Urani - Hiện tại & tương lai

Vai trò của Urani?

Urani tự nhiên là nguyên tố hóa học kim loại màu xám bạc được tìm thấy trong lớp vỏ trái đất. Đặc biệt, nguyên tố này còn được tìm thấy trong đá granit hoặc đá trầm tích với hàm lượng trung bình 0,2-2%.

Urani tự nhiên chỉ bao gồm ba đồng vị: U238, nguyên tử nặng nhất tồn tại trong vỏ trái đất, là đồng vị bền nhất trong ba đồng vị urani, do đó nguyên tử này cũng là đồng vị phổ biến nhất trong tự nhiên (chiếm 99,28%). U235 là đồng vị duy nhất có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch, tức có thể dùng cho lò phản ứng hạt nhân (chiếm 0,71%). Cuối cùng là U234 (0,006%). Trong các lò phản ứng nước thường, urani được làm giàu với tỷ lệ 3-5%. Urani được làm giàu này sản xuất ra gần 11% sản lượng điện năng trên toàn cầu vào năm 2012.

Khai thác quặng urani ở Úc

Nguồn urani tự nhiên bao gồm tất cả số lượng quặng urani được xác định trong vỏ trái đất, trong khi nguồn dự trữ urani chỉ là khối lượng urani tự nhiên có khả năng khai thác được trong điều kiện hiện nay (cả về kỹ thuật lẫn kinh tế). Nguồn dự trữ urani chính là “lượng urani tự nhiên chắc chắn có thể thu hồi được” (RAR), với chi phí khai thác hợp lý. Sự dao động về giá cả, phát triển cơ sở hạ tầng, công nghệ và các chính sách đều có thể làm giảm hoặc tăng nguồn dự trữ urani tự nhiên trên toàn thế giới.

Quốc gia nào sở hữu nhiều urani nhất?

Sự phân bố địa lý của quặng urani tự nhiên trên thế giới tương đối đều so với trữ lượng khí đốt. Trong năm 2011, trữ lượng urani tự nhiên ở Úc chiếm 31% tổng trữ lượng urani đã được tìm thấy trên thế giới với gần 1.661.000 tấn. Các quốc gia có trữ lượng urani chiếm hơn 5% tổng trữ lượng urani toàn thế giới là: Kazakhstan (12%), Canada (9%), Nga (9%), Nigieria (8%), Nam Phi (5%), Brazil (5%), Namibia (5%). Pháp có trữ lượng urani rất thấp (dưới 0,5%), nhưng chi phí khai thác lại rất cao. Các cuộc nghiên cứu của các nhà địa chất cho thấy một lượng lớn quặng urani vẫn chưa được khai thác ở Úc và Canada.

Trong năm 2014, lượng urani tự nhiên cần cho việc sản xuất điện nhờ vào phản ứng phân hạch đồng vị U235 (áp dụng cho các lò phản ứng từ thế hệ thứ 1 đến thế hệ thứ 3) vào khoảng 65.900 tấn. Với chi phí khai thác dưới 130 USD/kg urani và với lượng điện năng tiêu thụ như hiện nay, nguồn RAR hiện tại của thế giới có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất điện năng trong vòng ít nhất là 100 năm tới. Sau thời gian đó, việc khai thác sẽ phải tập trung vào các nguồn dự trữ urani có chi phí khai thác cao hơn.

Trong năm 2012, chỉ 8 công ty đã chiếm đến 88% thị trường khai thác urani trên toàn thế giới. Trong số đó, 3 nhà sản xuất urani lớn nhất là Cameco (Canada), Areva (Pháp) và Kazatomprom (Kazakhstan). Tất cả những công ty lớn này đều có xuất phát điểm từ các quốc gia có trữ lượng urani tự nhiên lớn nhất trên thế giới, ngoại trừ Areva. Công ty này đã phát triển hoạt động khai thác urani nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng urani ngày càng nhiều trong các nhà máy điện hạt nhân ở Pháp, bao gồm 58 lò phản ứng hạt nhân.

Có một điểm cần phải lưu ý rằng, Úc là quốc gia có trữ lượng urani tự nhiên lớn nhất trên thế giới và Kazakhstan là nước sản xuất urani lớn nhất thế giới (với 36,5% tổng sản lượng thế giới vào năm 2012), nhưng hai quốc gia này không hề có một nhà máy điện hạt nhân nào.

Tương lai nào cho điện hạt nhân?

