Технологии и инновации

Уран в Украине и за ее пределами: реалии и перспективы

Мир: потребности и запасы

Сегодня, по оценкам МАГАТЭ, в мире эксплуатируется 451 ядерный реактор (в 31 стране мира), которые в общей сложности производят около 11% мировой генерации электроэнергии. Хотя ряд стран отказывается от использования ядерной, как и от тепловой энергии, и ориентируется на возобновляемую.

Отказ от электроэнергии, произведенной на ТЭС, обусловлен, в первую очередь, необходимостью уменьшить загрязнение атмосферы продуктами горения угля и снизить темпы глобальных климатических изменений. Ведь по прогнозам, повышение температуры на планете к 2050 году может увелититься на 39%. В таких условиях потребность в чистой низкоуглеродистой энергии будет еще более актуальной. И поэтому стоит подумать о минимизации использования угля, дополняя энергетический профиль страны более чистыми маневренными источниками.

Нет ничего удивительного в том, что при существующем ныне тренде на энергию солнца, ветра и воды, страны, в том числе и наши ближайшие соседи, стремятся достичь сбалансированного энергетического микса и планируют усилить собственную энергетическую отрасль мощностями атомной энергетики. Так, в частности, Польша выражает намерение строить АЭС, а в Беларуси уже совсем скоро будут введены в эксплуатацию два реактора ВВЭР-1200.

Сооружение атомных энергоблоков, в свою очередь, означает увеличение спроса на ядерное топливо. В настоящее время известны три вида ядерного топлива — урановое, ториевое и плутониевое. Два последних вида не используются по ряду причин, хотя и рассматриваются как перспективные. В связи с этим, урановое топливо остается единственным, которое эксплуатируют в ядерных реакторах мира, и, следовательно, спрос и цена на уран будут возрастать. По некоторым подсчетам, суммарная потребность в уране по состоянию на 2030 год может составить от 50 до 140 тысяч тонн в год. Сегодня же, по данным МАГАТЭ, в мире добывается около 60 тыс. тонн урана ежегодно. И по оценкам ученых из Агентства по ядерной энергии (АЯЭ) и МАГАТЭ, при сохранении актуального уровня динамики спроса на уран, мировых запасов (без учета запасов неразведанных месторождений) хватит примерно на 118 лет.

По состоянию на 2018 год уран добывали 20 из 170 стран-членов МАГАТЭ . Лидерами по добыче урана уже на протяжении длительного времени остаются Казахстан, Канада и Австралия, которые в общей сложности добывают около двух третей урана в мире. Однако обогащением урана и производством ядерного топлива занимаются исключительно несколько стран.

Распределение мировых запасов урана. Карта МАГАТЭ

Кто и где в Украине добывает урановую руду?

Уранодобывающая промышленность Украины развивается по Государственной целевой экономической программе «Ядерное топливо Украины». В последние годы добыча урана в нашей стране колеблется примерно в пределах от 500 до 800 тонн в год, что не позволяет обеспечить потребности отечественной атомной энергетики даже на 50%. Недостаток собственного урана Украина покрывает за счет импорта из России и Казахстана, а также закупает ядерное топливо у компании Westinghouse, но планов обеспечить себя ураном собственной добычи не оставляет.

В целом потребность в урановом оксидном концентрате для украинских АЭС составляет 2,5 тыс. тонн в год. Чтобы понять логику, приведем пример: реактор мощностью 1000 МВт, работая с нагрузкой около 80%, требует 20 тонн ядерного топлива с содержанием 3,5% урана-235. Чтобы получить такой объем ядерного топлива, необходимо провести обогащение примерно 153 тонн природного урана. Стоит заметить, что, в свою очередь, для получения 1 тонны оксида урана U₃O₈ из руды с содержанием урана-235 0,1% следует извлечь из недр около 1000 тонн руды.

Сейчас Украина занимает первое место по залежам урановых руд в Европе. По данным, которые приводит World Nuclear Association, они составляют 114 100 тонн  или 2% от мировых запасов, и занимают 11 место в мире. В общем известно 14 типов урановых руд и более 100 урановых минералов, однако промышленное значение имеют лишь 12 из них, среди которых важнейшее значение имеют урановая смолка, уранит и карнотит.

