Добыча урана подземным способом

Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение

Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта первым, восстановившим из руды один из наиболее распространённых минералов урана – настуран.
• Французского химика ЭженаПелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес.
• Великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева – поставившего уран в соответствующую его характеристикам клетку периодической системы, задолго до открытия действительного атомного веса этого элемента.
• Знаменитого британского физика Эрнеста Резерфорда, открывшего два вида радиоактивного излучения урана.
• Советских академиков Юлия Борисовича Харитона и Якова Борисовича Зельдовича, доказавших возможность осуществления цепной ядерной реакции.

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

• Тяжёлый, гибкий и ковкий металл, плотностью 18-19 г/см 3 .
• Температура плавления равняется +1132,3 0 C.
• Температура кипения составляет +4113 0 C.
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +150 0 C, уран способен самовозгораться.
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определённых температурах: альфа, бета и гамма.
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.
• Химически очень активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной плёнкой.

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:

• настуран,
• карнотит,
• соединения с ванадием и титаном,
• силикаты,
• фосфаты.

Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

• откалывание (отбивание) материала,
• погрузку его на вагонетки или шахтные самосвалы,
• перевозку руды до бункера приёмки,
• скиповое поднятие на поверхность,
• транспортировку к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.

Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.

Обогащение урана

Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 ( 235 U). Остальную часть составляют:

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235 U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

• Обеднённый уран представляет собой технологические отходы процесса обогащения. Содержание 235 U в нём колеблется в пределах: 0,1–0,3 %. Тем не менее, постепенно он находит широкий диапазон применения в качестве:

• химического катализатора в реакциях восстановления перекиси водорода и кислорода;
• космического, судового, автомобильного балласта и самолётного противовеса;
• средства радиационной защиты;
• бронебойного сердечника снарядов;
• танковой брони;
• ударного механизма буровых штанг,
• средства получения комплексного ядерного топлива, применение которого возможно в энергетических ядерных реакторах на тепловых нейронах.

• Низкообогащённый уран с концентрацией 235 U доходящей до 20%, широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.
• Высокообогащённый уран, содержащий в себе свыше 20% урана-235, применяется при изготовлении атомных и водородных бомб, а также в качестве длительно используемого ядерного топлива в реакторах морских судов и космических кораблей.

Технологии

В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.

• Термодиффузия – концентрирующая различные по массе изотопы в отдельных температурных зонах.
• Электромагнитная сепарация – отбирающая разно заряженные ионы в отдельные сборники.
• Газовая диффузия – использующая неодинаковую скорость проникновения частиц через мелкопористые мембраны.
• Центрифугирование – разделяющее газовую среду по скоростям вращающихся потоков.
• Аэродинамическая сепарация – создающая завихряющиеся потоки в соплах искривлённой конфигурации.

Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.

Применение

Ядерное топливо

Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).

Геология

Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.

Другие сферы

В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

• Австралия – 19 месторождений. Крупнейшими из них являются: ОлимпикДан – 3 тыс. тонн добычи ежегодно, Биверли – 1 тыс. тонн., Хонемун – 900 тонн.
• Казахстан. 16 месторождений. 6 наиболее значимых: Будёновское, Западный Мынкудук, Ирколь, Корсан, Южный Инкай, Харасан.
• Россия. 7 месторождений. Из них в эксплуатации находятся три: Аргунское, Жерловское, Источное.
• Канада. Известные урановые залежи на территории этой страны: МакАртур-Ривер, Сигар Лейк и «Проект Уотербери».
• ЮАР. Месторождение Доминион и рудники: Вааль-Ривер, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн.
• Нигер. 12 залежей. Наибольшие: Азелит, Арлит, Имурарен, Мадауэла.
• Намибия. 4 месторождения.

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

• Австралия – 40%.
• Канада – 15%.
• Казахстан – 13%.
• Бразилия – 8%.
• Южная Африка – 6,5%.

