Способ добычи урановой руды

Урановая руда: свойства, способы добычи, применение

В последнее время наиболее актуальна тема атомной энергии, для производства которой используется химический элемент под названием уран. В свободном виде уран в природных условиях не существует, только в составе минералов и руды. Его производят с использованием минеральных образований — урановых руд, добыча которых экономически выгодна.

Свойства урана

Химический элемент уран представляет собой твердый серебристо-белый металл, имеющий много различных примесей. Наиболее важные его свойства следующие:

• пластичной и ковкой структуры, поддается полировке;
• в воздухе окисляется;
• в измельченном состоянии способен загораться;
• способен растворяться в кислотах;
• реагирует с водой;
• не взаимодействует со щелочами;
• при определенных условиях воздействия становится источником энергии.

Следует учитывать, что уран относится к достаточно редкому химическому элементу с небольшой концентрацией его в земной коре. Однако его содержание в земных недрах больше по сравнению с золотом и серебром, и почти одинаково со свинцом и цинком. Следует учитывать, что в месторождениях концентрируется лишь малая часть урана, наибольшая есть в горных породах, почве, воде.

Несмотря на невысокую концентрацию данного химического элемента, резервов залежей достаточно для дальнейшей добычи урана, поскольку альтернативное вещество пока что не обнаружено.

Урановая руда: характеристики и классификации

Урановыми рудами считают полезное ископаемое минерального происхождения с содержанием урана и его концентрированных соединений, при которых можно их использовать в промышленности, что целесообразно с экономической стороны.

Подобные минеральные образования классифицируются по различным признакам:

• по виду химических соединений — силикатные, карбонатные, сульфидные, железо-окисные, каустобиолиевые;
• по параметрам зернистости — крупно-, средне-, мелко-, тонкозернистые и дисперсные.
• по условиям образования — эндогенные руды, образуются в результате расплава при высоком температурном режиме и влажности; экзогенные, образуются на земной поверхности в результате движения подземных вод и осадков; метаморфогенные, образуются в результате перемещения урановых руд со своей изначальной позиции.
• по насыщенности.

В зависимости классификации урановой руды определяется способ выборки из нее химического элемента.

Различия по насыщенности

В соответствии с процентом содержания урана природные минеральные образования распределяются на следующие подвиды:

• супербогатые (содержание более 0,3 %);
• богатые;
• рядовые;
• убогие;
• забалансовые.

Следует учитывать, что чем выше содержание урана в единице руды, тем дешевле обходится его добыча.

Виды урановых руд

Основные виды урановых руд следующие:

• оксиды;
• силикаты;
• титанаты;
• уранилсиликаты;
• уранилы-ванадаты;
• уранилфосфаты.

Способы добывания урана

Существует три способа добывания урана, выбор конкретного зависит от состава руды и глубины залегания минерального образования:

1. Открытый — используется с применением спецтехники, когда руда располагается близко к поверхности земли (до 50 метров). Для добычи с помощью бульдозеров роется котлован, затем экскаваторами руда погружается в самосвалы и доставляется на перерабатывающий завод. К минусам данного способа относится низкое качество добываемого ископаемого, а также причинение вреда экологии местности.
2. Подземный — более сложный метод. Применяется, если руда располагается на значительной глубине, и только при высокой концентрации урана в породе. Способ заключается в бурении вертикальной шахты (глубиной до 2 км), с последующим извлечением руды из подземных недр. Современные технические возможности способны производить добычу на любой глубине, однако при глубине свыше двух километров добыча становится нерентабельной. Таким образом, подземный способ более затратный по сравнению с открытым, но руда высокого сорта.
3. Выщелачивание — предварительно бурят скважину, закачивают серную кислоту в виде специального химического раствора, которая растворяется в пласте рудных залежей и насыщается урановыми соединениями. Полученный выщелоченный уран насосами выкачивается наверх и отправляется на обрабатывающие предприятия. Недостаток метода — возможность его использования только на породах песчаника и при залегании руды ниже уровня подземных вод. Таким образом, подобная технология требует предварительного точного геологического исследования.

В последнее время более востребован третий способ добычи урана, поскольку он помогает получить высокую концентрацию необходимого вещества с небольшим содержанием загрязняющих химических элементов и уменьшением экономических затрат. Таким образом, это наиболее чистый способ добычи с экологической точки зрения и безопасности работников добывающего предприятия.

Добыча урановой руды

Добыча урановой руды производится разными способами, в зависимости от глубины расположения руды.

В России — что для этого необходимо

Российская Федерация — один из мировых лидеров по добыче урановых руд, и держится в первой десятке рейтинга. На территории России располагается не менее десятой части урановых месторождений Земли.

По статистике, в Российской Федерации перспективные месторождения в настоящее время находятся на этапе разработки. По прогнозам, добыча урана на территории России будет постоянно увеличиваться. Согласно программе развития, в 2025 году наша страна будет добывать 20 000 тонн в год и по этому показателю поднимется в рейтинге. Для этого планируется обеспечить добычу урановых руд на нескольких новых добывающих предприятиях в стране.

Гарантией развития атомной отрасли в Российской Федерации служит стабильное сырьевое обеспечение. Собственное производство урана в России позволит обеспечить надежность поставок и конкурентоспособную себестоимость продукции.

Запасы и объемы добычи урановой руды в России

Поскольку уран считается стратегическим сырьем, за его рудами ведется настоящая охота. Несмотря на то, что Россия находится в списке лидирующих стран по добыче руды, ощущается дефицит, который покрывается за счет ранее накопленных запасов. Некоторые эксперты утверждают, что накопленные запасы исчерпаются в течение 10–15 лет. Другие исследователи считают, что запасов урана в России хватит на более чем 50 лет. Однако всеми признается необходимость увеличения добычи урановой руды, чтобы обеспечить потребности развития атомной промышленности в стране.

Запасов урана на территории России насчитывается около 400 тысяч тонн. При этом прогнозируемый показатель ресурсов указывает на увеличение более чем в 2 раза. По статистическим данным, на территории Российской Федерации располагается 16 урановых месторождений, большинство из которых расположено в Забайкалье. В большинстве случаев на территории России добыча производится шахтным способом.

Добыча урана в мире

В настоящее время добыча урана ведется на территории 28 стран мира. Большинство месторождений расположены в 10 лидирующих по объемам добычи странах, а именно:

Применение урана

Химический элемент уран был открыт в конце 18 века, а радиоактивные его свойства выявлены к концу 19 века. Ранее уран применялся в основном для изготовления и повышения мощности ядерного оружия, в настоящее время ситуация поменялась, и сфера применения расширилась.

Сейчас уран используется в разных отраслях промышленности:

• для изготовления стекла;
• для производства лакокрасочной продукции;
• для производства пигментов, которые применяются в живописи и в керамике;
• в фотоделе, окрашивая позитивы и усиливая негативы;
• как топливо для ракетных двигателей;
• как ядерное топливо;
• для создания электрической энергии.

Таким образом, урановая руда применяется достаточно широко, что и обусловливает постоянные поиски его месторождений.

Источник

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