Пик урана - Peak uranium

Пик урана - это момент времени, когда достигается максимальная мировая добыча урана . После этого пика, согласно теории пика Хабберта , скорость добычи достигает окончательного снижения. В то время как уран используется в ядерном оружии , его первичное использование для выработки энергии посредством ядерного деления на уран-235 изотопа в реакторе атомной электростанции . Каждый килограмм расщепленного урана-235 высвобождает энергетический эквивалент, в миллионы раз превышающий его массу в химических реактивах, столько же энергии, сколько 2700 тонн угля , но уран-235 составляет всего 0,7% от массы природного урана . Уран-235 - конечный невозобновляемый ресурс .

Достижения в технологии реакторов-размножителей могут позволить нынешним запасам урана обеспечивать человечество энергией на миллиарды лет, что сделает ядерную энергетику устойчивой . Однако в 2010 году Международная группа по расщепляющимся материалам заявила: «После шести десятилетий и затрат, эквивалентных десяткам миллиардов долларов, перспективы создания реакторов-размножителей остаются в основном невыполненными, и в большинстве стран усилия по их коммерциализации неуклонно сокращаются. " Но в 2016 году российский реактор-размножитель на быстрых нейтронах БН-800 начал промышленную работу на полную мощность (800 МВт), присоединившись к предыдущему БН-600 . По состоянию на 2020 год китайский CFR-600 находится в стадии строительства после успеха Китайского экспериментального быстрого реактора на базе БН-800. Эти реакторы в настоящее время вырабатывают в основном электроэнергию, а не новое топливо, поскольку изобилие и низкая цена добытого и переработанного оксида урана делает воспроизводство неэкономичным, но они могут переключиться на получение нового топлива и замкнуть цикл по мере необходимости.

М. Кинг Хабберт создал свою теорию пика в 1956 году для множества конечных ресурсов, таких как уголь, нефть и природный газ. Он и другие с тех пор утверждали, что, если ядерный топливный цикл может быть закрыт, уран может стать эквивалентом возобновляемых источников энергии в том, что касается его доступности. Разведение и ядерная переработка потенциально позволят извлекать наибольшее количество энергии из природного урана. Однако в настоящее время только небольшое количество урана превращается в плутоний, и лишь небольшое количество делящегося урана и плутония восстанавливается из ядерных отходов во всем мире. Кроме того, пока не существует технологий полного исключения отходов в ядерном топливном цикле. Поскольку ядерный топливный цикл фактически не замкнут, теория пика Хабберта может быть применима.

Пессимистические прогнозы будущего производства высококачественного урана основаны на тезисе о том, что либо пик уже произошел в 1980-х годах, либо второй пик может произойти примерно в 2035 году.

По состоянию на 2017 год выявленные запасы урана, извлекаемые из расчета 130 долларов США / кг, составили 6,14 млн тонн (по сравнению с 5,72 млн тонн в 2015 году). При уровне потребления в 2017 году этих запасов хватит на чуть более 130 лет поставок. Выявленные запасы по состоянию на 2017 г. извлекаемые из расчета 260 долларов США / кг составляют 7,99 млн тонн (по сравнению с 7,64 млн тонн в 2015 году).

Оптимистические прогнозы поставок ядерного топлива основаны на одном из трех возможных сценариев. Ни один из них в настоящее время не является коммерчески жизнеспособным, поскольку более 80% реакторов в мире являются легководными реакторами (LWR):

1. LWR потребляют только около половины одного процента уранового топлива, в то время как реакторы-размножители на быстрых нейтронах потребляют около 99%,
2. Текущие запасы U составляют около 5,3 млн тонн. Теоретически из морской воды можно получить 4,5 миллиарда тонн урана, что примерно в 10 раз превышает текущую цену урана. В настоящее время не существует практических методов экстракции большого объема.
3. Торий (в 3-4 раза больше урана) может использоваться, когда запасы урана истощаются. Однако в 2010 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании (NNL) пришла к выводу, что в краткосрочной и среднесрочной перспективе «... ториевый топливный цикл в настоящее время не играет роли», поскольку он «технически незрелый и будет требуют значительных финансовых вложений и рисков без явных выгод », и пришел к выводу, что выгоды« завышены ».

Если эти прогнозы станут реальностью, это может значительно увеличить поставки ядерного топлива. В настоящее время, несмотря на десятилетия исследований, в эксплуатации нет коммерческих ториевых реакторов.

Оптимистические прогнозы утверждают, что предложение намного превышает спрос, и не предсказывают пиковый уровень урана.

Пик Хабберта и уран

Уран-235, делящийся изотоп урана, используемый в ядерных реакторах, составляет около 0,7% урана из руды. Это единственный изотоп природного происхождения, способный напрямую генерировать ядерную энергию, и является конечным невозобновляемым ресурсом. Считается, что его доступность соответствует теории пика М. Кинга Хабберта , которая была разработана для описания пика нефти . Хабберт видел в нефти ресурс, который скоро иссякнет, но он полагал, что уран гораздо более перспективен в качестве источника энергии, и что реакторы-размножители и ядерная переработка , которые в то время были новыми технологиями, позволят урану стать источником энергии. очень давно. Технологии, предвиденные Хаббертом, существенно снизят скорость истощения урана-235, но они по-прежнему дороже, чем «однократный» цикл, и на сегодняшний день не получили широкого распространения. Если использовать эти и другие более дорогостоящие технологии, такие как добыча морской воды, любой возможный пик наступит в очень отдаленном будущем.

Согласно теории пика Хабберта, пики Хабберта - это точки, в которых добыча ресурса достигла своего максимума, и с этого момента скорость добычи ресурсов вступает в окончательный спад. После пика Хабберта скорость предложения ресурса больше не соответствует предыдущей норме спроса. В результате закон спроса и предложения , на данный момент рынок меняется от рынка покупателя к А рынок продавца .

Многие страны не могут больше удовлетворять собственные потребности в уране и вынуждены импортировать уран из других стран. Тринадцать стран достигли пика и исчерпали свои урановые ресурсы.

Как и в случае с любым другим ресурсом природного металла, при каждом десятикратном увеличении стоимости килограмма урана имеется трехсоткратное увеличение количества доступных руд более низкого качества, которые в этом случае становятся рентабельными.

Спрос на уран

Мировой спрос на уран в 1996 году составлял более 68 килотонн (150 × 10 ⁶ фунтов ) в год, и ожидалось, что это число вырастет до 80–10 ⁶  фунтов (80 × 10 ⁶ фунтов) и 100 килотонн (220 × 10 ⁶  фунтов). в год к 2025 году за счет ввода в строй новых атомных электростанций. Однако после остановки многих атомных электростанций после ядерной катастрофы на Фукусима-дайити в 2011 году спрос упал примерно до 60 килотонн (130 × 10 ⁶ фунтов ) в 2015 году и вырос до 62,8 килотонн (138 × 10 ⁶  фунтов) в 2017 году, при этом прогнозы на будущее неопределенные. ^ ^^^ ^

По данным Cameco Corporation, спрос на уран напрямую зависит от количества электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями. Мощность реакторов растет медленно, реакторы работают более производительно, с более высокими коэффициентами мощности и уровнями мощности реакторов. Повышение производительности реактора приводит к увеличению потребления урана.

Атомным электростанциям мощностью 1000 мегаватт требуется около 200 тонн (440 × 10 ³  фунтов) природного урана в год. Например, в Соединенных Штатах имеется 103 действующих реактора со средней генерирующей мощностью 950 МВт (эл.  ), На которые в 2005 г. потребовалось более 22 килотонн (49 × 10 ⁶ фунтов) природного урана. По мере увеличения числа атомных электростанций растет и спрос на уран. . ^^

Еще один фактор, который следует учитывать, - это рост населения. Потребление электроэнергии частично определяется экономическим ростом и ростом населения. Согласно данным ЦРУ World Factbook, население мира в настоящее время (оценка на июль 2020 года) составляет более 7,7 миллиарда человек, и оно увеличивается на 1,167% в год. Это означает рост примерно на 211 000 человек каждый день. По оценкам ООН, к 2050 году население Земли составит 9,07 миллиарда человек. 62% людей будут жить в Африке, Южной Азии и Восточной Азии. Самый большой класс энергопотребления в истории Земли производится в самых густонаселенных странах мира, в Китае и Индии. Оба планируют масштабные программы расширения ядерной энергетики. Китай намеревается построить к 2020 году 32 АЭС мощностью 40 000 МВтэ. По данным Всемирной ядерной ассоциации , Индия планирует ввести в эксплуатацию ядерные мощности 20 000 МВт к 2020 году и к 2050 году планирует поставлять 25% электроэнергии за счет ядерной энергетики. Ядерная ассоциация считает, что ядерная энергия может снизить нагрузку на ископаемое топливо при создании нового спроса на электроэнергию.

