Урановая руда

Как добывают уран

Около 99,4% земного урана представляет собой уран-238, оставшиеся 0,6% приходятся на уран-235, применяемый при разработках ядерного оружия.

Уран — один из наиболее изученных металлов таблицы Менделеева, ученым хорошо известны его геологические и химико-технологические свойства. Знания о происхождении урановых месторождений, об условиях их образования и колоссальные объемы геологоразведочных работ позволили в 1950–1980-х годах практически на всех континентах выявить крупные месторождения и мегапровинции урана.

1 – ОТКРЫТЫЙ

Подходит для тех случаев, когда рудное тело находится близко к поверхности. Открытая разработка урановых месторождений традиционная как и для многих других полезных ископаемых:

• буро-взрывные работы по вскрыше и по руде
• экскавация погрузочным оборудованием на транспортные средства
• транспортировка ураносодержащего сырья с забоя (места добычи) до перерабатывающих мощностей
• собственно переработка: дробление, измельчение, обогащение / выщелачивание

2 – ПОДЗЕМНЫЙ

Подземная добыча ведётся при глубоком залегании рудного тела и в связи с высокой себестоимостью данного способа является экономически оправданным при высокой концентрации урана в породе. Технически ограничений по глубине залегания руд при подземном методе разработки не существует, но на сегодняшний день самые глубокие урановые рудники не превышают 2 км. Дальнейшее углубление рудника ведет к чрезмерному увеличению себестоимости добытого урана.

При подземном способе добычи наиболее опасным фактором является радон, который может распространяться на значительные расстояния и создавать в рудничной атмосфере высокие концентрации. Среднее время жизни атома радона — 5,5 суток. При организации радиационной защиты главная проблема состоит в том, что по мере отработки запасов постоянно увеличивается доля общерудничного дебита радона, выделяющегося из отработанных горных выработок.

Ключевые этапы подземной добычи:

• отбойка руды
• погрузка руды на транспорт (ЖД транспорт, шахтные самосвалы)
• откатка руды до приемного бункера
• транспортировка руды на поверхность в скипе
• транспортировка на поверхности до перерабатывающих мощностей

Добытая руда транспортируется на перерабатывающий комплекс. Руду измельчают, смешивают с водой и удаляют ненужные примеси. Дальше проводят выщелачивание концентрата, обычно с помощью серной кислоты. Из раствора с помощью ионно-обменных смол выделяется осадок солей урана, имеющих характерный желтый цвет, за что они получили название желтый кек (от англ. yellow cake). Желтый кек еще содержит достаточно много примесей, от которых его очищают на аффинажном производстве и после прокаливанием получают закись-окись урана (U3O8) — конечный продукт.

3 — СКВАЖИННОЕ ПОДЗЕМНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (СПВ)

При СПВ по внешнему контуру бурят скважины, через которые в рудное тело закачивают серную кислоту. Во внутреннем контуре также бурят скважины и через них выкачивают на поверхность раствор, насыщенный солями урана.

Продуктивный раствор пропускают через сорбционные колонны, в которых соли урана собираются на специальной смоле. Смолу в свою очередь снова обрабатывают серной кислотой и так несколько раз, пока концентрация урана в растворе не станет достаточной. А дальше снова желтый кек, очистка и получение закиси окиси-урана.

Вот так в реальности выглядит поверхностный комплекс уранодобывающего комплекса по скважинному подземному выщелачиванию.

По замкнутому кругу

После откачки из скважин с продуктивным раствором происходит одна из двух вещей: либо он отправляется прямиком на завод, либо (если первое затруднительно или нецелесообразно) на локальную сорбционную установку. В обоих случаях с раствором происходит одно и то же: его пропускают через ионообменную смолу, чтобы «вытащить» из раствора уран. На заводе за этот и все последующие процессы отвечает Юрий Лыгалов. Вверенное ему хозяйство представляет собой разделённое на несколько уровней помещение, во всю высоту которого установлены огромные ёмкости из нержавейки.

