Wydobycie i wstępny przerób rudy uranowej

Uran jest metalem ciężkim występującym powszechnie w przyrodzie, nie tylko w skałach ale też w wodzie, roślinach, zwierzętach a nawet w ciele człowieka. Dla celów przemysłowych największe znaczenie mają bloki skalne z dużą zawartością minerałów uranowych.

Najważniejszymi minerałami uranu są:

• blenda uranowa UO₂
• uraninit U₃O₈
• karnotyt K₂(UO₂)₂(VO₄)₂ • 3H₂O
• uranofan (H₃O)Ca[UO₂][SiO₄]₂ • 3H₂O

 

Istnieją 3 główne metody wydobywania uranu:

• odkrywkowa
• głębinowa (czyli typowa kopalnia, podobna do polskich kopalni węgla kamiennego na Śląsku)
• otworowa, inaczej trawienia podziemnego (ISL - In Situ Leaching) - polega na ługowaniu, upłynnaniu skały i wypompowywaniu jej na powierzchnię

Ruda wydobyta w kopalniach lub odkrywce musi być poddana wieloetapowej obróbce zanim zostanie z niej wyprodukowane paliwo jądrowe.

Kopalnia rudy uranowej McArthur River w Kanadzie (fot. Areva)

Pierwszym etapem obróbki po wydobyciu jest kruszenie bloków skalnych, mielenie i ługowanie - w rezultacie otrzymujemy tzw. yellowcake, czyli oczyszczony uraninit U₃O₈. Składa się on w ponad 99% z nierozszczepialnego izotopu U-238 i w mniej niż 1% z rozszczepialnego U-235 (a tylko ten może być wykorzystany jako normalne paliwo jądrowe). Warto tu dodać, że yellowcake jest towarem, którym handluje się na nowojorskiej giełdzie towarowej NYMEX.

Zasoby konwencjonalne

Dostępna ilość uranu jest silnie zależna od jego ceny rynkowej. Do roku 2001 cena uranu była wyjątkowo niska, rzędu 20$/kgU. Spowodowane było to przede wszystkim nadprodukcją przed 1990 rokiem i niezbyt przychylnym stosunkiem społeczeństw do energetyki jądrowej, przez co firmy energetyczne zgromadziły znaczne zapasy. Rozbrojenie jądrowe jeszcze bardziej obniżyło ceny, wprowadzając na rynek tani uran z demontowanych głowic jądrowych.

Obecnie zapasy pochodzące z rozbrojenia powoli się kończą, a groźba katastrofalnych zmian klimatycznych sprawia, że energia jądrowa z powrotem brana jest pod uwagę, przez co cena uranu znacząco wzrosła. W latach 2005-2007 nastąpiła „bańka uranowa” - szybki, lawinowy wzrost ceny do 300$/kgU. Obecnie (2014) cena ustabilizowała się wokół 70$/kgU. Umożliwia to prowadzenie wydobycia ze złóż, które dotychczas były nieopłacalne.

Rozpoznane zasoby uranu, które można wydobyć za cenę mniejszą niż 80$/kgU, oceniano w 2007 roku na 5 469 000 ton. IAEA szacuje, że zasoby te starczą na przynajmniej 100 lat pracy obecnie istniejących reaktorów, natomiast spodziewane odkrycia nowych złóż powinny wydłużyć ten czas do 300 lat. Cywilna energetyka jądrowa istnieje dopiero od 52 lat.

 

Tab. 1. Światowe zasoby rudy uranowej (znane i szacowane do kosztów wydobycia nie przekraczających 130$/kg).

Państwo Zasoby w tonach % zasobów światowych Australia 1 661 600 31% Kazachstan 629 100 12% Rosja 487 200 9% Kanada 468 700 9% Niger 421 000 8% RPA 279 100 5% Brazylia 276 700 5% Namibia 261 000 5% USA 207 400 4% Chiny 166 100 3% Ukraina 119 600 2% Uzbekistan 96 200 2% Mongolia 55 700 1% Tanzania 36 700 1% Jordania 33 800 1% Argentyna 18 500 <1% Malawi 12 300 <1% Republika Środkowoafrykańska 12 000 <1% Szwecja 10 000 <1% pozostałe państwa 74 500 1% świat łącznie 5 327 200 100%*

źródło: OECD NEA & IAEA, Uranium 2012: Resources, Production and Demand ("Red Book")

Chodnik wydobywczy w kopalni McArthur River w Kanadzie (fot. Cameco)

* suma wierszy może dać wynik wyższy niż 100 ze względu na zaokrąglenia.

