С 1971 года мировое производство (и потребление) электроэнергии увеличилось на 393% до 27 000 тераватт-часов (ТВт/ч) в 2019 году с 5 574 ТВт/ч. За тот же период выработка электроэнергии на АЭС увеличилась на 2 449% до 2 769 ТВт/ч в 2019 году с 110 ТВт/ч в 1971 году.
Согласно рисунку 1, ядерное топливо (уран) должно пройти несколько процессов, прежде чем его можно будет использовать в качестве топлива в ядерном реакторе. Добыча и измельчение, конверсия, обогащение и деконверсия являются довольно стандартизированными процессами, в то время как производство ТВС (тепловыделяющая сборка) представляет собой специализированный процесс, уникальный для каждого реактора и спецификаций каждой АЭС. Утилизация ядерных отходов является узкоспециализированной деятельностью, в которой участвует ряд конкурирующих фирм.
В основном спрос на уран обусловлен потреблением электроэнергии
Девяносто девять процентов добытого урана используется для производства атомной энергии, на долю которой в 2019 году приходилось примерно 10% мирового производства электроэнергии. Таким образом, именно спрос на электроэнергию, в частности на электроэнергию, вырабатываемую в результате производства атомной энергии, стимулирует спрос на уран. Спрос на уран состоит из двух ключевых компонентов: потребности, которые представляют собой спрос на топливо в текущем году и накопление стратегических запасов. На графике ниже показан рост производства электроэнергии АЭС по странам; обратите внимание на следующий график схожей формы, где показан мировой спрос на уран.
В 2019 году США произвели наибольшее количество электроэнергии за счет ядерной энергии, в то время как Франция была страной, где на атомную энергию приходилось наибольшая доля в структуре производства электроэнергии в стране.
Ожидается, что глобальный спрос на электроэнергию значительно возрастет в течение следующих 25 лет, поэтому ожидается, что значение ядерной энергетики возрастет. На графике ниже показано, количество (54 штук) реакторов мощностью около 62 тераватт (ТВт), которые находятся в стадии строительства по странам. На следующем графике показаны 78 реакторов мощностью не менее 82 ТВт, планируемых к строительству.
Другие факторы, влияющие на спрос урана
Общая генерирующая мощность ядерных реакторов является основным фактором, определяющим спрос на уран. Для справки, каждый гигаватт электроэнергии (ГВт) вновь вводимой в эксплуатацию электрической генерирующей мощности потребует примерно 150 т урана/год дополнительной добычи и около 300-450 тонн урана для первоначальной загрузки топлива в ядерный реактор. Есть и другие факторы, хотя и не столь значительные, которые также влияют на спрос.
- Коэффициент мощности
Коэффициент мощности, иногда называемый «коэффициентом нагрузки», представляет собой периодическую меру (обычно ежегодную), которая представляет собой отношение реализованной электрической энергии, вырабатываемой электрогенерирующим устройством (например, реактором или турбиной), к теоретической номинальной выходной энергии, то есть максимальной выходной мощности. Коэффициент мощности является преимущественно функцией коэффициента доступности и не может превышать коэффициент готовности, также является функцией использования мощности. Например, электрогенерирующее устройство может работать не на полную мощность или вообще не работать (будь то из-за рыночных факторов, нормативных ограничений, погодных условий, поставок топлива или других факторов), даже если устройство в состоянии работать на полную мощность. Обычно выражается в процентах.
2. Коэффициент доступности
Коэффициент доступности — это периодическая мера (обычно ежегодная), которая выражает отношение времени, в течение которого электрогенерирующее устройство способно производить электроэнергию, к количеству общего времени в измеряемом периоде. Коэффициент готовности в основном является функцией остановов на техническое обслуживание, незапланированных сбоев, связанных с надежностью, и остановов на дозаправку.
Со временем загрузка производственных мощностей улучшилась, что несколько увеличило потребность в реакторном топливе и, следовательно, потребность в уране. Это в значительной степени определяется опытом оператора АЭС; обратите внимание, как на графике ниже видно, что по мере увеличения количества реакторов в мире рос и глобальный коэффициент мощности. Снижение глобального коэффициента мощности в 2011 и 2012 годах было связано с аварией на Фукусиме, в результате которой были остановлены все реакторы в Японии, что привело к нулевому значению коэффициента мощности. Улучшение глобального коэффициента мощности в 2018 и 2019 годах во многом связано с перезапуском реакторов в Японии. Исходя из мирового спроса на уран в 2019 году, увеличение коэффициента мощности на 1% увеличит мировой спрос на уран примерно на 0,8 млн тонн или 1%.
