Технология добычи урана

Литература

• Барсуков В. Л., Герасимовский В. И., Германов А. И., Ермолаев Н. П., Коченов А. В., Макаров Е. С., Наумов Г. Б., Соколова Н. Т., Тарасов Л. С., Тугаринов А. И., Щербина В. В. Основные черты геохимии урана. М.: Издательство Академии наук СССР, 1963. 352 с.
• Черников А. А., Пеков И. В., Минина Е. Л. К истории изучения минералов урана отечественными исследователями // Записки Всероссийского минералогического общества. 1997. Т. 126. № 4. С. 111—128.
• Задов А. Е., Чуканов Н. В., Пеков И. В. Уранпирохлор из ультращелочного пегматита в Ловозерском массиве // Карбонатиты Кольского полуострова. СПб.: СПбГУ, 1999. С. 57-58.
• Кравченко С.М., Березина И.Г. Уран в базальтах и долеритах: по данным f-радиографии. М.: Недра, 1975. 119 с. Тираж 1000 экз.
• Пеков И. В. Урановая минерализация и поведение урана в ультращелочных пегматитах Ловозерского массива, Кольский полуостров // Традиционные и новые направления в минералогических исследованиях: годичная сессия МО ВМО: Тезисы докладов. 2001. С. 115—116.
• Ферсман А. Е. О возрасте урановых минералов в пегматитовых жилах // Известия АН СССР. Серия 6. 1926. Т. 20. № 9. С. 775—780.
• Ядерная геология. М.: Иностранная литература, 1956. 555 с.

Журналы и серийные издания сборников

• Материалы по геологии урановых месторождений. — ВИМС
• Материалы по геологии месторождений урана, редких и редкоземельных металлов. — ВИМС и ВСЕГЕИ.

Добыча сырья для ядерного топлива

Уран — самый тяжёлый металл на земле. Около 99,4% земного урана приходится на уран-238, и всего 0,6% — на уран-235. В докладе Международного агентства по атомной энергии под названием «Красная книга» содержатся данные о росте объёмов добычи и спроса на уран, несмотря на аварию на АЭС «Фукусима-1», которая заставила многих задуматься о перспективах ядерной энергетики. Только за последние несколько лет разведанные запасы урана выросли на 7%, что связано с открытием новых месторождений. Самыми крупными производителями остаются Казахстан, Канада и Австралия, они добывают до 63% мирового урана. Кроме этого запасы металла имеются в Австралии, Бразилии, Китае, Малави, России, Нигере, США, Украине, КНР и других странах. Ранее Пронедра писали, что за 2016 год в РФ было добыто 7,9 тысячи тонн урана.

В наши дни уран добывают тремя разными способами. Не теряет своей актуальности открытый метод. Он используется в тех случаях, когда залежи находятся близко к поверхности земли. При открытом способе бульдозеры создают карьер, затем руда с примесями грузится в самосвалы для транспортировки на перерабатывающие комплексы.

Урановый карьер

Часто рудное тело залегает на большой глубине, в таком случае используется подземный способ добычи. Вырывается шахта глубиной до двух километров, породу, путём сверления, добывают в горизонтальных штреках, перевозят наверх в грузовых лифтах.

Урановая руда

Смесь, которая таким образом вывозится наверх, имеет множество составляющих. Породу необходимо измельчить, разбавить водой и удалить лишнее. Далее в смесь добавляют серную кислоту для проведения процесса выщелачивания. В ходе этой реакции химики получают осадок солей урана жёлтого цвета. Наконец, уран с примесями очищается на аффинажном производстве. Только после этого получается закись-окись урана, которой и торгуют на бирже.

Работник проверяет уровень радиации оксида урана

Есть гораздо более безопасный, экологически чистый и экономически выгодный способ, который называют скважинным подземным выщелачиванием (СПВ).

