Урановая руда: месторождения, добыча, переработка

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 цепную ядерную реакцию 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.

Характеристики урановых руд

Руда урана в свободном виде представлена серо-белым металлом, который может иметь довольно большое количество различных примесей. Стоит учитывать, что непосредственно сам очищенный уран считается химически активным веществом. Рассматривая физико-механические и химические свойства урана, отметим нижеприведенные моменты:

Температура кипения этого химического элемента составляет 4 200 градусов Цельсия, что существенно усложняет процесс его переработки.
На воздухе уран окисляется, может растворятся в кислотах и реагировать на воздействие воды. Однако, данный химический элемент не взаимодействует со щелочами, что можно назвать его особенностью.
При определенном воздействии вещество становится источником довольно большого количества энергии. При этом образуется относительно небольшое количество отработки, с утилизацией которой на сегодняшний день возникает довольно много проблем.

Внешний вид урановой руды

Стоит учитывать, что уран многие относят к редкому химическому элементу, так как его концентрация в земной коре составляет 0,002%. При столь относительно невысокой концентрации этого химического элемента, альтернативного вещества пока найдено не было. Конечно, пока запасов достаточно для непрерывной добычи урана и питания атомных электростанций или двигателей.

Месторождения в Украине

Страна оказалась счастливой обладательницей месторождений элемента, из которого производят ядерное топливо. 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 атомных электростанций.

литература

В.Г. Бачуров, С.Г. Ветчеркин, И.Г. Луценко: Подземное выщелачивание урановых руд . Ред .: Технологическая палата. Атомисдат , Москва, 1969 (150 с., Рус .: Подземное выщелачивание урановых руд . Перевод доктора Лотара Хартманна, Питера Фихтнера).
К. Келлер: ядерный топливный цикл . Ред .: Х. Мёллингер. ЛентаЯ . Hüthig, Heidelberg 1978, ISBN 3-7785-0507-6 .
Ф.-К. Пикерт: топливный цикл. Немецкий атомный форум , Бонн, 1981, ISBN 3-922798-03-4 .
Римберт Гацвейлер, Дитхард Магер: Загрязненные участки добычи урана (= The Geosciences . No.11 ). 1993, стр.5-6 и 164-172 , DOI : . .
Х. Нобукава, М. Китамура, SAM Swilem, K. Ishibashi: Разработка системы плавучего типа для извлечения урана из морской воды с использованием морского течения и энергии волн . В: Материалы 4-й Международной конференции по морской и полярной инженерии, 10. – 15. Апрель 1994 . Материалы конференций. Осака 1994, стр.294-300 .
Питер Диль: . Введение. 2003 г.
Государственный парламент Саксонии, парламентские документы, Drs. 4/51 25-2

Способы добывания урана

Дабы извлечь на свет Божий вещества, содержащие один и самых тяжелых металлов, существует три классических способа: открытый, подземный и выщелачивание.

Открытый тип добытчики используют в случаях, когда месторождение залегает не слишком глубоко, до 50 метров. Здесь на помощь приходят тяжелые машины, вроде самосвалов, бульдозеров и погрузчиков, в результате совместной работы которых появляется огромный котлован. Минусами данного способа являются более низкое качество добываемых ископаемых, а также нанесение урона по экологии местности.

Подземный тип, не мудрствуя лукаво, заключается в пробивании шахты (иногда на глубину до двух километров), с последующим извлечением руды из подземных недр. Более затратный способ, в сравнении с первым. Ведь нужно еще обеспечить существование на таких глубинах шахтерам, организовать систему подачи кислорода, отвод токсичного газа, радона, и так далее. Но руда, добываемая здесь, является рудой более высокого сорта.

Самый экологичный и самый эффективный способ – выщелачивание. В месторождение урана, пробурив предварительно скважину, подводят по трубам щелочь. Вступив в реакцию с нашим «радиоактивным сокровищем», получаем выщелоченный уран. Получившееся новое соединение насосами выкачивается наверх. Недостатком же этого метода является то, что его можно использовать только на породах песчаника и только в том случае, если цель добычи находится ниже уровня подземных вод.

Переработка урановой руды

Шламовые пруды бывшего завода по переработке урановой руды MAPE Mydlovary в Чехии

Уран, присутствующий в руде, отделяется (переваривается) от остальной породы с помощью физических и химических процессов. Для этого руда дробится (дробится, тонко измельчается) и уран извлекается (выщелачивается). Это делается с помощью кислоты или щелочи с добавлением окислителя , чтобы перевести уран из очень плохо растворимого химически четырехвалентного состояния в легко растворимую шестивалентную форму. Таким образом может быть извлечено более 90 процентов урана из руды.

