Jak jsme na tom s uranem

Uran není jediným palivem pro jaderné reaktory, je však palivem dominantním. Odkud vlastně pochází? V měřítku Sluneční soustavy, kde stejně jako Slunce jsou i plynné planety tvořeny převážně nejlehčími prvky vodíkem a heliem a terestrické planety železem, kyslíkem, hořčíkem a křemíkem, není existence prvků s vysokým protonovým číslem obvyklá. Současné teorie hovoří o tom, že tyto prvky vznikly za ohromného toku neutronů při výbuchu jedné, případně více supernov.

Na Zemi se uran nachází jako směs tří různých izotopů, a to ²³⁸U (99,28 %), ²³⁵U (0,71 %) a ²³⁴U (0,004 %). Rozdílná zastoupení jsou dána odlišnými poločasy rozpadů jednotlivých izotopů, neboť všechny tři jsou radioaktivní a izotopy 234 a 235 se přirozeně rozpadají mnohem rychleji než ²³⁸U, jehož poločas rozpadu je srovnatelný se stářím Země. Ovšem například před dvěma miliardami let činila koncentrace izotopu ²³⁵U v uranu 3,7 %, což velmi dobře odpovídá průmyslově zvýšené koncentraci pro použití v dnešních lehkovodních reaktorech. Při takové koncentraci se v místě bohatého naleziště uranové rudy odehrál jeden ze zázraků přírody, a sice vznik a dosti dlouhé trvání přírodního jaderného reaktoru štěpícího za přítomnosti vody uran a vyrábějícího tepelnou energii. V africkém Gabonu v lokalitě Oklo fungovalo přinejmenším 17 takových zhruba dvacetikilowattových reaktorů! [1] Za dva milióny let „provozu“ reaktory vygenerovaly mimo jiné 1,5 tuny plutonia, které je dodnes spolu s produkty štěpení patrné v bezprostřední blízkosti rudních těles. Tyto nálezy dokazují velmi malou mobilitu plutonia v životním prostředí a podporují tak navrhovaná řešení hlubinného ukládání použitého jaderného paliva. Jako další důsledek fungování štěpné řetězové reakce je v této lokalitě zastoupen izotop ²³⁵U méně, místy jen 0,3 %.

Kde je na Zemi uran

Kontinentální i oceánská kůra Země byla na mnoha místech analyzována na výskyt uranu, zkoumány byly i vzorky svrchního zemského pláště. Nevíme ale dosud mnoho o možném výskytu uranu ve spodní části pláště a zemském jádře. Zajímavé je srovnání s meteority, ve kterých se v průměru vyskytuje 0,008 částic uranu na milion všech ostatních (značeno jako „ppm“), zatímco v kůře a svrchním plášti Země je jich průměrně 0,021 ppm. Také je dobře patrný rozdíl ve výskytu uranu v oceánském dně, kde činí průměrně několik tisícin ppm, a v pevninské kůře, která je jím relativně obohacena běžně na 1 až 2 ppm. Oba tyto rozdíly souvisejí s formováním zemské kůry, kde se uran vázal v minerálech hornin pevninské kůry rychleji než v železo‑niklových slitinách, které jsou častější v zemském jádru. Uran tedy není na Zemi ničím neobvyklým, je v její kůře zastoupen přibližně stejně jako cín nebo zinek a nalézá se v mnohých minerálech, dokonce i v mořské vodě.

Na základě různých procesů mineralizace dnes můžeme rozlišit zhruba 15 různých typů ložisek. Mezi nejvýznamnější typy výskytů uranových rud patří pískovcová ložiska, diskordantní (unconformity), žilná a magmatogenní. Z rud je nejznámější uraninit UO₂ a amorfní smolinec (oxid uraničito‑uranový 2 UO₂ . UO₃., sumárně psaný jako U₃O₈).

Kolik uranu je k dispozici

Pro získání uranu a následné využití v jaderných elektrárnách jsou samozřejmě z ekonomického hlediska zajímavá bohatá naleziště. I z přiložené tabulky 1 je evidentní, že díky oceánským objemům mořské vody má sice lidstvo k dispozici obrovský potenciální zdroj uranu, nicméně zatím není ekonomicky využitelný. Stal by se jím až při desetinásobném zvýšení aktuální obchodovatelné ceny uranu. Dnešní těžba proto využívá rudy s vysokým obsahem uranu, kde jeho přítomnost můžeme měřit v hmotnostních procentech (Kanada), případně naleziště se zastoupením nižším než 1 000 ppm, ale s mineralogickým složením a ložiskově‑geologickými poměry umožňujícími ekonomicky přijatelné podmínky těžby a zpracování (Kazachstán či Namibie).