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

• Казахстан – 21,705 тыс. тонн. 41% мировой добычи, составляющей 53,498 тыс. тонн.
• Канада – 7,001 тыс. тонн. Что составляет 13% от общемирового уровня.
• Австралия – 6,517 тыс. тонн или 12%.
• Намибия – 5,525 тыс. тонн.
• Нигер – 2,911 тыс. тонн.
• Россия – 2,904 тыс. тонн.
• Узбекистан – 2,404 тыс. тонн.
• Китай – 1,855 тыс. тонн.
• Украина – 1,18 тыс. тонн.
• США – 582 тонны.
• Также добычей урана занимаются: Индия – 423 тонн, ЮАР – 346 тонн, Иран – 71 тонна и Пакистан – 45 тонн.

Источник

ПРОДУКЦИЯ И УСЛУГИ

Как добывают уран?

Среди встречающихся в Земной коре элементов максимальной массой обладает уран. Около 99,4% земного урана представляет собой уран-238, оставшиеся 0,6% приходятся на уран-235, применяемый при разработках ядерного оружия.

Существует 3 основных способа добычи урана. Первый способ – открытый, подходит для тех случаев, когда рудное тело находится близко к поверхности земли. При открытом способе добыче роют бульдозерами большую яму и экскаваторами грузят руду в самосвалы, которые везут ее к перерабатывающему комплексу.

Второй способ – подземный – используется при глубоком залегании рудного тела. Способ этот более дорогостоящий и подходит при высокой концентрации урана в породе. При подземном способе пробуривается вертикальная шахта, от которой отходят горизонтальные выработки. Глубина шахт может доходить до двух километров. В горизонтальных штреках шахтеры долбят породу, поднимают руду наверх на специальных грузовых лифтах и везут дальше на перерабатывающий комплекс. Породу измельчают, смешивают с водой и удаляют ненужные примеси. Дальше проводят выщелачивание концентрата, обычно с помощью серной кислоты. Из раствора с помощью ионно-обменных смол выделяется осадок солей урана, имеющих характерный желтый цвет, за что они получили название желтый кек (от англ. yellow cake). Желтый кек еще содержит достаточно много примесей, от которых его очищают на аффинажном производстве и после прокаливанием получают закись-окись урана (U3O8) — конечный продукт, которым даже торгуют на бирже.

Но существует и третий способ. Он кардинально отличается от первых двух и называется скважинное подземное выщелачивание (СПВ). При СПВ бурят 6 скважин по углам шестиугольника, через которые в рудное тело закачивают серную кислоту. В центре шестиугольника бурят еще одну скважину и через нее выкачивают на поверхность раствор, насыщенный солями урана. Продуктивный раствор пропускают через сорбционные колонны, в которых соли урана собираются на специальной смоле. Смолу в свою очередь снова обрабатывают серной кислотой и так несколько раз, пока концентрация урана в растворе не станет достаточной. А дальше снова желтый кек, очистка и получение закиси окиси-урана

Источник

АО «Хиагда»: технология добычи урана методом скважинного подземного выщелачивания

Республика Бурятия. Баунтовский эвенкийский район. Именно здесь, среди таёжных лесов, находится самое перспективное предприятие Уранового холдинга «АРМЗ» госкорпорации «Росатом» — акционерное общество «Хиагда». Добыча урана ведётся высокоэффективным и экологически безопасным методом скважинного подземного выщелачивания.

Чем же отличается технология СПВ от традиционного способа добычи и в чем его преимущество, рассказал первый заместитель генерального директора — главный инженер АО «Хиагда» Евгений Гурулев.

С момента открытия первого уранового месторождения в Республике Бурятия ни одного чрезвычайного происшествия, связанного с деятельностью АО «Хиагда», не зафиксировано. Одна из важных составляющих этого — применение безопасного для людей и окружающей среды метода скважинного подземного выщелачивания. Действительно, если сравнивать эту технологию с открытым или подземным способами добычи полезных ископаемых, то налицо существенные преимущества. Не происходит изменения геологического состояния недр, так как не производится выемка горнорудной массы. Отсутствуют оседания и нарушения земной поверхности, отвалы забалансовых руд, пустых пород, а также хвостохранилища. Природная радиоактивность рудного тела остается глубоко под землей.