Чем больше ископаемого топлива используется для удовлетворения растущих потребностей в энергии растущего населения, тем больше парниковых газов производится. Некоторые сторонники ядерной энергетики считают, что строительство большего количества атомных электростанций может снизить выбросы парниковых газов . Например, шведское коммунальное предприятие Vattenfall изучило выбросы в течение всего жизненного цикла от различных способов производства электроэнергии и пришло к выводу, что ядерная энергия производит 3,3 г / кВт · ч углекислого газа, по сравнению с 400,0 для природного газа и 700,0 для угля . Другое исследование, однако, показывает, что эта цифра составляет 84–130 г CO2 / кВтч, причем эта цифра резко возрастает по мере того, как в будущем будут использоваться менее концентрированные руды. Он использует более широкий диапазон для рассмотрения, чем другие исследования, включая демонтаж и утилизацию электростанции. Исследование предполагает использование дизельного топлива для термических частей процесса добычи урана.

Поскольку страны не могут обеспечить свои собственные потребности в уране экономически, страны прибегают к импорту урановой руды из других мест. Например, владельцы ядерных реакторов в США купили в 2006 году 67 миллионов фунтов (30 килотонн) природного урана. По данным Министерства энергетики, из них 84%, или 56 миллионов фунтов (25 килотонн), были импортированы от иностранных поставщиков.

Из - за улучшения в газовых центрифугах технологии в 2000 - х годах, заменив прежние газовые диффузионные заводы , дешевле сепаратистские единицы работы позволили экономическому производство более обогащенного урана из заданного количества природного урана, путем повторного обогащение хвостов в конечном счете , оставляя обедненный уран хвост нижнего обогащения. Это несколько снизило спрос на природный уран.

Поставки урана

Уран естественным образом встречается во многих породах и даже в морской воде. Однако, как и другие металлы, он редко бывает достаточно концентрированным, чтобы его можно было извлечь с экономической точки зрения. Как и любой другой ресурс, уран не может быть добыт в любой желаемой концентрации. Независимо от технологии, в какой-то момент добыча руды более низкого качества обходится слишком дорого. Одно подвергшееся резкой критике исследование жизненного цикла, проведенное Яном Виллемом Стормом ван Леувеном, показало, что при содержании руды ниже 0,01–0,02% (100–200 частей на миллион) энергия, необходимая для извлечения и обработки руды для подачи топлива, эксплуатации реакторов и надлежащей утилизации, приближается к энергия, полученная при использовании урана в качестве делящегося материала в реакторе. Исследователи из Института Пола Шеррера , проанализировавшие статью Яна Виллема Шторма ван Левена , подробно описали количество неверных предположений Яна Виллема Шторма ван Леувена, которые привели их к этой оценке, включая их предположение о том, что вся энергия, используемая при разработке Олимпийской плотины это энергия, используемая при добыче урана, когда этот рудник представляет собой преимущественно медный рудник, а уран производится только как побочный продукт, наряду с золотом и другими металлами. В отчете Яна Виллема Сторма ван Леувена также предполагается, что все обогащение осуществляется с использованием более старой и более энергоемкой газодиффузионной технологии, однако менее энергоемкая технология газовых центрифуг уже в течение нескольких десятилетий производит большую часть обогащенного урана в мире.

В оценке ядерной энергетики, проведенной группой специалистов Массачусетского технологического института в 2003 г. и обновленной в 2009 г., говорится, что:

Большинство комментаторов приходят к выводу, что полвека беспрепятственного роста возможен, тем более что ресурсы, стоимость которых составляет несколько сотен долларов за килограмм (не оцененных в Красной книге), также были бы экономически целесообразными ... Мы считаем, что мировые поставки урановой руды ограничены. достаточно для запуска 1000 реакторов в течение следующих полувека.

На заре ядерной индустрии считалось, что уран очень дефицитный, поэтому потребуется замкнутый топливный цикл . Реакторы-размножители на быстрых нейтронах потребуются для создания ядерного топлива для других энергетических реакторов. В 1960-х годах новые открытия запасов и новые методы обогащения урана развеяли эти опасения.

Горнодобывающие компании обычно рассматривают концентрации, превышающие 0,075% (750 частей на миллион), как руду или породу, которые рентабельны для добычи при текущих рыночных ценах на уран. В земной коре содержится около 40 триллионов тонн урана, но большая его часть распределяется с низкой концентрацией следов на миллион частей на миллион по его массе 3 * 10 ¹⁹ тонн. По оценкам, количество, сконцентрированное в рудах, доступных для извлечения по цене менее 130 долларов за кг, может составлять менее одной миллионной от этой суммы.

Марки урана

Источник	Концентрация
Руда очень богатая - 20% U	200000 частей на миллион U
Богатая руда - 2% U	20000 частей на миллион U
Бедная руда - 0,1% U	1000 частей на миллион U
Руда очень бедная - 0,01% U	100 частей на миллион U
Гранит	4–5 частей на миллион U
Осадочная порода	2 частей на миллион U
Континентальная кора Земли (ср)	2,8 частей на миллион U
Морская вода	0,003 частей на миллион U

Согласно Красной книге ОЭСР,  в 2017 году мир потребил 62,8 килотонн (138 × 10 ⁶ фунтов) урана (по сравнению с 67 килотоннами в 2002 году). Из них 59 кт было произведено из первичных источников, а остальное - из вторичных источников, в частности запасов природного и обогащенного урана , снятого с вооружения ядерного оружия, переработки природного и обогащенного урана и повторного обогащения хвостов обедненного урана . ^

Экономически извлекаемые запасы урана (0,01% руды и выше)

Концентрация руды	тонны урана	Тип руды
> 1%	10000	венозные отложения
0,2–1%	2 миллиона	пегматиты, отложения несогласия
0,1–0,2%	80 миллионов	ископаемые россыпи, песчаники
0,02–0,1%	100 миллионов	ископаемые россыпи более низкого качества, песчаники
100–200 частей на миллион	2000000000	вулканические отложения

В приведенной выше таблице предполагается, что топливо будет использоваться в горелке LWR. Уран становится намного более экономичным при использовании в реакторе с быстрой горелкой, таком как интегральный быстрый реактор .

Производство

Пик урана относится к пику производства урана на всей планете. Как и другие пики Хабберта , темпы добычи урана на Земле резко упадут. По словам Роберта Вэнса из Агентства по ядерной энергии ОЭСР, мировое производство урана уже достигло своего пика в 1980 году, составив 69 683 тонны (150 × 10 ⁶  фунтов) U ₃ O ₈ из 22 стран. Однако это не из-за отсутствия производственных мощностей. Исторически сложилось так, что урановые рудники и заводы по всему миру работали примерно на 76% от общей производственной мощности, варьирующейся в диапазоне от 57% до 89%. Низкие темпы производства во многом объясняются избыточными производственными мощностями. Замедление роста ядерной энергетики и конкуренция со стороны вторичного предложения до недавнего времени значительно снижали спрос на свеже добытый уран. Вторичные поставки включают военные и коммерческие запасы, хвосты обогащенного урана, переработанный уран и смешанное оксидное топливо. ^

Согласно данным Международного агентства по атомной энергии , мировое производство добытого урана дважды в прошлом достигало пика: один раз, примерно в 1960 году, в связи с накоплением запасов для использования в военных целях, и снова в 1980 году в связи с накоплением запасов для использования в коммерческой ядерной энергетике. Примерно до 1990 года добыча урана превышала потребление электростанциями. Но с 1990 года потребление на электростанциях превысило добываемый уран; дефицит восполняется за счет ликвидации военных (за счет вывода из эксплуатации ядерного оружия) и гражданских запасов. Добыча урана увеличилась с середины 1990-х годов, но все еще меньше, чем потребление электростанциями.

Крупнейшими производителями урана в мире являются Казахстан (39% мировой добычи), Канада (22%) и Австралия (10%). К другим крупным производителям относятся Намибия (6,7%), Нигер (6%) и Россия (5%). В 1996 году в мире было произведено 39 килотонн (86 × 10 ⁶  фунтов) урана. В 2005 году мировая добыча первичной добычи составила 41 720 тонн (92 × 10 ⁶  фунтов) урана, что составляет 62% от потребностей электроэнергетических компаний. В 2017 году производство увеличилось до 59 462 тонн, что составляет 93% от потребности. Остаток поступает из запасов, имеющихся у коммунальных предприятий и других компаний топливного цикла, запасов у правительств, использованного реакторного топлива, которое было переработано, переработанных материалов из военных ядерных программ и урана в запасах обедненного урана. Плутоний из демонтированных арсеналов ядерного оружия времен холодной войны будет исчерпан к 2013 году. Промышленность пытается найти и разработать новые урановые рудники, в основном в Канаде, Австралии и Казахстане. Те, что разрабатывались в 2006 году, восполнили бы половину этого пробела. ^^

Из десяти крупнейших урановых рудников в мире (Мак-Артур-Ривер, Рейнджер, Россинг, Краснокаменск, Олимпийская плотина, Рэббит-Лейк, Акута, Арлит, Беверли и МакКлин-Лейк) к 2020 году шесть будут истощены, два - в своих На заключительных этапах один будет модернизироваться, а другой - производить.

