Jaderná zápalka (NUC2)

Napsal crustgroup.
Přeložil Hamilbar, převzato odtud. 

Následující část našeho vyprávění, týkající se zásob jaderného paliva, jeho obohacování a „hoření“, když dovolíte, začnu také u obrázků a magických čísel.

Na první magická čísla narazíme, jakmile se začneme bavit o světových zásobách uranu. Světové zásoby uranu (bez rozlišení izotopů, počítá se součet U238 a U235 v rudě) jsou následující:
jaderna1

Světové zásoby uranu v tunách.
Horizontální osa zleva doprava: Austrálie, Kazachstán, Kanada, JAR, Namíbie, Brazílie, Rusko, USA, Uzbekistán, Niger, svět celkem.

Pro lepší pochopení řeknu, že v průběhu pěti let – od roku 2006 do roku 2011 se zásoby uranu zvýšily z 3,507 milionů tun na 5,404 milionů tun. Neboli – o 54%. O polovinu.

Zdroje dat o zásobách roku 2006 a zásobách 2011, pokud by to někoho zajímalo – zde zde.

Ten první odkaz úmyslně neobsahuje pouze suchá data oficiálních statistik, ale názor na jadernou energetiku experta „vzor 2006“, který se dělí se svými názory na budoucnost ještě před začátkem první krize na trhu uhlovodíků. Můžete si počíst – retrospektivně jsou prognózy vždy zajímavé.

Rusko disponuje 8,9%  světových zásob uranu a v seznamu se nachází na čtvrtém místě – za Austrálií (třetina všech zásob, 31%), Kazachstánem (12%) a Kanadou (která má uranu o trošičku více než Rusko – 9%).

Ve skutečnosti právě Rusko a Austrálie vykázaly největší růst zásob – Austrálie je zvýšila z 1,074 na 1,673 milionů tun a Rusko, tak to vůbec poskočilo ze sedmého na čtvrté místo světového žebříčku, když své zásoby ztrojnásobilo z 0,158 na 0,480 milionů tun.

Kromě toho se do první desítky dostala Čína a Niger, přitom Niger, co se týče úrovně zásob uranu, předehnal USA a Uzbekistán.

Ale v čem se skrývá tajemství tak rychlého magického růstu dostupných zásob uranu ve světě? Ač je to překvapující, ale až sem „dosáhl krvavý Stalin“ spolu se svým přisluhovačem – vedoucím atomového projektu SSSR Lavrentijem Berijou.

Abychom pochopili otázku „dlouhých totalitních rukou“ pohlédneme na graf výroby a spotřeby uranu ve světě ve XX. a na začátku XXI. století:
jaderna2

Zelená – primární produkce uranu v dolech a lomech po celém světě, tmavě modrá čára – spotřeba uranu k výrobě energie na souši, červená čára  – celková spotřeba uranu k výrobě energie na souši a v námořních pohonných jednotkách (ponorky, letadlové lodě, „Petr Veliký“, „Jamal“ a „Arktika“ a mnohé další).

Stačí letmý pohled na výše uvedený graf a je nám jasné, že v letech 1945-1985 se ve světě těžilo uranu podstatně více, než se ho spotřebovávalo v jaderných elektrárnách a pohonných jednotkách jaderné flotily.

Právě toto nadbytečné, kdysi dávno vytěžené množství původně zbraňového, vysoce obohaceného uranu, je v současnosti „skladováno“ v jaderných hlavicích a vojenských zásobách obohaceného uranu po celém světě.

No a získaný při obohacování zbraňového uranu ochuzený uran U238 buď klidně leží ve skladech obohacovacích závodů, nebo ho ne příliš chytře a ukvapeně rozhazují ve formě jader protipancéřových nábojů. Mimochodem, Rusko tím netrpí, co se týče nesmyslného využívání ochuzeného uranu U238 jsou světovým lídrem USA.
jaderna3

Nabíjení námořního protileteckého děla Phalanx CIWS. Ta věc je schopná, pomocí svých šesti hlavní rozházet až 100kg ochuzeného uranu za minutu.