 

Tab. 2. Wydobycie rudy uranowej w latach 2002-2008 (tony U):

Państwo	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
Kazachstan	2 800	3 300	3 719	4 357	5 279	6 637	8 521	14 020	17 803	19 451	21 317
Kanada	11 604	10 457	11 597	11 628	9 862	9 476	9 000	10 173	9 783	9 145	8 999
Australia	6 854	7 572	8 982	9 516	7 593	8 611	8 430	7 982	5 900	5 983	6 991
Niger	3 075	3 143	3 282	3 093	3 434	3 153	3 032	3 243	4 198	4 351	4 667
Namibia	2 333	2 036	3 038	3 147	3 067	2 879	4 366	4 626	4 496	3 258	4 495
Rosja	2 900	3 150	3 200	3 431	3 262	3 413	3 521	3 564	3 562	2 993	2 872
Uzbekistan	1 860	1 598	2 016	2 300	2 260	2 320	2 338	2 429	2 400	2 500	2 400
USA	919	779	878	1 039	1 672	1 654	1 430	1 453	1 660	1 537	1 596
Chiny	730	750	750	750	750	712	769	750	827	885	1 500
Malawi	0	0	0	0	0	0	0	104	670	846	1 101
Ukraina	800	800	800	800	800	846	800	840	850	890	960
RPA	824	758	755	674	534	539	655	563	583	582	465
Indie	230	230	230	230	177	270	271	290	400	400	385
Brazylia	270	310	300	110	190	306	330	345	148	265	231
Czechy	465	452	412	408	359	306	263	258	254	229	228
Rumunia				90	90	77	77	75	77	77	90
Niemcy				94	65	41	0	0	8	51	50
Pakistan				45	45	45	45	50	45	45	45
Francja				7	5	4	5	8	7	6	3
Całkowita światowa produkcja [tU]	36 063	35 613	40 251	41 702	39 429	41 282	43 764	50 772	53 671	53 493	58 394
Produkcja w tonach U3O8	42 529	41 998	47 468	49 179	46 499	48 683	51 611	59 875	63 295	63 084	68 864
Stopień pokrycia zapotrzebowania światowego				65%	63%	64%	68%	78%	78%	85%	86%

źródła: World Nuclear Association (WNA Market Report)

 

Z tabeli powyżej wynika, że w ostatnich latach znacząco wzrosło wydobycie uranu w Kazachstanie i państwach afrykańskich. Jest to spowodowane dwoma czynnikami:

• niższymi kosztami wydobycia rudy w Kazachstanie i Afryce;
• generalnymi założeniami polityki surowcowo-energetycznej większości państw zachodnich, która przewiduje jak najdłuższe utrzymanie własnych zasobów ze względów strategicznych i bezpieczeństwa państwa.

Ilość uranu nadającego się do wydobycia zależy głównie od ceny, jaką gotowi jesteśmy za uran płacić. Przez wiele lat cena uranu była niska, rzędu 25-50 USD/kg, co nie sprzyjało prowadzeniu eksploracji i zagospodarowywaniu nowych złóż uranu. Obecnie cena uranu wzrosła znacznie, co spowodowało wzrost intensywności poszukiwań uranu a jednocześnie umożliwiło otwarcie i eksploatację kopalni, które przedtem były nieopłacalne. Zjawisko wzrostu ilości odkrytych zasobów przy wzroście cen jest normalne, dzieje się tak ze wszystkimi minerałami i uran nie jest wyjątkiem. Wielkość znanych zasobów uranu, których wydobycie jest opłacalne przy aktualnej cenie rynkowej, rośnie z każdym rokiem. Według najnowszej oceny uzgodnionej po starannym rozważeniu w komisjach Parlamentu Europejskiego, uranu w znanych zasobach wystarczy na 200 lat, a rozwój technologii jądrowej stwarza perspektywę że uranu wystarczy na tysiące lat (Rezolucja Parlamentu Europejskiego (2007 / 2091 (INI) z 24 października 2007 roku o źródłach energii konwencjonalnej oraz technologiach energetycznych).

