Skąd paliwo dla elektrowni jądrowych w Polsce?

Skąd paliwo dla elektrowni jądrowych w Polsce?
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W artykule przedstawiono w zarysie główne aspekty zapewnienia paliwa dla reaktorów energetycznych, mając na uwadze przyszłe potrzeby energetyki jądrowej w Polsce. Oceniono wielkość jednostkowego za-potrzebowania reaktorów na uran naturalny oraz na usługi cyklu paliwowego, których końcowym efektem jest wytworzone paliwo jądrowe.

Streszczenie

Przedstawiono wielkości geologicznych zasobów uranu na świecie w po-dziale na ich kategorie, ze wskazaniem ich geograficznego rozkładu, a także wielkości jego wydobycia. Omówiono rodzaje i znaczenie możliwych źródeł wtórnych, powodujących zmniejszenie zapotrzebowania na uran naturalny oraz na określone usługi w procesie wytwarzania paliwa. Przedstawiono również aktualny potencjał przemysłu jądrowego cyklu paliwowego oraz perspektywy jego dostosowania do przyszłych potrzeb. W ocenach i wnioskach stwierdzono, że mimo iż Polska praktycznie nie posiada zasobów uranu nadających się do eksploatacji, to zaopatrzenie w paliwo planowanych elektrowni jądrowych będzie zapewnione w całym okresie ich eksploatacji.

Wprowadzenie

Jednym z argumentów przemawiających za budową elektrowni jądrowych w Polsce jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Oznacza to, że dostawy paliwa uranowego dla reaktorów muszą być zapewnione w ciągu całego okresu ich eksploatacji.

Polska, która jest pod względem geologicznych zasobów uranu dobrze poznana, posiada ich niewiele. Według ocen Państwowego Instytutu Geologicznego krajowe złoża można uznać jedynie za wystąpienia rud uranu o charakterze prognostycznym lub perspektywicznym, zlokalizowane w trudnych warunkach geologiczno-górniczych oraz środowiskowo-krajobrazowych [1]. Wydobycie uranu w Polsce należy więc uważać za mało prawdopodobne, wobec czego uran do polskich reaktorów będzie musiał być sprowadzany z za-granicy. Będzie temu towarzyszył także import usług cyklu paliwowego, niezbędnych do otrzymania paliwa w takiej postaci, w jakiej jest ono wprowadzane do reaktora. Można więc postawić pytanie, czy w tych warunkach w całym okresie eksploatacji elektrowni jądrowych, które planuje się wybudować w Polsce, możliwe będzie zapewnienie do nich paliwa. Jest to pytanie tym bardziej zasadne, że reaktory energetyczne są inwestycjami kosztownymi, a czas ich eksploatacji będzie wynosił co najmniej 60 lat. Celem tego artykułu jest przedstawienie informacji i argumentów przemawiających za pozytywną odpowiedzią na sformułowane wyżej pytanie.

Co to jest paliwo jądrowe?

Paliwo jądrowe jest wysoko przetworzonym produktem, który zawiera materiał jądrowy zawarty w czystym związku chemicznym. W przypadku reaktorów lekkowodnych, które obecnie dominują w światowej energetyce jądrowej, materiałem tym jest niskowzbogacony uran (ang. low enriched uranium, w skrócie LEU).

Wydobywany z zasobów geologicznych ziemi uran naturalny stanowi źródło pierwotne surowca niezbędnego do wytwarzania paliwa jądrowego. Od momentu wydobycia rudy lub innego nośnika uranu zaczyna się cykl paliwowy energetyki jądrowej. Jego pierwszym etapem jest uzyskanie koncentratu uranu w proce-sie dostosowanym do sposobu wydobycia uranu ze złoża. Ma to miejsce normalnie na terenie kopalni lub w pobliskim zakładzie obsługującym często więcej kopalń. Koncentrat uranowy zawiera głównie związek U3O8 zmieszany z innymi tlenkami uranu. Jest to postać uranu naturalnego, w której trafia on na rynek. Uran w tej postaci jest dalej poddawany przetwarzaniu zanim w postaci gotowego paliwa, jak na rys.1, zostanie załadowany do reaktora W przypadku reaktorów lekkowodnych frontowymi etapami cyklu paliwowego są:
• Konwersja koncentratu uranu do postaci czystego UF6
• Wzbogacanie izotopowe do poziomu koncentracji U-235 wymaganej dla paliwa danego reaktora
• Re-konwersja wzbogaconego UF6 do postaci tlenkowej UO2 i wytworzenie zespołów paliwowych.

Konwersja koncentratu uranu do postaci czystego UF6 jest niezbędna jako etap poprzedzający wzbogacanie izotopowe, ze względu na to, że związek ten łatwo przyjmuje postać gazową wymaganą przy obecnie stosowanych technologiach wzbogacania. Paliwo reaktorów lekkowodnych generacji III i III+, jak np. EPR oferowane przez firmę AREVA, wymaga wzbogacenia uranu do 5%, za wyjątkiem pierwszego załadunku rdzenia reaktora, kiedy wzbogacenie jest normalnie niższe.

Po uzyskaniu wzbogaconego izotopowo UF6 niezbędne jest przeprowadzenie jego re-konwersji do postaci UO2. Następuje ona najczęściej w zakładach wytwarzających gotowe paliwo. Uran w tej postaci podlega dalszym operacjom, na które się składają: wytworzenie ceramicznych pastylek paliwowych, załadowanie ich do długich rurek z odpowiedniego stopu, wy-konanie prętów paliwowych przez wypełnienie rurek z pastylkami gazem szlachetnym oraz ich hermetyzację, a na końcu montaż prętów w zestawy paliwowe (pokazane na rys.1). W odróżnieniu od produktów z poprzednich etapów cyklu paliwowego, zestawy paliwa jądrowego stanowią produkt przemysłowy o wysokiej jakości, spełniający indywidualne wymagania klienta wynikające z charakterystyk fizycznych reaktora, sposobu jego eksploatacji, strategii zarzadzania cyklem paliwowym przez użytkownika, jak również z wymagań w zakresie odpowiedzialności za (ewentualne) szkody jądrowe na poziomie krajowym, a nawet regionalnym, jak również z wymagań określonych w zezwoleniu na eksploatacje reaktora. Wynika stąd, że wybór producenta paliwa jest krokiem szczególnie odpowiedzialnym i ma swoje ograniczenia.

