Особенностью разработки урановых месторождений является возможность применения для них как обычных горных способов добычи (открытый и подземный), так и способов подземного (скважинное, блочное) и кучного выщелачивания. Распространённость в мире различных способов добычи урана: подземный 37%, открытый 24%, попутная добыча 18%, скважинное подземное выщелачивание 12%, неопределён 7%.
При добыче и производстве урана предпринимаются различные меры предосторожности для защиты здоровья персонала:
- - Тщательно контролируется уровень запылённости, чтобы минимизировать попадание в организм у- или а-излучающих веществ. Пыль является главным источником радиоактивного облучения. Она обычно даёт вклад в 4 мЗв/год в ежегодную дозу, получаемую персоналом.
- - Ограничивается внешнее радиоактивное облучение персонала в шахтах, на заводах и местах размещения отходов. На практике уровень внешнего облучения от руды и отходов обычно настолько низок, что он практически не влияет на увеличение допустимой ежегодной дозы.
- - Естественная вентиляция открытых месторождений уменьшает уровень экспозиции от радона и его дочерних изотопов. Уровень облучения от радона не превышает 1% от уровня, допустимого для непрерывного облучения персонала. Подземные рудники оборудуются системами вентиляции для достижения того же уровня. На Австралийских и Канадских подземных рудниках средняя доза облучения составляет ~з мЗв/год.
- - Существуют строгие гигиенические нормы на работу персонала с концентратом оксида урана, поскольку он химически токсичен, подобно оксиду свинца. На практике предпринимаются предосторожности, защищающие органы дыхания от попадания токсинов, аналогичные тем, которые используются при работах на свинцовых плавильных печах.
Остановимся на основных методах добычи уранового сырья несколько подробнее.
Шахтный способ добычи урана - один из основных способов производства урана. Организация работ аналогична методам горнодобывающей промышленности других металлов, но есть и отличия. Урановые руды залегают чаще всего в виде узких пластов, что приводит к образованию рудника в виде разветвлённых штреков. Так как разработка урановой руды ведётся на одном горизонте с образованием штреков и очистных блоков, расположенных вблизи от основной откаточной выработки, то образование пыли в значительной мере локализовано. Отсутствие циркуляции воздуха от одного блока к другому не вызывает их взаимного загрязнения, а образование пыли в урановых рудниках не велико.
При эксплуатации подземных урановых рудников шахтные воды рудника постоянно откачиваются и направляются на гидрометаллургический завод в систему замкнутого технологического водооборота. Мощная вентиляция не позволяет концентрироваться радону в воздухе. Если после окончания рабочей смены вентиляция выключается, то атмосферные концентрации радона и его дочерних продуктов резко возрастают, и поэтому перед началом следующей смены необходимо снижать эти концентрации до предельно допустимых
Основная опасность для шахтёров урановых рудников исходит от вдыхания воздуха, содержащего радон, выделившийся из руды. В урановых рудах, кроме урана, содержатся все другие члены радиоактивного ряда, в котором он является материнским нуклидом. Наибольшую опасность для здоровья горняков представляют следующие элементы этого семейства: 222 Rn, 21t *Pb, 211 Bi и 21 «Ро. Содержание радона в атмосфере рудника определяется скоростью эманирования, скоростью вентиляции и периодом полураспада радона. Непосредственные дочерние продукты распада радона имеют малый период полураспада и быстро накапливаются в атмосфере, даже если радон поступает в шахту без дочерних продуктов.
Ввиду того, что относительная вредность дочерних продуктов радона больше, чем вредность самого радона, контроль за радиоактивным загрязнением воздуха в урановых рудниках может осуществляться по продуктам его распада. В качестве допустимого рабочего уровня содержания дочерних продуктов распада радона в рудничной атмосфере предлагается величина «скрытой энергии», равная 1,з*ю5 МэВ/л воздуха.