На заводе в ёмкостях обрабатывают полученный из шахт раствор. Фото: АиФ/ Людмила Ковалёва

«В каждой из этих колонн происходит свой процесс, – рассказывает Лыгалов. – В тех четырёх колоннах уран садится на смолу, потом промывка, донасыщение, десорбция и снова промывка. В результате этих манипуляций мы получаем товарный десорбат, где содержание урана в тысячу раз выше, чем в продуктивном растворе. Затем путём добавления различных реагентов мы осаждаем уран из десорбата и высушиваем его. Получаем наш готовый продукт – урановый концентрат, или жёлтый кек. Раствор и смола после переработки снова пригодны для использования».

Люди на предприятии не ходят в костюмах химзащиты, да случайно залетевшие птицы не спешат падать замертво. Фото: АиФ/ Людмила Ковалёва

Вопреки ожиданиям, на участке никто не ходит в костюмах химзащиты и не носит «лепестки» – по технике безопасности здесь положены только халат и каска. Да и людей не так уж много. В каждую смену задействованы всего три человека, и работа их заключается в основном в том, чтобы следить за параметрами через монитор. Остальную работу делает автоматика.

Оператор контролирует процесс на экране компьютера. Фото: АиФ/ Людмила Ковалёва

Впрочем, машины могут пока не всё. Например, теми самыми параметрами, за которыми следят на участке Юрия Лыгалова, обеспечивает производственников химико-аналитическая лаборатория под началом Ольги Беззубовой. Круглосуточно, по очереди женщины в белых халатах проводят от 50 до 100 различных анализов за смену – на содержание урана и сопутствующих веществ в продуктивных растворах, готовой продукции и сорбентах.

Лабораторные проверки – важная часть работы. Фото: АиФ/ Людмила Ковалёва

– А пробы из окружающей среды вы исследуете? Например, с территорий, прилегающих к добыче.

– Законтурные пробы имеете в виду? Да, мы все их делаем и обычно ничего не находим, никаких вредных веществ, – заверяет начальник лаборатории.

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.

Открытие.

Уран был открыт в 1789 немецким химиком М.Клапротом, который присвоил имя элементу в честь открытия за 8 лет перед этим планеты Уран. (Клапрот был ведущим химиком своего времени; он открыл также другие элементы, в том числе Ce, Ti и Zr.) В действительности вещество, полученное Клапротом, было не элементным ураном, но окисленной формой его, а элементный уран был впервые получен французским химиком Э.Пелиго в 1841. С момента открытия и до 20 в. уран не имел того значения, какое он имеет сейчас, хотя многие его физические свойства, а также атомная масса и плотность были определены. В 1896 А.Беккерель установил, что соли урана обладают излучением, которое засвечивает фотопластинку в темноте. Это открытие активизировало химиков к исследованиям в области радиоактивности и в 1898 французские физики супруги П.Кюри и М.Склодовская-Кюри выделили соли радиоактивных элементов полония и радия, а Э.Резерфорд, Ф.Содди, К.Фаянс и другие ученые разработали теорию радиоактивного распада, что заложило основы современной ядерной химии и атомной энергетики.

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 238U (99,27 %, период полураспада — 4 510 000 000 лет), 235U (0,72 %, период полураспада — 713 000 000 лет) и 234U (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 238U является исходным элементом, а 234U – один из продуктов. 235U порождает ряд распада актиния

Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238U (99,27 %, период полураспада — 4 510 000 000 лет), 235U (0,72 %, период полураспада — 713 000 000 лет) и 234U (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 238U является исходным элементом, а 234U – один из продуктов. 235U 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 UO2, тетрагалогенидах, таких как UCl4, и зеленом водном ионе U4+) и +6 (как в оксиде UO3, гексафториде UF6 и ионе уранила UO22+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой 2+. Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO2+ неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO2+ одновременно сводится к U4+ и окисляется до UO22+) даже в очень разбавленных растворах.

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); Добыча урана в России
• 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.

