Uranium czyli Zasilanie Gęste cz. II - Proces Uranowy

Jak powszechnym pierwiastkiem jest uran? Czy świeci w ciemności? Jakie są jego globalne zasoby i metody wydobywcze? Jak wyprodukować paliwo do reaktora, oraz w czym leży klucz do rozszczepienia atomowego? Czym jest wzbogacanie i izotopowość oraz dlaczego to takie ważne? Co oznaczają skróty SWU, LEU, HEU i MOX będące pojęciami kluczowymi dla procesu zaopatrywania w paliwo? Odpowiedzi na powyższe pytania i nie tylko będą poszukiwane w niniejszej części analizy poświęconej Uranowi, pierwiastka z którego ludzkość zwyczajnie zrezygnować nie umie, nie może i nie chce.

Ze względu na rozległość zagadnienia, wpis o uranie podzielony zostanie na kilka części.

Uran w układzie okresowym pierwiastków. Źródło: Ilustracja własna

GEOLOGIA EKSTRAKCYJNA URANU

Uran jest pierwiastkiem dość powszechnym w skorupie ziemskiej, a w śladowych ilościach występuje także w wodach morskich. Znalezienie ekonomicznie nadających się do ekstrakcji złóż wymaga jednak jak zawsze analizy pod względem opłacalności wydobycia. Uśredniona zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 2.7 ppm (parts per million), co stawia go na podobnym poziomie co cynę, tungsten czy molibden pod względem występowania.

Najbogatsze złoża uranu w świecie znajdujące się w Kanadzie (Athabasca Basin) i miejscami mogą posiadać grade rzędu 200 tys. ppm, czyli do 20% całej rudy, co jest ewenementem na skalę światową. Mowa jednak o wartości maksymalnej. Prowadząc jednak operację ekstrakcyjną można mówić już o sukcesie znajdując złoża z 20 tys ppm, co jest już bardzo wysoką zawartością. Przy nisko wzbogaconych złożach (poniżej 1000 ppm) podstawowym argumentem przemawiającym za ekstrakcją jest rodzaj rudy w której zawarty jest interesujący nas pierwiastek. Jeżeli możliwa jest ekstrakcja chemiczna z rudy (za pomocą kwasu siarkowego lub węglanu sodu) wtedy złoże jest opłacalne. Oczywiście z założenia ekstrakcja takowych jest opłacalna w krajach tzw. "trzeciego świata", czyli gdzie poziom kosztów operacyjnych jest kilkukrotnie niższy niż w "krajach rozwiniętych". Zależne jest to od bogactwa złoża i zależy od potrzebnych przy każdej indywidualnej operacji  wyliczeń kosztorysowych. Bardzo niskie nagromadzenie uranu znajduje się także w granicie, skałach osadowych, skorupie kontynentalnej oraz wodzie morskiej, jednak pozyskiwanie uranu z tychże zasobów jest raczej nieopłacalne przy aktualnych i historycznych cenach. Według wyliczeń przy cenie 610 USD (a w Japonii 300 USD) za kilogram uranu, byłoby już finansowo opłacalne odseparowywanie uranu z wody morskiej, choć i to tak z niskim marigin profit.

Międzynarodowa Organizacja Energii Atomowej (IAEA) dokonała klasyfikacji złóż uranowych w zależności od geologicznych źródeł pochodzenia, gdzie wyszczególniła 15 podstawowych typów. Jest to jednakże zagadnienie głęboko specjalistyczne, dlatego też poniżej znajduje się okrojona przez autora tejże publikacji lista. Interesować będą nas tak naprawdę cztery pierwsze i jednocześnie najpopularniejsze pozycje. Tłumaczenie polskie nazw może być odmienne w stosunku do przyjętej w Polsce terminologii geologicznej:

• Depozyty niezgodnościowe (Proterozoic Unconformity) - pewien specyficzny sposób stykania się formacji skalnych. Athabasca Basin (Kanada) czy też McArthur Basin (Australia);
  
• Złoża piaskowca (Sandstone)- występujące w Europie Środkowej, Kazachstanie, Wyoming Basin (USA) i Grand District (USA);
  
• Złoża konglomeratu kwarcowo-żwirowego - główne złoża uranu w okresie powojennym. Huronian Supergroup (Kanada) i Witwatersrand (RPA);
  
• Złoża złożone Breccia, czyli złoża IOCG (Iron Ore Copper Gold), z którymi zetknęliśmy się przy okazji artykułu o REMach, tutaj występujące jako IOCG-U;
  
• Depozyty żylne - w podobnym rozumieniu jak żyły złota czy srebra - Central Massif (Francja), Bohemian Massif (Czechy);
  
• Depozyty intruzyjne (alaskity) - magma która spenetrowała skałę od wewnątrz, zastygła a oryginalna skalna skorupa z czasem mogła zwietrzeć. Rossing (Namibia), Ilimaussaq intrusive complex (Grenlandia) and Palabora (RPA);
  
• Złoża fosforytów - czyli przybrzeżne osadowe złoża fosforytów zawierające związki uranu. Największe znajdują się przy amerykańskiej Florydzie i w Idaho, ale także u wybrzeży Maroko;
  
• Zapadnięte formacje kominów Breccia - czyli naturalnie wykształcone dziury w ziemi, które podczas długotrwałych procesów geologicznych wypełnione zostały wszelkiej maści skałami, odłamkami, żwirem, piachem itd. Pomiędzy takowymi ciasno upchniętymi, występowały procesy chemiczne na poziomie utleniania pierwiastkowego, Arizona (USA);
• Złoża wulkaniczne - czyli zastygła magma która weszła w reakcję z innymi skałami. Złoża zawierają niski procentowo grade uranu. Streltsovskoye (Rosja)
  