Známé zdroje (nebo také zásoby) jsou charakterizovány dostatečným přímým proměřeními v takové lokalitě, která umožňuje vypracovat studii proveditelnosti. Tyto zdroje lze ještě dál dělit na zásoby dostatečně potvrzené a zásoby dovozené. Neobjevené zdroje se předpovídají na základě geologické analogie se známými ložisky a můžeme mezi nimi také rozlišovat zdroje předpovězené a spekulativní. Celkově se uvádí řádově 5,5 milionu tun uranu celosvětových zásob těžitelných do ceny 130 $/kg, z čehož bývá okolo 4 milionů pod cenou 80 $/kg, a v případě neobjevených zdrojů množství 10 milionů tun uranu. Ovšem ne všechny země světa, včetně velkých producentů, ještě neobjevené zdroje takto evidují. Malým příkladem může být srovnání těchto množství s ročními potřebami evropských jaderných elektráren, které byly pro rok 2010 odhadnuty ve výši zhruba 18 000 tun uranu. Známé světové zásoby uranu dostupné za cenu nižší než 80 $/kg by teoreticky stačily krýt potřebu evropských reaktorů nynějšího výkonu po 220 let.

Které státy mají zásoby uranu

Světové zásoby uranu nejsou rozmístěny rovnoměrně. Hlavní známá ložiska jsou v Austrálii, Kazachstánu, Rusku, Kanadě. Zeměpisnou pestrost doplňují i velké zásoby v Jihoafrické republice, USA, Brazílii, Nigeru, Namibii, Ukrajině a v Českém masivu. Rozsah těžby těchto zásob je však pro každou zemi specifický a je samozřejmě dán historickým vývojem, zastoupením těžebního průmyslu, využíváním jaderné energie, ale i politickým směřováním země. Austrálie sice zatím nedisponuje jadernými elektrárnami, ale aktivně těží své největší známé zásoby, a na druhou stranu vystupuje v zájmu Smlouvy o nešíření jaderných zbraní. Ještě nedávno tak nedovolovala vývoz svého uranu do nesignatářských zemí. Naopak Rusko nebo Brazílie jako země s vysokým potenciálem uranu ho sice těží, ale s velkými rezervami. Příkladem státního zájmu je Kazachstán, který má druhé největší známé světové zásoby, uran se zde těží více než 50 let, ale až v posledních sedmi letech rostla jeho produkce vpravdě raketově. Ještě v roce 2000 vytěžil Kazachstán celkově 2 000 tun, zatímco v roce 2009 už 16 500 tun. Opět se zde nabízí srovnání s roční evropskou potřebou cca 18 000 tun uranu.

Způsob těžby

Celosvětově převládá konvenční těžba zastoupená hlubinným (30 %) a povrchovým (25 %) způsobem. Dalším a stále více rozšířeným způsobem se stává chemické loužení (40 %) kyselinou nebo zásadou, a to ve vhodných typech pískovcových ložisek. Roztoky rozpouštějící uran se pomocí vrtů pumpují do rudních horizontů a následně čerpají do chemických úpraven. Uran se rovněž získává jako vedlejší složka těžby mědi či zlata (5 %), okrajově velmi malá množství uranu i z čištění důlních vod a při rekultivaci starých zátěží.

Kolik se vytěží

Uranu se celosvětově vytěžilo za rok 2010 více než 53 tisíc tun. Rostoucí tendence je důsledkem úbytku zásob uranu akumulovaných v posledních desetiletích minulého století a rostoucí ceny na světových trzích. Již dva roky dominuje světové těžbě uranu Kazachstán, který toho dosáhl díky své státní politice a rozsahem snadno těžitelných zásob. V současnosti je v provozu 14 kazašských dolů, všechny částečně vlastněné státem přes společnost Kazatomprom. Až na jeden získávají uran chemickou těžbou při použití kyseliny sírové. Tento způsob má oproti klasické hlubinné těžbě významnou výhodu v nízké nákladovosti a rychlosti uvádění nových ložisek do těžby. To je také důvodem raketového nárůstu vytěženého množství. Z deseti největších dolů na světě jsou čtyři na území Kazachstánu, jmenovitě Tortkuduk, Buděnovskoje, Inkai a Jižní Inkai.