Tego samego zdania są rządy USA, Rosji, Francji, W. Brytanii, Japonii, Chin, Indii, a także takich krajów jak Finlandia czy Czechy.

W perspektywie 20-30 lat wprowadzenie prędkich reaktorów powielających doskonalonych obecnie w ramach programu rozwoju EJ IV Generacji zapewni możliwość wykorzystania zarówno wypalonego paliwa z obecnie pracujących reaktorów jak i zapasów uranu zubożonego pozostałego po procesie wzbogacania. Pozwoli to przedłużyć czas pracy energetyki jądrowej przy użyciu tylko obecnych zasobów na tysiące lat, jak pokazuje Tabela 3.

 

Tab. 3. Okres w latach na jaki wystarczy uranu przy obecnej mocy elektrowni jądrowych z uwzględnieniem różnych zasobów i technologii cyklu paliwowego.*

Kategoria zasobów**	Zidentyfikowane	Wszystkie konwencjonalne	Konwencjonalne i niekonwencjonalne, w tym fosforyty
Reaktory LWR/ Obecny cykl otwarty	100	300***	1690
Prędkie reaktory powielające, recykling Pu	3070	8990	56 680
Prędkie reaktory powielające recykling uranu i aktynowców / cykl zamknięty	24 000	71 000	472 000

* IAEA: Climate change and nuclear power 2008, Vienna, International Atomic Energy Agency, p.29.

** Źródła, które mają udokumentowaną historię wydobywania uranu jako produktu lub współ-produktu lub zaliczane są do źródeł konwencjonalnych. Źródła o bardzo niskiej zawartości uranu w rudzie lub te, w których uran jest tylko produktem ubocznym, klasyfikowane są jako źródła niekonwencjonalne. Zidentyfikowane rezerwy oznaczają znane handlowe ilości uranu, które można zyskać przy obecnie stosowanej technologii i po określonej cenie. Ponadto istnieją oceny dodatkowych lub perspektywicznych rezerw stanowiących przedłużenie złóż udokumentowanych lub nowe złoża, których oczekuje się w oparciu o dobrze określone dane geologiczne. Ocena ich ilości jest obarczona większą niepewnością.

*** Uwaga - okres 300 lat jest dłuższy od podanego w rezolucji Parlamentu Europejskiego, bo tabela 3. opiera się na danych z końca 2008 roku, a uchwała PE była podjęta o rok wcześniej. Jest to dobrą ilustracją tempa w jakim przybywa znanych złóż uranu dzięki wzmożonej eksploracji.

 

Należy zaznaczyć, że przejście od wydobycia uranu z rudy powyżej 200 ppm do powyżej 100 ppm oznacza wzrost zasobów 20 razy!

 

Zasoby niekonwencjonalne

Uran często występuje w niewielkich stężeniach wraz z innymi minerałami. Kopalnia Olympic Dam w Australii, mająca największe znane złoże uranu, wydobywa głównie miedź. W roztworach z ługowania miedzi jest od 1 do 40 ppm uranu. Wyoming Mineral Corporation (WMC), należące do amerykańskiego Westinghouse`a, w latach siedemdziesiątych testowało instalację uzyskiwania uranu z roztworu z ługowania rud miedzi zwierającego ok. 5 ppm U i produkowało ok. 75 ton U₃O₈ rocznie.

Fosforyty lądowe zawierają ok 50 - 200 ppm, morskie 6 - 120 ppm, lądowe typu organicznego do 600 ppm. W latach 90. USA pozyskiwało 20% krajowej produkcji uranu ze złóż fosforanów na Florydzie, jednak później przestało się to opłacać. Wzrost cen uranu może jednak otworzyć drogę do ponownej eksploatacji tych ogromnych zasobów. Uran zawarty w znanych złożach fosforanów w połączeniu z zasobami konwencjonalnymi wystarczy na 1690 lat pracy działających dziś reaktorów.

