Отечественной разработкой технологии добычи урана является открытый способ добычи урана

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

Технология добычи урана

Добыча урана (U) имеет большое значение для современного общества. Этот самый тяжелый металл используют в атомной промышленности в качестве топлива, из него изготавливают ядерное оружие. В мирных целях применяют для производства стекла и лакокрасочных материалов. Чистый уран в природных условиях не встречается, он входит в состав минералов и руды.

Мировые запасы

На данный момент добыча урана осуществляется на территории большого числа месторождений. В земном слое на глубине двадцати километров находится внушительное число тонн урановой руды, способной снабжать человечество топливом на множество столетий вперед. Уран добывают в 28 странах мира. Но основные мировые запасы принадлежат 10 государствам, которые делят 90% рынка.

Австралия. В этой стране находится 19 больших месторождений. Запасы U в них составляют 661 000 т (доля занимает 31,18% от всех мировых залежей).

Казахстан. Имеет 16 крупных точек добычи U. Объем залежей составляет 629 000 т, что составляет 11,81% от общей доли запасов в мире.

Россия. Доля РФ в мировой урановой промышленности равна 9,15%. Запасы U составляют 487 000 т. По прогнозам, добыча U увеличится до 830 тыс. тонн.

Канада. Запасы руды находится на отметке 468 000 т, что занимает 8,80% мирового рынка. Добыча урана составляет 9 тыс. тонн в год.

Нигер. Залежи урана в стране составляют 421 000 т, это 7,9% от общей доли мировых запасов. В 4 месторождениях добывают 4,5 тыс. тонн U в год.

ЮАР. Запасы U в стране составляют 297 000 т; что занимает около 6% доли мировых запасов. В ЮАР за год урана добывается 540 тонн.

Бразилия. Показатель страны равен 276700 тонн урановой руды. Добыча U за год составляет 198 тонн в год.

Намибия. Запасы урана в стране составляют 261 000 т. В Намибии есть четыре крупных месторождения U.

США. Общие запасы U в США составляют 207 000 т.

Китай. Показатель страны составляет 166 000 т. За год в КНДР добывается около 1,5 тыс. тонн урановой руды.

Крупнейшие мировые месторождения Урана

№	Страна	Количество	Название месторождений	Объем добычи урана в год
1	Австралия	19	Олимпик Дам

2 Казахстан 16 Корсан 3 Россия 7 Читинская обл.:

Источное, Намарусское Кореткондинское, Количканское, Дыбрынское

27957 тыс. тонн
3485 тыс. тонн

4 Канада 18 МакАртур-Ривер 5 Нигер 4 Имурарен, Мадауэла, Азелит, Арлит 6 ЮАР 5 Доминион, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн и Вааль-Ривер 7 Бразилия 3 Санта-Китерия, Посус-ди-Калдас, Лагоа-Реал

В России контроль над основными уранодобывающими активами осуществляет корпорация «Росатом». Она объединяет Международный горнорудный дивизион Uranium One и имеет портфель акций в США, Казахстане и Танзании.

Характеристики урановых руд

Виды урана

Природный уран состоит из взаимодействия 3 изотопов: U238, U235, U234. На радиоактивные свойства металла влияют изотопы 238 и его дочерний нуклеотид 234. Благодаря присутствию в составе U именно этих атомов, уран используют при производстве топлива для атомных электростанций и ядерного оружия. Хотя активность U235 изотопа в 21 раз слабее, он способен сохранять цепную ядерную реакцию без сторонних активных элементов.

Помимо естественных изотопов, есть еще искусственные атомы U.

Их известно не менее 23 видов. Особого внимания заслуживает изотоп U233, образуется он при облучении тория-232 нейтронами и делится под влиянием тепловых нейтронов. Эта способность делает U233 оптимальным источником энергии для ядерных реакторов.

Классификация руды

Под понятием природная урановая руда понимается минеральное образование с большой концентрацией урана. При разработке урановых месторождений, как правило, смежно получают другие радиоактивные металлы – радий и полоний. Породы, в которых содержится уран, могут различаться по своему составу. Структура пластов оказывает влияние на способ добычи ценного металла.

По условиям образования руды можно разделить на:

По типу минерализации урановые руды различают:

• первичные;
• окисленные;
• смешанные.

Классификация по размерам зерен:

Ураносодержащая порода состоит из различных примесей, а именно различают:

• молибденовые;
• анадиевые;
• уран-кобальт-никель-висмут;
• моноруда.

Классификация по химическому составу:

• карбонатная;
• железно-окисная;
• силикатная;
• сульфидная;
• каустобиолевая.

Руда разделяется по способу обработки:

• содовый раствор, применяют в том случае, если в химическом составе руды присутствует карбонат;
• кислота используется для силикатных пород;
• метод доменной плавки применяют, если железо-окисная по своему составу.

Процент содержания урана в руде может быть разный. По этому признаку порода подразделяется на:

Добывать уран имеет смысл, если его содержание в слое земли составляет не менее 0,5%. Если урана в слое породы менее 0,015%, его добыча осуществляется в качестве побочного продукта.

Способы добычи урановой руды

Известно три основных способа добычи урана:

• открытый (или карьерный);
• шахтный (подземный);
• выщелачивающий.

Все эти способы зависят от многих факторов. Например, от глубины залежей породы, составу изотопов и т. д.

Способ открытой добычи применим в том случае, когда порода находится неглубоко и чтобы ее добыть, достаточно вооружиться спецтехникой:

Карьерный способ добычи урана используется уже довольно давно. Из плюсов данного метода – минимальный риск облучения горняков. Но существенным минусом открытого способа является невосполнимый экологический урон участку земли, который находится в разработке.

Шахтный способ добычи более затратный, с материальной точки зрения. Для извлечения урана бурят шахты, глубиной до двух километров, если добычу производить глубже этой отметки, топливо получится очень дорогое. В любом случае горнодобывающие компании обязаны снарядить шахтеров всем сопутствующим оборудованием, защитой от радиации. И Установить необходимые вентиляционные системы, способствующие выведению радона и снабжающие шахту свежим воздухом. На руднике металл извлекается из горного массива буровзрывным способом.

Выщелачивающий метод добычи урана считается оптимальным. В горной породе пробуриваются скважины, через которые закачивается раствор – выщелачивающий реагент, обладающий особым химическим составом. Он растворяется в недрах рудных залежей и насыщается соединениями ценного металла.

Далее, ураносодержащий раствор отправляется на поверхность и попадает на специальные обрабатывающие предприятия, где из него получают конечный продукт.

Выводы

Добыча урана при помощи подземного выщелачивания наносит ощутимо меньше вреда экологии, чем методы, изложенные выше. Со временем на разрабатываемом участке земли происходят процессы рекультивации. Применение данного метода сможет снизить экономические затраты. Но у него есть свои ограничения. Его не используют только в песчанике и ниже уровня грунтовых вод.

Видео: Добыча урана

Источник