Добыча урана методом подземного выщелачивания: 1 — откачивающая скважина; 2 — закачивающая скважина; 3 — сорбционная установка; 4 — десорбционная установка; 5 — добавление реагентов; 6 — осадок в виде окиси урана

При этом методе разработки месторождений территория остаётся безопасной для персонала, а радиационный фон соответствует фону в крупных городах. Чтобы добыть уран с помощью выщелачивания, необходимо пробурить 6 скважин по углам шестиугольника. Через эти скважины в залежи урана закачивают серную кислоту, она смешивается с его солями. Этот раствор добывают, а именно выкачивают через скважину в центре шестиугольника. Чтобы добиться нужной концентрации солей урана, смесь по нескольку раз пропускают через сорбционные колонны.

Разведанные запасы урана в мире по странам (топ-16)

• Австралия – 1 706 тысяч тонн
• Казахстан – 679 тысяч тонн
• Россия – 505 тысяч тонн
• Канада – 493 тысячи тонн
• Нигер – 404 тысячи тонн
• Намибия – 382 тысяч тонн
• ЮАР – 338 тысяч тонн
• Бразилия – 276 тысяч тонн
• США – 207 тысяч тонн
• Китай – 199 тысяч тонн
• Монголия – 141 тысяча тонн
• Украина – 117 тысяч тонн
• Узбекистан – 91 тысяча тонн
• Ботсвана – 68 тысяч тонн
• Танзания – 58 тысяч тонн
• Иордания – 40 тысяч тонн
• Остальные страны – 191 тысяча тонн

Можно заметить, что четверть мировых запасов находится в Австралии, которая к атомной энергетике не имеет никакого отношения. Значительные ресурсы расположены в Казахстане, ЮАР, Намибии, Бразилии, Нигере – странах, в которых либо совсем нет атомных электростанций, либо имеющих всего несколько реакторов и зачастую добычу урана в них ведут иностранный компании. Так уран в Нигере добывают французы для своих нужд.

В то же время такие страны как США, Китай, в особенности Индия, Франция, Япония, Южная Корея, Великобритания – испытывают острый дефицит в природном уране. В результате на текущий момент, развернута настоящая война среди этих стран за контроль над месторождениями урана, особенно жесткая борьба происходит в Африке, где ради этого начинаются гражданские войны, идет поддержка «нужных» сепаратистов, погибают тысячи людей.

Подобные «битвы» происходили и в близлежащем к России Казахстане, правда, вопрос решался в первую очередь с помощью взяток, подкупа, судебных войн за право владения источниками ресурса. Сейчас в Казахстане, как информирует справочник СНГ, действуют несколько урановых шахт, направленных на экспорт. Свою атомную электростанцию Казахстан никак не построит.

Но завладеть шахтой с ураном полдела, уран для использования на АЭС нужно еще и обогатить и процесс этот весьма трудоемкий. Собственные мощности по обогащению урана имеют всего 15 стран мира. Среди них как крупные игроки – Россия, США, Япония, Франция, Германия, Великобритания, Китай и Индия. Так есть и более мелкие страны с точки зрения ядерной энергетики – Аргентина, Бразилия, Израиль, Иран, Бельгия, Северная Корея, Пакистан. Важным моментом является и то, что на 6 стран – Россию, США, Великобританию, Франция, Германию и Бельгию – приходится 97% мировых мощностей по обогащению урана. В результате крупные игроки, такие как Росатом и Westinghouse делят мир под себя, постоянно встречаясь на разных площадках – например на АЭС Темелин, или на украинских АЭС – Запорожской и Южно-Украинской. Стоит отметить, что использование топлива Westinghouse на российских реакторах типа ВВЭР было признано небезопасным, но те же украинцы все равно пытаются перейти на него, на свой страх и риск.

Что будет через десять лет? Мир может отказать от атомной энергетики, как это делает Германия и взвинтить цены на нефть вновь, может, если не забыть о Фукусиме, то хотя бы сделать правильные выводы и обуздать мирный атом.

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.

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 (Читинская область). 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.

• Дата: July 19, 2014
• Ав.