Zapotrzebowanie reaktorów energetycznych na uran naturalny

Pochylając się nad kwestią zapewnienia niezbędnej ilości paliwa do reaktorów w długim, a nawet bardzo długim, okresie czasu trzeba:
• Określić zapotrzebowanie na paliwo reaktorowe, a następnie przyjmując pewne założenia, określić potrzebne ilości uranu naturalnego (NU) oraz wymaganą wielkość usług frontowego cyklu paliwowe-go począwszy od konwersji koncentratu uranu
• Ocenić możliwe źródła uranu naturalnego
• Ocenić możliwości wykorzystania źródeł wtórnych, które mogą zapewnić ekwiwalent uranu naturalnego (NUE) i przez to zmniejszyć zapotrzebowanie na uran naturalny (pierwotny), oraz na wielkość niezbędnych usług w zakresie konwersji i wzbogacania izotopowego
• Ocenić możliwości zapewnienia koniecznych usług cyklu paliwowego: konwersji, wzbogacania izotopowego oraz wytwarzania gotowego paliwa (wraz z re-konwersją UF6)
• Ocenić wpływ możliwych zmian przyjętych założeń na wielkość zapotrzebowania aby znaleźć odpowiedź - czy, przy spełnieniu jakich warunków, oraz w jakim stopniu można to zapotrzebowanie zmniejszyć.

Przy ocenach zdolności światowych w zakresie pokrycia zapotrzebowania na paliwo jądrowe ustala się średnie roczne zapotrzebowanie reaktorów na 1 000 MWe ich mocy w zależności od:
• Typu reaktora i jego nowoczesności
• Wskaźnika uranu zubożonego (ang. tails assay), czyli resztkowej koncentracji U-235 w uranie zubożonym
• Współczynnika wykorzystania reaktora

Reaktory generacji III, które będą budowane w Polsce, będą potrzebowały do wytworzenia tej samej ilości energii mniej paliwa, niż reaktory starszych typów. Ma na to wpływ głównie zwiększenie stopnia wypalenia paliwa w reaktorze, nawet do 65 000 GWd/tHM, co osiąga się na drodze większego wzbogacenia uranu (do 5%). Osiąga się przez to oszczędność ok. 6% uranu naturalnego kosztem zwiększenia pracy rozdzielania izotopowego o 2% w stosunku do reaktorów poprzedniej generacji.

Praca rozdzielania (ang. separative work) jest to wielkość proporcjonalna do energii włożonej w rozdzielanie izotopów, wyrażana w jednostkach SWU (ang. separative work unit) mająca wymiar masy - kg. Jednostka tysiąc razy większą jest tSWU. W ostatnich latach zakończony został proces przestawiania przemysłu zajmującego się

OECD/NEA [2] zapotrzebowania na uran przyjmowano jego wartość na poziomie 0,3%, podczas gdy dwa lata później [3] - na poziomie 0,2%.

W przypadku Wpływ zmiany wskaźnika uranu zubożonego na zużycie uranu pierwotnego oraz na wielkość niezbędnej pracy rozdzielania przedstawia rys.2.

Przykładowe liczby dla zależności przedstawionych na rys.2 w przypadku uranu wzbogaconego do 5% podane są w tabeli 1.

Dla określonych cen uranu naturalnego oraz usług wzbogacania (wyrażonych w jednostkach pracy rozdzielania SWU) zawsze istnieje optymalna wartość wskaźnika uranu zubożonego, dla którego łączne kosz

ty uranu i usług wzbogacania będą minimalne. Wg danych amerykańskiej firmy konsultingowej UxC optymalny wskaźnik dla cen spotowych wynosił z końcem grudnia 2014 r. nieco ponad 0,21%. Można oczekiwać, że z biegiem czasu optymalny wskaźnik będzie dalej się zmniejszał.

Jakie ilości uranu będą potrzebne w Polsce przy założeniu, że wypalone paliwo nie będzie przerabiane?

World Nuclear Association (WNA) w materiale z października 2014 r. [4] podaje następujące dane dotyczące rocznego zapotrzebowania na paliwo reaktorów lekkowodnych III generacji takich jak EPR, które stanowią jeden z możliwych wyborów dla elektrowni w Polsce. Zapotrzebowanie to, liczone na 1000 MWe i przy założeniu współczynnika wykorzystania reaktora jako 100%, oceniono na 15,6 ton zawartego w gotowym paliwie uranu wzbogaconego. Przy założeniu wskaźnika uranu zubożonego na poziomie 0,2% do uzyskania tej ilości paliwa potrzeba 145 ton uranu naturalnego oraz 145 000 SWU (145 tSWU).

Jeżeli przyjąć, że w okresie uruchamiania pierwszego w kraju reaktora energetycznego, optymalny wskaźnik uranu zubożonego będzie wynosił ok. 0,15%, to roczne zapotrzebowanie na uran naturalny na 1000 MWe będzie wynosiło ok. 137 ton/rok, zaś na pracę rozdzielania ok. 166 tSWU.

Program Polskiej Energetyki Jądrowej (PPEJ) przewiduje uruchomienie w latach 2025 - 2035 reaktorów energetycznych o łącznej mocy 6 000 MWe. Przyjmując, że wskaźnik uranu zubożonego na poziomie 0,15% będzie obowiązywał przez cały okres 60 - 80 lat eksploatacji tych reaktorów, to ich łączne zapotrzebowanie w całym tym okresie może wynieść 49 320 - 65 760 ton uranu naturalnego oraz 59 615 - 79 487 tSWU. W rzeczywistości podane wyżej liczby będą jeszcze mniejsze, jeżeli uwzględni się współ-czynnik wykorzystania reaktora bliższy rzeczywistości, typowo ok. 90%. W opracowaniach z lat wcześniej-szych [5], bazujących na założeniach dotyczących raczej dla reaktorów II generacji oraz wyższego wskaźnika uranu zubożonego, można spotkać liczby o wiele większe. W miarę upływu lat, dzięki wprowadzaniu do eksploatacji coraz nowocześniejszych technologii wzbogacania uranu, można oczekiwać dalszego zmniejszania wielkości optymalnego wskaźnika uranu zubożonego. Proces ten będzie prowadził do dalsze-go zmniejszenia zapotrzebowania jednostkowego na uran oraz usługi konwersji, oraz do wzrostu zapotrzebowania na usługi wzbogacania izotopowego, w stopniu ukazanym na rys.2 i w tabeli 1.