Популярным способом добычи урана являются открытые карьеры (некоторые из них глубиной до 500 м). Считается, что радиационная опасность таких карьеров для шахтёров значительно меньше, чем подземных шахт. Однако, для окружающей среды открытая добыча урана может представлять серьёзную опасность из-за пылеуноса. Изменения ландшафтов, нарушение растительного покрова, неблагоприятные воздействия на местную фауну - неизбежные последствия открытых разработок. Трудной задачей является засыпка карьера отработанной породой и рекультивация после окончания горнодобывающих работ.
Существуют правила и законы, определяющие меры по охране окружающей среды, оговаривают такие требования, как предварительные
оценки воздействия на окружающую среду; постепенное проведение программы восстановления, включая восстановление ландшафтов и лесных массивов, посадка эндогенной флоры, восстановление эндогенной дикой природы; а также проверки соответствия состояния окружающей среды существующим нормам.
Рис. 4. Добыча урана методом подземного выщелачивания.
Добыча растворением
(выщелачивание на месте залегания) включает в себя введение щёлочной или кислой жидкости (например, серной кислоты) через скважины в залежи урановой руды, и выкачивание обратно. Этот способ не требует удаления руды с места добычи, но может использоваться только там, где месторождения урана расположены в водоносном слое в водопроницаемой породе и не слишком глубоко (-200 м).
Преимущества этой технологии - уменьшенный риск несчастных случаев и облучения для персонала, низкая стоимость, не требуется много места для складирования отходов. Главные недостатки - риск отклонения выщелачивающих жидкостей от месторождения урана и последующего загрязнения грунтовой воды, и невозможность восстановления естественных условий в зоне выщелачивания после окончания операций. Возникшая загрязненная смесь или перемещается в водохранилища, или отправляется в глубокие ликвидационные колодцы.
Выщелачивание - извлечение одного или нескольких компонентов из руд, концентратов, отходов производства водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент, а также с использованием определенных видов бактерий; частный случай экстрагирования из твёрдой фазы. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией, в результате которой извлекаемый компонент переходит из формы, не растворимой в воде, в растворимую.
Подземное выщелачивание - выщелачивание на месте залегания урановых руд. Оно включает впрыскивание серной кислоты в массу руды и исключает проблему хранения хвостов, но при неблагоприятных условиях может вызвать загрязнение подземных вод.
Выщелачивание основано на способности извлекаемого вещества растворяться лучше, чем остальные. Растворители - раствор аммиака, кислот, щелочей, хлоридов металлов или хлора, сульфатов и т.п. Выщелачивание может сопровождаться окислением извлекаемого материала с целью перевода труднорастворимых соединений в легкорастворимые (окислительное выщелачивание). В качестве окислителя применяют газы (воздух, кислород), жидкие и твёрдые неорганические вещества (HN0 3 , Мп0 2 , КМп0 4 и др.), бактерии (бактериальное выщелачивание).
Скважинное подземное выщелачивание применяется при отработке пластовых месторождений. Условиями его применимости являются высокая проницаемость и обводнённость рудовмещающей среды. При использовании этого способа месторождение разделяется на полигоны, последовательно разбуриваемые системами закачных и откачных скважин, причём на одну закачную приходится две-три или более откачных. Время выщелачивания урана из пород на каждом полигоне составляет 1^-3 года. В зависимости от состава используемых рабочих растворов выделяют кислотную схему выщелачивания урана (растворы серной кислоты) и карбонатную схему (растворы карбонатов-бикарбонатов натрия и аммония).
Подземное выщелачивание состоит в подаче выщелачивающего раствора под землю непосредственно в рудное тело или в слой специально подготовленной руды и выкачивании раствора, просочившегося через слой руды, на поверхность. Известны два основных варианта подземного выщелачивания - скважинный (бесшахтный) и шахтный (блочный). В подземных рудниках используются старые или специально созданные шахты, подготовленные подземные камеры с обрушенной рудой, а для сбора продукционного раствора - штольни или штреки.