Мировое добыча полезных ископаемых упала на 5% в 2006 году по сравнению с 2005 годом. Крупнейшие производители, Канада и Австралия, продемонстрировали падение на 15% и 20%, и только в Казахстане рост составил 21%. Это можно объяснить двумя крупными событиями, которые замедлили мировую добычу урана. Канадский рудник Cameco на озере Сигар является крупнейшим в мире рудником с высоким содержанием урана. В 2006 году оно затопило, а затем снова затопило в 2008 году (после того, как Cameco потратила 43 миллиона долларов - большую часть отложенных денег - на решение проблемы), в результате чего Cameco перенесла самый ранний срок запуска Cigar Lake на 2011 год. В марте 2007 года рынок пережил еще один удар, когда циклон обрушился на шахту Рейнджер в Австралии, которая производит 5 500 тонн (12 × 10 ⁶  фунтов) урана в год. Владелец рудника, Energy Resources of Australia, объявил о форс-мажорных обстоятельствах при поставках и сказал, что производство будет затронуто во второй половине 2007 года. Это заставило некоторых предположить, что пик урана уже наступил. В январе 2018 года на руднике МакАртур-Ривер в Канаде было приостановлено производство, с 2007 по 2017 год на руднике производилось 7000-8000 тонн урана в год. Владелец рудника Cameco назвал низкие рыночные цены на уран причиной остановки производства и заявляет о росте добычи. до нормального состояния потребуется 18–24 месяца, когда будет принято решение о повторном открытии рудника. ^

Основные источники

Около 96% мировых запасов урана находится в этих десяти странах: Австралии, Канаде, Казахстане, Южной Африке, Бразилии, Намибии, Узбекистане, США, Нигере и России. Из них основными производителями являются Казахстан (39% мирового производства), Канада (22%) и Австралия (10%), которые являются основными производителями. В 1996 году в мире было произведено 39 000 тонн урана, а в 2005 году в мире было произведено 41 720 тонн урана. В 2017 году этот объем увеличился до 59 462 тонн, что составляет 93% мирового спроса.

Различные агентства пытались оценить, как долго хватит этих первичных ресурсов, исходя из однократного цикла . В 2001 году Европейская комиссия заявила, что при нынешнем уровне потребления урана известных запасов урана хватит на 42 года. При добавлении к военным и вторичным источникам ресурсы могут быть увеличены до 72 лет. Тем не менее, этот уровень использования предполагает, что ядерная энергия по-прежнему обеспечивает лишь часть мирового энергоснабжения. Если увеличить электрическую мощность в шесть раз, то 72-летнего отпуска хватит всего на 12 лет. Существующие в мире измеренные ресурсы урана, экономически извлекаемые по цене 130 долларов США за килограмм, согласно данным отраслевых групп Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), Агентства по ядерной энергии (АЯЭ) и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), при нынешних темпах потребления хватит на «не менее века». По данным Всемирной ядерной ассоциации , еще одной отраслевой группы, исходя из текущих темпов потребления в мире в 66 500 тонн урана в год и имеющихся в мире измеренных ресурсов урана (4,7–5,5 млн тонн), которых хватит на 70–80 лет. .

Резервы

Резервы - это наиболее доступные ресурсы. Ресурсы, о существовании которых известно и которые легко добыть, называются «известными традиционными ресурсами». Ресурсы, которые считаются существующими, но не были добыты, классифицируются как «неоткрытые традиционные ресурсы».

Известные ресурсы урана представляют собой более высокий уровень гарантированных ресурсов, чем обычно для большинства полезных ископаемых. Дальнейшая разведка и более высокие цены, безусловно, на основе нынешних геологических знаний, принесут дополнительные ресурсы по мере того, как существующие будут израсходованы. В период с 1985 по 2005 годы разведка урана велась очень мало, поэтому значительное увеличение разведочных работ, которое мы сейчас наблюдаем, могло легко удвоить известные экономические ресурсы. Исходя из аналогий с другими металлическими полезными ископаемыми, можно ожидать, что удвоение цены по сравнению с уровнем цен 2007 года со временем приведет к примерно десятикратному увеличению измеряемых ресурсов.

Известные обычные ресурсы

Известными традиционными ресурсами являются «Разумно гарантированные ресурсы» и «Предполагаемые дополнительные ресурсы-I».

В 2006 году считалось, что около 4 миллионов тонн условных ресурсов будет достаточно при текущих темпах потребления примерно на шесть десятилетий (4,06 миллиона тонн при 65 000 тонн в год). В 2011 году это оценивалось в 7 миллионов тонн. Разведка урана увеличилась. С 1981 по 2007 год годовые затраты на разведку выросли незначительно - с 4 миллионов долларов США до 7 миллионов долларов США. В 2011 году эта цифра резко возросла до 11 миллионов долларов США. Потребление урана составляет около 75 000 тонн в год. Это меньше, чем производство, и требует использования существующих запасов.

Около 96% мировых запасов урана находится в этих десяти странах: Австралии, Канаде, Казахстане, Южной Африке, Бразилии, Намибии, Узбекистане, США, Нигере и России. Самые большие в мире месторождения урана находятся в трех странах. Австралия имеет чуть более 30% разумно гарантированных мировых ресурсов и предполагаемых ресурсов урана - около 1,673 мегатонны (3,69 × 10 ⁹  фунтов). Казахстан имеет около 12% мировых запасов, или около 651 килотонну (1,4 × 10 ⁹  фунтов). А в Канаде имеется 485 килотонн (1100 × 10 ⁶  фунтов) урана, что составляет около 9%. ^^^

Некоторые страны Европы больше не добывают уран (Восточная Германия (1990 г.), Франция (2001 г.), Испания (2002 г.) и Швеция (1969 г.)); они не были крупными производителями.

Неизвестные традиционные ресурсы

Неоткрытые традиционные ресурсы можно разделить на две классификации: «Предполагаемые дополнительные ресурсы-II» и «Спекулятивные ресурсы».

Чтобы найти оставшиеся месторождения и начать их добычу, потребуются значительные усилия по разведке и разработке. Однако, поскольку в настоящее время география всей Земли на предмет урана не исследована, потенциал для обнаружения полезных ископаемых все еще существует. В Красной книге ОЭСР указаны районы, все еще открытые для исследования во всем мире. Многие страны проводят полные радиометрические исследования с использованием аэромагнитных градиентометров, чтобы оценить размер своих неоткрытых полезных ископаемых. В сочетании с гамма-съемкой эти методы позволяют обнаружить неоткрытые залежи урана и тория. Министерство энергетики США провело первую и единственную национальную оценку урана в 1980 году - Национальную программу оценки урановых ресурсов (NURE).

Вторичные ресурсы

Вторичные ресурсы - это, по сути, уран, извлеченный из других источников, таких как ядерное оружие, запасы, переработка и повторное обогащение. Поскольку вторичные ресурсы имеют чрезвычайно низкие затраты на открытие и очень низкие производственные затраты, они могли вытеснить значительную часть первичной добычи. Вторичный уран был и доступен практически мгновенно. Однако нового первичного производства не будет. По сути, вторичная поставка - это «единовременная» конечная поставка, за исключением переработанного топлива.

Добыча урана носит циклический характер, в 2009 году 80% потребностей электроэнергетики обеспечивались шахтами, в 2017 году этот показатель вырос до 93%. Остаток поступает из запасов, имеющихся у коммунальных предприятий и других компаний топливного цикла, запасов у правительств, использованного реакторного топлива, которое было переработано, переработанных материалов из военных ядерных программ и урана в запасах обедненного урана.

Плутоний из демонтированных арсеналов ядерного оружия времен холодной войны был основным источником ядерного топлива в рамках программы « Мегатонны в мегаватты », завершившейся в декабре 2013 года. В отрасли были разработаны новые урановые рудники, особенно в Казахстане, на долю которого в настоящее время приходится 31% мировых запасов. .

Запасы

Инвентаризация ведется различными организациями - государственными, коммерческими и другими.

Министерство энергетики США ведет инвентаризацию для обеспечения безопасности поставок, чтобы покрыть чрезвычайные ситуации, когда уран недоступен по любой цене. В случае серьезного нарушения поставок у Департамента может не хватить урана для покрытия острой нехватки урана в Соединенных Штатах.