Если принять во внимание факт, что стоимость урана состоянию на июнь 2020 году на мировом рынке составляла около 33,15 долларов США за фунт (73,06 долларов за 1 килограмм), по сравнению с ценой около 29 долларов за фунт (63,91 долларов за 1 килограмм) на начало апреля, то дело выглядит для нашей страны не так уж и плохо. Единственными конкурентами Украины в Европе в этой области являются Чехия, которая не так давно добывала около 300 тонн урана ежегодно, и Румыния, которая добывает около 80 тонн уранового оксидного концентрата и полностью обеспечивает потребности собственных мощностей АЭС.

Шахта «Ингульская». Источник: nfuel.gov.ua

Цены на уран, нужно сказать, не отличаются стабильностью. В 2016 году они достигли минимальной отметки, сейчас  так же цена не является достаточно высокой. К тому же, как отмечает Брет Молдован, специалист МАГАТЭ по урановому производству, «в течение последних нескольких лет накопился избыток запасов уранового концентрата, что привело к снижению цен. Это было вызвано высокими темпами производства вместе со снижением спроса. А потому, при актуальной цене на уран, эксплуатировать ряд рудников просто экономически нецелесообразно». Из-за этого многие из урановых рудников переведены в режим содержания и обслуживания. Таким образом можно сказать, что урановый кризис — проблема, касающаяся не только Украины.

В Украине залежи урановой руды содержат до 0,1% урана. По данным лицензиата, Восточного горно-обогатительного комбината (ВостГОК), по химическому составу наши руды являются алюмосиликатными, маложелезистыми, монометальными. К примеру, в  канадской руде, залежи которой в значительной степени локализованы в бассейне Атабаска на севере Сасквачевана и связаны с докембрийскими кварцевыми конгломератами, средняя концентрация урана составляет 0,08% (от 0,03 до 0,18%). Австралийская — содержит до 0,2% и более урана, и главным ее компонентом является медь, а уран, золото и серебро добываются попутно. Она состоит из средне-зернистого халькопирита, борнита, халькозина, мелкозернистой урановой обманки и браннерита, а также золота, серебра и редкоземельных минералов.

Всего в Украине в Государственный баланс полезных ископаемых занесены 17 месторождений, из которых 14 располагаются в Кировоградской области, 2 — в Николаевской и 1 в Днепропетровской, а в общем разведано 21 месторождение со значительными запасами руды, содержащей 0,1% урана.

Запасы же тщательно разведанных, но пока не задействованных урановых месторождениях в Кировоградском рудном районе, по суммарным запасам были бы способны, по прогнозам, обеспечить потребности украинских АЭС, как минимум, на ближайшие 100 лет.

Сосредоточение урановых руд в Украине. По данным ГНТЦ ЯРБ

Добывать уран в Украине начали на 11 месторождениях еще в 1945 году. Четыре из них (Желтореченское, Первомайское, Девлатово и Братское) иссякли еще до 70-х годов ХХ века. Три — Сафоновское, Севериновское и Апрельское либо находятся в состоянии консервации, либо не разрабатываются из-за ряда обстоятельств. Соответственно, действующими являются только Ватутинское (Обособленное подразделение Смолинска шахта, пгт Смолино Кировоградской области); Мичуринское и Центральное месторождения (Обособленное подразделение Ингульская шахта., г. Кропивницкий) и Новоконстантиновское месторождение (Обособленное подразделение Новоконстантиновская шахта, которая реализует капитальное строительство объектов подземного и поверхностного комплекса шахты, и введена в состав ГП «Восток ГОК» с 1 сентября 2010 в соответствии с приказом министра топлива и энергетики Украины от 26 ноября 2009 года № 659, с. Алексеевка Кировоградской области).

Запасы Новоконстантиновского месторождения оценивают как самые мощные в Европе, а также входящие в первую десятку мира. Они составляют около 76 тыс. тонн, из которых технически можно добыть не менее 70 тыс. тонн.

Все эти шахты, по оценкам специалистов, способны «производить» до 4 тыс. тонн урановой руды ежегодно. Предполагалось даже наращивание добычи до около 6,4 тыс. тонн сырья в год в период между 2025—2030 годами, а позже — даже до 7,5 тыс. тонн в год.

Согласно заявлению об определении объема стратегической экологической оценки проекта Государственной стратегической экологической оценки на период до 2024 года, задачей №1 по урановому производству было увеличение объема добычи урановой руды за счет освоения Новоконстантиновского, Апрельского и других новых месторождений урана, реконструкция гидрометаллургического завода в Желтых Водах, увеличение емкости «хвостохранилища» для размещения отходов переработки урановых руд, реконструкция объектов по производству ионообменных смол в г. Каменское, внедрение новых прогрессивных технологий переработки урановых руд.