Из истории

Технология подземного выщелачивания разрабатывалась независимо в СССР и США в середине 1960-х годов. Метод был предназначен для извлечения урана, расположенного в водонасыщенных проницаемых породах, в которых нельзя было эффективно использовать традиционные горные способы добычи. В обеих странах метод СПВ разрабатывался на основе схожих инженерных и технологических подходов.

Однако в Советском Союзе использовали кислотное выщелачивание, а в США — щелочные системы, чаще всего на основе соды. Выбор технологии зависит от геологии месторождения и гидрогеологических условий. При наличии в рудной зоне значительного количества карбонатов обычно применяют щелочное (содовое) выщелачивание.

В то время как в России и Казахстане применяются кислотные выщелачивающие реагенты, в США рудники, использующие технологию СПВ, обычно применяют щелочные выщелачивающие агенты, например комбинацию бикарбоната натрия и углекислого газа.

Метод СПВ применяется в случае, если рудное тело полностью изолировано от водоносных горизонтов. В частности, месторождения Хиагдинского рудного поля изолированы снизу и с боков — скалой, а сверху — сотней метров непроницаемой глины. Поэтому и подземные воды, и продуктивный раствор выйти за пределы рудоносного горизонта просто не в состоянии.

Замкнутый цикл добычи

Производственная площадка состоит из геотехнологических полигонов, которые сооружают над рудным телом. Геотехнологический полигон состоит из закачных скважин, через которые выщелачивающие растворы (концентрация серной кислоты составляет 8–12 г/л) поступают в рудное тело с целью растворения урана, а также откачных скважин, через которые извлекают «продуктивный» или ураносодержащий раствор на поверхность.

На АО «Хиагда» содержание концентрированной серной кислоты в выщелачивающих растворах составляет 0,8–1,2 %, в продуктивном растворе — 0,1–0,5 %. Раствор серной кислоты прокачивается через рудное тело в естественном залегании и растворяет содержащийся в руде уран с последующим извлечением на поверхность. Замкнутый цикл движения растворов в недрах обеспечивается геологическим строением месторождений Хиагдинского рудного поля. Рудные тела локализуются в продуктивном песчаном горизонте в древних речных палеодолинах на непроницаемом гранитном фундаменте. Над рудным телом в песчаном горизонте сформировано несколько естественных водоупоров, представленных глинистыми водонепроницаемыми породами, а в верхней части геологического разреза вся песчаная толща перекрыта покровом непроницаемых базальтов мощностью до 120 м. Таким образом, геологическое строение палеодолин предотвращает распространение технологических растворов в недрах за пределы рудного тела.

На предприятии используются трубы ПНД (обвязка добычных полигонов, а также используются в качестве эксплуатационных колонн при сооружении технологических скважин) и НПВХ (при сооружении технологических скважин). Срок службы ПНД — от 50 до 80 лет, НПВХ — от 20 до 100 лет. При этом срок отработки технологических блоков — 6–8 лет.

Обычно на одну откачную скважину приходится несколько закачных скважин. На АО «Хиагда» гео-технологические поля имеют форму шестиугольника (с шестью закачными скважинами, окружающими каждую откачную скважину), но чаще — параллельных линейных рядов откачных и закачных скважин. Расстояние между закачными и откачными скважинами составляет от 35 до 40 м, в зависимости от формы рудной залежи. Вокруг каждой рудной залежи сооружается сеть наблюдательных скважин для отслеживания растекания растворов.