Klasyfikacja zasobów uranu

Do oceny geologicznych zasobów uranu na świecie, stanowiących jego źródło pierwotne, trzeba wyjaśnić o jakiego rodzaju zasobach jest mowa. Najczęściej stosowana jest przedstawiona niżej klasyfikacja wg OECD/NEA i IAEA. Przede wszystkim dzieli się je na konwencjonalne i niekonwencjonalne.

Zasobami konwencjonalnymi są te, które pozwalają na technicznie możliwą i ekonomicznie rentowną produkcję odpowiednio do warunków występujących na etapie prowadzonych prac, przy czym uran może być uzyskiwany jako produkt, współprodukt lub produkt uboczny. Na przykład w kopalni miedzi Olympic Dam w Australii uran jest co-produktem a w kopalni złota Anglo-Gold w Południowej Afryce - produktem ubocznym.

Zasoby konwencjonalne dzielą się na zasoby rozpoznane (nazywane także w polskich opracowaniach zasobami zidentyfikowanymi) (ang. Known Recoverable Resources), na które składają się zasoby racjonalnie pewne (ang. Reasonably Assured Resources - RAR) i zasoby przypuszczalne (ang. Inferred Resources - IR), oraz zasoby nierozpoznane (ang.Undiscovered Resources), na które składają się zasoby prognozowane (ang. Undiscovered Prognosticated Resources - UPR) i spekulatywne (ang. Undiscovered Speculative Resources - USR).

Zasoby nierozpoznane są szacowane jedynie na podstawie wiedzy o strukturach geologicznych, o których wiadomo że muszą zawierać uran.

Stosowany obecnie podział zasobów konwencjonalnych uranu na kategorie przedstawia rys. 3.

Zasoby niekonwencjonalne są to takie zasoby, w których uran występuje w bardzo małych koncentracjach. Wówczas jego pozyskanie może być opłacalne, na przykład przy okazji wydobycia innych współobecnych interesujących surowców, lub w przypadku zastosowania nietypowych technologii wydobycia.

Światowe rozpoznane zasoby uranu

Wielkość światowych zasobów uranu, określona na podstawie informacji nadesłanych przez poszczególne państwa, podawana jest do wiadomości co dwa lata w przygotowywanym przez OECD/NEA - IAEA obszernym raporcie zwanym potocznie "Red Book". Najnowszy taki raport ukazał się we wrześniu 2014 r. [3] i zawiera dane wg stanu na koniec 2013 r.

Przedstawiane w Red Book rozpoznane zasoby uranu dzieli się obecnie na cztery grupy, określające maksymalne koszty jego wydobycia. Przyjęto także dla wygody robocze określenia dla zasobów zaliczanych do dwóch grup kosztowych, które na dzień dzisiejszy są następujące:
• Zasoby w grupie kosztowej • Zasoby w grupie kosztowej
Wielkość światowych konwencjonalnych zasobów uranu na koniec 2013 r. przedstawia tabela 2.

Przedstawione wyżej wielkości światowych zasobów rozpoznanych wg stanu z końca 2013 r. są dzięki intensywnie prowadzonym poszukiwaniom o 21.% wyższe niż cztery lata wcześniej. Wzrost tych zasobów miał miejsce przy jednoczesnym wzroście wydobycia uranu, które w latach 2003 - 2013 zwiększyło się z ok. 36 000 do ok. 59 000 tU/rok. Dane dotyczące zasobów nierozpoznanych są niepełne, np. brak ich w przypadku USA. Wraz ze wzrostem zasobów rozpoznanych nastąpiło ich przesunięcie z grupy kosztowej, określanej jako opłacalna do grupy o kosztach wydobycia
Zasoby nierozpoznane są bardzo znaczne. W skali świata w 2013 r. wynosiły one łącznie w obu kategoriach, wraz z zasobami o nieokreślonych kosztach wydobycia, 7 697 700 tU i były większe niż dwa lata wcześniej o 102 400 tU. Liczba ta obejmuje 1 755 500 tU w zasobach prognozowanych, 5 942 200 tU w zasobach spekulatywnych, a także (nie wykazaną w tabeli 2) ilość 2 995 700 tU o nieokreślonych kosztach wydobycia.

Znaczne zasoby nierozpoznane sygnalizuje się w przypadku krajów posiadających już liczące się zasoby rozpoznane, zwłaszcza Brazylii, Kanady, Kazachstanu, Namibii, Rosji, RPA i Ukrainy. Sygnalizuje się je tak-że w przypadku Kolumbii, Wenezueli i Wietnamu. Możliwość występowania szczególnie dużych złóż, obecnie zaliczonych do spekulatywnych, ma miejsce w przypadku Mongolii (1 390 000 tU) oraz RPA (1 113 000 tU). Nie jest zanana wielkość zasobów nierozpoznanych w USA, ale prawdopodobnie one także są bardzo duże. Z pośród krajów europejskich na uwagę zasługują szczególnie Czechy, dla których podaje się wiel-kość 240 000 tU.

Rozmieszczenie geograficzne światowych rozpoznanych zasobów uranu

Zasoby uranu znajdują się na całym świecie, choć Europa jest pod tym względem raczej upośledzona i obecnie prawie cały zużywany w niej uran jest importowany z innych kontynentów.

Względne wielkości przemysłowych (wydobywalnych) zasobów rozpoznanych (RAR + IR), w rozbiciu na poszczególne kraje ukazuje rys.5.