Подземное выщелачивание, применяемое обычно при глубине залегания рудного тела не более боо м, позволяет вовлечь в горнорудную промышленность бедные урановые руды, резко сократить объёмы капитальных вложений и сроки строительства предприятий, повысить в несколько раз производительность труда, значительно уменьшить вредное воздействие на природу (не нарушать ландшафт, резко снизить количества твёрдых отходов и вредных веществ, выносимых на поверхность земли, сравнительно просто восстанавливать отработанные участки).
Подземное скважинное выщелачивание является способом разработки рудных месторождений без поднятия руды на поверхность путём избирательного перевода ионов природного урана в продуктивный раствор непосредственно в недрах. Данный метод осуществляется бурением скважин через урановорудные тела, подачей раствора в урановорудные тела, подъёма урансодержащих растворов на поверхность и извлечением из них урана на сорбционных ионообменных установках, добавлением кислоты в маточные растворы и закачкой их снова в недра. При скважинном выщелачивании не происходит изменения геологического состояния недр, так как не производится выемка горнорудной массы.
В процессе скважинного выщелачивания в подвижное состояние в недрах переходит и выводится на поверхность менее 5% радиоактивности, по сравнению со 100% при традиционных способах добычи урана. Отпадает необходимость строительства хвостохранилищ для хранения отходов с высоким уровнем радиации. Природная гидрогеохимическая среда на урановых месторождениях обычно способна к самовосстановлению от техногенного воздействия. За счёт постепенного восстановления естественных окислительно-восстановительных условий происходит медленный, но необратимый процесс рекультивации подземных вод рудовмещающих водоносных горизонтов. Существуют методы значительной интенсификации этого процесса, ускоряющий рекультивацию в десятки раз.
Тем не менее, метод скважинного выщелачивания является достаточно опасным с экологической точки зрения способом добычи. Выщелачивающий уран-содержащий раствор может вытечь из рудного тела зоны через разломы в горной породе или разрывы в гидроизолирующих слоях с последующим распространением по водоносному слою. Это может привести к загрязнению грунтовой воды на больших расстояниях от рудника. Помимо урановых выщелачивающие растворы растворяют и другие минералы, в результате чего подвижным становится не только уран, но и элементы: радий, мышьяк, ванадий, молибден, кадмий, никель, свинец и др., причём они концентрируются в тысячу раз. Минералы осаждаются из раствора в процессе подземного выщелачивания, образуя кальцит, гипс и другие минералы. Возникшие осадки могут уменьшить или даже полностью блокировать поток раствора через урансодержащие области, приводя к непредсказуемым результатам или преждевременному закрытию рудника.
Скважинное выщелачивание производит большие количества сточных вод и растворов, от которых нужно избавиться экологически приемлемым способом. К ним относятся промывные воды и жидкие отходы от урановой обогатительной фабрики. Эти жидкости смешивают и повторно закачивают в ту же самую грунтовую воду, что участвовала в добыче урана, или закачивают в глубокий водоносный слой далеко от других пользователей грунтовых вод. В этих жидких отходах находятся высокие концентрации радионуклидов и тяжёлых металлов, и область их распространения нуждается в восстановлении после закрытия рудника.
Кучное выщелачивание - процесс получения полезных компонентов растворением подготовленного (раздробленных бедных руд или хвостов обогатительной фабрики) и уложенного в специальный штабель минерального сырья, с последующим их выделением (осаждением) из циркулирующих растворов.
Кучное выщелачивание применяется для переработки руд, содержащих легкорастворимые полезные компоненты; такие руды должны быть относительно пористыми и недорогими. Иногда кучное выщелачивание используется для переработки отвалов, возникших в результате процессов предшествующей добычи. Для загрузки руды подготавливается слабо наклонная поверхность, непроницаемая для выщелачивающих растворов. Вдоль и поперек этой поверхности создаются водосборные углубления для дренажа. После загрузки руда заливается количеством выщелачивающего раствора, достаточным для того, чтобы пропитать всю её толщу. Раствор проникает между частицами руды и производит растворение полезных компонентов. Через некоторый период времени материал высушивают и извлекают корку, образованную растворившимися ценными составляющими, а обработанную рыхлую породу смывают в дренажную систему.