Списание ядерного оружия

И США, и Россия обязались переработать свое ядерное оружие в топливо для производства электроэнергии. Эта программа известна как программа « Мегатонны в мегаватты» . Смешивание 500 тонн (1100 × 10 ³  фунтов) российского оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) приведет к получению около 15 килотонн (33000 × 10 ³  фунтов) низкообогащенного урана (НОУ) в течение 20 лет. Это эквивалентно примерно 152 килотоннам (340 × 10 ⁶  фунтов) природного урана , или чуть более чем двукратному годовому мировому спросу. С 2000 года 30 тонн (66 × 10 ³  фунтов) военного ВОУ заменяют около 10,6 килотонн (23 × 10 ⁶  фунтов) добычи оксида урана в год, что составляет около 13% мировых потребностей в реакторах. ^^^^^

Плутоний, извлеченный из ядерного оружия или других источников, можно смешать с урановым топливом для получения смешанного оксидного топлива. В июне 2000 года США и Россия договорились утилизировать к 2014 году по 34 килотонны (75 × 10 ⁶  фунтов) оружейного плутония каждая. США обязались реализовать самофинансируемую двойную программу (иммобилизация и МОКС-топливо). Страны "большой семерки" выделили 1 миллиард долларов на реализацию программы России. Последний изначально был МОКС-топливом специально разработан для реакторов ВВЭР, российской версии реактора с водой под давлением (PWR), высокая стоимость объясняется тем, что это не входило в политику России в области топливного цикла. Это МОКС-топливо для обеих стран эквивалентно примерно 12 килотоннам (26 × 10 ⁶  фунтов) природного урана. У США также есть обязательства по утилизации 151 тонны (330 × 10 ³  фунтов) безотходного ВОУ. ^^^

Программа «Мегатонны в мегаватты» завершилась в 2013 году.

Переработка и переработка

Ядерная переработка , иногда называемая рециклингом, является одним из методов смягчения возможного пика производства урана. Он наиболее полезен как часть ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах, поскольку регенерированный уран и реакторный плутоний имеют изотопный состав, не оптимальный для использования в современных реакторах на тепловых нейтронах . Хотя переработка ядерного топлива осуществляется в нескольких странах ( Франция , Великобритания и Япония ), президент США запретил переработку в конце 1970-х годов из-за высокой стоимости и риска распространения ядерного оружия через плутоний. В 2005 году законодатели США предложили программу переработки отработавшего топлива, накопившегося на электростанциях. При нынешних ценах такая программа значительно дороже, чем утилизация отработавшего топлива и добыча свежего урана.

В настоящее время в мире существует одиннадцать перерабатывающих заводов. Два из них являются крупномасштабными промышленными установками по переработке отработавших тепловыделяющих элементов легководных реакторов с производительностью более 1 килотонны (2,2 × 10 ⁶  фунтов) урана в год. Это Ла-Хаг, Франция, с производительностью 1,6 килотонн (3,5 × 10 ⁶  фунтов) в год и Селлафилд , Англия, с производительностью 1,2 килотонны (2,6 × 10 ⁶  фунтов) урана в год. Остальные - небольшие экспериментальные заводы. Два крупных промышленных предприятия по переработке вместе могут перерабатывать 2800 тонн урановых отходов в год. ^^^

Большая часть компонентов отработавшего топлива может быть восстановлена ​​и переработана. Около двух третей запасов отработавшего топлива в США составляет уран. Сюда входит остаточный делящийся уран-235, который можно повторно использовать в качестве топлива для реакторов на тяжелой воде или повторно обогатить для использования в качестве топлива в реакторах на легкой воде .

Плутоний и уран можно химически отделить от отработавшего топлива. Когда отработанное ядерное топливо перерабатывается с использованием стандартного фактического метода PUREX , как плутоний, так и уран извлекаются отдельно. Отработанное топливо содержит около 1% плутония. Плутоний реакторного качества содержит Pu-240, который имеет высокую скорость самопроизвольного деления, что делает его нежелательным загрязнителем при производстве безопасного ядерного оружия. Тем не менее, ядерное оружие можно изготавливать из плутония реакторного качества.

Отработанное топливо в основном состоит из урана, большая часть которого не потреблялась и не трансмутировалась в ядерном реакторе. При типичной концентрации около 96% по массе в отработанном ядерном топливе уран является крупнейшим компонентом отработанного ядерного топлива. Состав регенерированного урана зависит от времени нахождения топлива в реакторе, но в основном это уран-238 , с примерно 1% урана-235 , 1% урана-236 и меньшими количествами других изотопов, включая уран-232 . Однако переработанный уран также является отходом, поскольку он загрязнен и нежелателен для повторного использования в реакторах. При облучении в реакторе уран сильно модифицируется. Уран, покидающий завод по переработке, содержит все изотопы урана от урана-232 до урана-238, за исключением урана-237 , который быстро превращается в нептуний-237 . Нежелательные изотопные загрязнители:

• Уран-232 (продукты распада которого испускают сильное гамма-излучение, что затрудняет обращение с ним), и
• Уран-234 (который является плодородным материалом, но может влиять на реакционную способность иначе, чем уран-238).
• Уран-236 (который влияет на реактивность и поглощает нейтроны без деления, превращаясь в нептуний-237, который является одним из самых сложных изотопов для долгосрочного захоронения в глубоком геологическом хранилище)
• Дочерние продукты урана-232: висмут-212, таллий-208.

В настоящее время переработка и использование плутония в качестве реакторного топлива намного дороже, чем использование уранового топлива и непосредственная утилизация отработавшего топлива, даже если топливо перерабатывается только один раз. Однако ядерная переработка становится более экономически привлекательной по сравнению с добычей большего количества урана по мере роста цен на уран.

Общая скорость извлечения 5 килотонн (11 × 10 ⁶  фунтов) / год от переработки в настоящее время является лишь небольшой долей по сравнению с растущим разрывом между требуемой скоростью 64,615 килотонн (142,45 × 10 ⁶  фунтов) / год и скоростью, с которой первичный Поставка урана обеспечивает 46,403 килотонн (102,30 × 10 ⁶  фунтов) в год. ^^^

Возврат энергии на вложенную энергию (EROEI) при переработке урана является весьма положительным, хотя и не таким положительным, как добыча и обогащение урана, и этот процесс можно повторить. Дополнительные заводы по переработке могут принести некоторую экономию за счет масштаба.

Основные проблемы с переработкой урана - это стоимость добытого урана по сравнению со стоимостью переработки, риски ядерного распространения, риск серьезного изменения политики, риск больших затрат на очистку, строгие правила для перерабатывающих заводов и антиядерное движение. .

Нетрадиционные ресурсы

Нетрадиционные ресурсы - это явления, требующие новых технологий для их эксплуатации и / или использования. Часто нетрадиционные ресурсы встречаются с низкой концентрацией. Эксплуатация нетрадиционного урана требует дополнительных усилий по исследованиям и разработкам, в которых нет непосредственной экономической необходимости, учитывая большую базу традиционных ресурсов и возможность переработки отработавшего топлива. Фосфаты, морская вода, зола ураносодержащих углей и некоторые виды горючих сланцев являются примерами нетрадиционных ресурсов урана.

Фосфаты

Стремительный рост цен на уран может вызвать длительные бездействующие операции по извлечению урана из фосфата. Уран встречается в концентрациях от 50 до 200 частей на миллион в фосфатно-насыщенной земле или фосфатной породе . По мере роста цен на уран в некоторых странах проявился интерес к добыче урана из фосфоритов, которые обычно используются в качестве основы для фосфорных удобрений.

Во всем мире действовало около 400 заводов по мокрому способу получения фосфорной кислоты . Предполагая, что среднее извлекаемое содержание урана составляет 100 частей на миллион, и что цены на уран не увеличиваются, так что основное использование фосфатов приходится на удобрения , этот сценарий приведет к максимальному теоретическому годовому производству 3,7 килотонн (8,2 × 10 ⁶  фунтов) U ₃ O ₈ . ^

Исторические операционные затраты на извлечение урана из фосфорной кислоты варьируются от 48 до 119 долларов за кг U ₃ O ₈ . В 2011 году средняя цена, уплаченная за U ₃ O ₈ в Соединенных Штатах, составляла 122,66 долл. США за кг.

В фосфатных месторождениях находится 22 миллиона тонн урана. Извлечение урана из фосфатов - зрелая технология ; он использовался в Бельгии и США, но высокие затраты на извлечение ограничивают использование этих ресурсов, с расчетными производственными затратами в диапазоне 60–100 долларов США / кгU, включая капитальные вложения, согласно отчету ОЭСР за 2003 год для новых 100 тУ / год по проекту.

Морская вода

Нетрадиционные ресурсы урана включают до 4000 мегатонн (8 800 × 10 ⁹  фунтов) урана, содержащегося в морской воде. Несколько технологий извлечения урана из морской воды были продемонстрированы в лабораторном масштабе. ^

В середине 1990-х годов затраты на добычу оценивались в 260 долларов США / кгU (Нобукава и др., 1994), но увеличение объемов производства на лабораторном уровне до тысяч тонн не доказано и может столкнуться с непредвиденными трудностями.