Největším uranovým dolem je kanadský McArthur River s produkcí okolo 8 000 tun ročně. Jedná se o hlubinný důl s rudními tělesy 500‑600 m pod povrchem. Zvláštností je způsob těžby, kdy je třeba nejprve okolní zvodnělé horniny zmrazit. Dalším velmi perspektivním kanadským ložiskem je Cigar Lake, které obsahuje rudy s velmi vysokým obsahem uranu (až 17 %). Je dostatečně dlouho známé, nicméně obtížně těžitelné. To mimo jiné dokazuje opakované zaplavení otvírkových prací a následný posun v zahájení těžby až na příští rok. Majitelem obou projektů je soukromá kanadská firma Cameco, podíl zahraničních investorů ve společnosti je pouze 20 %. Třetím lídrem v těžbě uranu je Austrálie se dvěma obřími doly Ranger a Olympic Dam (2. a 7. celosvětově největší). Ranger je povrchový lom společnosti Rio Tinto, zatímco ložisko Olympic Dam je dobýváno hlubinně a je jedním z největších ložisek mědi a zlata na Zemi s vůbec největší známou akumulací uranu. Jeho každoroční 3 až 4 000 tun uranu jsou tudíž pouze vedlejším produktem těžby. Nelze se tedy divit, že vlastník společnost BHP Billiton přišel s plánem rozšířit těžbu a zahrnout i povrchové metody; plán byl v závěru roku 2011 schválen vládou. Vznikne tak největší důl na světě schopný produkovat ročně 730 000 tun mědi a 16 500 tun uranu, což je nejen 2krát více, než zvládne dnešní největší uranový důl v Kanadě, ale hlavně dokáže udržet produkci po několik desetiletí!

Dalšími tradičními producenty uranu jsou Namibie a Niger s doly aktivními již ze 70. let minulého století, kde společnost AREVA plánuje otevřít v průběhu několika příštích let další projekty (Trekkopje s 3 600 a Imouraren s 5 850 tunami uranu za rok). Třetím největším aktivním dolem na světě je namibijský povrchový důl Rössing (Rio Tinto) a pátým nigerijský Arlit (AREVA), přičemž další prvenství drží nigerijský Akouta, který bývá označován jako nejrozsáhlejší hlubinný důl. Pro doplnění top 10 světových dolů zbývá zmínit ruský důlní komplex Priargunsky při hranicích s Čínou, který za 40 let vytěžil více než 130 000 tun uranu, převyšující tak celkovou československou a českou produkci (viz graf Celosvětová produkce uranu v tunách). Graf přináší přehled vytěžených tun uranu na Zemi v roce 2010, pro uplynulý rok ještě nejsou oficiální množství k dispozici. Evidentním faktem je, že šest výše popsaných zemí a jejich dolů reprezentovalo více než 85 % celosvětově vytěženého uranu.

Jak si vede střední Evropa?

Poslední fungující středoevropský uranový důl je v Rožné na Žďársku. Společnost DIAMO vytěžila v loňském roce z přibližně kilometrové hloubky 224 tun uranu, v roce 2010 to bylo 240 tun a v roce 2009 242 tun. Tento důl byl otevřen již v roce 1957, později měl dvě hlavní těžební jámy, a celkem se z něj vytěžilo více než 15 milionů tun rudy. Těžba se v devadesátých létech stávala ztrátovou a důl měl být stejně jako všechny další české lokality uzavřen. Zatím se tak ale nestalo díky zvýšeným cenám uranu na světových trzích, a také nově objeveným zásobám. Tento důl v rukou státu bude oficiálně v provozu po dobu ekonomické výhodnosti těžby bez nároku na finanční zdroje státního rozpočtu – zdá se, že to ještě pár let potrvá.

Zájem energetiky o uran

Období od konce druhé světové války lze rozdělit na pět významně odlišných etap, které zahájil vojenský zájem o uran; ten nastartoval těžbu uranu, jejíž růst trval až do roku 1960. Poté následoval rychlý propad v těžbě, protože poptávka po další výrobě zbraní odezněla. Ve třetím období, od konce 60. do 80. let, rostlo mírové využití: začíná rozvoj jaderné energetiky a Čína se prostřednictvím státního plánování předzásobuje obrovským množstvím dnes světově dostupného uranu.

