Уран і паливо

Уран в Україні та за її межами: реалії та перспективи

Світ: потреби та запаси

На сьогодні, за даними МАГАТЕ, у світі експлуатується 451 ядерний реактор (у 31 країні світу), які загалом виробляють близько 11% світової генерації електроенергії. Хоча ряд країн відмовляється від використання ядерної, як і від теплової  енергії, та тримаєть курс на відновлювальну.

Відмова від електроенергії, виробленої на ТЕС, зумовлена, в першу чергу, необхідністю зменшити забруднення атмосфери продуктами горіння вугілля та знизити темпи глобальних кліматичних змін, адже за прогнозами, підвищення температури на планеті може зрости на 39% до 2050 року. За таких умов потреба у чистій низьковуглецевій енергії буде ще актуальнішою, ніж нині. А тому варто думати про мінімізацію використання вугілля, доповнюючи енергетичний профіль країни чистішими маневровими джерелами.

Немає нічого дивного в тому, що при наявному нині тренді на енергію сонця, вітру та води, країни, наші сусіди (у тому числі й найближчі) прагнуть досягнути збалансованого енергетичного міксу й планують посилити власну енергетичну галузь потужностями атомної енергетики. Так, зокрема, Польща висловлює намір будувати АЕС, а в Білорусі вже зовсім скоро буде введено в експлуатацію два реактори ВВЕР-1200.

Спорудження атомних енергоблоків у свою чергу означає збільшення попиту на ядерне паливо. На сьогодні відомими є три види ядерного палива – уранове, торієве та плутонієве. Два останні види не використовуються через ряд причин, хоча й розглядаються як перспективні. У зв’язку з цим уранове паливо залишається єдиним, яке нині експлуатується на ядерних реакторах світу, а відтак попит та ціна на уран зростатимуть. За деякими підрахунками, сумарна потреба в урані станом на 2030 рік може становити від 50 до 140 тонн на рік. Сьогодні ж, за даними МАГАТЕ, загалом у світі видобувається близько 60 тис. тонн урану щороку і, за оцінками вчених із Агентства з ядерної енергії (ААЕ) та МАГАТЕ, при збереженні актуального рівня динаміки попиту на уран, світових запасів (без урахування запасів нерозвіданих родовищ) вистачить приблизно на 118 років.

Станом на 2018 рік уран видобували 20 країн з-поміж 170 членів МАГАТЕ. Лідерами з видобутку урану вже упродовж тривалого часу залишаються Казахстан, Канада й Австралія, які загалом видобувають близько двох третин урану у світі. Проте збагаченням урану й виробництвом ядерного палива займаються виключно кілька країн.

Хто і де в Україні видобуває уранову руду?

Урановидобувна промисловість України розвивається за Державною цільовою економічною програмою «Ядерне паливо України». Останніми роками видобуток урану в нашій країні коливається приблизно в межах від 500 до 800 тонн на рік, що не дозволяє забезпечити потреби вітчизняної атомної енергетики навіть на 50%. Брак власного урану Україна покриває за рахунок імпорту з Росії та Казахстану, а також закуповує ядерне паливо у компанії Westinghouse, але планів забезпечити себе ураном власного видобутку не полишає.

Загалом потреба в урановому оксидному концентраті для українських АЕС становить 2,5 тис. тонн на рік. Щоб зрозуміти логіку, наведемо приклад: реактор потужністю 1000 МВт, працюючи з навантаженням близько 80% , потребує 20 тонн ядерного палива зі вмістом 3,5% урану-235. Щоб отримати такий об’єм ядерного палива, необхідно провести збагачення приблизно 153 тонн природного урану. Варто зауважити, що, у свою чергу, для отримання 1 тонни оксиду урану U₃O₈ і руди зі вмістом урану-235 0,1% слід добути з надр близько 1000 тонн руди.

Нині Україна посідає перше місце за покладами уранових руд в Європі. За даними, які наводить World Nuclear Association, вони становлять 114 100 тонн, що складає 2% від світових запасів, та посідають 11 місце у світі. Загалом відомо 14 типів уранових руд та більше 100 уранових мінералів, проте промислове значення мають лише 12 із них, серед яких найважливіше значення мають уранова смолка, ураніт та карнотит.