Нежелательные сопутствующие вещества удаляются в несколько этапов очистки путем декантации , фильтрации , экстракции и т. Д. Уран осаждают из жидкости , например, добавляя аммиак . Осажденный продукт (химически: диуранат аммония ) называется « желтый кек » из-за его желтого цвета . В высушенном виде он содержит от 70 до 80 процентов урана по массе. Этот материал частично превращается в оксид урана при прокаливании на руднике .

Остатки от переработки урана ( хвосты ) должны надежно храниться в специальных емкостях в течение длительного времени. Они по-прежнему содержат большую часть запасов исходной урановой руды (в виде продуктов распада урана, таких как радий) и тяжелых металлов.

Технология обогащения

Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.

Подготовительный процесс

Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.

В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.

Основной процесс

Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.

В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:

Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.

Вспомогательный процесс

Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».

Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.

Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.

Месторождения урана в России

Содержание урана в земной коре невелико, в мире не так много крупных месторождений. В России можно выделить следующие:

Жерловое – расположено в Читинской области, запасы оцениваются в 4137 тыс. т. По содержанию металла – молибденовые – 0,082% урана и 0,227% молибдена. Чистого урана лишь 3485 т;
Аргунское – расположено в Читинской обрасти. Запасы руды категории С1– 13025 тыс. т, из них урана – 27957 т, категории С2 – 7990 тыс., из них 9481 т чистого урана. Это самое крупное месторождение. Оно дает 93% от общероссийского объема добычи;
Источное, Дыбрынское, Количкановское, Кореткондинское – месторождения, расположенные в Республике Бурятия. В этом районе разведданных запасов порядка 17,7 тыс т, а прогнозные ресурсы – 12,2 тыс т;
Хиагдинское – расположено в Бурятии. Запасы урановой руды – 11,3 тыс т.

Схема размещения урановых районов

По оценкам специалистов, в России самые перспективные месторождения сегодня находятся на этапе разработки:

Эльконское – расположено в Якутии, по прогнозам там 346 тыс. т руды;
Малиновское – в Западной Сибири;
Витимское и Алданское – в Восточной Сибири;
Дальневосточное – расположено на побережье Охотского моря;
В Карелии возле Онежского и Ладожского озер.

Общие запасы урана в России оцениваются в 800 тыс. т.

Медные руды и их месторождения

На настоящий момент получать Cu считается экономически выгодным и целесообразным даже в том случае, если его содержится в породе хотя бы 0.3%.

Чаще всего для выделения меди промышленным способом в природе в наши дни добывают следующие породы:

борниты Cu₅FeS₄ — сульфидные руды, называемые по-другому медным пурпуром или пестрым колчеданом и содержащие около 63.3% Cu;
халькопириты CuFeS₂ — минералы, имеющие гидротермальное происхождение;
халькозины Cu₂S, содержащие более 75% меди;
куприты Cu₂O, часто встречающиеся также и в местах залежей самородной меди;
малахиты, представляющие собой углекислую медную зелень.

Самое большое месторождение медных руд в России находится в Норильске. Также такие породы в больших количествах добывают в некоторых местах на Урале, в Забайкалье, на Чукотке, в Туве и на Кольском полуострове.

Из каких руд получают медь

Интересно! Медь очень редко встречается в природе в виде самородков. На сегодняшний день самой крупной такой находкой считается самородок, обнаруженный в Северной Америке на территории США массой 420 тонн.

Существует почти 250 видов меди, но из них всего 20 видов используются в промышленности. Самые распространенные из них:

Халькозин

Соединение минералов с содержанием серы (20%) и меди (80%). Носит название «медный блеск» из-за своего характерного металлического блеска. Руда имеет плотную или зернистую структуру черного или серого оттенка.

Халькопирит

Металл имеет гидротермальное происхождение, встречается в скарнах и грейзенах. Чаще всего входит в состав полиметаллической руды вместе с галенитом и сфалеритом.

Борнит

Распространенный в природе минерал класса сульфидов, один из главных элементов медных руд. Имеет характерный синевато-пурпурный оттенок. Содержит в себе медь (63,33%), железо (11,12%), серу (25,55%) и примеси серебра. Встречается в виде плотных мелкозернистых масс.

