Урану на всіх не вистачить. Як дефіцит сировини загальмував атомну енергетику?

Для запланованого відновлення атомної енергетики немає сировини. Видобуток урану зростає повільніше за амбіції великих країн.

Історія атомної енергетики – це про Атланта, який досі не розправив плечі. Ядерні реактори вважаються чистими, стабільними та дешевими в експлуатації, однак цій технології так і не судилося підкорити світ.

Спочатку її розвиток спіткнувся об трагедію на атомній електростанції (АЕС) Three Mile Island у 1979 році, через яку США на 33 роки припинили будівництво нових реакторів. Через сім років сталась аварія на Чорнобильській АЕС, яка налякала весь світ.

Добила крихку репутацію атомних електростанцій аварія на ” Фукусіма-1 ” у 2011 році. І хоча людських жертв там майже не було, вона подарувала “зеленим” політикам аргументи для масового переходу на альтернативні джерела електроенергії.

Побудовані раніше АЕС закривали після вичерпання їх ресурсу або навіть раніше. А нових реакторів майже не будували.

Лише велика війна в Україні, і спровоковане діями росіян подорожчання нафти та газу змусили світ повернутись до “мирного атому”. У наступні 17 років World Nuclear Association ( WNA ) очікує зростання виробництва ядерної енергії на 75%.

На шляху до будівництва сотень нових атомних реакторів чимало випробувань. Видобуток урану зростає повільніше за амбіції великих країн, а складні ланцюги постачань ядерного палива вже потерпають від війн, санкцій та державних переворотів.

Відродження атомної енергетики

Світ взяв курс на зменшення викидів вуглецевого газу, а отже – заміну “брудних” вугільних станцій та мазуту, на які наразі припадає близько 40% виробництва електроенергії на планеті.

Самих лише вітряків та сонячних панелей недостатньо, адже їх потужності залежать від погоди. Відновлювальна енергетика стане надійною лише через кілька десятиліть після поширення технологій зберігання та перерозподілу енергії. А поки потрібне принаймні одне стабільне джерело електрики.

Ідеальним варіантом довгий час вважався газ. Саме під блакитне паливо будували свою енергетичну інфраструктуру країни Заходу та Азії. І досить скоро про це пошкодували.

Росія, ключовий експортер газу, перекрила постачання у Європейський Союз та “зламала” весь світовий ринок блакитного палива. Тож ЄС почав купувати скраплений газ, притягуючи до себе все більше танкерів, та розкручуючи ціни до рекордних показників.

Міні-АЕС для України: чи врятують країну малі модульні реактори, про які згадував Зеленський

В останні роки держави все частіше використовують торгівлю енергоносіями як зброю. Країни, які не мають власного видобутку газу та вугілля, кинулись шукати острівець стабільності. І знайшли його в атомній енергетиці.

Чудовий приклад – Японія . Після аварії на АЕС “Фукусіма-1”, влада закрила більшість ядерних реакторів та зменшила частку атомних станцій у виробництві електрики з 30% до 4%. Енергосистему перебудували під природний газ та вугілля, які купували на світовому ринку.

У підсумку країна страждає від зростання цін на енергоносії та змушена йти на компроміси з державою-спонсором тероризму , купуючи російський скраплений газ. А у випадку воєнного конфлікту в регіоні вся енергетика країни опиниться під загрозою через вразливість портів.

Все це підштовхнуло владу до відродження в Японії атомної енергетики. До перезапуску готують близько 20 реакторів. За планом, вже у 2030 році АЕС вироблятимуть 20-22% електроенергії країни.

В подібній ситуації опинилась й Туреччина . Країна намагається пом’якшити свою залежність від імпорту газу та вугілля, реалізуючи великі атомні проєкти з росіянами та китайцями .

Китай постійно зростає та потребує більше енергії, однак 60% електрики виробляє з вугілля. Влада планує відмовитись від цього енергоносія до 2060 року. Щоб замінити вугільні електростанції, країна планує будувати шість-вісім нових ядерних реакторів на рік. Разом в Китаї та Індії зараз будують 29 з 57 нових реакторів, які зводять по всьому світу.

Ще кілька років тому Сполучені Штати взяли курс на продовження терміну служби своїх АЕС, а також розвиток технологій малих модульних реакторів . Вони будуть дешевшими, простішими у будівництві та комерційно привабливішими. На їх будівництво та випробування в США видаватимуть мільярди доларів державних субсидій.

Після палких дискусій атомний “злам” стався і в Євросоюзі . Група країн на чолі з Францією домоглася включення атомної енергетики до списку екологічно чистих, чим поліпшила галузі доступ до фінансування з боку інвесторів та урядів. “Зламу” сприяла газова війна з Росією та прагнення блоку першими досягти “вуглецевої нейтральності”.