Якщо взяти до уваги факт, що вартість урану станом на червень 2020 року на світовому ринку становить близько 33,15 доларів США за фунт (73,06 доларів за 1 кілограм), проти ціни на початок квітня близько 29 доларів за фунт (63,91 доларів за 1 кілограм), то справа виглядає для нашої країни не так уже й погано. Єдиними конкурентами України в Європі в цій галузі є Чехія, яка не так давно добувала близько 300 тонн урану щорічно, та Румунія, яка видобуває близько 80 тонн уранового оксидного концентрату та повністю забезпечує потреби власних АЕС.

Та ціни на уран зараз не відзначаються стабільністю. У 2016 році вони сягнули мінімальної позначки, та й зараз ціна не є достатньо високою. До того ж, як зауважує Брет Молдован, спеціаліст МАГАТЕ з уранового виробництва, «упродовж останніх кількох років накопичився надлишок запасів уранового концентрату, що призвело до зниження цін. Це було викликано високими темпами виробництва разом зі зниженням попиту. А тому, за актуальної ціни на уран, експлуатувати багато рудників економічно недоцільно». Через це багато уранових рудників переведено у режим утримування та обслуговування. Таким чином, можна сказати, що уранова криза – проблема, притаманна не лише Україні.

В Україні поклади уранової руди містять до 0,1% урану. За даними ліцензіата Східного гірничо-збагачувального комбінату (СхідГЗК), за хімічним складом наші руди є алюмосилікатними, малозалізистими, монометальними. До прикладу, канадська руда, поклади якої значною мірою локалізовані у басейні Атабаска на півночі Сасквачевану та пов’язані з докембрійськими кварцовими конгломератами, середня концентрація урану складає ж 0,08% (від 0,03 до 0,18%), а австралійська містить до 0,2% і більше урану та головним її компонентом є мідь, а уран, золото та срібло добуваються супутньо. Вона складається із середньо-зернистого халькопіриту, борніту, халькозину, дрібнозернистої уранової обманки та бранериту, а також золота, срібла та рідкоземельних мінералів.

Загалом в Україні до Державного балансу корисних копалин зараховано 17 родовищ, із яких 14 розташовуються в Кіровоградській області, 2 – в Миколаївській та 1 у Дніпропетровській, а в цілому розвідано 21 родовище зі значними запасами руди, що містить 0,1% урану.

Запаси ж детально розвіданих, але поки що не задіяних уранових родовищ у Кіровоградському рудному районі, за сумарними запасами здатні були б, за прогнозами, забезпечити потреби українських АЕС, як мінімум, на найближчі 100 років.

Видобувати уран в Україні почали на 11 родовищах ще у 1945 році. Чотири із них (Жовторіченське, Первомайське, Девлатово та Братське) вичерпалися ще до 70-х років ХХ століття. Три – Сафонівське, Северинівське та Квітневе або перебувають у стані консервації, або не розробляються через низку обставин, а відповідно діючими є лише Ватутінське (Відокремлений підрозділ Смолінська шахта, смт Смоліне Кіровоградської області); Мічурінське і Центральне родовища (Відокремлений підрозділ Інгульська шахта, м. Кропивницький) та Новокостянтинівське родовище (Відокремлений підрозділ Новокостянтинівська шахта, яка реалізує капітальне будівництво об’єктів підземного та поверхневого комплексу шахти, та введена до складу ДП «Схід ГЗК» з 1 вересня 2010 року відповідно до наказу Міністра палива та енергетики України від 26 листопада 2009 року за № 659, с. Олексіївка Кіровоградської області).

Запаси Новокостянтинівського родовища оцінюють як найпотужніші у Європі, та такі, що входять у першу десятку світу та становлять близько 76 тис. тонн, з яких технічно можна добути не менше 70 тис. тонн.

Усі ці шахти, за оцінками спеціалістів, здатні «продукувати» до 4 тис. тонн уранової руди щороку. Передбачалось навіть нарощення видобутку десь близько 6,4 тис. тонн сировини на рік у період між 2025—2030 роками, а пізніше – навіть до 7,5 тис. тонн на рік.

Відповідно до заяви про визначення обсягу стратегічної екологічної оцінки проєкту Державної стратегічної екологічної оцінки на період до 2024 року, завданням № 1 щодо уранового виробництва ставилось збільшення обсягу видобутку уранової руди за рахунок освоєння Новокостянтинівського, Квітневого та інших нових родовищ урану, реконструкція гідрометалургійного заводу в м. Жовті Води, збільшення ємності «хвостосховища» для розміщення відходів переробки уранових руд, реконструкція об’єктів з виробництва іонообмінних смол в м. Кам’янське, впровадження нових прогресивних технологій переробки уранових руд.

