Uraani – ydinvoiman energiametalli

GTK

Uraani on raskain luonnossa esiintyvä alkuaine ja sen kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Se on syntynyt aikoinaan tähtien supernovaräjähdyksissä ja neutronitähtien törmäyksissä neutronisieppauksen kautta. Uraania oli mukana pieninä pitoisuuksina kaasu- ja pölypilvessä, josta aurinkokunta muodostui noin 4,6 miljardia vuotta sitten. Uraanin määrä maapallolla on aikojen saatossa vähentynyt merkittävästi, koska se hajoaa radioaktiivisesti muiksi alkuaineiksi. Uraanin, toriumin ja kaliumin radioaktiivisen hajoamisen tuottama lämpöenergia on maapallon sisäisen lämpöenergian tärkein lähde. Tämän lämmön purkautuminen kohti maapallon pintaa on merkittävässä roolissa geologisissa prosesseissa ja laattatektoniikassa.

Uraanimalmia Enon Paukkajanvaarasta. Keltainen mineraali uranofaania. Kuva: J.Väätäinen, GTK

Uraani on lähinnä suuren varauksensa vuoksi ns. sopeutumaton alkuaine eli maankuoren kivien osittain sulaessa se rikastuu voimakkaasti muodostuvaan sulaan. Maan vaipan yläosa ja kuori ovat aikojen saatossa toistuvasti sulaneet osittain ja tuottaneet mantereista kuorta, joten uraani on erottunut tehokkaasti ja rikastunut mantereiseen yläkuoreen. Mantereinen kuori sisältääkin nykyään arviolta puolet maapallon kaikesta uraanista. Uraanin keskimääräinen pitoisuus mantereisessa kuoressa on 1,4 ppm (0,00014 %) ja mantereisessa yläkuoressa 2,8 ppm (0,00028 %). Uraniniitti on yleisin maankuoren uraanimineraali, lisäksi alkuaine esiintyy pieninä pitoisuuksina mm. monatsiitissa ja zirkonissa.

Suomen kallioperän U-pitoisuus (2 ppm) vastaa maapallon mantereisen yläkuoren keskimääräistä U-pitoisuutta (2,8 ppm). Suomessa on kuitenkin kivilajeja (mm. graniitti), jotka sisältävät keskimääräistä enemmän uraania. Suomen kallioperä on monivaiheisten geologisten prosessien lopputulos ja muokkautunut useassa eri vaiheessa, joten uraani on paikoitellen rikastunut useassa vaiheessa, jolloin lopputuloksena on paikoin uraania enemmän sisältäviä kivilajeja ja alueita. Kallioperän uraanipitoisuuden vaihtelu korreloi kivilajivaihtelun kanssa, mikä heijastuu myös päällä olevaan maaperään ja alueen pohjaveteen. Suomessa kallioperän uraanipitoisuus on korkein Etelä-Suomen graniittialueilla (keskimäärin 3 ppm).

Luonnon radionuklideista yli puolet kuuluu uraanin ja toriumin hajoamissarjoihin. Luonnossa esiintyvä uraani koostuu kolmesta isotoopista: U-238 (99,27 %), U-235 (0,72 %) ja U-234 (0,0057 %). Uraani on epästabiili, koska sillä on liian raskas atomiydin ja alfahajoamisen kautta se pyrkii kohti stabiilimpaa tilaa. Uraanin radioaktiivinen hajoaminen koostuu kahdesta erillisestä hajoamissarjasta, joiden kantanuklideina ovat U-238 ja U-235.

Terveydelle haitalliset säteilyvaikutukset liittyvät ensisijaisesti uraanin hajoamissarjaan kuuluviin radioaktiivisiin tytärnuklideihin: radon (Rn-222), radium (Ra-226), lyijy (Pb-210) ja polonium (Po-210). Suomalaisen keskimääräinen säteilyannos on noin 3,2 millisievertiä vuodessa. Noin puolet tästä annoksesta aiheutuu sisäilman radonista. Lisäksi luonnon taustasäteilystä aiheutuu keskimäärin 30 % ja säteilyn käytöstä terveydenhuollossa noin 15 % vuosittain. Uraani on kemiallisesti myrkyllinen raskasmetalli ja suurina annoksina haitallinen etenkin munuaisille. Uraanin kemiallisen myrkyllisyyden terveydelliset riskit ovat sen säteilyriskejä suuremmat.