Таким образом, уранодобывающая отрасль должна получить значительную государственную поддержку для развития и расширения производства. Однако сейчас, в силу обстоятельств, по данным Отчета об управлении Восточного ГОК за 2019 год, объемы производства уранового концентрата существенно уменьшились.

Имея мощные запасы урановой руды, Украина не входит в число стран, которые могут самостоятельно обогащать уран и производить ядерное топливо. Однако на гидрометаллургическом заводе в Желтых Водах на Днепропетровщине из урановой руды украинских месторождений получают урановый оксидный концентрат — «желтый кек», выглядящий как желтое порошкообразное вещество, являющееся материалом для получения изотопов урана-233 и 235, которые используются в атомной энергетике.

Полученный урановый концентрат частично используется для потребностей внутреннего рынка после обогащения и финального производства ядерного топлива (2019 — контракты с ГП «НАЭК «Энергоатом» от 5 декабря 2018 №8-020-08-18-00962 и от 19 декабря 2018 №8- 020-08-18-00971) и частично экспортируется в другие страны. В частности, в 2019 году ВостГОК реализовал экспорт уранового оксидного концентрата (УОК) в соответствии с контрактом от 30 ноября 2018 № 914/09, заключенного с INTERNEXCO GMBH, Швейцария.

Как добывают урановую руду в Украине и за рубежом

Миклош Гашпар и Ноя Мейхью в статье «Взлеты и падения: экономика уранодобывающего производства» для бюллетеня МАГАТЭ «Уран. От разведки до реабилитации» отмечают, что «добыча урана практически ничем не отличается от добычи остальных основных металлов: разведка, получение лицензии, разработка месторождения и закрытие рудника по завершению службы».

В общем, чтобы получить уран на месте предполагаемого залегания урановых руд, нужно много времени и усилий. Так, в частности, разведка месторождения занимает от 10 до 15 лет, подготовка технико-экономического обоснования — от года до трех. Столько же времени примерно займет сооружение рудника, собственно эксплуатация месторождения, а именно добыча и переработка для получения уранового концентрата, составляет от 5 до 50 лет, в зависимости от колличества руды в месторождении. После завершения эксплуатации на реабилитацию и восстановление нужно будет потратить еще от 2 до 10 лет.

Конечно, все это находит отражение в стоимости полученного сырья.

Себестоимость украинского урана несколько выше себестоимости этого продукта у конкурентов, однако для европейских партнеров Украина имеет одно очень существенное преимущество — расстояние. Когда речь идет о транспортировке «желтого кека» из, скажем, Австралии или Канады в любую  из стран Европы, то транспортировка из Украины значительно проще, выгоднее и безопаснее. Европейские же АЭС потребует около 18-19 тыс. тонн урана ежегодно и поставщиками для них выступают Австралия, Канада и некоторые африканские страны.

На стоимость сырья влияет также способ ее добычи. Сегодня урановую руду добывают обычными горными способами (открытым и подземным способами), способами подземной добычи (скважинного и блочного) и совокупного выщелачивания.

Открытый или карьерный способ применяют, когда руда залегает недалеко от поверхности. Этот способ самый простой и дешевый. Подземный — если руда залегает глубоко. Опасность этого способа добычи урана в том, что газ радон — один из продуктов распада урана — радиоактивен и оказывает отрицательное влияние на организм человека. Следовательно, когда речь идет об урановых шахтах, то их эксплуатация невозможна без наличия мощных вентиляционных систем.

В Украине, как информирует ВостГОК, применяют преимущественно подземный шахтный способ добычи урана. Речь идет, в частности, о применении блочного и кучного выщелачивания, а также скважинного выщелачивания на месторождениях песчаникового типа. Сейчас технология подземного выщелачивания нашла широкое применение в Австралии, Казахстане, США. В Украине подобным образом отрабатывались Девладовское и Братское месторождения, с применением этого способа была начата работа на Сафоновском месторождении. Таким же образом добывают значительное количество урана в мире, он считается наиболее безопасным и щадящим по отношению к окружающей среде. К тому же, его применение в 2,5 раза снижает себестоимость сырья.