Выделение из раствора

Теперь надо извлечь металл из раствора. В России на предприятиях компании Uranium One применяют сорбцию ионообменными смолами. Затем уран отделяют от смолы и осаждают при помощи перекиси водорода. Образуется суспензия, которую фильтруют и сушат.

В результате получают желтый порошок – кек. Его очищают от примесей прокаливанием (процесс называется аффинажем) и получают закись-окись урана. Этим веществом горнодобывающие компании торгуют на бирже.

Фото: урановый концентрат (желтый кек)

Могут использовать другие технологии извлечения из раствора, например экстракцию и селективное выделение окислительно-восстановительными реакциями. Посредством цикла этих реакций постепенно удаляют примеси.

Перевод урана в твердое агрегатное состояние позволяет получить диоксид UO2 и тетрафторид UF4. Из последнего делают металлический чистый уран путем нагревания вместе с Ca или Mg. Из тетрафторида также получают гексафторид, который применяют для разделения изотопов.

Физические свойства

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы):

Уран был впервые выделен в 1841 году.

Фотопластинки Беккереля, которая была засвечена излучением солей урана.

Первым человеком, который изолировал уран, был Эжен Пелиго, профессор химии в Национальной консерватории искусств и ремесел (Conservatoire National des Arts et Métiers) в Париже.

Пилиго успешно продемонстрировал, что таинственный черный порошок, открытый Мартином Генрихом Клапротом, был не чистым веществом, а оксидом урана (UO2 ). Он сделал это, обработав тетрахлорид урана (черный порошок) калием.

Затем в 1896 году физик Анри Беккерель обнаружил радиоактивные свойства урана наряду с самой радиоактивностью. Для этого он использовал несколько фосфоресцентных материалов, которые светятся в темноте после воздействия света.

Он накрыл фотопластинку черной бумагой и поочередно поместил разные фосфоресцентные соли. Он предположил, что свечение, создаваемое в ЭЛТ (электронно-лучевые трубки) рентгеновскими лучами, может быть связано с фосфоресценцией.

Результаты были неожиданными, так как урановая соль была единственным веществом, которое вызывало значительное почернение пластины. Исследование прояснило, что фосфоресценция не была позади запотевания пластины (соли урана не являются фосфоресцентными) и что там была какая-то форма невидимого излучения, которое проникало в черную бумагу и создавало вид, будто пластина подвергается воздействию света.

Партия геологов и заключенных

От урановой обогатительной фабрики до жилой зоны в лагере «Сопка» всего три километра, но путь занял четыре с половиной часа. Сильный низовой ветер при минус 19 временами не позволял двигаться вперед, полностью закрывая видимость и почти сбивая с ног. До тюрьмы на лагерном пункте «Центральный» нам с Андреем Осиповым приходилось, меняясь, топтать тропу, увязая по колено даже в снегоступах. Хорошо, что выше «Центрального» снег превратился в наст и идти стало легче.

Николай Дмитриев мог стать нобелевским лауреатом и «человеком столетия»

За четыре с половиной часа можно многое вспомнить о местах, через которые пробиваемся. Оловорудное месторождение Бутугычаг открыл в 1936 году легендарный геолог Борис Леонидович Флеров, а уже через год геологи зашли сюда со стороны Колымы вместе с заключенными. Добыча олова началась одновременно с разведкой. Объект был настолько важен, что название «Бутугычаг» появилось на карте СССР. А за перевыполнение плана 1938 года начальник рудника был награжден орденом Ленина.

Подъем на лагпункт «Центральный». Фото: Павел Жданов

В 1945 году, когда по всей стране велись активные поиски урана и тория для атомного проекта, на Бутугычаге обнаружили урановую минерализацию. Уже в 1948 году все урановое производство, разведка, рудник, а затем и обогатительная фабрика были переданы Первому управлению Дальстроя. На Нижний Бутугычаг стали прилетать за урановым концентратом самолеты эскадрильи знаменитого полярного летчика генерал-майора И.П. Мазурука. Урановую руду и касситерит добывали здесь до конца 1954 года. А когда запасы истощились, рудник законсервировали.