• Depozyty powierzchniowe - płytko zlokalizowane pod powierzchnią ziemną depozyty odpowiadające za ok. 4% złóż, Yeelirrie deposit, (Australia) Langer Heinrich (Namibia);
• Złoża metasomatyczne - składają się z nierównomiernie rozmieszczonego uranu w skałach odkształconych strukturalnie, na które miały wpływ zmiany chemiczne zawartego tam sodu lub potasu. Najważniejsze przykłady tego typu to Elkon (Rosja), Lagoa Real-Caetite (Brazylia), Novokonstantinovskoye czy Żółte Wody (Ukraina);
  
• Złoża metamorficzne - Forstau (Austria), Shinkolobwe deposit (Kongo), Rozna (Czechy), Jaduguda (Indie), Kokshetau District (Kazachstan) i Port Radium (Canada)
  
• Węgiel brunatny;
• Złoża łupków czarnych;
• Inne.
  

Czego konkretnie możemy spodziewać się pod ziemią, wiedząc że występuje tam uran oraz znajdując formację skalną w której on się znajduje?

Podstawowym minerałem, w którym występuje pierwiastek liczbie atomowej 92 jest Uraninit, znany dawniej jako pitchblende. Ta druga nazwa wywodzi się z niemieckiego i była połączeniem dwu słów określających jego cechy fizyczne: pitch czyli pak, smoła lub smoliście czarny od koloru oraz blende, czyli aberracja słowa blenden (oszukać, ukrywać). To ostatnie zostało tak nazwane, ponieważ w momencie odkrycia, zarówno górnicy i badacze widzieli po gęstości minerału, że zawiera on jakieś metale, ale nie byli w stanie z powodu poziomu technologicznego (czy też z przyczyn finansowych) oszacować co dokładnie się tam się znajduje. W każdym razie na pitchblende pracowali wszyscy badacze cech uranu począwszy od Klaprotha, sięgając Marii Curie-Skłodowskiej i dalej po twórców "Projektu Manhattan".

Do dziś uran pozyskiwany jest przede wszystkim ze złóż tego minerału.

W teorii uraninit jest najczystszym naturalnie występującym związkiem chemicznym uranu.  Jednak z powodu reakcji chemicznych wchodzi on w związki z innymi pierwiastkami, w tym z niektórymi REMami oraz ołowiem. Uraninit nie jest jedynym minerałem zawierającym uran. Innymi ustępującymi mu częstotliwością występowania, choć wciąż często spotykanymi minerałami urano-nośnymi są: Coffinit, Davidyt, Branneryt i Thucholit. Powyższa czwórka plus Uraninit stanowią tzw. podstawową grupę minerałów uranu. Wszystkie zaliczają się do grupy tzw. minerałów rzadkich.

Rzadziej spotykanymi, jak i zawierającymi proporcjonalnie mniej uranu ale za to więcej innych pierwiastków, minerałami są te należące do grupy drugiej. Mianowicie: Autunit, Karnotyt, Gummit, Saleit, Torbernit, Tijuamunit, Uranocyrcyt, Uranofan i Zeuneryt. W tych przypadkach uran wszedł w długotrwałe reakcje chemiczne z innymi pierwiastkami, w efekcie czego otrzymujemy zadziwiające efekty, jako że ruda potrafi być po części zielona, szmaragdowa, limonkowa, żółta a czasem może nawet posiadać właściwości fluorescencyjne czy luminestencyjne zauważalne w ciemności i swietle UV. W związku z niższą zawartością uranu (i niejednokrotnie przykuwającym oko wyglądem) wyżej wspomniane minerały często znajdują się w geologicznych zbiorach instytucjonalnych i prywatnych.

Jest zatem możliwe aby kopiąc w ziemi natrafić na świecące w ciemnościach żyły uranowe. Widok musi być upiorny i zarazem piękny.

GLOBALNE ZASOBY URANIUM

Światowe zasoby uranu znajdujące się w ziemi są nie do końca oszacowane. Wszelkie wyliczenia opierają się na szacunkach, przy założeniu iż cena za kilogram produktu przerobionego zwanego yellowcake wynosić będzie X. Dzięki temu dysponujemy wiedzą o dochodowych zasobach pod eksploatację dla danego pułapu cenowego. Sama klasyfikacja złóż różni się w zależności od źródeł, dlatego też dla potrzeb niniejszej analizy została zastosowana nomenklatura międzynarodowa od Nuclear Energy Agency (NEA) / International Atomic Energy Agency (IAEA):

Złoża rudy uranu wg. klasyfikacji powyższych organizacji dzielone są na:

• RAR (Resonably Assured Resources) - czyli złoża oszacowane, pomierzone, oparte o dane geologiczne jak i pomiary, zwykle już eksploatowane. Zwykle używa się przy nich przymiotnika "recoverable", czyli w tym kontekście zdatne do pozyskania;
• IR (Inferred Resources) - czyli złoża, które w oparciu o dane geologiczne rokują dobrze, jednak należy dokonać dalszych pomiarów, testów próbek na zawartość uranu, rodzaj rudy, a także oszacować dokładnie zasięg i wielkość złoża;
• Prognozowane (Prognosticated) - złoża prognozowane, wymagające całego spektrum badań szacunkowych;
• Spekulatywne (Speculative) - czyli ułożenie formacji geologicznych dających szanse na znalezienie uranu, aczkolwiek bez przeprowadzonych badań.