Такий чином, урановидобувна галузь мала б отримати значну державну підтримку для розвитку та розширення виробництва. Проте зараз, у силу обставин, за даними Звіту про Управління Схід ГЗК за 2019 рік, обсяги виробництва уранового концентрату суттєво зменшились.

Маючи потужні запаси уранової руди, Україна не входить до числа країн, що можуть самостійно збагачувати уран та виготовляти ядерне паливо. Проте на гідрометалургійному заводі у Жовтих Водах на Дніпропетровщині із уранової руди українських родовищ отримують урановий оксидний концентрат – «жовтий кек», що має вигляд жовтої порошкоподібної речовини і є матеріалом для отримання ізотопів урану 233 та 235, які використовуються у атомній енергетиці.

Отриманий урановий концентрат частково використовується для потреб внутрішнього ринку після збагачення та фінального виробництва ядерного палива (2019 рік –  контракти з ДП «НАЕК «Енергоатом» від 5 грудня 2018 №8-020-08-18-00962 та від 19 грудня 2018 №8-020-08-18-00971) та частково експортується до інших країн. Зокрема, у 2019 році Східний ГЗК реалізував експорт уранового оксидного концентрату (УОК) відповідно до контракту від 30 листопада 2018 № 914/09, укладеного з INTERNEXCO GMBH, Швейцарія.

Як видобувають уранову руду в Україні та за кордоном

Міклош Гашпар та Ноя Мейх’ю у статті «Злети та падіння: економіка урановидобувного виробництва» для бюлетня МАГАТЕ «Уран. Від розвідки до реабілітації» наголошують, що «видобуток урану практично нічим не відрізняється від видобутку решти основних металів: розвідка, отримання ліцензії, розробка родовища і закриття рудника по завершенню служби».

Загалом, щоб отримати уран на місці ймовірного залягання уранових руд, потрібно досить багато часу та зусиль. Так, зокрема, розвідка родовища займає від 10 до 15 років,  підготовка техніко-економічного обґрунтування – від року до трьох. Стільки ж часу приблизно займе спорудження рудника, власне експлуатація родовища, а саме видобування та переробка для отримання уранового концентрату становить від 5 до 50 років, залежно від багатства родовища. Після завершення експлуатації  на реабілітацію та відновлення потрібно буде витратити ще від 2 до 10 років.

Звісно, все це знаходить відображення у вартості отриманої сировини.

Собівартість українського урану дещо вища за собівартість цього продукту в конкурентів, однак для європейських партнерів Україна має одну дуже суттєву перевагу – відстань. Коли йдеться про транспортування «жовтого кеку» з, скажімо, Австралії чи Канади до будь-якої з країн Європи, то транспортування з України є значно простішим, вигіднішим та безпечнішим. Європейські ж АЕС потребують близько 18–19 тис. тонн урану щорічно, і постачальниками для них виступають Австралія, Канада та деякі африканські країни.

На вартість сировини впливає також спосіб її видобування. На сьогодні уранову руду видобувають звичайними гірничими способами (відкритим та підземним способами), способами підземного видобування (свердовинного та блочного) та купного вилуговування.

Відкритий або кар’єрний спосіб застосовують, коли руда залягає недалеко від поверхні. Цей спосіб найпростіший та найдешевший. Підземний – якщо руда залягає глибоко. Небезпека цього способу видобутку урану в тому, що газ радон – один із продуктів розпаду урану – радіоактивний і чинить негативний вплив на організм. А отже, коли йдеться про уранові шахти, то їх експлуатація неможлива без наявності потужних вентиляційних систем.

В Україні, як інформує СхідГЗК, застосовують переважно підземний шахтний спосіб видобутку урану. Мовиться, зокрема, про застосування блочного та купного вилуговування, а також свердловинного вилуговування на родовищах піщаникового типу. Нині технологія підземного вилуговування знайшла широке застосування у Австралії, Казахстані, США. В Україні подібним чином відпрацьовувались Девладівське і Братське родовища та було розпочато роботу на Сафонівському родовищі. Таким способом видобувають значну кількість урану у світі, і він вважається найбільш безпечною та ощадною для довкілля технологією видобутку урану. До того ж, її застосування у 2,5 рази знижує собівартість сировини.