Продуктивный раствор из откачных скважин поступает в сборники, затем из сборников на перерабатывающую установку. На перерабатывающей установке сорбируют, концентрируют и осаждают уран из продуктивных растворов при помощи ионообменной смолы. Затем уран отделяется от ионообменной смолы и химически осаждается, а смола очищается и возвращается в колонны для дальнейшего использования. После сорбции урана в обедненный раствор добавляется серная кислота для достижения требуемого уровня кислотности, затем раствор возвращается через закачные скважины в рудоносный горизонт.

Защита от радиации

Ближайший к производственной площадке Хиагды населенный пункт удален более чем на 30 км. Поэтому опасности для жителей Баунтовского эвенкийского района производственная площадка не представляет.

При добыче урана методом СПВ применяются необходимые меры защиты от радиации, несмотря на то что прямого контакта с рудой не происходит. Следовательно, влияние радона минимально. Рудная пыль при добыче урана методом СПВ не образуется.

Работники проходят регулярное обследование на заражение альфа-активными веществами, а для контроля гамма-облучения носят индивидуальные дозиметры. Осуществляется повседневный контроль за воздушным, пылевым и поверхностным загрязнением. За все время работы предприятия случаев превышения допустимой дозы не регистрировалось.

Защита поверхностных и подземных вод

При проектировании производственной деятельности АО «Хиагда» предусмотрена эффективная система защиты поверхностных и подземных вод.

Мощная каменная толща базальтов и вечная мерзлота над рудными залежами, а также современная конструкция скважин исключают возможность выхода технологических растворов на поверхность.

Сборники технологических растворов оснащены подземными защитными экранами, обваловкой по периметру, исключающими поступление растворов в подземные грунты и на поверхность земли.

Полигоны оборудованы системой зумпфов и прудов-уловителей дождевого и талого стока. Попадание загрязняющих веществ в реки и озера в границах Хиагдинского рудного поля исключено.

Кроме того, на протяжении всего периода эксплуатации АО «Хиагда» осуществляет мониторинг поверхностных, подземных вод, донных отложений, снегового покрова, атмосферного воздуха. Кроме того, с целью влияния осуществляемой производственной деятельности проводятся следующие работы: сбор ихтиологических проб, сбор гидробиологических проб, анализ кормовой базы рыб, исследования состояния кормовой базы рыб, анализ пищевых взаимоотношений, исследование состояния ихтиофауны и т. д. Пробы отбираются на реках Тетрах, Бутуй, Витим, Джилинда и Малая Джилинда и их притоках. Создана обширная сеть наблюдательных скважин.

Из результатов мониторинговых исследований о влиянии осуществляемой деятельности АО «Хиагда» на водные биоресурсы и среду обитания следует, что существенного отрицательного влияния на водотоки бассейна р. Витим в результате производственной деятельности АО «Хиагда» не отмечается.

Вывод из эксплуатации. Рекультивация

После вывода из эксплуатации скважины ликвидируются, технологические установки демонтируются, территория рекультивируется и готова к использованию.

В соответствии с Правилами проведения рекультивации и консервации земель организация обязана приступить к рекультивации земель в срок не позднее чем семь месяцев со дня окончания деятельности, осуществление которой привело к деградации земель.

В настоящее время для месторождений Хиагдинского рудного поля разработаны и согласованы с Региональным агентством лесного хозяйства (РАЛХ) проекты рекультивации лесных земель. РАЛХ подтверждена достаточность и обоснованность предусмотренных АО «Хиагда» мероприятий по рекультивации земель для достижения соответствия рекультивируемых земель требованиям.

Рекультивация обеспечит восстановление земель до их первоначального состояния. Будет проведено комплексное исследование природных компонентов, сохранится сеть наблюдательных скважин для последующего многолетнего мониторинга состояния окружающей среды.

Рекультивация включает нанесение плодородного слоя почвы, засев рекультивированных участков травами, сдача земель государству.

Таким образом, сегодня АО «Хиагда» — динамично развивающееся предприятие государственной корпорации «Росатом», которое использует высокоэффективный и экологически безопасный метод скважинного подземного выщелачивания и еще десятки лет сможет обеспечивать атомную отрасль страны стратегическим металлом.

Источник