Dla ustalenia konkretnych wartości stosuje się dwie pierwsze kategorie. Szukając natomiast danych o złożach, należy być świadomym, iż pewna część jurysdykcji preferuje swoją własną klasyfikację, która to w przybliżeniu przedstawia się następująco:

W kontekście ceny należy zwrócić uwagę na różnice w wadze produktu. Cena rynkowa spot uranu, jak i futures, od 2016 r. oscyluje w przedziale circa 20-30 USD za funt (0.45359237 kg) produktu Yellowcake. Tymczasem większość danych wydobywczych przedstawiana jest w systemie kilogramowo-tonowym. Przyjmując zatem za cenę spot $25 USD, wokół której oscyluje uran jesienią 2019 r., cena za  kilogram wynosi 55.12 USD. Poniższa tabela prezentuje w jaki sposób zmieniają się globalnie rozmiary złóż (finansowo korzystnych do eksploatacji) w zależności od poziomu ceny. 

Powyższej cenie bliżej trendowo do przyjętej ceny minimalnej 40 USD za kg. niż do kolejnego progu szacowania na poziomie 80 USD. W tym kontekście interesująco prezentuje się znaczny przyrost oszacowanych i rozpoznanych złóż o opłacalnej eksploatacji w kategorii poniżej 40 USD. Dla oszacowanych (RAR) jest to przyrost rzędu 49.1%, a przy rokujących (IR) aż 104.5%. Odpowiadają za ten stan rzeczy trzy powody, którymi zajmiemy się w dalszych częściach opracowania:

• Deprecjacja Kazachskiej waluty względem USD;
• Efekty prac badawczych rozpoczętych jeszcze przed katastrofą w Fukushimie-Daiichi;
• Skuteczne wykorzystywanie i rozprzestrzenianie wydobywczej metody in situ.

Żaden z pierwiastków ziemskich nie jest rozłożony równomiernie na całym globie. Jak zatem w odniesieniu do uprzednio podanych rodzajów formacji geologicznych mają się zasoby uranu w zależności od ceny?

Z powyższej tabli można wywnioskować, że uran odnajdziemy przede wszystkim w depozytach niezgodnościowych oraz piaskowcach. Czym wyższa cena surowca, tym większy będzie udział również innych formacji geologicznych, jak złóż konglomeratu kwarcowo-żwirowego, depozytów metasomatycznych czy polimetalicznych fosforowo-tlenowych kompleksów Breccia.

Poniższa tabela prezentuje w jaki sposób złoża rudy uranu rozlokowane są w ramach w 15 krajach posiadających jego największe zasoby, z podziałem na próg cenowy. Wymienione odpowiadają za 96% znanych i opłacalnych do pozyskania złóż uranu w świecie.

Zasoby to jedna rzecz, ale sposób ekstrakcji to zupełnie inna sprawa. Od dekady, ze względu na niskie ceny surowca, renesans przeżywa metoda wydobywcza in situ, która pozwala zredukować koszta pozyskania surowca, redukuje ekspozycję czynnika ludzkiego na promieniowanie, oraz jest korzystniejsza dla środowiska naturalnego niż rycie w ziemi, czy też pod ziemią. Można stosować ją jednakże tylko w skałach piaskowca.

Przy każdej z metod wydobywczych należy liczyć się ze stratami materiałowymi związanymi z samym procesem ekstrakcji jak i transportu i pierwotnego przerobu. Jest to nieuniknione na tym poziomie operacyjnym. Jeżeli jurysdykcja lub firma prowadząca operacje wydobywcze z różnych przyczyn nie udzieli informacji o dokładnych stratach materiałowych, do danych statystycznych, NEA/IAEA używa następującego schematu:

URANIUM MINING

Przez dekady wydobywania uranu zmieniały się stosowane metody wydobywcze. Przykładowo, w 1990 r. ok. 50% kanadyjskiego uranu było wydobywane w kopalniach podziemnych. W dekadę później było to już 33%, a wkrótce współczynnik ten zaczął wzrastać do poprzednich poziomów. Oczywiście głównym elementem branym pod rozwagę jest tutaj zyskowność inwestycji. Operacje wydobywcze związane są z kosztownymi studiami terenowymi, uzyskiwaniem pozwoleń, stawianiem infrastruktury oraz zabezpieczaniem środowiskowym terenu. Również załoga musi posiadać odpowiednie doświadczenie  - raz, że mowa o operacjach ekstrakcyjnych, które zawsze stanowią zagrożenie dla życia ludzkiego, a dwa, że mowa o promieniotwórczym, okrytym złą sławą i wymagających dodatkowych zabezpieczeń dla zasobów ludzkich, uranie. 

Jednym ze sposobów pozyskiwania surowca są kopalnie odkrywkowe, które są obecnie pod obstrzałem ze względu na zagrożenia powodowane odpadami, zanieczyszczanie wód podziemnych, wpływ szkodliwych pyłów na robotników oraz sąsiadów. Nikt nie chce też mieć za sąsiada kopalnię produkującą metal o tak złej sławie. Kopalnie odkrywkowe pozyskują rudę o zawartości zazwyczaj poniżej 0.5% i muszą kopać na głębokość 120+ metrów. 

Kopalnie podziemne to najbardziej klasyczne kopalnie jakie sobie wyobrażamy, czyli wiercone tunele, usuwane zwałowiska i transport rudy na powierzchnię. Mają one mniejszy wpływ na zanieczyszczenie środowiska niż kopalnie odkrywkowe. Ponadto używanie zdalnie sterowanych maszyn czy udoskonalonych systemów wentylacji pozwala na zminimalizowanie ekspozycji człowieka na rudę uranową. Nie jest to jednak standardem. Kopalnie podziemne są jednak drogie w budowie i eksploatacji, a i wciąż stanowią zagrożenie dla lokalnych cieków wodnych. Pozyskiwana ruda średnio zawiera maksymalnie 0.5% uranu.