З великих країн в опозиції до атомки стоїть хіба що Німеччина, яка цьогоріч під тиском “зелених” закрила всі свої АЕС. Щоправда, повного політичного консенсусу по цьому рішенню там немає. Вже лунають заклики не демонтувати німецькі реактори, а лише законсервувати їх.

Загалом можна стверджувати, що в атомну енергетику нарешті повірив увесь світ, тож потреба у ядерному паливі кратно зростатиме. І це – перший виклик для галузі.

Дефіцит урану

Для виробництва електрики з вугілля або газу потрібно купити сировину та з мінімальною обробкою доставити до місця спалювання. З ядерним паливом ситуація інша. Уранову руду спочатку добувають, обробляють кислотою, роблять конверсію, збагачують і лише потім створюють “капсули” з ядерним паливом.

Обробка урану є капіталомісткою та складною, тому на глобальному рівні цим займаються лише кілька компаній: дві міжнародні – Orano та Urenco, а також “Росатом”. Для нарощування виробництва палива доведеться інвестувати в увесь технологічний ланцюг, а не тільки у видобуток сировини.

І проблеми можуть початись вже на першому етапі. Профільна асоціація WNA попереджає про дефіцит урану, якщо не буде інвестицій у розробку нових шахт.

Річ у тім, що видобуток урану зазвичай відстає від попиту. У 2022 році шахти покрили лише 74% потреби АЕС. Решта припадає на вторинні джерела сировини: повторно перероблений “збіднений” уран, комерційні запаси та високозбагачений уран з ядерних арсеналів.

Уран, який діставали з ядерних ракет та переробляли на паливо, довгий час був одним з ключових джерел сировини для АЕС. У 1993 році США та Росія розпочали програму “Мегатони у мегавати”, за якою 20 тисяч ядерних боєголовок “переплавили” в енергетичний уран. В останні роки дії програми лише російський “збройний” уран забезпечував 13% світового попиту, витісняючи видобуток з уранових шахт.

У 2013 році російсько-американська угода завершилась. “Збройний” уран почав закінчуватись, але видобуток на шахтах не зріс – все зіпсувала аварія на “Фукусіма-1”. Таким чином уранові шахти протягом десятиліть залишалися недоінвестованими, а фінансування розвідки нових родовищ впало в рази.

Нові ядерні реактори потрібно не тільки запустити, але й зробити для них стратегічні запаси палива на роки вперед, як того вимагають норми безпеки. Отже, зараз світу потрібно багато урану і якомога швидше. WNA очікує , що до 2040 року попит на цю сировину подвоїться.

В ядерних арсеналах по всьому світу залишається близько 1500 тонн високозбагаченого урану. Якщо переробити половину з них у ядерне паливо, цього вистачило б покрити світовий попит на кілька років. Але сьогодні важко уявити, що ядерні країни підуть на масове скорочення арсеналів, адже ситуація у світі спонукає лише до їх нарощування.

З одного боку попит на уран зростатиме найшвидшими темпами за останні десятиліття, а з іншого – світ не матиме “плеча” у вигляді розбавленого “збройного” урану. Первинний же видобуток сировини страждає від хронічного недофінансування.

Вихід один – підвищити ціни, щоб привабити інвесторів. Лише за рік вартість урану на спотовому ринку зросла майже на 40% – до 73 дол за фунт (0,45 кг). І це лише початок.

Економічні складнощі не є вироком для галузі, однак це може загальмувати її розвиток. Ба більше, напруга, яка супроводжуватиме вирішення проблем з забезпечення ураном, зробить атомну енергетику вразливою перед ще одним викликом – геополітичним.

Війни, санкції та державні перевороти

Ядерні технологічні ланцюги розкидані по всій Земній кулі. І це велика проблема для світу, який все більше потопає у війнах та використовує торгівлю як зброю.

46% уранової руди добувається в Казахстані. Ця країна позиціює себе як нейтральна і не погрожує припиненням постачань. Однак логістичні шляхи до ЄС пролягають через РФ. Спроба західних компаній знайти альтернативні маршрути вже призвели до затримок . До того ж країну, затиснуту між Росією та Китаєм, важко назвати стабільною – у 2022 році там сталась спроба державного перевороту.

4% видобутку зосереджено у Нігері, де нещодавній державний переворот уже вдарив по постачанням урану для Франції. Частка здається невеликою, але в умовах напруженого ринку втрата цих обсягів може ще більше підігріти ціни. Ще 8% уранової руди добувається в Росії та Китаї, які зараз конфронтують із західними країнами.