Ситуация в мире

Сегодня добыча урана осуществляется только в 28 странах мира. При этом 90% месторождений расположены в 10 странах, которые являются лидерами по объемам добычи.
Добыча урановых руд на крупнейших рудниках мира

На первом месте Австралия

Основные показатели:

Полезные ископаемые Австралии

доказанные запасы – 661 000 т (31,18% от общемировых запасов);
месторождения – 19 крупных. Самые известные:
- Олимпик Дам – добывается 3 000 т в год;
- Биверли – одна тысяча тонн в год;
- Хонемун – 900 т.
себестоимость добычи – 40 долларов за один килограмм;
крупнейшие добывающие компании:
- Paladin Energy;
- Rio Tinto;
- BHP Billiton.

Второе место по объемам добычи у Казахстана

Основные данные:

Рост добычи урана в Казахстане

доказанные запасы – 629 000 т (11,81% от общемировых запасов);
месторождения – 16 крупных. Самые известные:
- Корсан;
- Ирколь;
- Буденовское;
- Западные Мынкудук;
- Южный Инкай;
себестоимость добычи – 40 долларов за кг;
объем производства – 22574 тонны в год;
добывающая компания – Казатомпром (производит 15,77% от общемирового объема).

Третье место у России

Показатели:

доказанные запасы – 487 000 т (9,15% от общемировых запасов);
месторождения – 7 крупных. Основная часть сосредоточена в Читинской области. Проектные работы ведутся на Ямале;
себестоимость добычи – 40 долларов за кг;
объем производства – 3135 т в год;
добывающая компания – АРМЗ (АТОМРЕДМЕТЗОЛОТО). Производит 13,68% от общемирового объема.

Четвертое место – Канада

Показатели:

доказанные запасы – 468 000 т (8,80% от общемировых запасов);

Добыча урана на месторождениях Канады

месторождения – 18 крупных. Самые известные:
1. МакАртур-Ривер;
2. Уотербери;
себестоимость добычи – 34 долларов за один килограмм;
объем производства – 9332 т в год;
добывающая компания – Cameco (производит 9144 т урана в год).

Пятое место – Нигер

Нигер (горнопромышленная карта)

доказанные запасы – 421 000 т (7,9% от общемировых запасов);
месторождения :
- Имурарен;
- Арлит;
- Мадауэла;
- Азелит;
себестоимость добычи – 35 долларов за один килограмм;
объем производства – 4528 т в год.

Вторая пятерка стран по объемам запасов урана выглядит следующим образом:

ЮАР – 297 000 т;
Бразилия – 276 000 т;
Намибия – 261 000 т;
США – 207 000 т;
Китай – 166 000 т.

Добыча урана в мире

По прогнозам специалистов до 2025 года в мире будет увеличиваться количество атомных станций. Этот рост будет провоцировать больший спрос на уран – увеличение на 44% (80–100 тыс. т). Поэтому во всем мире ведется тенденция к использованию вторичных источников урана:

золото;
фосфаты;
медь;
лигнитсодержащие породы.

Но содержания металла в этих источниках невелико. Такая ситуация ежегодно приводит к росту стоимости. С 2008 года наблюдается стремительное увеличение: с 26 долларов за 1 кг до 64 долларов в 2015 году.

Уран в мире

Самые большие запасы урана находятся в Австралии. Затем идут Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Нигер и Бразилия.

Что касается производства электроэнергии с помощью атомных электростанций, то Канада, Казахстан и Австралия занимают лидирующие позиции. Эти три страны вместе производят более чем половину ядерной энергии в мире.

Смотрите таблицу с данными по производству и запасам урана каждой из перечисленных стран.

Страна	Запасы урана (тысяч тонн / в год)	Производство обогащённого урана (тонн / в год)
Австралия	1 661	7 743
Казахстан	629	7 994
Россия	487	3 239
Канада	468	10 485
Нигер	421	3 355
Бразилия	276	238

Месторождения урана

Не сложно догадаться, что при столь относительно небольших запасах рассматриваемого вещества в недрах земли и постоянном росте потребности в материале, его стоимость повышается. За последнее время было открыто довольно большое количество месторождений урана, лидером по его добычи принято считать Австралию. Проведенные исследования указывают на то, что на территории этой страны сконцентрировано более 30% всех запасов. Наиболее крупными месторождениями считаются:

Биверли;
Олимпик Дам;
Рейнджер.

Интересным моментом является то, что главным конкурентом Австралии в сфере добычи руды урана принято считать Казахстан. На территории этой страны сконцентрировано боле 12% мировых запасов. Несмотря на достаточно большую площадь, в России только 5% мировых запасов.

Как ранее было отмечено, урановая руда применяется в качестве топлива, что и определяет ведение постоянных поисков его месторождений. На сегодняшний день уран часто применяется как топливо для ракетных двигателей. При производстве ядерного оружия этот элемент используется для повышения его мощности. Некоторые производители используют его для производства пигментов, которые используются в живописи.