W obydwu powyższych przypadkach wydobytą rudę należy zmielić do stanu, aż będzie grubości ziaren piasku. Następnie uran jest zatapiany w basenach wodnych i tam poddany naturalnemu procesowi odparowywania aż do momentu powstania papko-podobnej solucji. Tę, poddaje się wieloetapowemu procesowi chemicznemu zakończonemu suszeniem, w wyniku którego uran wytrąca się z mieszaniny. Efekt końcowy, czyli skoncentrowany uran, jest następnie podgrzewany aby usunąć pozostałości mieszanek chemicznej użytych przy procesowaniu. W rezultacie trwającego około 24 miesięcy processingu uzyskuje się produkt końcowy o branżowej nazwie yellowcake, który może zawierać 70-90% U3O8 oraz 30-10% innych związków chemicznych, w których obecny jest uran. Yellowcake to jaskrawożółty proszek, który jest stabilnym chemicznie produktem transportowalnym, zbywalnym i rozpoznawalnym rynkowo.

Minusem procesu są duże ilości odpadów jako efekt uboczny. W kopalniach odkrywkowych występują znaczne ilości skał i tzw. nadkładu. Są one umieszczane w pobliżu operacji odkrywkowwej i albo wykorzystywane później np. w fazie rewitalizacji terenu. Następnie mamy do czynienia z odpadami pochodzącymi z młyna, a są nimi podobne do piasku, pokruszone pozostałości skalne. Zawierają one cały naturalnie radioaktywny rad, obecny w pierwotnej rudzie, a zatem wytwarzają radioaktywny gaz radonowy. Po zakończeniu wydobycia odpady trafiają do specjalnie przygotowanych jam, wyłożonych warstwą skalną i gliną, tak, aby jak najdłużej wytrzymało to erozję. Ponadto w trakcie procesu zużywa się duże ilości wody, którą należy potem przechowywać w sztucznych zbiornikach celem ewaporacji.

Oczywiście podstawą do działania są wymogi legislacyjne lokalnej jurysdykcji. Dla przykładu, w większości operacji australijskich występuje zasada "zero ddischarge" dla jakichkolwwiek zanieczyszczeń.

Tymczasem, od kilku dekad znacząco zwiększa się udział metody in situ (in situ leaching ISL lub in situ recovery ISR). Jest to łaciński zwrot, który można tłumaczyć jako lokalnie lub w miejscu. Jest to mało inwazyjna metoda opracowana niezależnie od siebie w latach 60-tych w USA i ZSRR, stosowana przede wszystkim na złożach zawartych w piaskowcu. 

Uran występuje w piaskowcu do głębokości 300 metrów jako powłoka ziaren piasku i nie rozpuszcza się w wodach gruntowych. Buduje się zatem sieć szybów i studni, wpuszcza się przez nie do złoża solucję alkaliczną lub kwasową, która krążąc po złożach rozpuszcza i wypłukuje uran. Solucja zawierająca mniej niż 0.1% uranu jest następnie wypompowywana i trafia do zakładów przetwórstwa, gdzie oddziela się U od H2O. Powtarza się proces zazwyczaj kilkukrotnie a następnie oczyszczony uran przekształca się w produkt końcowy jakim jest wspomniany wcześniej yellowcake.

Oczyszczona z udziału uranu woda ze złóż gruntowych zostaje wpompowana ponownie pod powierzchnię ziemi. Jest to proces o zamkniętej cyrkulacji, w wyniku którego następuje minimalna utrata kubatury na wodzie. Cameco, jak i inni używający tej metody m.in. w Kazachstanie informują, że proces jest od początku do końca monitorowany aby nie spowodować skażenia środowiska.

Aktualnie metoda in situ używana jest przy ekstrakcji 55% wydobytego w 2018 uranu. Około 39% stanowiło wydobycie klasyczne (kopalnie podziemne i odkrywkowe), a w pozostałych 6% uran pozyskiwano jako odpad lub półprodukt.

Co ciekawe, dwie ostatnie wartości można zakwestionować z jednego powodu: jest nim australijska kopalnia odkrywkowa Olympic Dam. Głównym wydobywanym tam produktem jest miedź, stanowiąca 70% zysków, natomiast uran (20%) i metale szlachetne (5%) są w tej sytuacji traktowane jako półprodukty, czyli zwiększają udział 6% z powyższego akapitu.

KLUCZ DO ZROZUMIENIA CZYLI IZOTOPOWOŚĆ

Nie da zrozumieć się jak działa uran i proces jego rozszczepienia atomowego (czy to w reaktorach czy też w postaci ładunku jądrowego) bez choćby minimalnego zrozumienia na czym polega zjawisko jego izotopowości. Należałoby w tym momencie przypomnieć podstawy wiedzy chemicznej.

Wszystko co nas otacza składa się z cząsteczek, te składają się z atomów, zaś sam atom składa się z jądra i okrążających go elektronów. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że w atomie znajdują się trzy rodzajów cząstek:

• Neutron to cząstka neutralna, czyli obojętna. Neutron znajduje się w jądrze i współtworzy jego masę.
• Proton to cząstka naładowana dodatnio, która wraz z neutronem tworzy jądro. Ilość protonów dla pierwiastka jest stała (np. dla uranu jest to 92, dla litu 3, dla złota jest to 79). Nazywa się to liczbą atomową i jest to jednocześnie liczba porządkowa w układzie okresowym.
• Elektron to cząstka naładowana ujemnie. Elektron(y) krążą wokół jądra, a ich masa jest bardzo mała, tak więc to czy zostaną one oderwane od jądra czy przy nim pozostaną ma niewielki wpływ na masę atomu.