Samozřejmě, odborníci mě opraví a řeknou, že kromě uranu se v jaderných hlavicích odedávna používá i Pu239, k čemuž ovšem my poznamenáme, že kterýkoliv atom Pu239 byl ještě před nějakými 50ti lety atomem U238, který to později „koupil“ neutronem v jakémsi reaktoru, a za 24 000 let se s pravděpodobností 1/2 stane naší oblíbenou „jadernou zápalkou“ – starým dobrým U235.

Vlastně, právě v tom spočívá moje výhrada k Pentagonu – nehledě na jeho vynikající pyroforické vlastnosti a vysokou hustotu, je uran především – drahocenným palivem budoucnosti. Které se dá jednoduše skladovat a použít později, až nastane jeho čas. Ostatně v USA to není poprvé, co se spaluje ropný plyn a benzín vylévá do řek, coby nepotřebná komponenta destilace.

Celkově, nic z lidstvem dobytých izotopů nepřijde nazmar a nevyhazuje se jen tak (kromě výše uvedených smutných příkladů nehospodárnosti) a jsem přesvědčen, že dříve nebo později se vše, co bylo nashromážděno, ocitne v reaktorových pecích.

A právě kolem tohoto nadbytečného množství uranu, nashromážděného v letech 1945-1985 vznikla mezinárodní uranová zápletka posledních let.

V předcházející části jsme si řekli, že v průběhu studené války, kdy byly v podstatě vyrobeny hlavní objemy přebytečného uranu, USA a Francie úspěšně zvládly difuzní způsob separace izotopů uranu a tiše se radovaly z pomalé výroby štěpných izotopů, potajmu předpokládajíce, že v SSSR to s obohacováním vypadá obdobně, a možná dokonce hůře.

Při tom, a to je zajímavé, na základě nákladů na difuzní způsob separace i dnes někteří lidé rádi dělají závěry o „nízkém EROEI“ jaderné energetiky prohlašujíce, že pracuje s EROEI málem na hodnotě 4:1 nebo dokonce ještě níže. Pojďme si pro začátek ukázat, co to vlastně znamená v absolutních číslech, kW-hodiny spotřebované na obohacení a jak se odrážejí v získaných kilogramech uranu.
jaderna4
Čtyři reaktory – jeden difúzní závod.

Například francouzský kombinát „Eurodif“ v Pierrelatte, používající difúzní technologii, dostává energii nutnou pro chod výrobního procesu ze čtyř jaderných reaktorů stojících hned vedle. Tedy 3 000 MW jejich elektrického výkonu a 26,280 MWh elektrické energie vyrobené za rok jsou spotřebovány na výrobu 8,5 mil. jednotek separační práce (JSP). V přepočtu na „kusy“ – každá JSP vzjde na difúzním kombinátě na 3 091 KWh.

Pro porovnání, v klasické Siněvově knize„Ekonomika jaderné energetiky: Základy výroby jaderného paliva“ je uvedena spotřeba energie centrifug vyrobených v roce 1982 – přibližně 100 KWH/JSP. Spotřeba na technologii plynné difúze je v této knize také uvedena, coby „přibližně 25krát vyšší“, tedy přibližně 2 500 KWh/JSP.

Odhaduje se, že moderní centrifugy, jak ruské, tak evropské, spotřebovávají 50-60 KWh na jednu JSP.

Francouzský kombinát bude, zaplať pánbůh, plynovou difůzi využívat jen do roku 2015 a potom tam už budou jenom centrifugy. Podobně to vypadá i v USA – energetický, na rozdíl od „vojenského“ přístupu k problému vede i v USA k uzavírání difuzního kombinátu USEC a k přechodu na evropskou technologii centrifug. Zmiňoval jsem se o tom již v předchozím článku.

Teď se ovšem potřebujeme dostat od JSP ke kilogramům uranu. K tomu nám poslouží následující graf, zdroj zde:
jaderna5
Vidíme, že k výrobě uranu reaktorové čistoty potřebujeme 6-9 JSP na kilogram. Neboli v případě využití technologie výroby obohaceného uranu pomocí centrifug – 600-900 KWh na 1 kilogram uranu. S centrifugami nové generace ještě méně, všeho všudy pouhých 300-450 KWh na kilogram uranu. Přitom výchozí materiál, jak víme, také nikam nemizí, je prostě ochuzen o izotop U235 a necháváme ho ležet na haldách – k perspektivám jeho využití se vrátíme níže.