Выщелачивание путём просачивания используется при переработке руд, которые при дроблении измельчаются плохо и не содержат природного шлама или глины. Это довольно медленный процесс. Выщелачивание при просачивании осуществляется в баках, хорошо приспособленных для загру"зки и разгрузки. Дно бака должно быть эффективным фильтром, позволяющим производить через него закачку и откачку раствора. Баки загружаются раздробленной рудой определенной фракции крупности. Затем выщелачивающий раствор закачивается в бак и впитывается в руду. По истечении необходимого времени выдержки раствор с выщелоченными компонентами откачивается, а руда промывается для удаления остатков выщелачивающего раствора.
В процессе выщелачивания возможны выбросы пыли, радона и выщелачивающей жидкости. После завершения процесса выщелачивания, в особенности если руда содержит сульфид железа, то после её доступа к воде и воздуху может начаться непрерывное бактериальное производство кислоты в отвалах, что ведёт к самопроизвольному выщелачиванию урана в течение многих столетий с загрязнением грунтовых вод.
Когда были открыты радиоактивные элементы таблицы Менделеева, человек со временем придумал им применение. Так произошло и с ураном. Его использовали и для военных, и для мирных целей. Урановая руда перерабатывалась, полученный элемент применялся в лакокрасочной и стекольной промышленности. После того как была обнаружена его радиоактивность, его стали использовать в Насколько чистым и экологичным является данное топливо? Об этом спорят до сих пор.
Природный уран
В природе урана в чистом виде не существует - он является компонентом руды и минералов. Основная урановая руда - это карнотит и настуран. Также значительные залежи этого стратегического обнаружены в редкоземельных и торфиевых минералах - ортите, титаните, цирконе, монаците, ксенотиме. Залежи урана можно обнаружить в породах с кислой средой и высокими концентрациями кремния. Его спутники - кальцит, галенит, молибденит и др.
Мировые месторождения и запасы
На сегодняшний день разведано множество месторождений в 20-километровом слое земной поверхности. Во всех них содержится огромное число тонн урана. Это количество способно обеспечить человечество энергией на много сотен лет вперед. Странами-лидерами, в которых урановая руда находится в наибольшем объеме, являются Австралия, Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Украина, Узбекистан, США, Бразилия, Намибия.
Виды урана
Радиоактивность обуславливает свойства химического элемента. Природный уран составляют три его изотопа. Два из них являются родоначальниками радиоактивных рядов. Природные изотопы урана используют при создании топлива для ядерных реакций и оружия. Также уран-238 служит сырьем для получения плутония-239.
Изотопы урана U234 являются дочерними нуклидами U238. Именно они признаны наиболее активными и обеспечивают сильную радиацию. Изотоп U235 в 21 раз слабее, хотя его успешно применяют для вышеуказанных целей - он обладает способностью поддерживать без дополнительных катализаторов.
Кроме природных существуют и искусственные изотопы урана. Сегодня таковых известно 23, самый важных из них - U233. Его выделяет способность активизироваться под воздействием медленных нейтронов, тогда как для остальных требуются быстрые частицы.
Классификация руды
Хотя уран можно обнаружить практически везде - даже в живых организмах - пласты, в которых он содержится, могут быть различными по своему типу. От этого зависят и способы добычи. Урановая руда классифицируется по следующим параметрам:
- Условия образования - эндогенные, экзогенные и метаморфогенные руды.
- Характер урановой минерализации - первичные, окисленные и смешанные руды урана.
- Размер агрегатов и зерен минералов - крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, тонкозернистые и дисперсные фракции руды.
- Полезность примесей - молибденовые, ванадиевые, и т.д.
- Состав примесей - карбонатные, силикатные, сульфидные, железоокисные, каустобиолитовые.
В зависимости от того, как классифицируется урановая руда, находится способ извлечения из нее химического элемента. Силикатная обрабатывается различными кислотами, карбонатные - содовыми растворами, каустобиолитовые обогащают сжиганием, а железоокисные плавят в домне.