W jądrze atomowym, podręcznikowo powinna znajdować się równa liczbę neutronów i protonów. Rzeczywistość jest jednak inna. Liczba protonów, czy też liczba atomowa, jest cały czas stała, natomiast w pewnym zakresie) zmienia się liczba neutronów. Suma liczby protonów  (np. 92) i liczby neutronów (np. 146) daje nam masę izotopową/izotop, czyli liczbę masy atomowej. W tym konkretnym przykładzie dla uranu jest to 92+146 daje 238.

Zmiana izotopu zmienia cechy charakterystyczne pierwiastka. Ten sam pierwiastek o izotopie x może rozpuszczać się w wodzie, a o izotopie y już nie. Może stać się też odporniejszy na wysokie temperatury, rozpuszczalny w wodzie albo w kwasie, bądź też może stać się gęstszy albo bardziej reaktywny w zetknięciu z innymi pierwiastkami.

Różne pierwiastki posiadają zazwyczaj różne liczby izotopowe. Uran w naturze występuje w dwu izotopach głównych, nie zmiennnych od zarania dziejów oraz jednym będącym efektem rozpadu powyższych:

• Uran-238 (99.2739 – 99.2752% występowania w złożach);
• Uran-235 (0.7198 – 0.7202% występowania w złożach);
• Efektem rozpadu powyższych jest Uran-234 (0.0050–0.0059%).

Tymczasem zakres izotopów uranu zawiera się w przedziale pomiędzy 215-242. Jak to wyjaśnić? Poza trójką przedstawioną powyżej, pozostałe izotopy są efektem przypadkowej ludzkiej kreatywności na poziomie rozszczepienia. Nie każdy jednak ma jakieś zastosowanie. Izotop U-236 jest na przykład odpadem znajdowanym w zużytym paliwie nuklearnym i nadaje się tylko aby zapakować go do ołowianej beczki, zalać betonem i schować na strzeżonym pustkowiu.

Przy takich proporcjach występowania naturalnego podstawą do wszelkich działań jest U-238. W tej postaci uran nie jest materiałem rozszczepialnym, a jedynie paliwo-rodnym, czyli nie wytworzy energii, ale stanowi bazę do wytworzenia paliwa. Mając U-238 istnieją dwie teoretyczne drogi dalszego działania:

• Dokładamy do jądra dodatkowy proton, przekształcając uran w neptun (liczba atomowa 93), a potem jeszcze jeden tworząc z niego pluton (liczba atomowa 94). W rezultacie uzyskujemy materiał rozszczepialny używany do produkcji bomby atomowej.
• Zostawiamy tę samą ilość protonów manipulując w dół liczbą neutronów, aż z U-238 osiągniemy U-235, który to nadaje się do produkcji paliwa jądrowego albo broni atomowej.

Produkt handlowy jakim jest Yellowcake zawiera te same proporcje izotopów jakie znajdują się w naturze, czasami z lokalnymi lekkimi odchyleniami. Proporcja naturalna to jednak za mało aby uzyskać stabilną rozszczepialność. Większość z pośród 500 komercyjnych elektrowni atomowych działa w oparciu o wzbogacony U-235. Samo wzbogacanie uranu to politycznie bardzo delikatny temat wymagający zgody krajów członkowskich IAEA, asygnowania odpowiednich układów międzynarodowych dotyczących nierozprzestrzeniania broni atomowej i poddawania się okresowym kontrolom ww. organizacji. Powodem jest iż właściwie ten sam proces umożliwia stworzenie zarówno paliwa do reaktorów, jak i ładunku głowicy nuklearnej.

WZBOGACANIE URANU

Uran trafiający do przerobu odzwierciedla naturalnie występujący rozkład izotopów, a więc otrzymując dostawę U3O8 Yellowcake standardowo będziemy mieli (w zaokrągleniu) 99.3% U-238 oraz 0.7% U-235. To za mało materiału rozszczepialnego aby utrzymać ciągły rozpad atomów w reaktorze. Należy więc dokonać wzbogacenia materiału do poziomu najczęściej 4-5% U-235. W ten sposób wytwarza się tzw. nisko wzbogacony uran (low enrichment uranium, LEU), który stanowi wkład dla większości reaktorów na świecie. Reaktorami, jako ostatecznymi odbiorcami zajmiemy się jednak w kolejnej części. Tymczasem, dla porównania, pragnąc uzyskać bombę atomową należy wzbogacić uran do poziomów circa 90% U-235. Uzyskujemy w ten sposób highly enriched uranium HEU.

Wzbogacanie uranu wymaga aby tlenek uranu (U3O8), czyli produkt handlowy został przekształcony w gaz o nazwie heksafluorek uranu (UF6) i dopiero wtedy, w temperaturze ok. 80 stopni C, i za pomocą specjalistycznych wirówek dokonuje się wzbogacania. Tego procesu nie da się przeprowadzić chemicznie ponieważ zarówno U-235 i U-238 to ten sam pierwiastek o bardzo podobnych właściwościach fizycznych, ale o różnicy masy rzędu 1%. I to jest zasadnicza różnica wykorzystywana do separacji obydwu i wzbogacania. Współczesne metody wzbogacenia paliwa opierają się właśnie o tę różnicę masy i wykorzystanie siły odśrodkowej, na podobnej zasadzie jak w wirówce medycznej separuje się krew od osocza. Po odseparowaniu cięższy U-238 będzie przy zewnętrznych ścianach wirówki, a lżejszy U-235 bliżej środka.