Pro plynovou difúzi, dokonce i kdybychom použili hodnocení Siněva místo skutečné spotřeby „Eurodifu“, která je ještě o 20% vyšší, budou výsledná čísla podstatně smutnější – od 15 000 do 22 500 KWh na kilogram uranu.

Při použití současné reaktorové technologie, dokáže 1 kg uranu, obohaceného na reaktorovou čistotu vyprodukovat 315 000 KWh elektrické energie. V případě technologie plynové difúze by přitom bylo nutné spotřebovat 7% této energie na samotné obohacení uranu, použijeme-li centrifugy, nová generace spotřeba poklesne na směšnou úroveň 0,2% (A budeme li se bavit o EROEI, pak tato fáze uranového palivového cyklu pracuje s koeficientem 500:1).

Což znamená, že separace izotopů, která byla do určité doby velmi drahou a pracnou záležitostí, se náhle a již na vždy stala jednoduchým a laciným procesem.

Z toho přímo vyplývá první zajímavá skutečnost – v roce 1990 disponoval SSSR spoustou tun laciného zbraňového uranu, zatím co USA a Francie stále ještě seděly na drahém a málo efektivním „plynodifúzním“ uranu. Již jsem psal, že „Zippův ůtěk“ do zahraničí s plány nedodělané sovětské centrifugy globálně západu téměř nic nedal – v roce 1990 ty nejmodernější západní technologie centrifug Urenco byly ještě v plenkách zkušebních prototypů.

V důsledku toho dokázaly USA nashromáždit (celkově!) přibližně 500 tun zbraňového uranu a Francie ještě daleko méně.

A v této historické situaci začal v Rusku program VOU-NOU (konverze Vysoce Obohaceného Uranu na Nízko Obohacený Uran, anglicky HEU-LEU). Dohoda VOU-NOU, uzavřená v roce 1993, předpokládá nevratné přepracování ruského zbraňového uranu na palivo pro americké atomové elektrárny. Podle dohody měl tento proces trvat 20 let, do roku 2013 (takže by měl skončit v příštím roce) a předpokládal přepracování 500 tun zbraňového uranu nashromážděného ještě za dob SSSR, což odpovídá 20 000 zničených jaderných hlavic. Jaderná hlavice hypoteticky obsahuje 25 kg uranu, ve skutečnosti se bavíme o „ekvivalentu“ – ve skutečnosti se prostě vyskladňuje zbraňový uran ze sovětských skladů. Aktuální statistika programu VOU-NOU, v případě zájmu, je zde.

Za pokračování v tomto programu ruskou vládu neustále kritizují. „Výprodej vlasti“ a „Jednostranné jaderné odzbrojení“ jsou ta nejskromnější epiteta popisující program VOU-NOU.

Co skutečně dal program VOU-NOU Rusku, USA, městu a světu? Uvedu jednotlivé body, které jsou podle mého názoru nejdůležitější:

1. Ruský průmysl obohacování uranu získal garantovaný odbyt svého paliva v USA za dumpingové ceny.

2. Ruský průmysl obohacování uranu nebyl v 90tých letech minulého století rozřezán na šrot, pokračoval v obohacování uranu levným a produktivním způsobem pomocí centrifug a bez přerušení produkoval minimálně 2 500 tun uranu reaktorové čistoty ročně.

3. Skutečné dodávky nízko obohaceného (reaktorového) uranu do USA představovaly v období 1995-2010 od 350 do 1040 tun ročně. Celkem bylo ke konci roku 2010 „zničeno“ 16 494 jaderných hlavic, což odpovídá objemu dodávky 412 tun zbraňového uranu. Přepočítáme-li tato čísla na do USA skutečně dodávaný nízko obohacený uran reaktorové čistoty, pak se bavíme o 11 682 tunách reaktorového uranu – neboli o průměrných dodávkách 730 tun nízko obohaceného uranu ročně.