На території України зосереджено 2% світових покладів урану. Це більше, ніж у будь-якій країні ЄС. Близькість до ринків збуту та високі світові ціни з роками стимулюватимуть і вітчизняну ядерну галузь.

Видобуток урану – це лише половина проблем. Картина стане ще складнішою, якщо подивитись на країни, які його збагачують. Передове місце тут посідає Росія, на заводи якої припадає третина всього світового збагаченого урану.

Захід боїться вводити санкції проти “Росатома”. Чому?

Росія володіє найбільшою кількістю вільних потужностей зі збагачення, а також єдина у світі здатна виробляти високопробний низькозбагачений уран (HALEU). Саме на ньому мають працювати новітні американські малі модульні реактори. Це вже не кажучи про те, що РФ є постачальником палива для 18-ти ядерних реакторів у країнах ЄС.

Оскільки “Росатом” є компанією-рейдером, яка захопила найбільшу в Європі Запорізьку АЕС, рано чи пізно вона опиниться під санкціями. Навіть загроза такого сценарію гальмує розвиток галузі та інвестиції в неї.

Майбутнє атомних електростанцій світу залежатиме від боротьби з геополітичними викликами та швидкістю перебудови технологічних ланцюгів під нові реалії. Отже, боротьба атомної енергетики тільки починається.

Можливості урану для енергетики

Навіщо потрібен уран? Раніше його застосовували як пігмент для виготовлення кераміки і кольорового скла. Тепер же уран – основа атомної енергетики і атомної зброї. При цьому використовується його унікальну властивість – здатність ядра ділитися.

АТОМНА ЕНЕРГІЯ – НАЙЕФЕКТИВНІША

Навіщо потрібна атомна енергетика? Радянські вчені, академіки Зельдович і Харитон, були в числі перших, хто порахував економічний ефект атомної енергетики ще в 1940 році, «… зараз ще не можна зробити остаточних висновків про можливість або неможливість здійснення в урані ядерної реакції поділу з нескінченно розгалужуються ланцюгами. Якщо така реакція може стати реальністю, то автоматично здійснюється регулювання швидкості реакції, що забезпечує спокійне її протікання, незважаючи на величезну кількість доступної експериментатора енергії. Ця обставина виключно сприятливо для енергетичного використання реакції. Наведемо тому – хоча це і є поділом шкури невбитого ведмедя – деякі числа, що характеризують можливості енергетичного використання урану. Якщо процес ділення йде на швидких нейтронах, отже, реакція захоплює основний ізотоп урану (U238), то вартість калорії з основного ізотопу урану виявляється приблизно в 4000 разів дешевше, ніж з вугілля ».

Першу керовану ланцюгову реакцію провів в 1942 році Енріко Фермі в Чиказькому університеті, причому управляли реактором вручну – задовго і висуваючи графітові стрижні при зміні потоку нейтронів. Перша електростанція була побудована в Обнінську в 1954 році. Крім вироблення енергії перші реактори працювали ще й на виробництво збройового плутонію.

ПРИНЦИПИ РОБОТИ АТОМНІЙ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Зараз більшість реакторів працюють на повільних нейтронах. Збагачений уран у вигляді металу, сплаву, наприклад, з алюмінієм або у вигляді оксиду складають в довгі циліндри – тепловиділяючі елементи. Їх певним чином встановлюють в реакторі, а між ними вводять стержні з сповільнювач, які і керують ланцюговою реакцією. Згодом в тепловиділяючі елементи накопичуються реакторні отрути – продукти поділу урану, також здатні поглинати нейтронів. Коли концентрація урану-235 падає нижче критичної, елемент виводять з експлуатації. Однак в ньому багато уламків поділу з сильною радіоактивністю, яка зменшується з роками, чому елементи ще довго виділяють значну кількість тепла. Їх витримують у охолоджуючих басейнах, а потім або ховають, або намагаються переробити – витягти незгорілий уран-235, напрацьований плутоній (він йшов на виготовлення атомних бомб) і інші ізотопи, яким можна знайти застосування. Невикористану частину відправляють в могильники.

У так званих реакторах на швидких нейтронах, або реакторах, навколо елементів встановлюють відбивачі з урану-238 або торію-232. Вони сповільнюють і відправляють назад в зону реакції занадто швидкі нейтрони. Уповільнені ж до резонансних швидкостей нейтрони поглинають названі ізотопи, перетворюючись відповідно в плутоній-239 або уран-233, які можуть використовуватися як для атомної станції. Так як швидкі нейтрони погано реагують з ураном-235, потрібно значно збільшувати його концентрацію, але це виправдовується більш сильним потоком нейтронів. Незважаючи на те що реактори-розмножувачі вважаються майбутнім атомної енергетики, оскільки дають більше ядерного палива, ніж витрачають, – досліди показали: управляти ними важко. Зараз в світі залишився лише один такий реактор – на четвертому енергоблоці Белоярской АЕС.