Добыча урановых руд

Добыча урановой руды налажена во многих странах. Стоит учитывать, что сегодня для добычи руды могут применяться три технологии:

При близком расположении урана к поверхности земли применяется открытия технология. Она довольно проста и не требует больших затрат. Для поднятия сырья применяются экскаваторы и другая подобная спецтехника. После поднятия и погрузки в самосвалы она доставляется на перерабатывающие заводы. Отметим, что у данной технологии есть довольно большое количество недостатков, но из-за простоты добычи она получила широкое распространение. В процессе разработки месторождений получаются карьеры, площадь которых может достигать несколько квадратных километров. Стоит учитывать, что подобный способ добычи руды наносит непоправимый вред окружающей среде. Поверхностной добычей урана занимается довольно большое количество крупных горных компаний.
При глубоком расположении руды в толще земли проводится создание шахт. Технология достаточно сложна в исполнении, предусматривает также механическую добычу материала. Существует достаточно большое количество шахт, в которых проводится добыча урановой и другой руды. Подобный метод добычи породы связан с достаточно большими рисками, так как в толще земли могут находится карманы газа или подводные реки. Обрушение сводов может привести к консервированию шахты, гибели рабочих и повреждению дорогостоящего оборудования. Однако, в случае глубокого залегания рассматриваемой породы по-другому провести ее извлечение практически невозможно.
Третий метод заключается в образовании скважин, в которые закачивается серная кислота. Вблизи ранее проделанной скважины создается вторая, которая предназначена для поднятия уже полученного раствора. После завершения процесса сорбции устанавливается оборудование, способное поднимать на поверхность вещества, напоминающие смолы. После поднятия полученной смолы на поверхность проводится ее обработка и выделение урана.

В последнее время все больше стали применять третий метод добычи урана. Это связано с тем, что он позволяет добиться высокой концентрации требуемого вещества при минимальном содержании загрязняющих химических элементов. Однако, подобная технология требует проведения точных геологических исследований, так как бурение скважин должно проводиться над месторождением рассматриваемого химического вещества. В противном случае, при добавлении кислоты на процесс сорбции при малой концентрации урана потребуется довольно много времени.

На территории России в большинстве случаев добыча урана проводится путем его механического извлечения. Кроме этого, добычей сырья для производства атомного топлива занимаются в Китае и Украине.

Нахождение в природе

Уран не относится к редким элементам.

Локации нахождения вещества в природе:

Осадочные породы, насыщенные органикой.
Кислые кремнистые массивы.
Ториевые, редкоземельные минералы.

Урановая руда

Собственные образования вещества: урановые руды (настуран, или урановая смолка; уранинит, карнотит).

Минерал	Основной состав минерала	Содержание урана, %
Уранинит	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Карнотит	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O	~50
Казолит	PbO2·UO3·SiO2·H2O	~40
Самарскит	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6	3,15-14
Браннерит	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15	40
Тюямунит	CaO·2UO3·V2O5·nH2O	50-60
Цейнерит	Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O	50-53
Отенит	Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Шрекингерит	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Уранофан	CaO·UO2·2SiO2·6H2O	~57
Фергюсонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0,2-8
Торбернит	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Коффинит	U(SiO4)(OH)4	~50

В месторождениях урану сопутствуют кварц, молибденит, галенит, кальцит, другие минералы.

Смертоносное соседство

По разным данным, уровень радиации внутри горы находится на отметке 40–80 миллирентген в час. Такая дозировка превышает норму почти в три раза. Кроме того, шахты-тоннели наполнены опасным газом радоном, который образуется вследствие полураспада радия. Отследить концентрацию обычными дозиметрами невозможно. Специальные исследования показали, что в некоторых штольнях концентрация радона достигает 100 000 беккерелей в час (норма — 200 беккерелей в час).

Специалисты отмечают, что Лермонтовский район никогда не отличался благоприятным радиационным фоном. Горы, которые находятся неподалёку от Бештау, также окружены опасным «ореолом» смертоносного излучения. Медицинские сводки неутешительны: раком лёгких здесь болеют чаще в 1,5 раза, а от рака молочной железы женщины умирают в 2,5 раза чаще. Процент детской смертности также выше среднего. Туристу, который Лермонтов видит проездом, ничего не грозит. А вот постоянного соседства с урановыми месторождениями люди не выдерживают.

Друзья, Фактрум — это независимое издание и нам очень пригодится ваша помощь

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.