4. Americký průmysl obohacování uranu se fakticky nachází v hluboké krizi. Operátor smlouvy VOU-NOU z americké strany – společnost USEC, která sama je velkým obohacovatelem, ve skutečnosti prodává levný ruský uran, při tom se jí nedaří dotáhnout do finále vlastní technologii plynových centrifug, ani nějakým rozumným způsobem reformovat vlastní závod v Piketonu postavený na technologii plynové difúze.

V 70tých letech minulého století, hledíc na úspěchy Evropanů v aplikaci sovětských centrifugových technologií, utratilo Ministerstvo energetiky USA (Department of Energy — DOE) více než tři miliardy dolarů na vědecké výzkumy zaměřené na vývoj a zdokonalení plynové centrifugy pro separaci izotopů uranu.  Američtí odborníci se pustili do práce a zkonstruovali sérii centrifug schopnou separovat od 200 do 500 JSP/rok.  Těchto vysoce výkonných a velmi složitých strojů bylo vyrobeno více než tisíc, než byl program v roce 1985 zrušen. Je však třeba podotknout, že ani v okamžiku svého zastavení, program nepřekročil stádium zkušebních vzorků.

Na počátku tohoto století se USEC vrátila k myšlence zkonstruovat „americkou centrifugu“. Pilotní zkušební kaskáda se měla stát standardním blokem pro komerční závody na obohacování uranu. Do konce roku 2002 mělo být vybráno místo instalace pilotní kaskády, samotná instalace měla začít v roce 2004 a vlastní provoz koncem roku 2005. Jenomže  krvavý diktátor Stalin  program VOU-NOU zasáhl i do „americké centrifugy“. A díky tomu USA fakticky nemají svůj „harvester“, který by jim zajistil laciný uran pro jejich jadernou energetiku.

5. Program VOU-NOU končí v příštím roce a jak již bylo předběžně oznámeno, další dodávky ruského uranu na americký trh budou prováděny v rámci jednotlivých čistě komerčních smluv. Berouce do úvahy body 1-4, myslím, že vás asi nepřekvapuje, že vlajková loď amerického obohacování, společnost USEC, se po programu VOU-NOU nachází v hluboké krizi, kdežto Rusko z nějakého důvodu stále ještě disponuje 800 tunami volného zbraňového uranu.

Dalo by se říci, že americký kůň nezvládl ruskou bezplatnou píci. Ruský zbraňový uran v žádném případě nespotřebovali, ale americký průmysl obohacování uranu řádně pochroumali. „Existoval skutečně ten chlapec?“ Domnívám se, že v době zrádce Jelcina chlapec skutečně existoval. Jenomže když „mrknul a trochu povyrostl“ – tak to už si nejsem jist. Rozlišit ochuzený zbraňový uran od obohaceného přírodního uranu, z principu nelze.

Ze strany USA by také bylo třeba položit několik otázek ekonomickému škůdci Clintonovi. Je samozřejmě příjemné, že se americká energetika těšila z nízkých cen uranu v devadesátých letech minulého a nulových letech tohoto století – ale jak žít dál? Jak znovu zorganizovat americké atomové strojírenství?

Druhým zajímavým faktem vyplývajícím z tak nízkých nákladů na výrobu energetického uranu pomocí centrifug je totální přehodnocení přístupu k posuzování geologických zásob a rezerv přírodního uranu.

Jestliže ještě v roce 2006 byla mezi světové rezervy zapisována všechna naleziště, která bylo možné těžit s náklady nepřesahujícími 80$ za kilogram přírodního uranu, potom, díky úspěchům technologie centrifug v Rusku a v Evropě, se „laťka“ pro naleziště, která se z geologických zásob stávají zásobami těžitelnými neboli rezervami, zvedla na 130$ za kilogram uranu. A právě to je hlavní příčinou růstu uranových zásob, existují i nové objevy, ale největší část přírůstku je dána převedením geologických zásob do kategorie rezerv.

Takže, zlepšení používané technologie separace izotopů (nahrazení plynové difúze odstřeďováním), které, jak by se mohlo zdát, nikterak s geologickou problematikou nesouvisí, protahuje svoji neviditelnou pomocnou ruku šachtám a lomům těžícím uran v rámci jednotného JPC tím, že jim umožňuje získávat uran z podstatně chudších rud.