Lisätietoa

Perustietoa uraanista -esitys (pdf)

Suomen kallioperän uraanipitoisuudesta, GTK:n selvitys vuodelta 2010 (pdf)

Maailman uraanivarannot, tuotanto ja ydinpolttoaineen tarve

Maailman tunnetut uraanivarannot ovat jakautuneet epätasaisesti, sillä lähes 90 % varannoista sijaitsee vain kahdeksan valtion alueella. Noin 30 % kohtuullisin kustannuksin tuotettavan uraanin varannoista on Australiassa. Suurin osa Australian varannoista on Olympic Damissa, joka on maailman suurin uraaniesiintymä.

Maailman varannot (todetut, todennäköiset ja mahdolliset) ovat noin 5 700 000 tonnia uraania (kustannusluokassa <US$130/kgU). Nykyiseen ydinvoimakapasiteettiin ja reaktoritekniikkaan perustuvassa sähköntuotannossa tunnettujen uraanivarantojen arvioidaan riittävän yli 100 vuodeksi. Suomesta kansainvälisiin tilastoihin raportoidut varannot ovat vain 1500 tU.

Maailmassa tuotetaan tällä hetkellä uraania 16 eri maassa yhteensä noin 62 000 tonnia vuodessa. Suurimmat uraanin tuottajat ovat Kazakstan, Kanada ja Australia, joiden yhteenlaskettu osuus maailman uraanin tuotannosta on 72 %. Muita merkittäviä tuottajia ovat Niger, Namibia ja Venäjä. Kazakstanissa tuotanto on viimeisen kymmenen vuoden aikana lähes nelinkertaistunut ja maan osuus koko maailman uraanin tuotannosta on 39 %. Maanalaisen liuotuksen (ISL eli in situ leach) osuus globaalista kaivostoiminnasta on kasvanut merkittävästi viime vuosina, koska se on päätuotantomenetelmä Kazakstanissa.

Maailmassa on 447 sähköntuotannossa olevaa ydinreaktoria 31 eri maassa. Ydinreaktoreiden uraanin tarve on noin 63 000 tonnia luonnonuraania (tU) vuodessa. Suomen ydinvoimaloiden uraanin tarve on nykyisin noin 450-500 tonnia luonnonuraania (tU) vuodessa. Maailmalla on yhteensä 58 reaktoria rakenteilla 14 eri maassa. Kiinassa on rakenteilla 20 reaktoria, ja maailmanlaajuisesti suunnitteilla on yhteensä 162 reaktoria.

Uraanin tarve on ylittänyt kaivosten tuotannon vuodesta 1990 lähtien, mutta tällä hetkellä uraanin tarjonta kattaa lähes täysin kysynnän. Uraanin tarpeen ja tuotannon välinen erotus on katettu sekundäärisistä lähteistä, joita ovat varastot, aseuraanin laimentaminen ja käytetyn ydinpolttoaineen uudelleen käsittely. Kaivostuotanto kattaa tällä hetkellä 98 % ja sekundääriset lähteet 2 % uraanin tarpeesta.

Suurimmista uraanin tuottajista Kazakstan, Australia, Niger ja Namibia eivät hyödynnä lainkaan ydinvoimaa. Ydinvoimalat ovat keskittyneet Länsi-Eurooppaan, USA:n itäosiin ja Japaniin, jotka ovat riippuvaisia uraanin tuonnista. Suurimmat ydinenergian tuottajat ovat USA, Ranska ja Japani, ja näissä maissa sijaitsee lähes puolet kaikista ydinreaktoreista. USA on maailman suurin ydinpolttoaineen käyttäjä (99 reaktoria) ja sen osuus globaalista uraanin tarpeesta on yli neljäsosa.

Uutta ydinvoimakapasiteettia rakennetaan tulevina vuosina varsinkin Kiinassa, Venäjällä, Intiassa ja Etelä-Koreassa. Sen vuoksi uraanin kysynnän odotetaan tulevaisuudessa kasvavan Fukushiman onnettomuudesta huolimatta. Uraanin tuotantokapasiteetin on lisäännyttävä, jotta kasvava kysyntä voidaan kattaa, sillä sekundääristen lähteiden suhteellinen osuus on pienentymässä uraanin kysynnän kattamisessa.

Kansainvälisen atomienergiajärjestön (IAEA) ja OECD:n ydinenergiajärjestön (NEA) yhteinen Uraaniryhmä kokoaa ja julkaisee kahden vuoden välein jäsenmaidensa kanssa tuottamaa raporttia maailman uraanivarannoista, tuotannosta ja tarpeesta. Uusin näistä julkaisuista on Uranium 2016: Resources, Production and Demand (”Red Book”). GTK edustaa Suomea Uraaniryhmässä TEM:n Energiaosaston nimittämänä.

Yksi ajatus artikkelista “Uraani – ydinvoiman energiametalli”

Kommentit on suljettu.