Vào những năm 50 của thế kỷ trước, thế giới bắt đầu ước tính trữ lượng urani trên toàn cầu, trong khi Mỹ triển khai chương trình Nguyên tử vì hòa bình và sự ra đời của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA). Vào năm 1965, Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế (OCDE) đã xuất bản một cuốn sách đỏ mang tên “Đánh giá trữ lượng urani và thorium trên toàn thế giới”. Kể từ đó, cứ 2 năm 1 lần, OCDE lại cho xuất bản phiên bản cập nhật ước tính trữ lượng urani, dựa trên thông tin từ khoảng 50 quốc gia, hầu như bao gồm tất cả các nhà sản xuất uranium hàng đầu trên thế giới.

10 Công ty sản xuất Urani lớn nhất

Từ cuối những năm 80, chỉ có khoảng 50-60% sản lượng quặng urani được dùng trong việc vận hành các lò phản ứng hạt nhân. Nguồn cung bổ sung chủ yếu bắt nguồn từ việc huy động các nguồn dự trữ urani. Ngoài ra, còn có các nguồn dự trữ khác được thu hồi từ các vũ khí quân sự (Hoa Kỳ và Liên Xô cũ) cuối cùng là các nguồn urani được thu hồi từ việc tái chế nhờ việc xử lý các nguồn nhiên liệu đã qua sử dụng. Ngày nay, sản lượng urani tự nhiên (đạt gần 58.400 tấn trong năm 2012) vẫn thấp hơn nhu cầu sử dụng urani trong tương lai (khoảng 66.000 tấn/năm).

Việc khai thác trữ lượng urani tự nhiên chủ yếu phụ thuộc vào mức phát triển năng lượng hạt nhân. Ngoài ra, việc khai thác urani còn phụ thuộc chủ yếu vào các chính sách chính trị và kinh tế (tỷ trọng sản xuất năng lượng hạt nhân trong việc kết hợp sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau) cũng như tăng trưởng dân số (đồng nghĩa với việc tăng nhu cầu sử dụng điện).

Năm 2005, Hiệp hội Hạt nhân thế giới (WNA) đưa ra giả thuyết: Sẽ tăng gấp đôi công suất lắp đặt của các nhà máy điện hạt nhân toàn cầu vào năm 2030 (từ 370GWe lên 740GWe). Với giả thuyết này, các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới sẽ vẫn duy trì hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân nước thường, một số lò phản ứng trong đó sẽ được thay thế bởi các lò phản ứng thế hệ thứ ba. Theo WNA, lượng tiêu thụ urani tự nhiên sẽ đạt 159.000 tấn vào năm 2035, tức gấp đôi lượng tiêu thụ hiện tại. Chính sự gia tăng lượng tiêu thụ này có lẽ sẽ khiến việc khai thác các quặng urani mới trở thành một nhu cầu cấp bách. Tuy nhiên, thảm họa hạt nhân xảy ra tại Fukushima Daiichi đã trì hoãn sự phát triển của năng lượng hạt nhân trên toàn thế giới. Từ sau ngày 18/4/2014, công suất lắp đặt của các nhà máy điện hạt nhân toàn cầu đạt 372,8GW.

Sự phát triển của các lò phản ứng neutron nhanh (RNR, thế hệ thứ 4) có thể sẽ làm đảo lộn về khái niệm trữ lượng urani. Thực vậy, những lò phản ứng neutron nhanh này có khả năng phân hạch trực tiếp đồng vị U238 - đồng vị có trữ lượng dồi dào nhất trong tự nhiên và nhiều hơn gấp 100 lần so với đồng vị U235. Ngoài ra, lò phản ứng RNR còn có thể tái sử dụng hàng ngàn tấn U235 đã qua sử dụng từ lò phản ứng thế hệ thứ 1 đến thứ 3, nguồn U235 này hiện đang được coi và lưu trữ như chất thải hạt nhân. Như vậy, với nguồn U235 đã qua sử dụng trên toàn thế giới, các lò RNR có thể hoạt động trong hàng nghìn năm.Ngày nay, theo các trung tâm nghiên cứu, với trữ lượng dồi dào, thorium là một trong những nguồn kim loại phóng xạ khác được sử dụng trong việc vận hành các lò phản ứng hạt nhân RNR. Trữ lượng thorium có trong lớp vỏ trái đất nhiều hơn 3-4 lần so với urani

Các quốc gia có trữ lượng urani chiếm hơn 5% tổng trữ lượng urani toàn thế giới là: Kazakhstan (12%), Canada (9%), Nga (9%), Nigieria (8%), Nam Phi (5%), Brazil (5%), Namibia (5%).

S.Phương (tổng hợp)