W procesie produkcji kwasu fosforowego U przechodzi do roztworu i dzisiaj jest bezproduktywnie rozsiewany z nawozami fosforowymi po polach. W świecie istnieje ok. 400 fabryk kwasu fosforowego opartych o mokry proces (zawartość U 40 -300 g na tonę roztworu) w których można by odzyskać 4 – 11 tysięcy ton uranu rocznie. W latach siedemdziesiątych w USA zbudowano 8 instalacji do odzysku uranu z kwasu fosforowego, podobne instalacje istniały w Kanadzie, Hiszpanii, Belgii, Izraelu i na Tajwanie. W Polsce, Politechnika Wrocławska we współpracy z IChTJ (projekt kierowany przez prof. Henryka Góreckiego) zbudowała instalację pilotową w ZCh Police.

W niektórych krajach istnieją złoża węgla o podwyższonej zawartości uranu. W chińskiej prowincji Yunnan węgiel zawiera do 315 ppm U. Hałda popiołu pochodzącego z chińskiej elektrowni węglowej Xiaolongtang zawiera ponad 1000 ton uranu, a co roku przybywa kolejne 190 ton. Kanadyjska firma poszukiwawczo-wydobywcza Sparton Resources we współpracy z władzami i firmami chińskimi prowadzi w okolicy elektrowni zakład doświadczalno-produkcyjny U₃O₈ wydobytego z popiołu węglowego.

Reaktory prędkie

Obecnie stosowany cykl paliwowy, zakładający jednorazowe wypalenie paliwa w reaktorach wodnych ciśnieniowych, a następnie ewentualne odzyskanie plutonu, jest mało wydajny. W reaktorze zużywane jest zaledwie 1-2% energii zawartej w rudzie uranowej. Uran-238, który stanowi ogromną większość naturalnego uranu, jest wykorzystywany w bardzo niewielkim stopniu. Lepszą wydajnością charakteryzują się reaktory prędkie. Reaktory takie są trudniejsze do zaprojektowania i na chwilę obecną znacznie droższe w budowie i utrzymaniu od reaktorów wodnych. Mimo to zebrano ponad 200 reaktorolat doświadczenia w ich obsłudze w ramach projektów badawczych, przede wszystkim we Francji, Rosji i Japonii. Obecnie w ramach inicjatywy Generation IV International Forum prowadzone są prace nad bardziej ekonomicznymi w eksploatacji projektami reaktorów prędkich, które powinny być dostępne handlowo około 2030 roku. Przy zastosowaniu reaktorów prędkich z pełnym recyklingiem aktynowców, uran zawarty w zasobach konwencjonalnych i fosforanach wystarczy na 472 000 lat.

Uran z morza - odnawialne źródło energii

Metr sześcienny morskiej wody zawiera średnio 3 mg uranu. Oceany Ziemi zawierają 4,6 miliarda ton uranu – 840 razy więcej, niż znane zasoby konwencjonalne. Dodatkowo jest ono wciąż uzupełniane przez rzeki, które wprowadzają do oceanów 32 000 ton uranu rocznie. Uran z morza stanowi zatem obfite, odnawialne źródło energii.

Japońscy naukowcy opracowali prostą metodę wydobycia uranu z wody morskiej. Polega ona na wrzuceniu do oceanu klatek wypełnionych żywicą jonowymienną, która selektywnie wiąże metale ciężkie (w tym uran), pozostawieniu ich na kilka miesięcy, a następnie wymyciu zgromadzonego uranu kwasem solnym. Zastosowaną żywicę można używać wielokrotnie. W swoim eksperymencie badacze otrzymali w ten sposób około 1 kg uranu w postaci (NH₄)₂U₂O₇. Koszt przy zastosowaniu procesu w dużej skali szacuje się na 250$/kgU – porównywalny z najwyższą ceną uranu w 2007 roku.

 

 

autorzy: Łukasz Kuźniarski (IEA POLATOM), Krzysztof Kosiński (Uniwersytet Warszawski)

Wykorzystano m.in. fragmenty artykułu prof. dr. hab. inż. Andrzeja G. Chmielewskiego (IChTJ), Na jak długo wystarczy pierwiastków rozszczepialnych?, sympozjum II Szkoła Energetyki Jądrowej, 3-5.11.2009, Warszawa

 

Następne etapy cyklu paliwowego to konwersja i wzbogacanie.

 

ZOBACZ TEŻ:

• Zasoby uranu w Polsce
• Wydobycie uranu w Polsce do 1973