Урану на Землі не так уже й мало – за поширеністю він на 38-му місці. А найбільше цього елемента в осадових породах – вуглистих сланцях і фосфоритах. Всього в земній корі міститься 1014 тонн урану, але головна проблема в тому, що він дуже неуважний і не утворює потужних родовищ. Промислове значення мають приблизно 15 мінералів урану. Це уранова смілка – її основою служить оксид чотирьохвалентного урану, уранова слюдка – різні силікати, фосфати і більш складні з’єднання з ванадієм або титаном на основі шестивалентного урану.

В даний час видобуток радіоактивних руд ведеться усіма відомими в гірничорудній практиці способами: відкритим, підземним, комбінованим. Розсипних родовищ розробляють поки тільки відкритим способом.

На вибір способу видобутку уранової руди істотний вплив роблять технічні можливості і характеристики розвіданих уранових родовищ. На перших етапах розвитку уранової промисловості, коли основними об’єктами експлуатації були родовища гидротермального походження, майже вся уранова руда добувалася підземним способом.

У наступні роки були відкриті родовища зі значними запасами порівняно бідних руд, що залягають неглибоко від поверхні. Такі руди економічно доцільно добувати відкритим способом. У США, Канаді, Австралії та інших країнах значний обсяг руди видобувається саме так. В останні роки інтенсивно проводяться роботи з вишукування нових методів розробки, які дозволили б здешевити вартість видобутого металу і експлуатувати численні родовища з низьким вмістом урану.

Найбільш ефективними і часто вживаними способами переробки руд на уранових підприємствах є радіометричне збагачення і вилуговування видобуваються руд. Радіометричне збагачення контрастних руд по суті проводиться на всьому шляху проходження руди від вибою до збагачувальної фабрики. Руду і породу поділяють в забоях за допомогою польових радіометрів. По дорозі подальшого проходження руда піддається радіометричного контролю на спеціальних пунктах – радіометричних контрольних станціях (РКС). За допомогою РКС здійснюється відділення основної маси порожньої породи від руди (первинне збагачення) і поділ руди за змістом металу на задане число сортів для подальшої переробки. РКС встановлюються в підземних виробках і на поверхні. Бідна (позабалансовий) руда, як правило, піддається радіометричної сортування на спеціальних установках РАС, де виробляється відділення порожньої породи і переклад руди з позабалансовий до балансової. Радіометрична сортування (друга стадія радіометричного збагачення) організовується безпосередньо в надшахтних будівлях, будучи одним з ланок в загальній технології видобутку і переробки руди на шахті, або ж здійснюється на спеціальних радіометричних збагачувальних фабриках.

Основним паливом ядерних реакторів є діоксид урану, збагаченого по матеріалу, що поділяється ізотопу (урану-235). Тому після збагачення гексафторид урану необхідно перевести в більш зручну форму діоксиду. У свою чергу, з діоксиду урану пресують паливні таблетки, які розміщують всередині тонких цирконієвих трубок – тепловиділяючих елементів (твелів). З твелів збирають тепловиділяючі збірки, що розміщуються в ядерному реакторі.

НА СКІЛЬКИ ВИСТАЧИТЬ запасів?

Оцінка запасів урану в різних країнах весь час змінюється через розвідки нових родовищ і через відпрацювання старих. Крім того, змінюється оцінка доступних для розробки запасів (зрозуміло, що при ціні урану $ 20 / кг число розроблюваних родовищ буде набагато менше, ніж при ціні $ 200 / кг). Не дивно, що в 2006 році оцінка запасів дала дещо інші цифри розвіданих ресурсів (діоксиду урану, тис. Тонн, в дужках дані частки від світових запасів): Австралия 1 074 (0,3), Казахстан 622 0,17), Канада 439 ( 0,12), Південна Африка 298 (0,08), Намібія 213 (006), Росія 158 (0,04), Бразилія 143 (0,04), США 102 (0,03), Узбекистан 93 (0 , 03). Всього 3 622 000 тон. Зараз витрата складає 67000 тонн на рік, так що можна припустити, що за нинішньої технології запасів вистачить на 54 роки. Але ядерний реактор-розмножувач володіє чудовою здатністю, виробляючи енергію, в той же час виробляти ще й нове ядерне паливо. До того ж він працює на більш поширеному ізотопі урану-238 (перетворюючи його в матеріал, що ділиться плутоній). Вважається, що при використанні реакторів-розмножувачів запасів урану вистачить не менше ніж на 6000 років.