Как добывают урановую руду
Как и в любом горнодобывающем деле, существует определенная технология и способы по извлечению урана из породы. Все зависит еще и от того, какой именно изотоп находится в пласте литосферы. Добыча урановой руды осуществляется тремя способами. Экономически обоснованным выделение элемента из скальной породы является при содержании его в объеме 0,05-0,5%. Существует шахтный, карьерный и выщелачивающий способ добычи. Применение каждого из них зависит от состава изотопов и глубины залегания породы. Карьерная добыча урановой руды возможна при неглубоком залегании. Риск облучения минимальный. Нет проблем с техникой - широко применяются бульдозеры, погрузчики, самосвалы.
Шахтная добыча - более сложная. Этот способ применяется при залегании элемента на глубине до 2 километров и экономической рентабельности. Порода должна содержать высокую концентрацию урана, для того чтобы добывать ее было целесообразно. В штольне обеспечивают максимальную безопасность, это связано с тем, как добывают урановую руду под землей. Рабочие обеспечиваются спецодеждой, режим работы -строго лимитированный. Шахты оборудуются лифтами, усиленной вентиляцией.
Выщелачивание - третий способ - наиболее чистый с экологической точки зрения и безопасности сотрудников добывающего предприятия. Через систему пробуренных скважин закачивается специальный химический раствор. Он растворяется в пласте и насыщается урановыми соединениями. Затем раствор выкачивается и отправляется на обрабатывающие предприятия. Этот метод более прогрессивный, он позволяет уменьшить экономические затраты, хотя для его применения есть целый ряд ограничений.
Месторождения в Украине
Страна оказалась счастливой обладательницей месторождений элемента, из которого производят По прогнозам, урановые руды Украины содержат до 235 тонн сырья. В настоящее время получили подтверждение только месторождения, в которых содержится порядка 65 тонн. Определенный объем уже выработан. Часть урана использована внутри страны, часть отправлена на экспорт.
Основным месторождением считается Кировоградской урановорудный район. Содержание урана невелико - от 0,05 до 0,1 % на тонну породы, поэтому высока себестоимость материала. В итоге полученное сырье обменивают в России на готовые твэлы для электростанций.
Вторым крупным месторождением является Новоконстантиновское. Содержание урана в породе позволило снизить себестоимость по сравнению с Кировоградским почти в 2 раза. Однако с 90-х годов разработки не проводятся, все шахты затоплены. В связи с обострением политических отношений с Россией Украина может остаться без топлива для
Российская урановая руда
По добыче урана Российская Федерация находится на пятом месте среди прочих стран мира. Самые известные и мощные - это Хиагдинское, Количканское, Источное, Кореткондинское, Намарусское, Добрынское (республика Бурятия), Аргунское, Жерловое В Читинской области производится добыча 93% от всего добываемого российского урана (в основном карьерным и шахтным способами).
Немного по-другому обстоит дело с месторождениями в Бурятии и Кургане. Урановая руда в России в этих регионах залегает таким образом, что позволяет добывать сырье методом выщелачивания.
Всего в России прогнозируются залежи в 830 тонн урана, подтвержденных запасов имеется около 615 тонн. Это еще месторождения в Якутии, Карелии и других регионах. Поскольку уран является стратегическим мировым сырьем, цифры могут быть неточными, так как многие данные являются засекреченными, доступ к ним имеет только определенная категория людей.
