10 największych producentów na świecie. Nie jest to niemożliwe, ponieważ srebro wydobywane z tych samych złóż powoduje, że Polska jest jego 4 największym producentem.