Точное количество заключенных, работавших на рудниках Бутугычага, назвать сложно. По сведениям, приведенным в книге И.В. Грибановой «Тенька. Виток спирали», максимальное количество в 1952 году достигало 8000 человек, в 1950-м — 5000, в иные годы составляло 2000-3000.

Мы подходим туда, где они жили.

Вид от ворот лагпункта «Сопка» на столярные мастерские рудника «Горняк». Фото: Павел Жданов

Запасы и производство урана

В данных таблицах приведены оценки по мировым запасам в 2015 году и производству урана в 2013 году на основании оценок Всемирной ядерной ассоциации (World Nuclear Association, WNA).

В данных таблицах приведены оценки по мировым запасам и производству урана в 2009 году на основании данных World Nuclear Association и European Nuclear Society.

В данной таблице приведены сведения о производстве урана в 2006 году по данным British Geological Survey.

Характеристики урановых руд

Виды урана

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

Помимо естественных изотопов, есть еще искусственные атомы U.

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

Классификация руды

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

По условиям образования руды можно разделить на:

• эндогенные;
• экзогенные;
• метаморфогенные.

По типу минерализации урановые руды различают:

Характеристика урановой руды

• первичные;
• окисленные;
• смешанные.

Классификация по размерам зерен:

• дисперсные (<0,015 мм);
• тонкозернистые (0,015–0,1 мм);
• мелкозернистые (0,1–3 мм);
• среднезернистые (3 до 25 мм);
• крупнозернистые (> 25 мм).

Ураносодержащая порода состоит из различных примесей, а именно различают:

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

Классификация по химическому составу:

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

Руда разделяется по способу обработки:

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

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

• бедную (< 0,1%);
• рядовую (0,25–0,1%);
• среднюю (0,5–0,25%);
• богатую (1–0,5%);
• очень богатую (>1% U).

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

Канада (Северная Америка)

Ведущее место по запасам урановой руды в Северной Америке и четвертое в мировых масштабах принадлежит Канаде. Общие запасы урана в стране насчитывают 468700 тонн U, что составляет 8,80% мировых запасов. Канада владеет уникальными месторождениями типа «несогласий», руды которых богаты и компактны, крупнейшие из них МакАртур-Ривер и Сигар Лейк. В стране разрабатывается месторождение урана «Проект Уотербери», состоящий из нескольких месторождений, площадь которого составляет 12417 гектаров.

Запасы урана в канадском Саскачеване сравнимы с 4 миллиардами тонн угля или 19 миллионам баррелей нефти. Всего же Канада разрабатывает 18 месторождений урана. Себестоимость добычи урана в Канаде одна из самых низких в мире и равна 34$ за кг. По производству урана североамериканцы уступают только Казахстану и занимают второе место, в мире производя 9332 тонны U в год. Канадская компания Cameco занимает 2 место, по производству топлива добывая 9144 тонн U.

Заключение

В конце статьи хотелось бы заметить, что все не так плохо. Все еще хуже. Дело в том, что Роснедра уже не надеются на то, чтобы Россия оставалась экспортером урана. Согласно плану Бавлова, 10 миллиардов долларов позволят довести уровень добычи лишь до 70 процентов от уровня потребления. Оставшиеся 30 процентов урана все равно будут закупаться за рубежом. Это печально, так как запасов урана России хватит еще на 40 лет, в то время как возникший дефицит является скорее дефицитом добывающих мощностей.

Кроме того, дефицит урана не только негативно отразится на ценах на ядерное топливо, но и наверняка выйдет боком многим АЭС за рубежом, ведь корпорация «ТВЭЛ», по некоторым данным уже прекратившая экспорт, занимает 17 процентов мирового рынка ядерного топлива. От нее зависят 76 энергетических и 30 исследовательских реакторов в 13 странах мира.

От нее и от объемов добычи урана в Краснокаменске.