В современном мире элемент под номером 92 в знаменитой таблице Менделеева имеет огромное значение. Во-первых, уран - это самое энергонасыщенное топливо из всех известных и используемых на сегодняшний день. Всего несколько килограммов этого вещества способны заменить тысячи кубометров газа и тонны нефти и угля, при этом количество выработанной электрической или тепловой энергии будет одинаковым. Во-вторых, добыча урана важна для получения другого энергетического элемента - плутония. И, наконец, уран - основной элемент для создания ядерного оружия
Первые упоминания об этом веществе, найденном в Рудных горах Саксонии, относятся к середине 16 века. «Черный смоляной камень», позднее названный урановой смолкой или настураном использовали для закладки уже выработанных серебряных рудников или выбрасывали в отвалы. На рубеже 18 - 19 веков урановые руды считались побочным материалом горной промышленности, а их уникальные свойства не были изучены. Официальным годом открытия элемента считают 1789 г., когда немецкий химик Мартин Клапрот присвоил ему название уран - в честь одной из планет Солнечной системы. Однако спустя некоторое время выяснилось, что новое вещество, о котором заявил ведущий ученый своего времени, это окисленная форма минерала. Элементную же его форму впервые удалось получить французскому химику Э. Пелиго спустя почти полвека, в 1841 г.
Разработка урана имеет особое значение для промышленности
Надо сказать, что с момента своего открытия и до середины 20 века мировая добыча урана осуществлялась, в основном, для получения радия. Это сопутствующее вещество использовали в процессе изготовления люминисцентной краски, которой покрывали диски часов и некоторые инструменты, оружейные прицелы, применяли в медицине для приготовления «радоновых ванн» и пр. Оксиды урана применяли в стекольном производстве в качестве красящего пигмента палитрой от бледно-желтого до темно-зеленого.
Свое промышленное значение уран получил в начале 40-х годов ХХ века, после того, как ученые опытным путем научились расщеплять урановое ядро и получать ядерную реакцию. Новые открытия, которые легли в основу современной ядерной физики и атомной энергетики, резко изменили перспективы дальнейшего практического применения элемента №92. С этого времени началось активное развитие урановой промышленности, а само вещество превратилось в главное стратегическое сырье, необходимое для осуществления масштабных военных программ. Возможность создания атомной бомбы и использования урана в качестве топлива, необходимого для работы ядерных реакторов, стали основными причинами, обусловившими высокий спрос на этот тяжелый металл.
Ученые выяснили, что содержание этого вещества в земной коре неравномерно - оно рассеяно во многих горных породах, в почве, и даже в воде морей и океанов. Подсчитано, что верхний слой Земли толщиной всего 20 км содержит почти 1014 тонн урана! Невероятно, но это количество может многие тысячелетия удовлетворять энергетические потребности человечества. Однако, несмотря на то, что средняя концентрация элемента в земной коре весьма велика, мест добычи урана, где его концентрация во много раз превышает среднее значение, на нашей планете очень мало.
Первые богатые ураном месторождения были обнаружены в 1913 г. в Африке. Немного позже были открыты Порт-Радий в Канаде, обл. Бейры в Португалии, Тюя Муюн в Узбекистане и Холм Радия в Австралии. Основной мировой запас урановых руд сосредоточен в Канаде, Конго и США. Что касается нашей страны, то добыча урана в России составляет около 7% от мирового объема. Дело в том, что многие российские месторождения расположены в труднодоступных районах, а большинство урановых запасов еще не разведаны, хотя прогнозные ресурсы весьма и весьма неплохие.
Современные способы добычи урана
На сегодняшний день известно три способа добычи урана, применение каждого из которых зависит от глубины залегания вещества и от его содержания в породе. Открытый или, как его еще называют, карьерный способ разработки применим лишь при неглубоком залегании металла. Сложностей в процессе добычи этим способом не возникает: для вскрытия и разработки задействуют бульдозеры, для погрузки руды - погрузчики, для вывоза на перерабатывающие предприятия - самосвалы. Стоит уточнить, что открытый способ все же представляет большую опасность для экологии, даже несмотря на то, что после завершения работ карьер засыпают, а на его поверхности проводят рекультивацию. Отработанная порода сохраняет до 85% радиационного фона урана, территория загрязняется солями тяжелых металлов и сульфидами, ядовитыми для организма и покрывается пылью с содержанием радиоактивных элементов.