Przy wzbogacaniu uranu operuje się trzema rodzajami elementów:

• Materiał wsadowy (feed), czyli yellowcake konwertowany na gaz;
• Odpad, czyli wyczerpany uran (depleted uranium - tails) w którym oryginalna zawartość U-235 wynosząca 0.7% zostaje zredukowana do poziomu 0.20-0.30% lub mniej;
• Produkt końcowy (product) już o odpowiedniej proporcji U-235.

W sektorze wzbogacania uranu mamy do czynienia ze specjalną branżową jednostką miary jaką jest SWU (separative work unit). Jest to skomplikowana proporcja dotycząca ilości energii, materiału wsadowego potrzebnego do wzbogacenia oraz poziomów wyrażających wkład energii w proces wzbogacania, mających wymiar masy. Wzór w narracji się nam dalej nie przyda, aczkolwiek dla kronikarskiej przyzwoitości wypada poinformować, że czytelnicy znajdą go tu.

Energochłonność procesu rozdzielania wyraża się w kWh/SWU. Na przykład zapotrzebowanie na energię dla starej technologii wzbogacania jaką była dyfuzja gazowa wynosi ok. 2400 kWh/kg SWU, a dla wirówek ok. 60 kWh/kg SWU.

SWU rośnie nam proporcjonalnie wraz ze skalą wzbogacenia jaką chcemy osiągnąć. Oznacza to, że z jednej tony yellowcake uzyskanie 120 kg uranu do prętów paliwowych o 5% zawartości U-235 wymagać będzie to od nas SWU rzędu 8.85%. Z kolei produkując materiał rozszczepialny do głowicy, z tej samej tony uzyskamy 5.6kg wymaganego 90% U-235, ale SWU wzrośnie do 227.

Innymi słowy, duża ilość odpadu współgra z większym zapotrzebowaniem na produkt wsadowy, ale także ze zmniejszonymi kosztami energii, czyli SWU. Z kolei wyższy SWU powoduje, iż potrzebujemy mniej materiału wsadowego a naszych odpadów będzie mniej, ale proces będzie bardziej energo i czasochłonny.

W przedstawianym przykładzie produkujemy pręty paliwowe do reaktorów, uran należy zatem wzbogacić do poziomów LEU, czyli zawierający U-235 na poziomie 4-5%. Następnie należy go prze-konwertować do ditlenku uranu (UO2), a następnie uformować fizycznie w niewielkie walcowate pokryte warstwą ceramiczną elementy, którymi wypełnia się pręty paliwowe. W typowym dużym reaktorze z rodziny PWR możemy mieć do czynienia z 51 tys. prętów paliwowych, co daje 18 mln. walcowatych elementów. A każdy z nich ma wysokości centymetra.

Tymczasem dokonaliśmy wzbogacenia U-235 kosztem U-238. Przypominając proporcje:

• w naturze proporcje tych 2 wynoszą 0.7% U-235 / 99.3% U-238;
• po wzbogaceniu na paliwo najczęściej jest to 4-5% U-235 / 95-96% U-238;
• ale w rezultacie powyższego procesu uzyskujemy także uran zubożony w proporcjach max 0.3% U-235 / 99.7% U-238.

Wzbogacenia uranu dokonaliśmy najprawdopodobniej przy pomocy wirówek. Jednakże nie zawsze tak było i nie zawsze tak będzie.

Dyfuzja Gazowa to była pierwsza metoda wzbogacania uranu dla potrzeb cywilnych i militarnych. Była ona bardzo energokosztowna, gdyż wymagała circa 2500 kWh/SWU. Umożliwiała spowolnienie procesu czy jego regulację. Wraz ze wzrostem popularności wirówek, systemy gazowo-dyfuzyjne stopniowo wyłączano z użycia. Rosja wyłączyła ostatnie dyfuzytory gazowe w 1992 r. a USA dokonały tego w 2013 r. w placówce wzbogacania uranu w Paducah. Amerykańska United States Enrichment Coorporation (USEC) potwierdziła, że w owym zakładzie o zdolności produkcyjnej 8 mln SWU na rok, 70% kosztów produkcyjnych stanowiła energia potrzebna do procesu.

Wirówki / Centrifuges to aktualnie najpopularniejsza metoda stosowana powszechnie. Powstanie jej datuje się na lata 40-te ubiegłego wieku, ale weszła ona do użytkowania dopiero w latach 60-tych, z powodu poziomu skomplikowania oraz kosztów. Aktualnie w użyciu jest ósma generacja wirówek. Mimo iż pojemność pojedynczej wirówki jest mniejsza niż na analogicznym etapie procesu dyfuzyjnego, to radzi sobie ona znacznie lepiej z rozdziałem izotopów. Typy rosyjskie i amerykańskie różnią się od siebie zarówno rozmiarem jak i zdolnością pozyskania U-235 na korzyść Rosji (zawartość U-235 w odpadach wynosi 0.18-0.22 w USA i 0.10 w Rosji). Wzbogacanie przeprowadzane w ten sposób wymaga mniej energii niż wzbogacanie dyfuzyjne, gdyż 50-60-kWh/SWU. Wirówki działają na zasadzie "włącz i przez 25 lat dostarczaj cyklicznie materiał", co powoduje że procesu zwolnić albo wyłączyć nie można a dostawę yellowcake i odbiór gotowego produktu planuje się z długoletnim wyprzedzeniem.