Процесс производства закиси-окиси урана сложный и многоступенчатый. Так, в частности, руда из украинских шахт поступает на гидрометаллургический завод, где ее разгружают и сортируют, а затем подают в расходный бункер мельничного отделения для измельчения. С помощью вибропитателей и ленточных конвейеров руда далее транспортируется в режущие блоки, где измельчается по схеме полусамоизмельчения с помощью стальных шаров диаметром 80-120 миллиметров.

Вещества, остающиеся в нерастворимом виде, называют «хвостами», и они требуют особого обращения.

Упрощенная схема производства закиси-окиси урана на гидрометалургическом заводе в Желтых Водах

На следующей стадии — выщелачивании — уран из руды переводят в раствор. Более половины руд выщелачивается в автоклавах, часть — выщелачивается в пачуках. Процесс выщелачивания в автоклавах осуществляется с помощью окислителя — азотной кислоты либо серной кислоты при пневматическом перемешивании, повышенном давлении и температуре.

С целью повышения концентрации урана в растворе и его очистки от примесей, осуществляется процесс сорбции на синтетическом сорбенте — анионите АМП (или его аналогах) и десорбции урана из анионита в обогащенный раствор, который после поступает на дальнейшую очистку от примесей и обогащение методом экстракции с получением кристаллов амонийуранилтрикарбоната (АУТК), который прожаривается при определенной температуре закиси-окиси урана. Термическое разложение кристаллов АУТК проводится в прокалочной вращающейся печи.

В готовой продукции присутствует смесь закиси-окиси урана (желтый кек), причем содержание четырехвалентного урана должно составлять не менее 80%.

Добывание урана методом скважинного выщелачивание на Сафоновском месторождении. Автор – Юлия Балашевская, ГНТЦ ЯРБ

Добычей урановой руды и производством концентрата природного урана до недавнего времени в Украине занималась исключительно единственная компания — Государственное предприятие «Восточный горно-обогатительный комбинат», в подчинении которого, кроме шахт, находятся и производственные площадки в Днепропетровской и Кировоградской областях, 3 завода и около 20 вспомогательных подразделений.

В 2019 году впервые в Украине разрешение на разработку урановых месторождений получила частная компания ООО «Атомные энергетические системы Украины» (АЕСУ, с. Николаевка, Николаевской обл.). Она заявила о намерении добывать в Николаевской области до 300 тонн урана в год, построить добывающий и перерабатывающий комплексы в Казанковском районе и использовать мощности ВостГОК в Желтых Водах. Месторождения, которые планирует разрабатывать АЕСУ, были разведаны еще во времена Советского Союза, но не разрабатывались из-за отсутствия в то время технологии эффективной добычи урана из песчаниковых пород. В настоящее время такая технология широко применяется в зарубежных странах. Залегания породы в этих месторождениях — на уровне 50-70 метров от поверхности, добыча будет осуществляться методом выщелачивания.

Желтый кек

Где и как в Украине сохраняются «хвосты» уранового производства и какое влияние оказывают на персонал, население и окружающую среду урановые объекты

Среди прочих отходов переработки урановых руд есть и так называемые «хвосты». ВостГОК обеспечивает их сохранность и осуществляет мониторинг экологической ситуации вблизи хвостохранилищ, так же как и других радиационно-опасных и химических объектов предприятий, в частности шахт «Ингульская», «Смолинская», «Новоконстантиновская», гидрометаллургического завода и др.

Для переработки одной тонны урановой руды используют в замкнутом цикле до 4-5 м³ оборотной воды из прудов-отстойников хвостохранилищ, которые из-за высокого содержания химических и радиоактивных веществ загрязняют почвы, поверхностные и подземные воды, а поэтому нуждаются в постоянном мониторинге и реализации мер по уменьшению вредного воздействия на окружающую среду.

Значительное количество отходов накопилось за период деятельности ПО «Приднепровский химический завод», где на протяжении 1946-1972 лет перерабатывали 65% урановых руд всего Советского Союза. В период с 1948 по 1991 годы было создано 9 хвостохранилищ, в которых хранится около 42 млн. тонн отходов общей активностью 3,17 × 1015 Бк. Значительное содержание природного урана в окружающей среде наблюдается и в районе хвостохранилищ вблизи г. Желтые Воды, где располагается завод по переработке урановой руды.