Другой метод добычи урана - подземный или шахтный позволяет добывать руду более высокого сорта, чем в предыдущем случае, однако добыча становится рентабельной лишь при высоком качестве руды. Обычно глубина современных урановых рудников не превышает 2 км, поскольку строительство более глубоких проходов повышает себестоимость добытого вещества. Организация радиационной защиты в штольнях и шахтах становится главной задачей добывающих предприятий, для чего в них устанавливают современные вентиляционные системы, позволяющие выводить радон из рабочего пространства и направлять внутрь рудника свежий воздух.
Добыча урана методом подземного выщелачивания считается наиболее щадящей для экологии. Для вскрытия месторождения руды используют систему скважин, в которые закачивают специальный химический реагент. Растворяясь в пласте, он выщелачивает из него полезные вещества, после чего насыщенный соединениями урана, выкачивается на поверхность. Монолитные залежи вскрывают подземными горными выработками, в некоторых случаях используют буровзрывные работы. Эта прогрессивная технология добычи имеет ряд ограничений: ее разрешено использовать ниже уровня залегания грунтовых вод и только в песчанике.
В целом, использование геотехнологического метода, описанного выше, позволяет отрабатывать месторождения с невысоким содержанием урана и сложными условиями залегания. К тому же в несколько раз снижаются затраты на строительство горно-обогатительных предприятий и одновременно повышается производительность работ. Однако даже использование высокотехнологичных способов добычи и переработки урана не исключает вероятности технических ошибок, которые могут привести к серьезным загрязнениям окружающей среды серной кислотой, металлами, высокому уровню радиации, а значит сделать дальнейшее использование природных ресурсов невозможным. Поэтому каждый существующий и перспективный проект добычи урана в мире предполагает привлечение экологов и оценки возможного негативного воздействия на дикую среду, а также разработку программы восстановления эндогенной природы и дальнейший мониторинг ее состояния.
Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.
История открытия
Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.
Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.
Радиоактивность
Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (0,006 %, период полураспада - 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U порождает ряд распада актиния.
Открытие цепной реакции
Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).
Состояния окисления
Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.
Ядерное топливо
При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.
Другие применения урана
Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.
Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.
Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.
Переработка
Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.
Кристаллические формы
Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.
Руды
Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).
По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.
Добыча
Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.
Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.
Обжиг
Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.
Выщелачивание
Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.
Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .
Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .
Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.
Экстракция
Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.
Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.
Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.
Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.
В настоящее время ядерная энергия используется в достаточно крупных масштабах. Если в прошлом веке радиоактивные материалы применялись в основном для производства ядерного оружия, обладающего наибольшей разрушительной силой, то в наше время ситуация изменилась. Ядерная энергия на атомных электростанциях преобразуется в электрическую и используется во вполне мирных целях. Также создаются атомные двигатели, которые используются, например, в подводных лодках.
Основным радиоактивным материалом, использующимся для производства ядерной энергии, является уран . Этот химический элемент относится к с семейству актиноидов. Уран открыл в 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот при исследовании настуран, который сейчас также называют «урановой смолкой». Новый химический элемент был назван в честь недавно открытой планеты солнечной системы. Радиоактивные свойства урана были открыты лишь в конце XIX века.
Уран содержится в осадочной оболочке и в гранитном слое. Это довольно редкий химический элемент: его содержание в земной коре 0,002%. Кроме того, в незначительных количествах уран содержится в морской воде (10 ?9 г/л). Благодаря своей химической активности уран содержится только в соединениях и в свободном виде на Земле не встречается.
Урановыми рудами называются природные минеральные образования, содержащие уран или его соединения в количествах, при которых возможно и экономически целесообразно его использование.Урановые руды также служат сырьем для получения других радиоактивных элементов, таких как радий и полоний.
В наше время известно около 100 различных урановых минералов, 12 из которых активно используются в промышленности для получения радиоактивных материалов. Наиважнейшими минералами являются окислы урана (уранит и его разновидности – настуран и урановая чернь), его силикаты (коффинит), титаниты (давидит и браннерит), а также водные фосфаты и урановые слюдки.