Процес виробництва закису-окису урану складний та багатоступеневий. Так, зокрема, руда з українських шахт надходить на гідрометалургійний завод, де її розвантажують та сортують, а далі подають у видатковий бункер млинового відділення  для подрібнення.

За допомогою віброживильників і стрічкових конвеєрів руда транспортується у здрібнювальні блоки, де здрібнюється за схемою напівсамоподрібнення за допомогою сталевих куль діаметром 80-120 міліметрів.

Речовини, що залишаються у нерозчинному вигляді, називають «хвостами», і вимагають особливого поводження.

На наступній стадії – вилуговуванні – уран із руди переводять у розчин. Більше половини руд вилуговується сірчаною кислотою в автоклавах,  частина –  вилуговується в пачуках. Процес вилуговування в автоклавах здійснюється за допомогою окиснювача – азотної кислоти при пневматичному перемішуванні, підвищеному тиску та температурі.

З метою підвищення концентрації урану в розчині та його очищення від домішок, здійснюється процес сорбції на синтетичному сорбенті – аніоніті АМП (або його аналогах) та десорбції урану з аніоніту у збагачений розчин, який далі надходить на подальше очищення від домішок і збагачення методом екстракції з отриманням кристалів амонійуранілтрикарбонату (АУТК), які прожарюються при визначеній температурі до закису-окису урану. Термічне розкладання кристалів АУТК проводиться у прожарювальній обертовій печі.

У готовій продукції присутня суміш закису-окису урану (жовтий кек), причому вміст чотиривалентного урану має становити не менше 80%.

Видобутком уранової руди та виробництвом концентрату природного урану донедавна в Україні займалась виключно єдина компанія – Державне підприємство «Східний гірничо-збагачувальний комбінат», у підпорядкуванні якого окрім шахт перебувають і виробничі майданчики у Дніпропетровській і Кіровоградській областях, 3 заводи та близько 20 допоміжних підрозділів.

У 2019 році вперше в Україні дозвіл на розробку уранових родовищ отримала приватна компанія ТОВ «Атомні енергетичні системи України» (АЕСУ, с. Миколаївка, Миколаївської обл.). Вона заявила про намір видобувати в Миколаївській області до 300 тонн урану на рік, побудувати видобувний і переробний комплекси у Казанківському районі та використовувати потужності СхідГЗК в Жовтих Водах. Родовища, які планує розробляти АЕСУ, були розвідані ще в часи Радянського Союзу, але не розроблювались через відсутність на той час технології ефективного видобутку урану з піщаникових порід. На даний час така технологія широко застосовується у зарубіжних країнах. Залягання породи у цих родовищах – на рівні 50-70 метрів від поверхні, видобування здійснюватиметься методом вилуговування.

Де і як в Україні зберігаються «хвости» уранового виробництва і який вплив мають на персонал, населення та довкілля уранові об’єкти

Посеред інших відходів переробки уранових руд є так звані «хвости». СхідГЗК забезпечує їх зберігання та здійснює моніторинг екологічної ситуації поблизу «хвостосховищ», так само як й інших радіаційно-небезпечних і хімічних об’єктів підприємств, зокрема шахт «Інгульська», «Смолінська», «Новокостянтинівська», гідрометалургійного заводу та ін.

Для переробки однієї тонни уранової руди використовують у замкнутому циклі до 4–5 м³ оборотної води зі ставків-відстійників «хвостосховищ», які через високий вміст хімічних та радіоактивних речовин забруднюють ґрунти, поверхневі та підземні води, а тому потребують постійного моніторингу й реалізації заходів щодо зменшення шкідливого впливу на довкілля.

Значна кількість відходів накопичилась за період діяльності ВО «Придніпровський хімічний завод», де упродовж 1946–1972 років переробляли 65 % уранових руд усього Радянського Союзу. За 1948–1991 роки було створено 9 хвостосховищ, у яких зберігається близько 42 млн. тонн відходів загальною активністю 3,17×10¹⁵ Бк. Значний вміст природного урану в навколишньому середовищі спостерігається і в районі хвостосховищ поблизу м. Жовті Води, де розташовується завод з переробки уранової руди.