При таких условиях контроль и меры для уменьшения техногенной нагрузки отходов переработки урана на окружающую среду должны осуществляться постоянно. Так, в частности, в 2019 году, в рамках «Меморандума о сотрудничестве и партнерстве между ВосГОК, госконцерном «Ядерное топливо» и Кировоградским горсоветом, Кировоградским облсоветом и Кировоградской ОГА» выполнялись мероприятия по защите окружающей среды и радиоэкологическому мониторингу окружающей среды, укреплены дамбы и плотины, нанесено покрытие для пляжей для предупреждения распыления пылеобразных частиц на хвостохранилище в балке «Щербаковская».

Экономическая составляющая

Сегодня добыча урана в Украине, несмотря на то, что она могла бы приносить значительную прибыль, является делом убыточным. В частности, на 2019 год Национальная комиссия, осуществляющая государственное регулирование в сферах энергетики и коммунальных услуг (укр. НКРЭКП) утвердила цену на диоксид урана в размере 75 долларов за килограмм, хотя себестоимость добычи на Новоконстантиновской, Смолинской и Ингульской шахтах составляет от 79 до 143 долларов за килограмм. При этом рыночная цена составляла от 27,7 до 29,9 долларов за фунт (то есть от 55,40 до 65,78 долларов за килограмм). При такой политике проводить полноценное развитие отрасли, обеспечивать радиационную защиту урановых объектов, выплачивать вовремя достойную зарплату персоналу становится делом почти невозможным.

В мае 2020 ВостГОК получил предупреждение о возможном отключении электроэнергии из-за задолженности, что практически означает затопление шахт. Сейчас предприятие имеет значительные долги перед трудовым коллективом из-за невыплаты заработной платы. Причиной этому стала задолженность «Энергоатома» перед комбинатом, которому, в свою очередь, задолжало с выплатами Государственное предприятие «Гарантированный покупатель».

Однако все еще есть надежда, что разработка урановых месторождений с применением новых усовершенствованных технологий, правильное и ответственное осуществление управления, грамотный менеджмент способны вывести Украину в мировые лидеры уранодобывающей отрасли. Возможно, преодоление монополии в уранодобывающих отрасли и появление здоровой конкуренции поможет преодолеть кризисную ситуацию.

Какие перспективы?

Согласно «Энергетической стратегии Украины на период до 2035 года «Безопасность, энергоэффективность, конкурентоспособность», прогнозируется постепенное наращивание генерации ядерной энергии. Так, если на 2015 год предусматривалось производство 87,6 млрд КВт * ч электроэнергии на АЭС, то уже в 2035 — 94 млрд. КВт * ч.

Поэтому для сектора производства ядерного топлива первоочередными задачами является обеспечение прироста добычи урана и циркония, подготовка к промышленному освоению месторождений, пригодных для открытой эксплуатации, разработки разведанных месторождений, оптимизация добычи и создание запаса свежего ядерного топлива (уранового концентрата).

Речь шла также о целесообразности расширения номенклатуры производства комплектующих для изготовления ядерного топлива, в том числе из циркония, чтобы позднее, возможно, говорить о импортозамещении фабрикации ядерного топлива путем создания в Украине соответствующих мощностей. Среди ключевых задач остается также актуализация общегосударственной программы развития минерально-сырьевой базы Украины на долгосрочный период с целью расширения собственной ресурсной базы урана, других полезных ископаемых путем осуществления разведки, разработки и введения в эксплуатацию новых месторождений урана.

Уран — это не только ядерное топливо, но и …

Сейчас основное применение уран находит в атомной энергетике в качестве ядерного топлива. Однако это не единственный способ его использования. Изотопы урана применяют также в медицине, науке и промышленности.

Ранее уран добавляли при производстве стекла, использовали в качестве пигментов для живописи и росписи керамики, уранилнитрат в начале ХХ века применяли в фотографии — для усиления негативов и тонирования фотографий в коричневый цвет. А карбид урана-235 вместе с карбидом ниобия и карбидом циркония служит в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей. И возможно, именно украинский уран станет тем топливом, которое когда-то доставит человечество к далеким звездам.

Источники:

1. Бекман И. Уран. Учебное пособие. Москва: МГУ им. М.В.Ломоносова, Кафедра радиохимии, 2009.
2. Данные Государственного научно-технического центра по ядерной и радиационной безопасности.
3. Данные Восточного горно-обогатительного комбината.
4. Производство урана // Сайт МАГАТЭ.
5. Сорокін О. Проблеми розвитку уранової промисловості. Презентація в рамках Міжнародної конференції «Український ядерний форум 2019: ядерна енергетика – стан та тенденції розвитку».