Kromě toho, se v poslední zprávě správně uvádí, že uranové zásoby a rezervy Ruska zůstávají i nadále nedoceněny. Příčiny této situace jsou stejné jako u zásob ropy a plynu – území státu ještě není z hlediska geologie zcela prozkoumáno, a tam kde je prozkoumáno a geologické zásoby uranu jsou známy – ne vždy je k dispozici infrastruktura umožňující jeho rentabilní těžbu.

bez názvu

Zkrátka, otázka osvojení Sibiře je stejně aktuální, co se týče uranu, stejně jako v případě nafty a plynu.

Tímto způsobem se celkový potenciál světových zásob uranu odhaduje na 6 306 300 tun.

Je to hodně?

Vezmeme-li v úvahu, jak jsem již napsal dříve, že obsah uranu v hornině je na většině ložisek 0,72% (existují zajímavé výjimky, o těch ale pohovoříme zvlášť, až se budeme věnovat rádiofóbii) a většina reaktorů (lehkovodních) pracuje s uranem obohaceným izotopem U235 do 4-5% (i když existují i těžkovodní reaktory, kterým stačí pouhá 2% U235 v palivu), celkový energetický potenciál vyjádřený izotopem U235 činí 45 406 tun.

Jestliže tento přírodní U235 „převedeme“ na barely ropy (jak si vzpomínáme, kilogram uranu „obsahuje“ zhruba 2 miliónkrát více energie, než kilogram benzínu) dostaneme coby energetický ekvivalent světových zásob uranu přibližně 90,81 miliard tun ropy.

Abychom si přiblížili, co toto číslo znamená – ropy se na celém světě od dob „krále Prcka“ až po dnešek vytěžilo zhruba 1 trilión 450 miliard barelů a ještě zhruba stejné množství se nachází v podzemí. V tunách představuje již vytěžené, stejně jako v zemských útrobách se nacházející, množství ropy 200 miliard tun, tedy energie ropy je v zemských hlubinách všeho všudy dvakrát více, než se tam nachází toho nejjednodušeji využitelného izotopu uranu – uranu U235.

Jenže ve skutečnosti je nashromážděné energie těžkých jader v zemských útrobách daleko více než by se dalo usuzovat, započítávaje pouze jeden izotop uranu – U235.

Jak víme, v uranové rudě a na skládkách našich zpracovatelských kombinátů se nachází U238, v našich reaktorech neustále vzniká izotop plutonia Pu239, a kromě uranu se na Zemi nachází, sice méně vhodný, ale též použitelný prvek thorium, zastoupený svým jediným izotopem – Th232, který se dá také použít v jaderném palivovém cyklu.

A izotop uranu U235 – to je všeho všudy pouze „jaderná zápalka“, kterou je možné zapálit tu otýpku „jaderného dříví“.
jaderna6
Opice našla „jadernou sirku“. Při neopatrném zacházení s ohněm si již párkrát spálila prsty.

Kolem prší a všude se válí kusy mokrého dřeva. Opici je zima a má strach.

Ale jadernou zápalku drží stále v rukách. Opici je pouze potřeba vysvětlit, že ohně není třeba se bát.

Advertisements

3 comments

  1. Milan

    Trochu náročnější čtení, ale strhující a s hodně sympatickým závěrem!

  2. Janika

    Máte pravdu, Milane, je to náročné čtení.

    Zaijalo mě mimo jiné to o prodeji ochuzeného uranu do USA. A opravdu nechci být protivná, ale nemohu se zbavit otázky, proč jsme vlastně hlasovali v OSN jménem našich nejmenovaných představitelů proti zákazu tohoto uranu ve zbraních…

  3. hans

    Ale Janiko, jakápak otázka. Od roku 1990 je naše zahraniční politika založena na principu: podpoříme USA a Izrael, i kdyby jsme měli s nimi sami stát proti celé Evropě a celému světu. Obvykle tím podpoříme porušování lidských práv.

    A takových hlasování, kdy Česko stálo proti Evropě nebo světu, bylo víc, pamatuju jednou jak nějaké evropské těleso odsoudilo Turky že bijí Kurdy, jen jeden stát byl proti…

    (Na MZV akorát Kavan výše uvedený princip odmítal, proto byl tak nenáviděn, proto se vynořila aféra Srba.)