Добыча и обогащение урана: технологии и месторождения

История открытия и общая характеристика

Открытие данного элемента и дальнейшее исследование его уникальных свойств связано с именами множества исследователей и ученых, среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта, восстановившего из руды один из наиболее распространенных минералов урана – настуран;
• Французского химика Эжена Пелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес;
• Великого русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, определившего характеристики урана в соответствии с параметрами 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.

Что отличает уран от других химических элементов? Вот некоторые физико-химические свойства урана:

• Тяжелый, гибкий и ковкий металл плотностью 19 г/куб.см;
• Температура плавления составляет +1132,30 °C;
• Температура кипения составляет +4131 °C;
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +1500 °C уран способен самовозгораться;
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определенных температурах – альфа, бета и гамма; 
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.

Уран – химически активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной пленкой.

Мировые запасы

По данным Агентства по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития (АЯЭ ОЭСР) и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), на начало 2023 года разведанные и извлекаемые мировые запасы урана составляют порядка 8 млн тонн, при этом сохраняется значительный потенциал для обнаружения новых залежей.

Первую строчку в списке лидеров по величине запасов урана занимает Казахстан, за ним идут Канада, Намибия, Австралия и Узбекистан. По состоянию на 2024 год Россия занимает шестую позицию данного рейтинга.

Страны, добывающие уран

Среди стран-производителей урана лидером является Казахстан с объемом 21227 тонн на 2022 год (по данным WORLD NUCLEAR ASSOCIATION). Также в списке можно встретить такие страны, как Канада, Намибия, Австралия, Узбекистан, Россия, Нигер, Китай.

Месторождения урана в России и мире

Согласно отчетам World Uranium Mining Production, крупнейшие месторождения урана в мире (по данным на 2023 год) находятся в следующих странах:

• Австралия. Среди известных месторождений – Олимпик Дам, Биверли и Хонемке;  Казахстан. Месторождения Корсан, Южный Инкай, Ирколь, Харасан, Западный Мынкудук, Буденовское;
• Канада. Разрабатываются месторождения Сигар Лейк и МакАртур-Ривер;
• Россия. Месторождения в Забайкальском крае, Бурятии и Курганской области;
• Намибия. Месторождения Хусаб, Рессинг.

Способы добычи

Уран отличается широким распространением в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. В большинстве случаев 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. Вот основные из них: открытый, подземный, скважинное выщелачивание.

Открытый метод

Один из самых распространенных способов добычи полезных ископаемых при условии размещения залежей недалеко от наружного слоя земного грунта. Именно его и приходится удалять, прибегая к буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для этого используется тяжелая техника – бульдозеры, экскаваторы, погрузчики, самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырье, впоследствии отправляемое на переработку.

Важно отметить, что разработка карьеров – достаточно дорогостоящий и объемный по своим масштабам и привлекаемым ресурсам технологический процесс. Кроме того, он связан с нанесением невосполнимого экологического ущерба окружающей среде.

Подземный метод

Этот способ часто называют более затратным по сравнению с открытым методом. Однако, несмотря на это обстоятельство и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно шахтный метод позволяет добывать наиболее качественное сырье. Технологический цикл подземной добычи включает в себя несколько этапов:

• Откалывание (отбивание) материала;
• Погрузка сырья на вагонетки или шахтные самосвалы;
• Перевозка руды до бункера приемки;
• Скиповое поднятие на поверхность;
• Транспортировка к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка все 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 своем составе 0,72% изотопов урана-235 (235U). Остальную часть составляют:

• Уран-238 – 99,2745%;
• Уран-234 – 0,0055%.

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235U. В технологических процессах важно, чтобы цепная реакция происходила стабильно (не важно, в ядерном реакторе или в атомном оружии). Также необходимо достичь определенной концентрации вещества, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами. Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале.

Степени обогащения урана

Стоит помнить, что требуемый уровень концентрации изотопа уран-235 в каждой из областей применения может различаться. Так, практическое применение находят три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия.

Обедненный уран представляет собой технологические отходы процесса обогащения. Содержание 235U в нем колеблется в пределах 0,1-0,3 %. Он находит широкое применение качестве:

• химического катализатора в реакциях восстановления перекиси водорода и кислорода;
• космического, судового, автомобильного балласта и авиационного 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.

Низкообогащенный уран с концентрацией 235U, доходящей до 20%. Широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.

Высокообогащенный 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. Среди них:

• Термодиффузия – концентрация различных по массе изотопов в отдельных температурных зонах;
• Электромагнитная сепарация – отбор разнозаряженных ионов в отдельные сборники;
• Газовая диффузия – использование различной скорости проникновения частиц через мелкопористые мембраны; 
• Центрифугирование – разделение газовой среды по скоростям вращающихся потоков;
• Аэродинамическая сепарация – создание завихряющихся потоков в соплах искривленной конфигурации.

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

Область применения

Ранее оксид урана использовался в стекольной промышленности для придания стеклу зеленоватого оттенка («урановое стекло»), однако этот метод практически прекратил свое существование из-за опасений радиационного загрязнения. Также некоторые соединения урана входили в состав красителей. Подобные компоненты применялись в фотографии для улучшения световых показателей негативов.

В настоящее время благодаря своим уникальным свойствам уран широко используется в различных областях. Среди них обычно выделяют ядерную энергетику и военно-промышленный комплекс, медицину, космическую отрасль и научно-исследовательскую деятельность.

Атомная энергетика

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

Уран используется в качестве топлива для атомных реакторов. Его ядра делятся, выделяя огромное количество энергии, которая преобразуется в электричество. Основная форма используемого элемента – уран-235, хотя иногда применяется также плутоний-239, образующийся в результате ряда реакций.

Геология

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

Военная промышленность

Уран является ключевым компонентом ядерного оружия, включая атомные бомбы и термоядерные устройства. Способность расщепляться при попадании нейтронов делает его важным элементом для реализации военных проектов.

Научные исследования

Изотопы урана используются для изучения структуры и свойств веществ и материалов, поскольку излучение от распада позволяет проводить детальные эксперименты в физике высоких энергий и материаловедении.

Медицина

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана применяются в радиотерапии при лечении онкологических заболеваний.

Космическая промышленность

Некоторые космические аппараты и зонды используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), работающие на плутонии-238, произведенном из обедненного урана.

Уран играет ключевую роль в энергетическом секторе, науке, медицине и промышленности, даже несмотря на потенциальные риски, связанные с его использованием. В результате научной работы совершенствуются методы его обогащения и расширяются сферы потенциального использования металла и его изотопов. 

Обсудить новости промышленности можно в нашем чате в Telegram.