W miarę zużywania się zasobów uranu zaliczanych do niższych grup kosztowych uwaga wydobywców i na-bywców uranu będzie się skupiać na zasobach o wyższych kosztach. Wielkości tych zasobów w liczbach względnych, w podziale na poszczególne kraje, przedstawia następujący rys.6. Rys.6. Zasoby rozpoznane uranu zaliczone do grupy kosztowej
Tylko w dwóch krajach europejskich znajdują się stosunkowo duże zasoby rozpoznane uranu. Są nimi Czechy i Grenlandia (wg Red Book 2014). W pierwszym z nich jest to ok. 120 000 tU, z czego 51 000 jako zasoby racjonalnie pewne. W przypadku Grenlandii są to zasoby przypuszczalne o wielkości 221 000 tU (dwa lata wcześniej oceniano je na 135 000 tU). Występują one w połączeniu z metalami ziem rzadkich, Zasoby w tych dwóch krajach (za wyjątkiem niewielkiej ilości o niższych kosztach w Czechach) zalicza się do najwyższej grupy kosztowej.

Zasoby niekonwencjonalne uranu

Niekonwencjonalne zasoby uranu stanowią poważne uzupełnienie zasobów konwencjonalnych. Wg Red Book 2014 wynoszą one od 7,3 do 8,4 mln ton U, z czego ponad 90% znajduje się w fosforytach w Maro-ko. Fosforyty były do niedawna jedynym zaliczanym do tej kategorii źródłem uranu o znaczeniu praktycznym. Zawartość w nich uranu mieści się normalnie w przedziale od 70 do 200 ppm (0,007 - 0,02%), ale zdarza się nawet 800 ppm. Pozyskiwanie uranu z fosforytów było przez długi okres czasu nieopłacalne, a jego zasoby powoli maleją w miarę ich eksploatacji do celów produkcji kwasu fosforowego i nawozów sztucznych. Jednak możliwości pokrycia zapotrzebowania energetyki jądrowej na uran z tego źródła pozo-stają niebagatelne. Prowadzone obecnie w USA badania nowej, australijskiej technologii pozyskiwania uranu z tego źródła, stwarzają poważne szanse na jej wdrożenie, gdy tylko rynkowe ceny uranu wzrosną do poziomu zapewniającego opłacalność tego przedsięwzięcia.

Drugim co do potencjalnych możliwości wykorzystania są łupki czarne. Red Book 2014 wskazuje na wy-stępowanie w tym nośniku 967 600 ton uranu w Szwecji (w poprzedniej edycji Red Book [2] podawano jeszcze tylko wielkość 60 000 tU).

Dotychczasowe dane dotyczące ilości uranu zawartych we wszystkich rodzajach zasobów niekonwencjonalnych w skali światowej wydają się być znacznie zaniżone, ponieważ albo nie były one dotąd raportowane w sposób systematyczny, albo niektóre kraje w ogóle nie udostępniały odpowiednich informacji.

Na jak długo mogą wystarczyć światowe zasoby uranu. Problemy prognozowania

W różnych publikacjach stwierdza się, że przy zapotrzebowaniu elektrowni jądrowych, takim jakie jest ono obecnie, uranu w zasobach ziemskich wystarczy na około 100 lub więcej lat, zależnie od tego jakie kategorie tych zasobów bierze się pod uwagę. Korzystając z zawartych w tym artykule liczb dotyczących 2013 r. można dokonać następujących ocen: dla zapotrzebowania na obecnym poziomie zawartość zasobów rozpoznanych wydobywalnych (˂ 130 USD/kgU) wystarczyłaby na 99 lat, wszystkich zasobów rozpoznanych o kosztach określonych (˂ 260 USD/kgU) - na 128 lat, zasobów rozpoznanych i nierozpoznanych o kosztach określonych - łącznie na 207 lat, zaś zasobów rozpoznanych i nierozpoznanych o kosztach określonych i nieokreślonych - łącznie na 257 lat. Gdyby wydobywać uran z fosforytów, to wystarczyłoby go na dodatkowych 115 - 120 lat. Jeżeli moc energetyka jądrowej będzie wzrastać, do czego będzie potrzeba rocznie coraz więcej uranu, to jego zasoby nadające się do opłacalnej eksploatacji będą się oczywiście wyczerpywać w szybszym tempie. Będzie to jednak łagodzone przez udział źródeł wtórnych (o których jest mowa dalej), odkrycia nowych zasobów uranu, a także przez zwiększanie efektywności wykorzystania uranu w reaktorach. Rozpoczęcie eksploatacji zasobów o wyższych kosztach pozyskiwania uranu będzie stymulowało np. inwestowanie w reaktory powielające IV generacji, bądź inne uranooszczędne technologie reaktorowe.

Warto zauważyć, że żadne z dotychczasowych prognoz wzrostu energetyki jądrowej, któremu miałyby towarzyszyć trudności z zapewnieniem dla niej paliwa, nie potwierdziły się. Dotyczy to szczególnie prognoz z lat 1975 - 1998. Wzrost zainteresowania energetyką jądrową w pierwszych latach XXI wieku generował początkowo bardzo optymistyczne prognozy, które spowodowały zaangażowanie znacznych środków na poszukiwania nowych zasobów uranu. Tempo dalszych poszukiwań będzie zależało od kolejnych pro-gnoz wzrostu energetyki jądrowej oraz od cen uranu na rynku.

Źródła wtórne

Ciąg działań bezpośrednich, począwszy od wydobycia uranu ze złoża geologicznego, a skończywszy na wytworzeniu zespołów paliwowych i ich załadunku do reaktora, jest głównym, ale nie jedynym sposobem pokrycia zapotrzebowania na paliwo jądrowe. W światowym bilansie uranu znaczną rolę pełnią także tzw. źródła wtórne. Pochodzi z nich głównie ekwiwalent uranu naturalnego wydobywanego ze złóż, który można wprowadzić na różnych etapach frontowego cyklu paliwowego. Źródła te mogą mieć znaczący wpływ na zmniejszenie zapotrzebowania na uran pierwotny także w perspektywie długofalowej. Niektóre z nich mogą także wywierać istotny wpływ na stabilizację rynku uranu w przypadku pojawienia się na nim zakłóceń w relacjach podaż - popyt.