Один из методов извлечения урана из морской воды заключается в использовании нетканого материала, специфичного для урана, в качестве абсорбента. Общее количество урана, извлеченного в эксперименте 2003 года из трех сборных ящиков, содержащих 350 кг ткани, составило> 1 кг желтого кека после 240 дней погружения в океан. По данным ОЭСР, уран может быть извлечен из морской воды этим методом по цене около 300 долларов США / кгU.

В 2006 году та же исследовательская группа заявила: «Если 2 г-U / кг адсорбента погружают в воду на 60 дней за один раз и используют 6 раз, стоимость урана оценивается в 88 000 йен / кгU, включая стоимость производства адсорбента, урана сбор и очистка урана. Когда становится возможным извлечение 6 г U на кг адсорбента и 20 повторений или более, стоимость урана снижается до 15 000 иен. Этот уровень цен эквивалентен самой высокой стоимости добываемого урана. Самый низкий достижимая в настоящее время стоимость составляет 25 000 иен с использованием адсорбента 4 г-U / кг в морском районе Окинавы при 18 повторных применениях. В этом случае первоначальные инвестиции для сбора урана из морской воды составляют 107,7 млрд. иен, что составляет 1/3 стоимости строительства атомной электростанции мощностью один миллион киловатт ».

В 2012 году исследователи ORNL объявили об успешной разработке нового абсорбирующего материала, получившего название HiCap, который значительно превосходит предыдущие лучшие адсорбенты, которые удерживают на поверхности твердые или газовые молекулы, атомы или ионы. «Мы показали, что наши адсорбенты могут извлекать в пять-семь раз больше урана при скорости поглощения в семь раз быстрее, чем лучшие адсорбенты в мире», - сказал Крис Янке, один из изобретателей и член Отделения материаловедения и технологий ORNL. HiCap также эффективно удаляет токсичные металлы из воды, согласно результатам, подтвержденным исследователями из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории .

Среди других методов извлечения урана из морской воды два кажутся многообещающими: цветение водорослей для концентрирования урана и фильтрация через наномембрану .

На данный момент в лаборатории из морской воды извлечено не более чем очень небольшое количество урана.

Зола ураносодержащего угля

В частности, ядерные энергетические установки производят около 200 000 метрических тонн низко- и среднеактивных отходов (НСАО) и 10 000 метрических тонн высокоактивных отходов (ВАО) (включая отработавшее топливо, определяемое как отходы) ежегодно во всем мире.

Хотя средняя концентрация в угле до сжигания составляет всего несколько частей на миллион (хотя и более сконцентрирована в золе), теоретический максимальный энергетический потенциал микропримесей урана и тория в угле (в реакторах-размножителях ) на самом деле превышает энергию, выделяемую при сжигании самого угля. исследование Национальной лаборатории Ок-Ридж .

С 1965 по 1967 год Union Carbide управляла заводом в Северной Дакоте , США, на котором сжигался урансодержащий бурый уголь и извлекался уран из золы. До остановки завод произвел около 150 метрических тонн U ₃ O ₈ .

Международный консорциум приступил к изучению коммерческой добычи урана из золы ураносодержащих углей на угольных электростанциях, расположенных в провинции Юньнань, Китай. Первое лабораторное количество желтого урана, извлеченного из золы ураносодержащего угля, было объявлено в 2007 году. Три угольные электростанции в Сяолунтане, Далунтане и Кайюане накопили золу. Первоначальные испытания кучи золы в Сяолунтане показывают, что этот материал содержит (160–180 частей на миллион урана), что позволяет предположить, что только из этой кучи золы можно извлечь в общей сложности около 2,085 килотонн (4,60 × 10 ⁶  фунтов) U ₃ O ₈ . ^

Горючие сланцы

Некоторые горючие сланцы содержат уран, который может быть извлечен как побочный продукт. В период с 1946 по 1952 год морской сланец Dictyonema использовался для добычи урана в Силламяэ , Эстония, а в период с 1950 по 1989 год сланцы квасцов использовались в Швеции для той же цели.

Разведение

Реактор-размножитель производит больше ядерного топлива, чем потребляет, и, таким образом, может увеличить запасы урана. Обычно он превращает доминирующий изотоп в природном уране, уран-238, в делящийся плутоний-239. Это приводит к стократному увеличению количества энергии, производимой на единицу массы урана, поскольку U-238, составляющий 99,3% природного урана, не используется в обычных реакторах, которые вместо этого используют U-235, составляющий только 0,7% от общего количества урана. природный уран. В 1983 году физик Бернард Коэн предположил, что мировые запасы урана фактически неисчерпаемы и поэтому могут рассматриваться как форма возобновляемой энергии . Он утверждает , что реакторы на быстрых нейтронах , питаемые естественно-пополнен урана-238 , извлеченной из морской воды, может поставлять энергию , по крайней мере до тех пор , как и ожидалось , остающейся продолжительности жизни Солнца в пять миллиардов лет., Что делает их устойчивыми в доступности топлива условиях, возобновляемых источников энергии источников . Несмотря на эту гипотезу, не существует известного экономически целесообразного метода извлечения достаточных количеств из морской воды. Экспериментальные методы исследуются.

Есть два типа заводчиков: быстрые заводчики и термические заводчики.

Быстрый заводчик

Установка на быстрых нейтронах, помимо потребления U-235, превращает фертильный U-238 в Pu-239 , делящееся топливо. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах более дороги в строительстве и эксплуатации, включая переработку, и могут быть экономически оправданы только в том случае, если цены на уран в реальном выражении вырастут до значений, существовавших до 1980 года. Около 20 реакторов на быстрых нейтронах уже работают, некоторые с 1950-х годов, а один поставляет электроэнергию в коммерческих целях. Накоплен реакторный опыт эксплуатации более 300 лет. Помимо значительного увеличения запаса пригодного для эксплуатации топлива, эти реакторы имеют преимущество в том, что они производят менее долгоживущие трансурановые отходы и могут потреблять ядерные отходы из существующих легководных реакторов , генерируя при этом энергию. В нескольких странах есть программы исследований и разработок для улучшения этих реакторов. Например, во Франции есть сценарий, согласно которому половина нынешних ядерных мощностей будет заменена реакторами-размножителями на быстрых нейтронах к 2050 году. Китай, Индия и Япония планируют крупномасштабное использование реакторов-размножителей в ближайшие десятилетия. (После кризиса на японской атомной электростанции Фукишима-дайити в 2011 году Япония пересматривает свои планы в отношении будущего использования ядерной энергии ( см .: Ядерная катастрофа Фукусима-дайити: последствия для энергетической политики ).)

Воспроизводство плутониевого топлива в реакторах на быстрых нейтронах (FBR), известное как плутониевая экономика, какое-то время считалось будущим ядерной энергетики. Но многие из построенных коммерческих реакторов-размножителей столкнулись с техническими и бюджетными проблемами. Некоторые источники, критикующие реакторы-размножители, зашли так далеко, что назвали их сверхзвуковыми транспортными средствами 80-х годов.

Урана оказалось гораздо больше, чем предполагалось, и цена на уран быстро снизилась (с резким скачком вверх в 1970-х годах). Вот почему США прекратили их использование в 1977 году, а Великобритания отказалась от этой идеи в 1994 году.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах называются быстрыми, потому что в них нет замедлителя, замедляющего нейтроны (легкая вода, тяжелая вода или графит ), и они производят больше топлива, чем потребляют. Таким образом, слово «быстрый» в терминологии «быстрые размножители» относится к скорости нейтронов в активной зоне реактора. Чем выше энергия нейтронов, тем выше коэффициент воспроизводства или тем больше урана превращается в плутоний.

С FBR возникли серьезные технические и материальные проблемы, и геологические исследования показали, что дефицит урана не будет проблемой в течение некоторого времени. К 1980-м годам из-за обоих факторов стало ясно, что FBR не будут коммерчески конкурентоспособны с существующими легководными реакторами. Экономика реакторов FBR по-прежнему зависит от стоимости плутониевого топлива, которое производится, по сравнению со стоимостью свежего урана. Исследования продолжаются в нескольких странах с работающими прототипами Phénix во Франции, реактором BN-600 в России и Monju в Японии.

16 февраля 2006 г. США, Франция и Япония подписали соглашение об исследованиях и разработке реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем в поддержку Глобального партнерства в области ядерной энергии . Реакторы-размножители также изучаются в рамках программы реакторов поколения IV .

Ранние прототипы страдали от проблем. Жидкий натриевый хладагент легко воспламеняется, воспламеняется при контакте с воздухом и взрывается при контакте с водой. Японская атомная электростанция на быстрых нейтронах Monju должна быть вновь открыта в 2008 году, через 13 лет после серьезной аварии и пожара, вызванного утечкой натрия. В 1997 году Франция остановила свой реактор Суперфеникс, а Феникс, построенный ранее, закрылся, как и планировалось, в 2009 году.

При более высоких ценах на уран реакторы-размножители могут быть экономически оправданы. Многие страны имеют постоянные программы исследования селекционеров. Китай, Индия и Япония планируют широкомасштабное использование реакторов-размножителей в ближайшие десятилетия. На них накоплен 300 реакторно-летний опыт эксплуатации.