Procesowanie laserowe to metoda przyszłości, wkraczająca na rynek i zajmująca się wzbogacaniem na poziomie molekularnym i atomowym. Typów jest kilka (AVLIS, MLIS, SILEX i Aerudynamic) natomiast we wszystkich używany jest odpowiedni rozdział izotopów za pomocą technologii laserowej. Autor wielokrotnie używał stwierdzenia "future is near", ale tym razem trzeba powiedzieć że "future is now" gdyż metoda ta zaczyna być implementowana w USA, na początek celem wzbogacenia kłopotliwych setek tysięcy ton odpadu post-wzbogaconego. Będzie ona idealnie współgrać z planami USA dotyczącymi reaktorów modularnych, o czym w dalszej części.

Wtórne źródła to głównie pieśń post-zimnowojennego odprężenia między mocarstwami, czyli program Megatony na Megawaty rozpoczęty w 1993 r. Był to unikalny komercyjnie finansowany program współpracy międzyrządowo-przemysłowej, w którym wysoko wzbogacony uran z radzieckich głowic nuklearnych (90% U-235 czyli HEU) był przetwarzany przez obydwie strony na nisko wzbogacany materiał do produkcji paliwa dla amerykańskich elektrowni atomowych (4-5% U-235 czyli LEU). W tym celu w USA stworzono USEC a ze strony Rosji TENEX.

W rezultacie trwającego 20 lat i szacowanego na circa 8-9 mld USD programu, który nie obciążył podatnika, 500 ton HEU, czyli ekwiwalent 20.8 tys głowic zostało przekształconych w 15 tys ton LEU ostatecznie przekierowanych do amerykańskich elektrowni aotomowych. Dodatkowo Waszyngton potraktował w ten sposób część swojego arsenału. Szacuje się, iż podczas trwania programu, 10% energii wyprodukowanej przez USA pochodziło z sowieckich głowic. Paliwo pozyskiwane w ten sposób nazywa się paliwem mieszanym plutonowo-uranowym, lub po prostu paliwem mieszanym. Anglojęzyczny akronim to MOX (mixed oxide) lub REMIX (regenerated Mixture).

Wzbogacony do poziomów 4-5% U-235 gaz UF6 przekształca się w tlenek uranu (czyli UO2 ), a następnie przetwarza na granulki (pellets) paliwa spiekane ceramiką, które są zamykane w metalowych rurkach tworząc pręty paliwowe (fuel rods). Są one zwykle o długości do czterech metrów. Szereg prętów paliwowych tworzy zespół paliwowy (fuel assembly), który jest gotowy do załadowania do reaktora jądrowego.

Poniższa tabela przedstawia kosztorys (w oparciu o ceny z Marca 2017 r.) wymagany do przygotowania 1 kg UO2, czyli granulek ładowanych do prętów paliwowych. Warte zanotowania jest, że przy przyjętej przez autora medianie cenowej rzędu 55.12 USD za kilogram yellowcake, koszt pierwszego etapu ulega zmniejszeniu z 605 USD, do 491 USD.

ROZSZCZEPIENIE I PRODUKCJA ENERGII

Będąc w posiadaniu paliwa do reaktora możliwa jest produkcja energii. Jedynym naturalnie rozszczepialnym izotopem uranu jest U-235. Atom U-235 składa się z 92 protonów i 143 neutronów. Proces rozszczepienia rozpoczyna się od włożenia paliwa do reaktora, po czym paliwo to (pręty) bombardowane jest przemieszczającymi się neutronami. W wyniku tego dokonuje się rozszczepienie, wytwarzając przy tym energię w formie fali gorąca. W wyniku samego uderzenia następuje rozpad atomu na dwie mniej/więcej równe części, a dodatkowo uwalniają się z konstrukcji jeszcze dwa do trzech neutronów, które dalej z kolei rozpoczynają swoją podróż. Jeżeli zagęszczenie atomów U-235 w materiale wynosi właśnie te 4-5%, to znajdą one dość szybko kolejne cele uderzając w nie, rozbijając, uwalniając kolejne fale cieplne energii i przyczyniając do kontynuacji procesu.

W wyniku rozszczepienia jądra uranu:

• Uzyskuje się dwa nowe pierwiastki których łączna suma liczby atomowej, czyli protonów w jądrze wynosi 92, tak jak w rozbitym uranie. Może to być np. bar (56) i krypton (36), albo cyrkon (40) i tellur (52). W procesie tym nie da się być jednak technologicznie precyzyjnym i przewidzieć co zostanie uzyskane po rozpadzie. W teorii możliwe jest uzyskanie w takiej parze srebra (47) w parze z rodem (45), albo nawet i złota (79). Jednakże zaprojektowanie takiego procesu jest poza obecnym zasięgiem technologicznym. Byłaby to również najprawdopodobniej najdroższa uncja AU na całej planecie. Kolejnym problemem jest powstrzymanie dalszego rozpadu powstałych pierwiastków - np. izotopy baru, jak również kryptonu rozpadają się szybko, tworząc bardziej stabilne izotopy neodymu i itru (czyli znane nam już REMy);
  
• Dwa do trzech neutronów, które uwolnione z jądra uranu pędzą do czasu, aż  napotkają kolejny atom, z którym wchodzą w dalszą kolizję;
• W wyniku rozszczepienia pojedynczego atomu uranu, uzyskujemy energię rzędu 200 MeV. Przy założeniu, iż dysponujemy reaktorem generującym 1000 MW to należy wygenerować ok. 10^17 (100 000 000 000 000 000) takich rozpadów na sekundę.