Do źródeł wtórnych zalicza się:

• Uran i pluton nagromadzone w sektorach militarnych
• Uran i pluton nagromadzone w sektorach cywilnych, poza zapasami użytkowników - elektrowni jądrowych
• Ekwiwalent uranu naturalnego uzyskany w drodze wzbogacenia izotopowego uranu zubożonego, pozostałego z dawniejszych procesów wzbogacania
• Uran naturalny zaoszczędzony przez dostarczycieli usług wzbogacania poprzez zmniejszenie wkładu surowcowego
• Ekwiwalent uranu naturalnego, w postaci plutonu i uranu uzyskanych dzięki przerobowi wypalonego paliwa z reaktorów lekkowodnych.

Do około 1990 r. powstały na świecie wielkie zapasy uranu, zarówno w sektorach cywilnych jak i militarnych, ponieważ jego wydobycie, napędzane początkowo wyścigiem zbrojeń jądrowych, a od połowy lat 1960-ych zbyt optymistycznymi prognozami wzrostu światowej energetyki jądrowej, było znacznie większe od zapotrzebowania. Dokładne liczby dotyczące ilości nagromadzonych w ten sposób zapasów uranu są trudne do ustalenia. Znaczna ich część pozostaje w sektorach militarnych Rosji i USA, przy czym uran znajduje się pod różnymi postaciami i o różnym wzbogaceniu. Zapasy te są od pewnego czasu w kontrolowany sposób uwalniane na rynek.

Na przestrzeni dziesięcioleci zakłady wzbogacania izotopowego nagromadziły w sumie ok. 1,5 mln ton uranu zubożonego jako pozostałości z procesu wzbogacania uranu naturalnego. Nie ma precyzyjnych danych co do koncentracji U-235 w tych pozostałościach, ale w przypadku jego znacznej części jest ona jeszcze na poziomie 0,3 % lub więcej, tj. wystarczająco wysokim, by materiał ten zastosować jako wkład surowcowy ultrawirówkowych kaskad wzbogacania. Proces ten jest określany w jęz. angielskim jako tails strip-ping.

Możliwości wykorzystania źródeł wtórnych wpływają również na zapotrzebowanie na usługi frontowego cyklu paliwowego. Zmniejszenie zapotrzebowania na uran pochodzący z wydobycia powoduje zmniejszenie w takim samym stopniu zapotrzebowania na usługi konwersji. Na szczególne podkreślenia zasługuje silny związek, jaki zachodzi między zapotrzebowaniem na uran naturalny, a sposobem wykorzystania za-kładów wzbogacania izotopowego. Wkładając więcej energii w rozdzielanie izotopowe, co wyraża się w zużytych jednostkach pracy rozdzielania SWU, można uzyskać wymaganą ilość produktu w postaci uranu wzbogaconego, przy mniejszej ilości uranu naturalnego podawanego na wejściu procesu. Oznacza to zmniejszenie wkładu surowcowego (ang. underfeeding). Rezultatem tego jest obniżenie wskaźnika uranu zubożonego czyli koncentracji U-235 w pozostałościach. Jeżeli w kontrakcie na usługi wzbogacania uzgodni się pewien poziom wskaźnika pozostałości, a zakład wzbogacający zejdzie poniżej tego poziomu, wówczas zakład wchodzi w posiadanie zaoszczędzonego uranu naturalnego, który może skierować na rynek. Oszczędności uranu naturalnego przy zastosowaniu tej procedury mogą być znaczne. Efekt zmniejszenia wkładu surowcowego przez obniżenie wskaźnika uranu zubożonego z 0,3 do 0,1% można sobie uświadomić porównując ilości uranu, obliczone przy różnych założeniach na początku tego artykułu, które mogą być potrzebne do zasilania polskich reaktorów.

Znaczenie źródeł wtórnych można ocenić badając ich udział w pokrywaniu zapotrzebowania na uran w ostatnich latach. W 2013 r. rzeczywiste zapotrzebowanie działających na świecie reaktorów energetycznych wynosiło ok. 59 270 ton, podczas gdy wydobyto wg wstępnych danych ok. 59 637 tU [6]. Praktycznie zatem wydobycie było na poziomie zapotrzebowania. Jednak w owym roku, oprócz uranu wydobytego ze złóż, trafił na rynek materiał odpowiadający blisko 20 000 tonom uranu naturalnego, pochodzący ze źródeł wtórnych.

Obecny udział źródeł wtórnych w pokryciu zapotrzebowania na uran jest na poziomie ok. 15 000 tU/rok (jako ekwiwalentu uranu naturalnego), co stanowi aż 24% rocznego zapotrzebowania na uran naturalny. Ilości ekwiwalentu uranu naturalnego pochodzącego z różnych źródeł wtórnych obecnie, oraz spodziewanego w okresie do 2025 r., ukazuje rys.7.

Począwszy od 2014 r. na rynek w USA trafia rocznie ekwiwalent ok. 2 500 tU w ramach 10-letniej umowy z Rosją tzw. "Transitional Supply Agreement (TSA)" (górna warstwa na rys.7). Kolejne warstwy od góry ukazują: wzbogacanie uranu zubożonego w Rosji i zmniejszenie wkładu surowcowego w krajach zachodnich, uwalniane zapasy U.S.DOE, oraz recykling materiałów jądrowych (głównie plutonu) pozyskanych w procesie przerobu wypalonego paliwa.

Do źródeł wtórnych zalicza się czasem także zapasy uranu tworzone w cywilnym cyklu paliwowym. Mogą

one być jednak wykorzystywane tylko w sposób doraźny, w przypadku ewentualnych zakłóceń w normalnych dostawach, lub nienormalnych wzrostów cen uranu na rynku. W ostatnich latach miała miejsce nad-podaż uranu na rynkach światowych ze względu na wyłączenie wszystkich reaktorów w Japonii po kata-strofie w Fukushimie-Daiichi w marcu 2011 r., a nieco później - wyłączenie części reaktorów w Niemczech. Towarzyszył temu spadek cen uranu. Korzystając z tego użytkownicy (elektrownie jądrowe), przynajmniej w Unii Europejskiej i w USA zwiększali swoje zapasy uranu osiągając w 2013 r. poziom odpowiadający 2,5 - 3 - letniemu zapotrzebowaniu. Utrzymywanie takich zapasów jest w Unii Europejskiej zalecane przez Agencję Dostaw Euratomu.