За таких умов контроль та заходи задля зменшення техногенного навантаження відходів переробки урану на довкілля мають здійснюватися постійно. Так, зокрема, у 2019 році, у рамках «Меморандуму про співпрацю і партнерство між ДП Схід ГЗК, ДК «Ядерне паливо» та Кіровоградською міськрадою, Кіровоградською облрадою та Кіровоградською ОДА» виконувались заходи із захисту навколишнього природного середовища та радіоекологічного моніторингу довкілля, зміцнено дамби і греблі, нанесено покриття для пляжів для попередження розпорошення пилоподібних часток на хвостосховищі в балці «Щербаківська».

Економічна складова

На сьогодні видобуток Урану в Україні, не зважаючи на те, що він мав би приносити значні прибутки, є справою збитковою. Так, на 2019 рік НКРЕКП  затвердила ціну на діоксид урану у розмірі 75 доларів за кілограм, хоча собівартість видобутку на Новокостянтинівській, Смолінській та Інгульській шахтах становить від 79 до 143 доларів за кілограм. При цьому ринкова ціна складала від 27,7 до 29,9 доларів за фунт (тобто від 55,40  до 65,78 доларів за кілограм). За такої політики проводити повноцінний розвиток галузі, забезпечувати радіаційний захист уранових об’єктів, виплачувати вчасно гідну зарплатню персоналу стає справою майже неможливою.

У травні 2020 року СхідГЗК отримав попередження про ймовірне відключення електроенергії через заборгованість, що практично означає затоплення шахт. Нині підприємство має значні борги перед трудовим колективом через невиплату заробітної плати. Причиною цьому стало заборгування «Енергоатому» перед комбінатом, якому, в свою чергу, заборгувало з виплатами Державне підприємство «Гарантований покупець».

Проте все ще є надія, що розробка уранових родовищ із застосуванням нових удосконалених технологій, правильне і відповідальне здійснення управління, грамотний менеджмент здатні вивести Україну в світові лідери урановидобувної галузі. Можливо, подолання монополії в урановидобувній галузі та поява здорової конкуренції допоможе подолати кризову ситуацію.

Які перспективи?

Згідно з «Енергетичною стратегією України на період до 2035 року «Безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність», прогнозується поступове нарощення генерації ядерної енергії. Так, коли на 2015 рік передбачалось виробництво 87,6 млрд. кВт*год електроенергії на АЕС, то вже на 2035 – 94 млрд. кВт*год.

Тому для сектору виробництва ядерного палива першочерговими завданнями є забезпечення приросту видобутку урану й цирконію, підготовка до промислового освоєння родовищ, придатних для відкритої експлуатації, розроблення розвіданих родовищ, оптимізація видобутку та створення запасу свіжого ядерного палива (уранового концентрату).

Ішлося також про доцільність розширення номенклатури виготовлення комплектуючих для виготовлення ядерного палива, у тому числі з цирконію, аби пізніше, можливо, вести мову про імпортозаміщення фабрикації ядерного палива шляхом створення в Україні відповідних потужностей. Серед ключових завдань, також, актуалізація загальнодержавної програми розвитку мінерально-сировинної бази України на довгостроковий період з метою розширення власної ресурсної бази урану, інших корисних копалин шляхом здійснення розвідки, розробки та введення в експлуатацію нових родовищ урану.

Уран – це не тільки ядерне паливо, але й…

Зараз основне застосування уран знаходить в атомній енергетиці як ядерне паливо. Проте це не єдиний спосіб його використання. Ізотопи урану застосовують також у медицині, науці та промисловості.

Раніше уран додавали при виробництві скла як пігменти для живопису та розпису кераміки, уранілнітрат на початку ХХ століття застосовували у фотографії – для посилення негативів та тонування світлин у коричневий колір. А карбід урану-235 разом із карбідом ніобію та карбідом цирконію слугує як паливо для ядерних реактивних двигунів. І можливо, саме український уран стане тим паливом, яке колись доправить людство до далеких зірок.

Джерела:

1. Бекман И. Уран. Учебное пособие. Москва: МГУ им. М.В.Ломоносова, Кафедра радиохимии, 2009.
2. Дані Державного науково-технічного центру з ядерної та радіаційної безпеки.
3. Дані Східного гірничо-збагачувального комбінату.
4. Производство урана // МАГАТЭ.
5. Сорокін О. Проблеми розвитку уранової промисловості. Презентація в рамках Міжнародної конференції «Український ядерний форум 2019: ядерна енергетика – стан та тенденції розвитку».