Druhotné zdroje uranu

Svět dnes může spotřebovávat více uranu v jaderných reaktorech, než kolik vytěží. Hlavní druhotný zdroj uranu pochází z přepracování vojenského arzenálu. Vlády USA a Ruska se začaly v rámci mírových iniciativ systematicky zbavovat vysoce obohaceného vojenského uranu již od 80. let. Přidáváním tohoto uranu, obohaceného izotopem ²³⁵U na 90 %, lze získat požadované obohacení standardní pro dnešní využití, tj. do 5 %. V rámci americko‑ruské smlouvy „Megatuny na megawatty“ bude takto ke konci příštího roku zpracováno již 500 tun vysoce obohaceného ruského materiálu odpovídajícího zhruba 20 tisícům rozmontovaných jaderných hlavic.

Dalším druhotným zdrojem může být využití ochuzeného uranu z již proběhlého obohacovacího procesu, kdy z přírodního uranu vznikl nejen uran obohacený, ale zároveň i ochuzený. Pokud má ochuzený uran stále využitelný podíl ²³⁵U, typicky 0,3 % a více, lze tento podíl dalším obohacovacím procesem snížit a vytěžit tímto způsobem dodatečný uran.

Cestou k získání uranu je i využití použitého (vyhořelého) paliva, ve kterém stále zůstává zhruba 95 % obsahu uranu, dále malé množství plutonia a dnes nevyužitelných štěpných produktů a minoritních aktinoidů. V přepracovacím procesu lze z tohoto paliva separovat plutonium a uran a vyrobit tzv. směsné uran‑plutoniové palivo MOX, nebo popř. využít pouze uran označovaný RepU a z něj vyrobit palivo nové. V rámci takto přepracovaného uranu se využívá zbytkové množství obsaženého izotopu ²³⁵U, kterého bývá v použitém palivu kolem procenta. Pokud jde o separaci plutonia a jeho zapracování v směsné palivo MOX, plutonium se může při fabrikaci přidávat jak k přírodnímu, tak i k přepracovanému či ochuzenému uranu a lze tak suroviny využít ještě lépe.

Jak získávají uran evropští provozovatelé jaderných elektráren?

Rozhodně nesnižují své zásoby, neboť by se tím stávali závislými na aktuálním vývoji trhu s možným dopadem na cenu vyrobené elektrické energie. Navíc nenechávají většinou své palivo přepracovat, neboť to s sebou přináší kromě nutnosti podstoupit přepracovací proces (otázky dostupnosti technologií, transportu použitého paliva) problematiku odlišného modelování palivových vsázek a hlavně úskalí v nakládání s takovýmto palivem v čerstvém i použitém stavu. Provozovatelé také nemívají ve zvyku vzít si po obohacovacím procesu zpět zbytkový (ochuzený) uran, neboť se jedná o obrovská množství s nejasným ekonomickým výhledem dalšího využití. Pokud jde o nákup uranu od domácích producentů, Evropská Unie již takto kryje řádově pouze procenta svých potřeb. Evropa se tedy z podstatné části spoléhá na dovoz uranu ze světových trhů. Navíc se zde projevuje markantní objemová úspora oproti klasickým fosilním palivům potřebným k vyrobení stejného množství energie a s tím související frekvence přeprav. I proto není pro jakéhokoliv evropského provozovatele problém pořídit si uran v Austrálii, nechat jej zkonvertovat v Kanadě, obohatit ve Velké Británii a palivo z něj vyrobit třeba ve Francii.

---

Jaký uran se štěpí v českých jaderkách?

Provozovatel českých jaderných elektráren nakupuje uran jak od českého dodavatele, společnosti DIAMO, tak od zahraničních subjektů, a to na základě dlouhodobých smluv. Uranový koncentrát poskytuje výrobcům paliva. V současné době vyrábí palivo pro Dukovany i pro Temelín ruská společnost TVEL.

Zdroje

[1] World Nuclear Association, internetové stránky, www.world‑nuclear.org.

[2] The Global Nuclear Fuel Market – Supply and Demand 2011‑2030, World Nuclear Association, 2011.

[3] Wikipedia, internetové stránky, www.wikipedia.org.

[4] Euratom Supply Agency, výroční zpráva za rok 2010.

[5] The Nuclear Review, měsíčník, srpen 2011, číslo 516, TradeTech.

Tabulka 1 Typické koncentrace uranu na Zemi [1]
ruda s velmi vysokým obsahem	200 000 ppm U (20%)
ruda s vysokým obsahem	20 000 ppm U (2%)
ruda s nízkým obsahem	1 000 ppm U (0,1%)
ruda s velmi nízkým obsahem	100 ppm U (0,01%)
žula	3‑5 ppm U
sedimentární hornina	2‑3 ppm U
kontinentální zemská kůra	2,8 ppm U
mořská voda	0,003 ppm U