Wielkości światowego wydobycia uranu

W 2013 r. ponad 97% światowego wydobycia uranu miało miejsce w 11 krajach, zaś ponad 64% tylko w trzech z pośród nich - Kazachstanie, Kanadzie i Australii. Wydobycie w poszczególnych krajach przedstawiono w tabeli 3.

Wg danych z 2012 r. tylko osiem największych firm, które prowadziły wydobycie uranu bezpośrednio, lub za pośrednictwem firm zależnych lub należących do nich w całości, zapewniło 82% całego wydobycia światowego. Ich udział w wydobyciu uranu ukazuje tabela 4.

Tabela 4. Największe firmy wydobywcze i ich udział w światowym wydobyciu uranu w 2012 r. Źródło: WNA [9]. W nawiasach podano produkcję w 2011 r.

Pochodzenie uranu stosowanego w paliwie reaktorów działających w Unii Europejskiej

Funkcjonowanie energetyki jądrowej w Unii Europejskiej było w 2013 r. oparte w 97,5 % na imporcie uranu z różnych stron świata. Jego pochodzenie w okresie od 2010 do 2013 r. przedstawia tabela 5.

Tabela 5. Pochodzenie uranu w dostawach do Unii Europejskiej w latach 2006 - 2013. Źródło: ESA Annual Reports z lat 2006 - 2013 [10].

Zakłady konwersji

W tabeli 6 przedstawiono aktualnie działające na świecie zakłady konwersji koncentratu uranowego do postaci UF6 będącej etapem cyklu paliwowego reaktorów lekkowodnych. Usługi w tym zakresie świadczą obecnie na światowym rynku tylko firmy posiadające swoje zakłady we Francji, Kanadzie, Rosji i USA. Zakład w UK został zamknięty w sierpniu 2014 r. ponieważ firma Cameco postanowiła, wobec zbyt małych zamówień, ograniczyć te usługi do terytorium Kanady .

Zdolności produkcyjne większości zakładów konwersji koncentratu uranowego do postaci UF6 są wykorzystywane w ok. 70%. Ogółem są one obecnie większe o blisko 15% od zapotrzebowania energetyki jądrowej na uran (ok. 62 000 ton). Gdyby działały reaktory w Japonii, wówczas ta nadwyżka byłaby minimalna. Część źródeł wtórnych wykorzystywanych dla pokrycia zapotrzebowania na uran naturalny eliminuje również potrzebę konwersji (inaczej mówiąc zawiera ekwiwalent konwersji). Mimo to jednak po 2017 r. potrzebne będzie pełne wykorzystanie, a następnie zwiększenie zdolności produkcyjnych zakładów konwersji w drodze budowy nowych instalacji produkcyjnych. Działania w tym kierunku podjęto już np. w Kazach-stanie, gdzie planuje się uruchomienie w 2020 r. zdolności produkcyjnych na poziomie 12 000 tU/rok. Ma to być wspólne przedsięwzięcie firm Kazatomprom i Cameco.

Nie należy wątpić, że wzrost zapotrzebowania na usługi konwersji spowoduje adekwatną reakcję przemy-słu.

Wzbogacanie izotopowe uranu

Dostęp do usług wzbogacania izotopowego, podobnie jak pewność dostaw uranu, ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa zapewnienia paliwa do elektrowni jądrowych. Obecnie technologie wzbogacania są wykorzystywane w skali przemysłowej w 12 krajach świata, z których sześć ma na swoim terytorium zakłady świadczące światowe usługi na zasadach komercyjnych. Są nimi Rosja, cztery kraje Unii Europejskiej (Francja, Holandia, Niemcy i UK) oraz USA. Dla zaspokojenia własnych potrzeb mniejsze lub większe zakłady wzbogacania wybudowały i eksploatują Brazylia, Chiny, Indie, Iran, Japonia i Pakistan. Wszystkie te kraje stosują już tylko technologię wirówkową. Wzbogacanie uranu prowadzi także Argentyna, która po

siada niewielki zakład wzbogacania dyfuzyjnego, przywrócony do eksploatacji w 2010 r. i zaspokajający wyłącznie potrzeby własnej energetyki jądrowej.

Pomimo iż wzbogacanie izotopowe prowadzone jest w wielu krajach, to odpowiednie usługi są aktualnie oferowane na światowym rynku tylko przez trzy wielkie firmy: francuską AREVA NC, europejską UREN-CO i rosyjską TVEL, które jak pokazano w tabeli 7, posiadają swoje zakłady w 6 krajach. Amerykańska firma USEC, dostarczająca w minionych latach usługi wzbogacania, wyłączyła w latach 2012 - 2013 nieopłacalne zakłady dyfuzyjne w Piketon i Paducah, po czym w 2014 r. przestała istnieć. Jej kontynuatorką jest firma Centrus Energy Corporation (CEC), która może zaistnieć na rynku usług wzbogacania dopie-ro po wybudowaniu nowoczesnego zakładu wirówkowego w Piketon.

Zakład George Besse II we Francji należy do spółki Société d’Enrichissement du Tricastin (SET), któ-rej głównym udziałowcem jest AREVA (90%). W przypadku zakładów URENCO w UK i Holandii głównym udziałowcem jest państwo, zaś w Niemczech należą one do firm energetycznych E.ON i RWE. URENCO w USA jest firmą europejską. Zakłady firmy AREVA w USA należą wyłącznie do niej, zaś GLE jest spółką, której udziałowcy mają siedzibę w USA (51%), Kanadzie (24%) i Japonii (25%), zaś CEC jest firmą powstałą z końcem września 2014 r. w następstwie upadłości firmy USEC. W innych krajach wzbogacanie izotopowe jest wyłącznie w rękach państwa. Np. zakłady wzbogacania w Rosji należą do firmy TVEL, wchodzącej w skład państwowego koncernu Rosatom.