U для замены SWU* (eдиница работы разделения)
*Единица работы по разделению изотопов. Для определенного изменения изотопного состава определенной смеси требуется одинаковое количество ЕРР, независимо от технологии разделения изотопов. В ЕРР измеряют необходимые затраты для получения веществ с заданным изменением изотопного состава. Единица работы разделения также хорошо характеризует возможности оборудования по разделению изотопов
Для инвестора крайне важно понимать, что этапы извлечения и обогащения в урановом ядерном топливном цикле связаны друг с другом через концепцию обогащения, называемую анализом хвостов. Анализ хвостов определяет количество U235 (делящегося изотопа урана, необходимого для запуска ядерной реакции), присутствующего в отходах или «хвостах», образующихся в результате процесса обогащения. Чем ниже указанное число проб хвостов, тем меньше уранового топлива требуется в начале процесса обогащения. Анализ хвостов косвенно влияет на стадию конверсии в том смысле, что изменения спроса на уран непосредственно питает спрос на конверсию. Анализ хвостов обычно указывается в контракте и обычно выбирается коммунальным предприятием, приобретающим услугу по обогащению.
В перспективе изменение глобального среднего количества хвостов на 0,01 мас.% (т.е. %) изменит мировой спрос на U3O8 примерно на 3 млн фунтов или 2%. На графике ниже показана взаимосвязь между предположением о анализе хвостов и годовой потребностью в U3O8 для типичного реактора мощностью 1000 ГВт, при уровне обогащения 4,5 мас./м и коэффициенте мощности 85%.
По мере снижения доступности обогатительных мощностей снижается и возможность обмена урана на ЕРР. Помимо наличия мощностей, важную роль в определении степени взаимозаменяемости урана и ЕРР играют соотношение между ценами на природный уран и цены на обогащение и гибкость контракта на обогащение. Чем ниже указанное количество хвостов, тем дороже процесс обогащения на единицу.
3. Выгорание топлива (использование топлива)
Выгорание топлива — это мера того, сколько ядерного топлива расходуется в реакторе во время реакции ядерного деления. В типичном реакторе в процессе деления расходуется только 4% первоначально загруженного топлива. Выгорание чаще всего измеряется количеством энергии, производимой топливом, и выражается в гигаватт-днях на метрическую тонну (ГВт-д/тU).
Хотя это также выражается в процентах от исходного топливного материала, но из-за проблем с измерением это не является предпочтительным способом. В США скорость выгорания составляет в среднем более 45 ГВт-сут/тU, что является улучшением по сравнению с двумя десятилетиями ранее, когда скорость выгорания составляла примерно 35 ГВт-сут/тU. Новые конструкции реакторов (а именно, легководные реакторы (LWR)) обычно могут достигать 50 ГВт-сут/тU, а с модификациями способны достигать 60 ГВт-сут/тU и более.
В большинстве реакторов выгорание зависит от концентрации атомов, которые могут расщепляться во время реакции деления в материале, используемом в качестве топлива (например, U235). Эта концентрация является уровнем обогащения и теоретически может быть увеличена, чтобы уменьшить количество топлива, необходимого для работы реактора, и увеличить время, в течение которого реактор может работать между перегрузками топлива. Однако чем выше глубина выгорания топлива, тем выше его температура и радиоактивность. Максимальный уровень обогащения урана, с которым можно работать, обычно составляет 5% по 235U. Это создает ограничения с точки зрения безопасного и надежного управления реакцией и отработавшим топливом. Далее, до определенного момента, стоимость обогащения увеличивается нелинейно с более высокими уровнями обогащения. Таким образом, существуют пределы (как технические, так и экономические) того, насколько можно повысить уровни обогащения для увеличения глубины выгорания и снижения требований к урановому топливу. Увеличение выгорания исторически происходило медленно, но, тем не менее, увеличивалось, незначительно снижая спрос на уран.
4. Повышение мощности
Повышение мощности или увеличение мощности действующих ядерных реакторов стало источником нового спроса на уран. С 1977 года ядерная промышленность Соединенных Штатов добавила к существующим мощностям по производству электроэнергии 7 923 МВт. Используя средний отраслевой коэффициент мощности для ядерной энергетики США в 2019 году, равный 93,4%, это соответствует дополнительному годовому спросу на уран (U3O8) примерно в 1.8 тыс. тонн или 2% от спроса на U3O8 в 2019 году.
Обновления также были завершены или планируются в ряде других стран, включая Россию, Швецию, Испанию, Мексику, Чехию, Францию, Венгрию, Канаду и Южную Корею.
5. Продление срока службы реакторов
Во многих странах срок службы реакторов увеличивался и продолжает увеличиваться с первоначальных 40 лет до 50–60 лет. В некоторых странах срок службы реакторов увеличивается до 80 лет. Например, в США, по оценкам Исследовательского института электроэнергетики (EPRI), до 80 единиц могут быть продлены до 80 лет. Это явно способствует увеличению спроса на уран в долгосрочной перспективе.