По состоянию на июнь 2008 г. имеется только два действующих коммерческих селекционера, а скорость производства реакторного плутония очень мала (20 т / год). Плутоний реакторного качества перерабатывается в МОКС-топливо. Помимо темпов добычи урана (46 403 тонны в год), этого недостаточно для предотвращения пика добычи урана; однако это происходит только потому, что добываемого и переработанного оксида урана имеется в большом количестве и он дешев, поэтому создание нового топлива неэкономично. Они могут переключаться на производство большого количества нового топлива по мере необходимости, и за короткий промежуток времени можно построить гораздо больше реакторов-воспроизводителей.

Термический заводчик

Торий - это топливный цикл, альтернативный урану. Тория в три раза больше, чем урана. Торий-232 сам по себе не делящийся, а плодородный . Его можно превратить в делящийся уран-233 в реакторе-размножителе. В свою очередь, уран-233 может быть расщеплен с тем преимуществом, что при захвате нейтронов образуется меньшее количество трансурановых элементов по сравнению с ураном-235 и особенно по сравнению с плутонием-239 .

Несмотря на то, что ториевый топливный цикл имеет ряд привлекательных особенностей, его крупномасштабная разработка может столкнуться с трудностями:

• Полученное в результате топливо U-233 дорого в производстве.
• U-233, химически отделенный от облученного ториевого топлива, очень радиоактивен.
• Выделенный U-233 всегда загрязнен следами U-232.
• Торий трудно утилизировать из-за высокой радиоактивности Th-228.
• Если U-233 можно отделить самостоятельно, это станет риском распространения оружия
• И есть технические проблемы при переработке.

Сторонники реакторов с жидкой активной зоной и расплавленных солей, таких как LFTR, заявляют, что эти технологии устраняют вышеупомянутые недостатки тория, присущие твердотопливным реакторам.

Первый успешный коммерческий реактор на электростанции Индиан-Пойнт в Бьюкенене, Нью-Йорк (блок 1 Индиан-Пойнт) работал на тории. Первое ядро ​​не оправдало ожиданий.

Интерес Индии к торию обусловлен их значительными запасами. Почти треть мировых запасов тория находится в Индии. Министерство по атомной энергии Индии (DAE) заявляет, что построит прототип реактора мощностью 500 МВт в Калпаккаме. Есть планы построить четыре реактора-размножителя по 500 МВт каждый - два в Калпаккаме и еще два в еще не определенном месте.

Китай инициировал проект исследований и разработок в области технологии реактора-размножителя на расплавленной соли тория. Об этом было официально объявлено на ежегодной конференции Китайской академии наук (CAS) в январе 2011 года. Его конечной целью является исследование и разработка ядерной системы размножителя расплавленной соли на основе тория примерно за 20 лет. Исследовательский MSR мощностью 5 МВт (эл.

Разрыв спроса и предложения

Из-за сокращения запасов ядерного оружия было высвобождено большое количество бывшего оружейного урана для использования в гражданских ядерных реакторах. В результате, начиная с 1990 года, значительная часть потребностей в урановой ядерной энергии обеспечивалась за счет бывшего оружейного урана, а не вновь добытого урана. В 2002 г. добытый уран обеспечивал лишь 54% потребностей ядерной энергетики. Но по мере того, как поставки бывшего оружейного урана были израсходованы, добыча увеличилась, так что в 2012 году добыча обеспечивала 95 процентов потребностей реакторов, а Агентство по ядерной энергии OCED и Международное агентство по атомной энергии прогнозировали, что дефицит в поставках будет сокращаться. полностью стерта в 2013 году.

Спрос на уран, добыча и дефицит

Страна	Требуемый уран 2006-08 гг.	% мирового спроса	Местное горнодобывающее производство 2006 г.	Дефицит (-излишек)
Соединенные Штаты	18 918 тонн (42 × 10 6  фунтов)^	29,3%	2000 тонн (4,4 × 10 6  фунтов)^	16 918 тонн (37 × 10 6  фунтов) ^
Франция	10527 тонн (23 × 10 6  фунтов)^	16,3%	0	10527 тонн (23 × 10 6  фунтов) ^
Япония	7659 тонн (17 × 10 6  фунтов)^	11,8%	0	7659 тонн (17 × 10 6  фунтов) ^
Россия	3365 тонн (7,4 × 10 6  фунтов)^	5,2%	4009 тонн (8,8 × 10 6  фунтов)^	−644 тонны (−1,4 × 10 6  фунтов) ^
Германия	3332 тонны (7,3 × 10 6  фунтов)^	5,2%	68,03 тонны (0,1500 × 10 6  фунтов)^	3264 тонны (7,2 × 10 6  фунтов) ^
Южная Корея	3109 тонн (6,9 × 10 6  фунтов)^	4,8%	0	3109 тонн (6,9 × 10 6  фунтов) ^
объединенное Королевство	2199 тонн (4,8 × 10 6  фунтов)^	3,4%	0	2199 тонн (4,8 × 10 6  фунтов) ^
Остаток мира	15 506 тонн (34 × 10 6  фунтов)^	24,0%	40327 тонн (89 × 10 6  фунтов)^	−24 821 тонна (−55 × 10 6  фунтов) ^
Всего	64 615 тонн (140 × 10 6  фунтов)^	100,0%	46 403 тонны (100 × 10 6  фунтов)^	18 211 тонн (40 × 10 6  фунтов) ^

Для отдельных наций

Одиннадцать стран, Германия, Чешская Республика, Франция, ДР Конго, Габон, Болгария, Таджикистан, Венгрия, Румыния, Испания, Португалия и Аргентина, пережили пик производства урана и полагаются на импорт для своих ядерных программ. Другие страны достигли пика добычи урана и в настоящее время сокращаются.

• Германия. Между 1946 и 1990 годами Wismut, бывшая уранодобывающая компания в Восточной Германии, произвела в общей сложности около 220 килотонн (490 × 10 ⁶  фунтов) урана. Во время своего пика производство превышало 7 килотонн (15 × 10 ⁶  фунтов) в год. В 1990 году добыча урана была прекращена в результате объединения Германии. Компания не могла конкурировать на мировом рынке. Себестоимость его урана в три раза превышала мировую.^^

• Индия. Индия, которая уже достигла пика производства, оказывается перед трудным выбором между использованием своих скромных и истощающихся ресурсов урана в качестве источника для поддержания своих программ вооружений или возможностью использовать их для производства электроэнергии. Поскольку Индия обладает значительными запасами тория , она переходит на ядерные реакторы, работающие на ториевом топливном цикле .

• Швеция - Швеция начала добычу урана в 1965 году, но никогда не приносила прибыли. Они прекратили добычу урана в 1969 году. Затем Швеция приступила к реализации масштабного проекта, основанного на американских легководных реакторах. В настоящее время Швеция импортирует уран в основном из Канады, Австралии и бывшего Советского Союза.

• Великобритания - 1981 год: добыча урана в Великобритании достигла пика в 1981 году, и поставки на исходе. Тем не менее, Великобритания по-прежнему планирует построить больше атомных электростанций.
• Франция - 1988 г .: Во Франции производство урана достигло пика в 3394 тонны (7,5 × 10 ⁶  фунтов) в 1988 году. В то время этого было достаточно для Франции, чтобы удовлетворить половину потребности в своих реакторах из внутренних источников. К 1997 году объем производства составил 1/5 от уровня 1991 года. Франция заметно сократила свою долю на рынке с 1997 года. В 2002 году во Франции закончился уран.^

• США - 1980: Соединенные Штаты были ведущим производителем урана в мире с 1953 по 1980 год, когда годовое производство в США достигло пика в 16 810 тонн (37 × 10 ⁶  фунтов) (U ₃ O ₈ ) согласно красной книге ОЭСР. Согласно ежегоднику CRB, пик добычи в США составил 19 822 тонны (44 × 10 ⁶  фунтов). Производство в США достигло еще одного максимума в 1996 году и составило 6,3 миллиона фунтов (2,9 кт) оксида урана (U ₃ O ₈ ), затем производство снизилось на несколько лет. В период с 2003 по 2007 год производство увеличилось на 125% из-за увеличения спроса на уран. Однако по состоянию на 2008 год уровень производства не вернулся к уровню 1980 года.^^

Производство урана в США

Год	1993 г.	1994 г.	1995 г.	1996 г.	1997 г.	1998 г.	1999 г.	2000 г.	2001 г.	2002 г.	2003 г.	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2007 г.	2008 г.	2009 г.
U 3 O 8 (Мил-фунт)	3.1	3,4	6.0	6.3	5,6	4,7	4.6	4.0	2,6	2.3	2.0	2.3	2,7	4.1	4.5	3.9	4.1
U 3 O 8 (тонн)	1,410	1,540	2 700	2 860	2,540	2 130	2 090	1,800	1,180	1,040	910	1,040	1,220	1860	2 040	1,770	1860

Добыча урана снизилась после закрытия последнего карьера в 1992 году (бассейн Ширли, Вайоминг). Производство в США происходило в следующих штатах (в порядке убывания): Нью-Мексико, Вайоминг, Колорадо, Юта, Техас, Аризона, Флорида, Вашингтон и Южная Дакота. Обвал цен на уран привел к прекращению к 1992 году всей традиционной добычи полезных ископаемых. Восстановление «на месте», или ПНР, продолжалось в основном в Вайоминге и прилегающей Небраске, а также недавно было возобновлено в Техасе.