Wyłączenie zakładów dyfuzyjnych w USA spowodowało obniżenie nominalnych zdolności wzbogacania o 18 700 tSWU. Praktyczny ich ubytek był jednak mniejszy ponieważ i tak nie były one w pełni wykorzysty-wane ze względów ekonomicznych. Przy aktualnie wykorzystywanych mocach w energetyce jądrowej, oraz dzięki wykorzystaniu różnych źródeł wtórnych zapewniających ekwiwalent uranu naturalnego, pomimo dokonanych wyłączeń w USA istnieją w skali światowej nadal duże nadwyżki zdolności produkcyjnych w zakresie wzbogacania uranu. Jednak z biegiem lat i wzrostem zapotrzebowania nadwyżki te będą się zmniejszały, o ile nie zostaną wybudowane nowe zakłady wzbogacania. Plany ich wybudowania w USA miały firmy AREVA, GLE, URENCO i CEC. Firma GLE, która zamierzała wybudować zakład wzbogacania laserowego w Wilmington, na razie zrezygnowała ze swoich planów w tym zakresie O ile np. w przypadku zakładów wzbogacania działających w Unii Europejskiej uruchomienie nowych zdolności rozdzielania jest możliwe w drodze rozbudowy istniejących zakładów firm AREVA i URENCO, to w USA możliwa jest rozbudowa jedynie zakładów URENCO, natomiast w przypadku innych firm konieczna jest budowa całkowicie nowych obiektów. Obecnie nie wiadomo kiedy i jakie decyzje w sprawie takich inwestycji w USA mogą zostać podjęte, ale firma CEC kontynuuje rozpoczęte przez USEC sprawdzanie w próbnej eksploatacji opracowanych w USA ultrawirówek w zakładzie ACP w Piketon.

Na rys.8 przedstawiono możliwy względny udział globalnych firm w pokryciu światowego zapotrzebowania na usługi wzbogacania w 2020 r. Założono, że zakład ACP w Piketon firmy CEC (na rysunku użyto jesz-cze nazwy poprzedniej - USEC) zostanie do tego czasu uruchomiony.

Dostęp nowych firm do technologii wzbogacania izotopowego jest ograniczony ze względu na międzynarodowe regulacje w ramach NPT. Z tego względu obecnie działające firmy zachodnie i rosyjska mogą mieć konkurencje jedynie ze strony firmy chińskiej.

Wytwarzanie paliwa

W rozdziale tym poświęcono uwagę wytwarzaniu świeżego uranowego paliwa tlenkowego (UOX) do re-aktorów lekkowodnych. Wytwarzane jest także, zaliczane do źródeł wtórnych, paliwo mieszane MOX, które zawiera pluton pochodzący z przerobu wypalonego paliwa. Jego udział w ogólnym bilansie paliwowym energetyki jądrowej jest jednak niewielki (praktycznie dostarcza go jeden zakład we Francji o zdolnościach produkcyjnych 195 tHM/rok). Dopóki ceny uranu nie wzrosną na tyle, by recykling plutonu stał się opłacalny, sytuacja ta nie ulegnie znaczącej zmianie. Paliwo MOX może się jednak pojawić w USA pod koniec obecnej dekady, jeżeli zostanie uruchomiony budowany obecnie zakład mający wykorzystywać pluton po-chodzenia militarnego.

Światowe moce produkcyjne w zakresie wytwarzania paliwa UOX do reaktorów lekkowodnych przedstawia tabela 8. Nie wykazano w niej jeszcze zakładu spółki AREVA-Mitshubishi Nuclear Fuel JV, który miałby zostać uruchomiony w 2015 r. i wytwarzać paliwo do reaktorów APWR. Tabela 8. Producenci paliwa do re-aktorów lekkowodnych. Źródło: WNA [15].

Obecnie średnie zapotrzebowanie na paliwo do wszystkich reaktorów lekkowodnych na świecie jest na poziomie ok. 7 000 tLEU/rok i do 2020 r. może wzrosnąć do 9 500 tLEU/rok [15]. Porównanie wskazanych wyżej liczb ze światowymi zdolnościami produkcyjnymi podanymi w tabeli 8 świadczy o istnieniu znacznej nadwyżki zdolności produkcyjnych w stosunku do potrzeb w zakresie wytwarzania gotowego paliwa. Nie należy się także obawiać niedoborów tych zdolności także w przyszłości.

Jak wynika z tabeli 8, w przypadku reaktorów lekkowodnych (BWR i PWR wraz z rosyjskim odpowiednikiem WWER), w które są wyposażone prawie wszystkie elektrownie na świecie paliwo do nich wytwarzają głównie trzy wielkie firmy świata zachodniego, AREVA (paliwo do reaktorów PWR i BWR), Global Nuclear Fuels (tylko BWR) i Westinghouse (PWR i BWR), posiadające zakłady produkcyjne w kilku krajach, oraz jedna rosyjska - TVEL należąca do koncernu Rosatom. Firmy zachodnie działają na ogół w ramach spółek. Na przykład Global Nuclear Fuels (GNF), jest spółką joint venture firm General Electric (GE), Hitachi oraz Toshiba i posiada dwa oddziały różniące się strukturą: GNF-J w Japonii oraz GNF-A w USA. Z kolei GENU-SA jest spółką większościową należącą do firmy GNF i hiszpańskiej ENUSA. Jądrowa część firmy Westinghouse została kilka lat temu przejęta przez firmę Toshiba, a w powstałej spółce 10% udziałów zakupiła Kazatomprom. Natomiast sama Westinghouse posiada 52% w Nuclear Fuel Industries (NFI), a pozostała część udziałów w NFI należy po równo do firm Sumitomo i Furukawa.