Факти та властивості елемента урану

Уран є елементом, добре відомим своєю радіоактивністю. Ось добірка фактів про хімічні та фізичні властивості цього металу.

Основні факти про уран

Атомний номер: 92

Атомна вага : 238,0289

Електронна конфігурація : [Rn]7s 2 5f 3 6d 1

Походження слова: названо на честь планети Уран

Ізотопи

Уран має шістнадцять ізотопів. Усі ізотопи є радіоактивними. Уран, що зустрічається в природі, містить приблизно 99,28305 мас.% U-238, 0,7110% U-235 і 0,0054% U-234. Масовий вміст U-235 у природному урані залежить від його джерела і може змінюватися на 0,1%.

Властивості урану

Зазвичай уран має валентність 6 або 4. Уран — це важкий, блискучий, сріблясто-білий метал, здатний надавати високу поліровість. Він демонструє три кристалографічні модифікації: альфа, бета і гамма. Він трохи м’якше сталі; недостатньо міцний, щоб подряпати скло. Він ковкий, пластичний і злегка парамагнітний. Під впливом повітря металевий уран покривається шаром оксиду. Кислоти розчинять метал, але на нього не впливають луги. Тонко подрібнений металевий уран приєднується холодною водою і є пірофорним. Кристали нітрату урану триболюмінесцентні. Уран і його (уранілові) сполуки є високотоксичними як хімічно, так і радіологічно.

Використання урану

Уран має велике значення як ядерне паливо. Ядерне паливо використовується для виробництва електроенергії, виробництва ізотопів і виробництва зброї. Вважається, що значна частина внутрішнього тепла Землі зумовлена ​​наявністю урану та торію. Уран-238 з періодом напіврозпаду 4,51 × 10 9 років використовується для оцінки віку вивержених порід. Уран можна використовувати для гартування та зміцнення сталі. Уран використовується в інерційних пристроях наведення, в гірокопасах, як противаги для поверхонь керування літаками, як баласт для ракетних боєприпасів, для захисту та для рентгенівських цілей. Нітрат можна використовувати як фототонер. Ацетат використовується в аналітичній хімії . Природна присутність урану в ґрунтах може свідчити про присутність радону та його дочірніх речовин. Солі урану використовувалися для виробництва жовтої «вазелінової» скляної та керамічної глазурі.

Джерела

Уран зустрічається в мінералах , включаючи настирову обманку, карнотит, клевеїт, аутуніт, уранініт, уранофан і торберніт. Він також міститься у фосфоритних породах, бурому вугіллі та монацитових пісках. Радій завжди пов’язаний з урановими рудами. Уран можна одержати відновленням галогенідів урану лужними або лужноземельними металами або відновленням оксидів урану кальцієм, вуглецем або алюмінієм при підвищених температурах. Метал може бути отриманий шляхом електролізу KUF ₅ або UF ₄ , розчинених у розплавленій суміші CaCl ₂ і NaCl. Уран високої чистоти можна отримати шляхом термічного розкладання галогенідів урану на гарячій нитці.

Класифікація елементів: радіоактивний рідкоземельний елемент (серія актинідів)

Відкриття: Мартін Клапрот 1789 (Німеччина), Пелігот 1841

Фізичні дані урану

Щільність (г/см3): 19.05

Точка плавлення (°K): 1405,5

Зовнішній вигляд: сріблясто-білий, щільний, пластичний і пластичний, радіоактивний метал

Атомний об’єм (куб/моль): 12,5

Іонний радіус : 80 (+6e) 97 (+4e)

Питома теплоємність (при 20°CJ/г моль): 0,115

Теплота синтезу (кДж/моль): 12,6

Теплота випаровування (кДж/моль): 417

Негативне число Полінга: 1,38

Енергія першої іонізації (кДж/моль): 686,4

Ступінь окислення : 6, 5, 4, 3

Структура решітки: ромбічна

Постійна решітки (Å): 2,850

Магнітне впорядкування: парамагнітне

Теплопровідність (300 K): 27,5 Вт·м−1·K−1

Теплове розширення (25°C): 13,9 мкм·м−1·K−1

Швидкість звуку (тонкий стрижень) (20°C): 3155 м/с

Модуль Юнга: 208 ГПа

Модуль зсуву : 111 ГПа

Об’ємний модуль: 100 ГПа

Коефіцієнт Пуассона: 0,23