• Канада - 1959, 2001 ?: Первая фаза добычи урана в Канаде достигла пика, превышающего 12 килотонн (26 × 10 ⁶  фунтов) в 1959 году. В 1970-е годы возобновился интерес к геологоразведке и были сделаны крупные открытия в бассейне Атабаски на севере Саскачевана. В  2001 году добыча достигла пика добычи урана - 12 522 тонны (28 × 10 ⁶ фунтов). Эксперты считают, что открытие новых рудников займет более десяти лет.^^

Мировой пик урана

Исторические мнения об ограничениях мировых поставок урана

В 1943 г. Элвин М. Вайнберг и др. считал, что существуют серьезные ограничения на ядерную энергию, если только U-235 используется в качестве топлива для АЭС. Они пришли к выводу, что разведение необходимо, чтобы открыть век почти бесконечной энергии.

В 1956 году М. Кинг Хабберт объявил, что мировые запасы расщепляющихся веществ достаточны, по крайней мере, на следующие несколько столетий, предполагая, что разведение и переработка станут экономическими процессами.

В 1975 году Геологическая служба Министерства внутренних дел США распространила пресс-релиз «Известные запасы урана в США не удовлетворят спрос». Было рекомендовано, чтобы США не зависели от иностранного импорта урана.

Пессимистические прогнозы

Все следующие источники предсказывают пик урана:

• Эдвард Стейдл, декан Школы минеральной промышленности Государственного колледжа Пенсильвании , в 1952 году предсказал, что запасы делящихся элементов слишком малы, чтобы поддерживать производство энергии в промышленных масштабах.

• 1980 Роберт Вэнс, оглядываясь назад на 40 лет производства урана по всем Красным книгам, обнаружил, что пиковое мировое производство было достигнуто в 1980 году и составило 69 683 тонны (150 × 10 ⁶  фунтов) из 22 стран. В 2003 году добыча урана составила 35 600 тонн (78 × 10 ⁶  фунтов) из 19 стран.^^

• 1981 Майкл Мичер , бывший министр охраны окружающей среды Великобритании в 1997–2003 годах и член парламента Великобритании, сообщает, что пик урана пришелся на 1981 год. Он также предсказывает серьезную нехватку урана раньше 2013 года, сопровождаемую накоплением запасов, и его стоимость резко возрастет до минимума. уровни драгоценных металлов.

• 1989–2015 годы MC Day прогнозировал, что запасы урана могут иссякнуть уже в 1989 году, но, что более оптимистично, они будут исчерпаны к 2015 году.

• 2034 Ян Виллем Сторм ван Лиувен , независимый аналитик Ceedata Consulting, утверждает, что поставки высококачественной урановой руды, необходимой для производства ядерной энергии, при текущих уровнях потребления продлятся примерно до 2034 года. добыча урана превысит цену предоставленной электроэнергии.

• 2035 г. Группа Energy Watch подсчитала, что даже при высоких ценах на уран производство урана достигнет своего пика к 2035 г., и только до этого момента можно будет удовлетворить потребности атомных станций в топливе.

Различные агентства пытались оценить, на сколько хватит этих ресурсов.

• В 2001 году Европейская комиссия заявила, что при нынешнем уровне потребления урана известных запасов урана хватит на 42 года. При добавлении к военным и вторичным источникам ресурсы могут быть увеличены до 72 лет. Тем не менее, этот уровень использования предполагает, что ядерная энергия по-прежнему обеспечивает лишь часть мирового энергоснабжения. Если увеличить электрическую мощность в шесть раз, то 72-летнего отпуска хватит всего на 12 лет.

• ОЭСР: Существующие в мире измеренные ресурсы урана, экономически извлекаемые по цене 130 долларов США за кг, согласно отраслевым группам ОЭСР , АЯЭ и МАГАТЭ , достаточны, чтобы хватить на 100 лет при текущем потреблении.

• По данным Австралийской урановой ассоциации , еще одной отраслевой группы, исходя из текущих темпов потребления в мире в 66 500 тонн урана в год и имеющихся мировых запасов урана (4,7 млн ​​тонн), которых хватит на 70 лет.

Оптимистичные прогнозы

Все последующие ссылки утверждают, что предложение намного превышает спрос. Поэтому они не предсказывают пик урана.

• В своей знаменательной статье 1956 года М. Кинг Хабберт писал: «Однако есть перспективы, если человечество сможет решить свои международные проблемы и не уничтожить себя с помощью ядерного оружия, а также при условии, что население мира (которое в настоящее время увеличивается такими темпами, что удваивается. меньше чем за столетие) можно каким-то образом взять под контроль, чтобы мы, наконец, нашли источник энергии, соответствующий нашим потребностям, по крайней мере, на следующие несколько столетий «обозримого будущего» ». В исследовании Хабберта предполагалось, что реакторы-размножители заменят легкие водные реакторы, и этот уран будет превращен в плутоний (и, возможно, торий превратится в уран). Он также предполагал, что будут обнаружены экономические средства переработки. По политическим, экономическим причинам и причинам распространения ядерного оружия плутониевая экономика так и не материализовалась. Без него уран расходуется в однократном режиме и достигает пика и заканчивается гораздо раньше. Однако в настоящее время обычно оказывается дешевле добывать новый уран из земли, чем использовать переработанный уран, и поэтому использование переработанного урана ограничено лишь несколькими странами.

• По оценкам ОЭСР, при мировых темпах выработки электроэнергии на АЭС в 2002 году, с LWR и прямоточным топливным циклом, обычных ресурсов достаточно, чтобы прослужить 85 лет с использованием известных ресурсов и 270 лет с использованием известных и еще не открытых ресурсов. С заводчиками этот срок увеличивается до 8 500 лет.

Если кто-то готов платить за уран по 300 долларов за килограмм, в океане имеется огромное количество урана. Стоит отметить, что, поскольку стоимость топлива составляет лишь небольшую часть общих затрат ядерной энергии на кВтч, а цена сырого урана также составляет небольшую часть общих затрат на топливо, такое повышение цен на уран не повлечет за собой очень значительного роста. в общей стоимости произведенного кВтч.

• В 1983 году физик Бернард Коэн предположил, что уран фактически неисчерпаем и поэтому может считаться возобновляемым источником энергии. Он утверждает, что реакторы-размножители , работающие на естественном пополнении урана, извлеченного из морской воды, могут обеспечивать энергией, по крайней мере, столько же, сколько ожидаемый оставшийся срок службы Солнца - пять миллиардов лет. Хотя уран является конечным минеральным ресурсом на Земле, водород на Солнце тоже конечен - таким образом, если ресурс ядерного топлива может длиться в таких временных масштабах, как утверждает Коэн, то ядерная энергия столь же устойчива, как солнечная энергия. или любой другой источник энергии с точки зрения устойчивости во временном масштабе жизни на этой планете.

Таким образом, мы делаем вывод, что все мировые потребности в энергии на оставшиеся 5 × 10 ⁹ лет существования жизни на Земле могут быть обеспечены реакторами-размножителями без повышения стоимости электроэнергии на целых 1% из-за затрат на топливо. Это согласуется с определением «возобновляемого» источника энергии в том смысле, в котором этот термин обычно используется.

Его статья предполагает извлечение урана из морской воды со скоростью 16 килотонн (35 × 10 ⁶  фунтов) урана в год. Текущий спрос на уран составляет около 70 килотонн (150 × 10 ⁶  фунтов) в год; однако использование реакторов-размножителей означает, что уран будет использоваться по крайней мере в 60 раз более эффективно, чем сегодня. ^^

• Джеймс Хопф, инженер-ядерщик, писавший для American Energy Independence в 2004 году, считает, что даже для стандартных реакторов существует запас извлекаемого урана на несколько сотен лет. Для реакторов-размножителей «по существу бесконечно».

Все последующие ссылки утверждают, что предложение намного превышает спрос. Поэтому они считают, что в обозримом будущем запасы урана не истощатся.

• По оценкам МАГАТЭ , используя только известные запасы при текущих темпах спроса и допуская однократный ядерный цикл, урана хватит как минимум на 100 лет. Однако, если будут использованы все первичные известные запасы, вторичные запасы, неоткрытые и нетрадиционные источники урана, уран будет истощен через 47 000 лет.