Мировые запасы

Подтверждённые мировые запасы диоксида титана составляют:

• Китай – 232,9 млн. тонн.
• Украина – 184 млн. тонн.
• Россия – 177 млн. тонн.
• Бразилия – 123 млн. тонн.
• Индия – 100 млн. тонн.
• Норвегия – 57 млн. тонн.
• Канада – 51,4 млн. тонн.
• ЮАР – 34,1 млн. тонн.
• Австралия – 21,4 млн. тонн.
• Остальные страны – 59,1 млн. тонн.

Если оценивать в процентном отношении залежи титановых руд, то ситуация будет несколько иная:

• Китай – 38%.
• Россия – 17%
• Австралия – 10%.
• Бразилия – 6%.
• Норвегия – 4%.
• Индия – 4%.
• Канада – 3%.
• Украина – 1%.
• Другие страны – 17%.

Различия объясняются разнообразием месторождений и трудностью объективной оценки точного количества залежей этого минерала.

Гибрид учёного и чекиста

В 1945 году по Германии, а также Чехословакии, Болгарии и Венгрии колесила группа советских геологов под командой профессора и полковника Семёна Александрова, который ещё с 1920-х годов занимался поиском радиоактивных руд на Дальнем Востоке, работал на урановом руднике в Средней Азии. В 1940 году профессор Александров – заместитель начальника Управления горно-металлургической промышленности Главного управления лагерей (ГУЛАГ) НКВД, а в июле 1941 года он становится заместителем начальника и главным инженером ГУЛАГа, то есть начальником целой империи, в которую входили горно-металлургические предприятия НКВД и сотни тысяч человек. Гибрид учёного и чекиста – невообразимый сплав, но в сталинскую эпоху, чему подтверждением целая система «шарашек», – в порядке вещей. Философ мог бы заметить, что время порождало не только новые элементы, но и новые сочетания профессий.

Уран, который не разглядели в Тюрингии и Саксонии местные геологи, не скрылся от проницательного профессора Александрова. Его вердикт был твёрд: в Рудных горах достаточно урана, чтобы начать промышленные разработки.

В 1947 году на основании указа главнокомандующего советской военной администрацией в Германии маршала Соколовского о передаче Саксонского горнодобывающего управления в собственность СССР в счёт репараций был издан приказ об организации советского государственного акционерного общества «Висмут». Кстати, почему предприятие назвали «Висмут»? В Периодической таблице Менделеева висмут – это последний ещё не радиоактивный элемент. По принятой в советской оборонке логике, предприятие надо было засекретить так, чтобы даже свои не догадались. Вот и взяли абсолютно нерадиоактивное название. Как часто бывает, для противника это был секрет Полишинеля. Руководитель Манхэттенского проекта генерал Гровс, узнав о начале работ в Рудных горах, сказал: «Русские хотят получить с паршивой овцы хоть шерсти клок». Правда, потом американцы сильно огорчились. Овца-то оказалась вовсе не паршивой. Если искать сравнения с овцами, то это было золотое руно.

Кстати, со временем выяснилось, что висмут – ценнейший материал в ядерной энергетике, ядерной медицине, радиоизотопной промышленности, а также при производстве детекторов ядерного излучения. Таким образом, если бы в середине ХХ столетия были известны свойства висмута, то «Висмут» назывался бы иначе.

В 1949 году после удачного испытания советской атомной бомбы профессор Семён Александров, в числе первых награждённых получил звание Героя Социалистического Труда. В той же первой партии «героя» получил генерал-майор Михаил Мальцев, первый директор «Висмута». Героями Соцтруда стали и шесть работников «Висмута», а семеро – лауреатами Сталинской премии. Щедрость наград говорит о значении «Висмута» для создания советской атомной бомбы.

Любопытно, что Семён Александров и Михаил Мальцев были земляками – оба родились на Донбассе. Генерал Мальцев тоже всей жизнью был связан с НКВД, работал в «Волгострое», был начальником Воркуто-Печорского управления исправительно-трудовых лагерей НКВД. Из этого вовсе не следует, что Михаил Мальцев лютовал и видел в рабочей силе безмолвных и неодушевлённых рабов. Люди жили по законам своего времени, и было бы высокомерным верхоглядством сплеча судить об их жизни, исходя из ценностей иной эпохи.

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:

1. Биверли;
2. Олимпик Дам;
3. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.