Reakcja rozszczepiania atomów uranu może następować łańcuchowo i bardzo gwałtownie przyśpieszać. Dlatego proces kontrolowany jest przez moderatory takie jak woda, ciężka woda i grafitowe pręty kontrolne. Mają one za zadanie absorbować lub spowalniać podróż uwolnionych neutronów, tak aby utrzymywać pewien stały poziom produkowanej energii. W innym wypadku rozszczepianie wzbogaconego materiału mogłoby zakończyć się niekontrolowanym przyspieszeniem i produkcją gigantycznej ilości energii w bardzo krótkim czasie. Z powodu właściwości U-235 jako paliwa, nie skończyłoby się to eksplozją nuklearną, a "jedynie" stopieniem uranowych prętów paliwowych. A dalej, w wyniku gwałtownego odparowania ogromnych ilości wody z układów chłodzenia, nastąpiłoby rozsadzenie reaktora spowodowane ciśnieniem powstałej pary. W takim przypadku uwolnione zostałyby duże ilości produktów ubocznych rozszczepienia atomowego i doszłoby do skażenia.

Rozszczepiając U-235 produkuje się energię, pierwiastki pochodne oraz uwalnia neutrony. Większość uranu w prętach paliwowych to jednak U-238, czyli materiał nierozszczepialny, ale jednocześnie płodny. Oznacza to mniej/więcej, że jest w stanie łatwo przechwycić samodzielnie podróżujące neutrony z rozbitych atomów, działając na nie podobnie jak magnes. W ten sposób uran przekształca się bezpośrednio w neptun, a dalej pośrednio w pluton. Mowa tutaj o Pu-239, który właściwościami przypomina bardziej U-235, czyli rozszczepialny materiał. Z kolei bombardowanie Pu-239 neutronami pozwala uzyskać podobną ilość energii co przy bombardowaniu U-235. Pu-239, będąc materiałem paliwo-rodnym odpowiada w rezultacie za około 1/3 energii produkowanej przez reaktor. Pu-239 rozszczepia się po uderzeniu neutronu w 62-73% przypadków. Pozostały procent przechwytuje neutrony zmieniając swoją izotopowość z 239 na 240.

W  trakcie procesu powstają jeszcze inne izotopy rozszczepialne jak Pu-241 który ma podobną szansę na rozszczepienie jak Pu-239 czy U-233 którego źródłem w procesie jest Tor (90), występujący w skorupie ziemskiej częśiej niż atom i mający spore szanse wyprzeć uran z rynków przynajmniej chińskiego i indyjskiego.

Pluton Pu-240 został odkryty podczas prac nad "Projektem Manhattan". Jego zawartość w ogólnym wolumenie plutonu jaki potrzeba do produkcji głowicy, nie może przekraczać 7%. Powyżej tego poziomu możemy mieć do czynienia z atomowym niewypałem, vide: test atomowy w Korei Północnej w 2006 r. Podczas tej próby doszło prawdopodobnie do przedwczesnego spontanicznego rozszczepienia Pu-240. Wytworzona energia zainicjowała reakcję łańcuchową przedwcześnie rozpraszając przy tym fizycznie rdzeń bomby. W rezultacie wybuch znacząco nie spełnił oczekiwań Pjongjangu osiągając w zależności od źródeł 0.7-2 kiloton, czyli kilkukrotnie mnie niż "Little Boy" z Hiroszimy. Rozproszony w takiej sytuacji rdzeń, składający się w 90% z U-235 zostaje przez wybuch rozsiany na pewnym obszarze, zamieniając się nie celowo w brudną bombę.

Posiadając reaktor o przeznaczeniu militarnym, aby uniknąć nadmiaru Pu-240 należy przeprowadzić przetwarzanie paliwa po 90 dniach. Tymczasem w reaktorach cywilnych usuwa się w cyklach wymieniając całość po circa 3-4.5  latach, a wolumen zebranego w nim plutonu umożliwia jedynie ponowne przetworzenie w kierunku paliwa.

Znając koncentrację U-235 w paliwie i biorąc pod uwagę jeszcze setki innych czynników, które pominąłem jako nieistotne z punktu widzenia analizy surowca, można teraz ustawiać moderatory w reaktorze na odpowiednich poziomach celem podtrzymania stabilnej reakcji łańcuchowej. Osiągnięta została tzw. "masa krytyczna", pozwalająca na stabilny poziom rozszczepienia, i produkująca w rezultacie stały poziom energii. Można ją teraz zwiększać i zmniejszać wg. zapotrzebowania odbiorcy.

Autor zdaje sobie sprawę z faktu iż cały powyższy opis produkcji energii mógłby być wzbogacony o całą masę dodatkowych detali, jednak zależało mu przede wszystkim na wyjaśnieniu procesu i utrzymaniu jego zrozumiałości.

Z powyższego warto zauważyć, że podstawowa zasada działania elektrowni węglowej i atomowej jest podobna. Wytwarzana energia podgrzewa wodę krążącą w obiegu zamkniętym, zamieniając ją w parę wodną, która pod wygenerowanym ciśnieniem napędza z kolei turbinę napędzającą generator. Różnica znajduje się jednak w rodzaju paliwa wsadowego. W klasycznych elektrowniach pochodzi ona ze spalania węgla, czy też gazu, w elektrowniach atomowych natomiast z rozszczepiania atomów uranu. W teorii jeden kilogram U-235 może zapewnić nam energię porównywalną do uzyskanej przez spalenie 1.5 tys t. węgla.

c.d.n.

Enemy (Bolesław Wójtowicz)