Урановые руды классифицируют по различным признакам. В частности, их различают по условиям образования. Одним из видов являются, так называемые, эндогенные руды, которые отложились под воздействием высоких температур и из пегматитовых расплавов и водных растворов. Эндогенные руды характерны для складчатых областей и активизированных платформ. Экзогенные руды формируются в близкоповерхностных условиях и даже на поверхности Земли в процессе накопления (сингенетические руды) или в результате (эпигенетические руды). Возникают преимущественно на поверхности молодых платформ. Метаморфогенные руды, возникшие при перераспределения первично рассеянного урана в процессе метаморфизма осадочных толщ. Метаморфогенные руды характерны для древних платформ.
Кроме того, урановые руды подразделяют на природные типы и технологические сорта. По характеру урановой минерализации различают: первичные урановые руды – (содержание U 4 + не менее 75% от общего количества), окисленные урановые руды (содержат в основном U 6 +) и смешанные урановые руды, в которых U 4 + и U 6 + находятся примерно в равных соотношениях. От степени окисления урана зависит технология их обработки. По степени неравномерности содержания U в кусковой фракции горной («контрастности») выделяют весьма контрастные, контрастные, слабо контрастные и неконтрастные урановые руды. Этот параметр определяет возможность и целесообразность обогащения урановых руд.
По размерам агрегатов и зёрен урановых минералов выделяются: крупнозернистые (свыше 25 мм в поперечнике), среднезернистые (3–25 мм), мелкозернистые (0,1–3 мм), тонкозернистые (0,015–0,1 мм) и дисперсные (менее 0,015 мм) урановые руды. Размеры зёрен урановых минералов также определяют возможность обогащения руд. По содержанию полезных примесей урановые руды бывают: урановые, уран-молибденовые, уран-ванадиевые, уран- -кобальт-висмут-серебряные и другие.
По химическому составу примесей урановые руды разделяют на: силикатные (состоят в основном из силикатных минералов), карбонатные (более 10–15% карбонатных минералов), железоокисные (железо-урановые руды), сульфидные (более 8–10% сульфидных минералов) и каустобиолитовые, состоящие в основном из органического вещества.
Химический состав руд часто определяет способ их переработки. Из силикатных руд уран выделяется кислотами, из карбонатных – содовыми растворами. Железо-окисные руды подвергаются доменной плавке. Каустобиолитовые урановые руды иногда обогащаются путём сжигания.
Как уже говорилось выше, содержание урана в земной коре достаточно невелико. В России имеется несколько месторождений урановых руд:
Жерловое и Аргунское месторождения. Располагаются в Краснокаменском районе Читинской области. Запасы Жерлового месторождения составляют 4137 тысяч тонн руды, в которых содержится всего лишь 3485 тонн урана (среднее содержание 0,082%), а также 4137 тонн молибдена (содержание 0,227%). Запасы урана на Аргунском месторождении по категории С1 составляют 13025 тысяч тонн руды, 27957 тонн урана (среднее содержание 0,215%) и 3598 тонн молибдена (при среднем содержании 0,048%). Запасы по категории С2 составляют: 7990 тысяч тонн руды, 9481 тонн урана (при среднем содержании 0,12%) и 3191 тонн молибдена (среднее содержание 0,0489%). Здесь добывается примерно 93% всего российского урана.
5 урановых месторождений (Источное, Количканское, Дыбрынское, Намарусское, Кореткондинское ) расположены на территории Республики Бурятия. Суммарные разведанные запасы месторождений составляют 17,7 тысяч тонн урана, прогнозные ресурсы оцениваются еще в 12,2 тысяч тонн.
Хиагдинского урановое месторождение. Добыча ведется методом скважинного подземного выщелачивания. Разведанные запасы этого месторождения по категории C1+C2 оценены в 11,3 тысяч тонн. Месторождение расположено на территории республики Бурятия.
Радиоактивные материалы применяются не только для создания ядерного оружия и топлива. Так, например, уран в небольших количествах добавляют в стекло, для придания ему цвета. Уран входит в состав различных металлических сплавов, применяется в фотографии и других сферах.