Rynek odbiorców jest praktycznie podzielony pomiędzy wskazane wyżej firmy, ale z zachowaniem możliwości wyboru firmy konkurencyjnej, przynajmniej jeśli chodzi o użytkowników w krajach zachodnich. Na potrzeby reaktorów tylko we własnych krajach paliwo wytwarzają Chiny, Indie, Korea Południowa i Brazylia, przy czym firma koreańska KNFC, oferująca na świecie swoje reaktory PWR, ostatnio oferuje także wytwarzanie paliwa do nich. Pojawiły się informacje o zamiarach chińskiej firmy CNNC oferowania swoich usług w zakresie wytwarzania paliwa do reaktorów konstrukcji rosyjskiej i francuskiej. Z kolei Kazatomprom ogłosiła, że planuje wybudowanie zakładu wytwarzającego gotowa paliwo jądrowe o zdolnościach 1 200 tLEU/rok, przy czym produkcja ma być przeznaczona głównie na rynek chiński. Głównym elementem konkurencji między poszczególnymi firmami oferującymi usługi w zakresie wytwarzania paliwa reaktorowego jest technologia, od której w znacznej mierze zależy bezpieczeństwo oraz możliwości zwiększenia głębokości wypalenia, co dotyczy paliwa do reaktorów najnowszej generacji.

Oceny i wnioski

Uruchamianie nowego reaktora wiąże się z odpowiedzialnością dostawcy technologii za jego bezpieczną eksploatację. Ponieważ jakość paliwa reaktorowego ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy reaktora to najlepiej jest jeżeli dostawca technologii reaktorowej jest także dostawcą paliwa przynajmniej na pierwszy załadunek i kilka kolejnych przeładunków. W międzyczasie można wybrać dostawców na lata późniejsze, stosując już zasadę ich dywersyfikacji na kolejnych etapach cyklu paliwowego. Można oczekiwać, że taka strategia zostanie przyjęta przez polskiego inwestora.

Nie ma obawy, by kiedykolwiek zabrakło surowca paliwowego, tj. uranu lub jego ekwiwalentu, do planowanych w Polsce reaktorów jądrowych. Jakkolwiek będzie on musiał pochodzić z importu, to zawsze będzie istniała jego podaż z bezpiecznych kierunków, regulowana przez mechanizmy rynkowe i udział źródeł wtórnych. Na pewnym etapie pojawi się na rynku uran pochodzący ze źródeł niekonwencjonalnych.

W chwili obecnej światowy potencjał wytwórczy w zakresie konwersji, wzbogacania izotopowego oraz wytwarzania gotowego paliwa (wraz z re-konwersją) do reaktorów lekkowodnych znacznie przewyższa potrzeby. W miarę wzrostu mocy elektrowni jądrowych na świecie, a w związku z tym także zapotrzebowania na te usługi, po roku 2020 istniejące i uruchamiane obecnie moce produkcyjne okażą się niewystarczające. Wykorzystanie niektórych źródeł wtórnych może łagodzić zapotrzebowanie na usługi konwersji i wzbogacania, ale praktycznie nie będzie to dotyczyło wytwarzania gotowego paliwa. Jednak wybudowanie nowych zakładów cyklu paliwowego, gdy pojawią się oznaki zaistnienia niedoborów zdolności produkcyjnych, wymaga mniej czasu niż wybudowanie reaktora. Spodziewane zapotrzebowanie rynku na usługi cyklu paliwowego będzie zawsze czynnikiem stymulującym zwiększane tych zdolności.

Pewne ograniczenia mogą mieć miejsce w przypadku wzbogacania izotopowego uranu, bowiem budowa niezbędnych do tego instalacji w innych krajach niż te, które już takowe posiadają, jest praktycznie nie-możliwa ze względu na międzynarodowe zobowiązania antyproliferacyjne. Odpowiednie technologie są jednak w posiadaniu wystarczającej liczby państw, by konkurencja była zapewniona także w tych usługach. Nowe zakłady wzbogacania będą z pewnością budowane w USA i Chinach.

Literatura

1 - T. Smakowski, S. Wołkowicz, J.B. Miecznik "Możliwe źródła zaopatrzenia w paliwo
potencjalnych elektrowni jądrowych w Polsce", Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki 
Surowcami Naturalnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, nr 85, rok 2013
2 - OECD/NEA - IAEA "Uranium 2011: Resources, Production and Demand"
3 - OECD/NEA - IAEA "Uranium 2014: Resources, Production and Demand"
4 - WNA, The Nuclear Fuel Cycle, October 2014
5 - Andrzej Solecki, Wojciech Śliwiński, Irena Wojciechowska, Dagmara
Tchórz-Trzeciakiewicz, Piotr Syryczyński, Marzena Sadowska, Bartosz Makowski,
Ocena możliwości występowania mineralizacji uranowej w Polsce na podstawie wyników
prac geologiczno poszukiwawczych, Przegląd Geologiczny, vol.59, nr 2, 2011 r.
6 - WNA "World Uranium Mining Production", July 2014
7 - WNA Market Report 2013
8 - NUKEM "Market Presentation: Uranium, Conversion, SWU", March 2014
9 - WNA "Uranium from Mine to Mill", 2013
10 - Euratom Supply Agency (ESA): raporty roczne za lata 2006 - 2013
11 - ESA Annual Report 2013
12 - WNA "Conversion & Deconversion", October 2014
13 - WNA “Uranium Enrichment", January 2015
14 - NERA "ACP & World Enrichment Market", September 2013
15 - WNA “Nuclear Fuel Fabrication", September 2014
Inne artykuły autora o podobnej tematyce
I - Jacek Kaniewski "Bezpieczeństwo dostaw paliwa dla elektrowni jądrowych
w Unii Europejskiej". Postępy Techniki Jądrowej, Vol 51, Z.2, Warszawa 2008 r.
II - Jacek T. Kaniewski "Czy może zabraknąć uranu dla energetyki jądrowej?
Kwartalnik internetowy EKOATOM, nr 7, 2013 r.
III - Jacek T. Kaniewski "Znaczenie kontynentu afrykańskiego z punktu widzenia dostaw
uranu dla rozwijającej się energetyki jądrowej". Kwartalnik internetowy EKOATOM,
nr 13, 2014 r.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Skąd paliwo dla elektrowni jądrowych w Polsce?

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!