• По оценке Кеннета С. Деффейеса , если можно принять руду на одну десятую богатой, то предложение доступного урана увеличится в 300 раз. Его статья показывает, что концентрация урана в рудах имеет логнормальное распределение. Имеется относительно мало урана с высоким содержанием и большие запасы урана с очень низким содержанием.

• Эрнест Монис , профессор Массачусетского технологического института и бывший министр энергетики США , свидетельствовал в 2009 году, что изобилие урана поставило под сомнение планы по переработке отработавшего ядерного топлива. Планы по переработке датируются десятилетиями ранее, когда считалось, что урана в дефиците. Но теперь, «грубо говоря, уран выходит из наших ушей уже очень-очень давно», - сказал профессор Мониш.

Возможные эффекты и последствия

Ожидается, что по мере снижения добычи урана цены на уран вырастут. Однако цена урана составляет лишь 9% стоимости эксплуатации атомной электростанции, что намного ниже стоимости угля на угольной электростанции (77%) или стоимости природного газа в газовых установках. пожарная электростанция (93%).

Уран отличается от традиционных энергетических ресурсов, таких как нефть и уголь, по нескольким ключевым аспектам. Эти различия ограничивают последствия краткосрочной нехватки урана, но большинство из них не имеют никакого отношения к окончательному истощению. Некоторые ключевые особенности:

• Рынок урана разнообразен, и ни одна страна не имеет монопольного влияния на его цены.
• Благодаря чрезвычайно высокой удельной энергии урана, накопление топлива на несколько лет возможно.
• Существуют значительные вторичные запасы уже добытого урана, включая списанное ядерное оружие, хвосты обедненного урана, пригодные для повторного обогащения, и существующие запасы.
• Огромные количества урана, примерно в 800 раз превышающие известные запасы добытого урана, содержатся в морской воде в крайне разбавленных концентрациях.
• Внедрение реакторов на быстрых нейтронах в сочетании с извлечением урана из морской воды сделало бы запасы урана практически неисчерпаемыми. В настоящее время в мире работает семь экспериментальных реакторов на быстрых нейтронах: в Индии, Японии, России и Китае.

Реакторы на быстрых нейтронах ( реакторы- размножители ) могут использовать большие количества урана-238 косвенно путем преобразования в плутоний-239 , вместо того, чтобы расщеплять в основном только уран-235 ( который составляет 0,7% от первоначально добытого урана), примерно в 100 раз. эффективность использования урана. Между обычными оценками запасов и общим количеством 40 триллионов тонн урана в земной коре (следовые концентрации в сумме превышают его массу 3 * 10 ¹⁹ тонн), есть руды более низкого содержания, чем это практически возможно, но все же с более высокой концентрацией, чем средняя порода. . Соответственно, показатели ресурсов зависят от экономических и технологических предположений.

Цена урана

Спотовая цена на уран выросла с минимума в январе 2001 года, составлявшего 6,40 доллара США за фунт U ₃ O _8, до пикового уровня в 135 долларов США в июне 2007 года. С тех пор цены на уран существенно упали. В настоящее время (15 июля 2013 г.) спот урана составляет 38 долларов США.

Высокая цена в 2007 году была вызвана сокращением запасов оружия и наводнением на шахте Сигар-Лейк в сочетании с ожидаемым ростом спроса из-за ввода в строй новых реакторов, что привело к пузырю цен на уран . Горнодобывающие и коммунальные предприятия резко разошлись во мнениях по поводу цен на уран.

По мере роста цен начинается производство урановых руд на существующих рудниках, и начинается производство из более новых, трудных для разработки или более низкого качества урановых руд. В настоящее время большая часть новой продукции поступает из Казахстана . Ожидается расширение производства в Канаде и США. Тем не менее, количество проектов, ожидающих своего часа, чтобы запустить их сейчас, намного меньше, чем было в 1970-х годах. Появились некоторые обнадеживающие признаки того, что производство на существующих или планируемых рудниках реагирует или будет реагировать на повышение цен. Поставки урана в последнее время стали очень неэластичными. По мере увеличения спроса цены резко изменяются.

По состоянию на 2018 год цена на ядерное топливо была стабильной на уровне около 38,81 доллара США за фунт, что на 81 цент больше, чем в 2013 году, и на 1 цент больше, чем в 2017 году, что намного ниже инфляции. При такой низкой и стабильной цене разведение неэкономично.

Количество контрактов

В отличие от других металлов, таких как золото, серебро, медь или никель, уран не продается широко на организованной товарной бирже, такой как Лондонская биржа металлов. Он торгуется на NYMEX, но с очень низким объемом. Вместо этого в большинстве случаев торговля им осуществляется посредством контрактов, заключаемых напрямую между покупателем и продавцом. Структура контрактов на поставку урана сильно различается. Цены либо фиксированы, либо основаны на экономических показателях, таких как ВВП, инфляция или обмен валюты. Контракты традиционно основываются на спотовой цене на уран и правилах, по которым цена может расти. Объемы, графики и цены поставки варьируются от контракта к контракту и часто от поставки к поставке в пределах срока контракта.

Поскольку количество компаний, добывающих уран, невелико, количество доступных контрактов также невелико. Поставки истощаются из-за затопления двух крупнейших шахт в мире и сокращения количества урана, полученного из ядерных боеголовок, выводимых из эксплуатации. Несмотря на то, что спрос на металл остается стабильным в течение многих лет, ожидается, что цена на уран вырастет по мере ввода в строй множества новых атомных станций.

Добыча

Рост цен на уран привлекает инвестиции в новые проекты по добыче урана. Горнодобывающие компании возвращаются на заброшенные урановые рудники с новыми обещаниями сотен рабочих мест и миллионов гонораров. Некоторые местные жители хотят их вернуть. Другие говорят, что риск слишком велик, и попытаются остановить эти компании, «пока не появится лекарство от рака».

Электроэнергетика

Поскольку многие предприятия имеют обширные запасы урана и могут планировать на много месяцев вперед, они придерживаются выжидательного подхода в отношении более высоких затрат на уран. В 2007 году спотовые цены значительно выросли в связи с объявлением о вводе в эксплуатацию планируемых реакторов или новых реакторов. Те, кто пытается найти уран в условиях роста цен, вынуждены столкнуться с реальностью рынка продавца. Продавцы по-прежнему не хотят продавать значительные количества. При более длительном ожидании продавцы рассчитывают получить более высокую цену за материал, который они хранят. С другой стороны, электроэнергетические компании очень стремятся заключить долгосрочные контракты на уран.

Согласно NEA, характер затрат на ядерную генерацию позволяет значительно увеличить стоимость урана до того, как значительно увеличатся затраты на производство электроэнергии. Увеличение стоимости урана на 100% приведет к увеличению стоимости электроэнергии только на 5%. Это связано с тем, что уран должен быть преобразован в газ, обогащен, преобразован обратно в желтый кек и изготовлен в топливных элементах. В стоимости готовых тепловыделяющих сборок преобладают затраты на переработку, а не стоимость сырья. Кроме того, в стоимости электроэнергии, вырабатываемой атомной электростанцией, преобладают высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а не стоимость топлива. Тем не менее, любое повышение цены на уран в конечном итоге перекладывается на потребителя либо напрямую, либо через топливную надбавку. По состоянию на 2020 год этого не произошло, и цена на ядерное топливо достаточно низка, чтобы разведение стало нерентабельным.

Запасные

Альтернативой урану является торий, который встречается в три раза чаще, чем уран. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах не нужны. По сравнению с обычными урановыми реакторами, ториевые реакторы, использующие ториевый топливный цикл, могут производить примерно в 40 раз больше энергии на единицу массы. Однако создание технологий, инфраструктуры и ноу-хау, необходимых для экономии ториевого топлива, неэкономично при текущих и прогнозируемых ценах на уран.

Если цены на атомную энергию растут слишком быстро или слишком высоко, энергетические компании могут искать заменители ископаемой энергии (уголь, нефть и газ) и / или возобновляемой энергии , такой как гидроэнергия, биоэнергия, солнечная тепловая электроэнергия, геотермальная энергия, ветер. , энергия приливов. Как ископаемая энергия, так и некоторые возобновляемые источники электроэнергии (например, гидроэнергетика, биоэнергия, солнечная тепловая энергия и геотермальная энергия) могут использоваться в качестве базовой нагрузки.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Книги

• Херринг, Дж .: Оценка ресурсов урана и тория, Энергетическая энциклопедия , Бостонский университет, Бостон, 2004, ISBN  0-12-176480-X .

Статьи

• Деффайес, Кеннет С., МакГрегор, Ян Д. «Распределение урана в добываемых месторождениях и в земной коре», Заключительный отчет, GJBX – 1 (79), Департамент геологических и геофизических наук, Принстонский университет, Принстон, Нью-Джерси.
• Деффейес, К., МакГрегор, И.: "Мировые ресурсы урана" Scientific American , Vol. 242, № 1, январь 1980 г., стр. 66–76.