Урановая руда

Способы добывания урана

Существует три способа добывания урана, выбор конкретного зависит от состава руды и глубины залегания минерального образования:

1. Открытый — используется с применением спецтехники, когда руда располагается близко к поверхности земли (до 50 метров). Для добычи с помощью бульдозеров роется котлован, затем экскаваторами руда погружается в самосвалы и доставляется на перерабатывающий завод. К минусам данного способа относится низкое качество добываемого ископаемого, а также причинение вреда экологии местности.
2. Подземный — более сложный метод. Применяется, если руда располагается на значительной глубине, и только при высокой концентрации урана в породе. Способ заключается в бурении вертикальной шахты (глубиной до 2 км), с последующим извлечением руды из подземных недр. Современные технические возможности способны производить добычу на любой глубине, однако при глубине свыше двух километров добыча становится нерентабельной. Таким образом, подземный способ более затратный по сравнению с открытым, но руда высокого сорта.
3. Выщелачивание — предварительно бурят скважину, закачивают серную кислоту в виде специального химического раствора, которая растворяется в пласте рудных залежей и насыщается урановыми соединениями. Полученный выщелоченный уран насосами выкачивается наверх и отправляется на обрабатывающие предприятия. Недостаток метода — возможность его использования только на породах песчаника и при залегании руды ниже уровня подземных вод. Таким образом, подобная технология требует предварительного точного геологического исследования.

В последнее время более востребован третий способ добычи урана, поскольку он помогает получить высокую концентрацию необходимого вещества с небольшим содержанием загрязняющих химических элементов и уменьшением экономических затрат. Таким образом, это наиболее чистый способ добычи с экологической точки зрения и безопасности работников добывающего предприятия.

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.

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.

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.

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.

Уран и производство электричества

Символ урана в периодической таблице — U. Уран состоит в основном из двух изотопов — 235U и 238U. Уран на 99,7 % состоит из изотопа 238U и только оставшиеся 0,7 % — это изотоп 235U.

Именно изотоп 235U, который составляет столь малый процент урана, позволяет получить энергию посредством расщепления ядра атома. Для производства электричества концентрация изотопа 235U должна составлять 3–4 %. Поэтому химики обогащают уран.

Обогащение урана можно провести двумя способами: с помощью ультрацентрифугирования или газовой диффузии. Оба метода разделяют изотопы и в результате концентрация 235U повышается.

Ядерная энергия считается чистой, потому что она не выделяет парниковые газы и её отходы достаточно малы. Другим преимуществом этой энергии то, что её легко транспортировать и она не требует много места для хранения.

Обогащённый уран прессуют в таблетки размером 1х1 см. Энергоотдача такой таблетки очень высока: две таблетки способны обеспечить энергией семью из 4 человек на 1 месяц.

Таким образом, уран является отличной альтернативой нефти и углю: чтобы произвести столько же электроэнергии, сколько производит 1 килограмм урана, потребуется 10 тонн нефти и 20 тонн угля. Это помимо негативных эффектов, которые последние оказывают на окружающую среду. К тому же нефть и уголь требуют много места.

Как добывают Уран (13 фото)

Уран используют 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 атомной энергетике. 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 химического элемента 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

Есть на свете компания под названием Uranium One, которой принадлежат крупнейшие урановые месторождения в Казахстане, Африке, Австралии и США. На компанию приходится до 30% мировой добычи урана. Но мало кто знает, что Uranium One, когда-то основанная, как канадско-южно-африканский консорциум, сейчас на 100% принадлежит «Росатому». В мире непрерывно идет жесточайшая борьба за контроль над рудниками и месторождениями урана. Это вопрос стратегический. Тот, кто держит в руках источники урана, не только держит за горло всю мировую атомную энергетику, но и может влиять на рынок ядерного оружия.

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. В СССР на территориях Казахстана, Киргизии, России, Таджикистана, Узбекистана и Украины были проведены системные работы по поиску и разведке месторождений урана. Были созданы горно-химические комбинаты, которые добывали уран в шахтах и на рудниках. Добытый уран направлялся в военную область, на обеспечение топливом АЭС и в стратегические резервы. Но в начале 90-х всё сломалось.

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. Всего в России прогнозируются залежи в 830 т. тонн урана, подтвержденных запасов имеется около 615 т. 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.

Сплавы, соединения

В урановых сплавах применяют в качестве лигатуры:

• алюминий;
• титан;
• ванидий;
• ниобий;
• тантал и другие металлы.

Основными соединениями урана считают сплавы U-Al, U-Mg и U-Мо.

К сведению: оружейный уран легко превратить в топливный — просто «разбавить» обедненным (естественным).

Применение урана

После того, как урановую руду извлекают из земли, её измельчают, перерабатывают и делают небольшие урановые таблетки. Таблетки урана подвергаются высоким температурам, чтобы они стали более прочными.

Таблетки помещают в трубки, как правило, циркониевые. Каждая трубка вмещает до 335 таблеток. 236 трубок образуют топливную сборку или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент), которую затем помещают в ядерный реактор.

После того как топливо закладывается в реактор, начинается процесс ядерного деления. Деление происходит в результате бомбардировки нейтронами атомного ядра урана.

Когда нейтрон сталкивается с атомом урана, последний расщепляется на два других атома. Происходит выделение большого количества энергии и других нейтронов. Они сталкиваются с атомами и порождают цепную реакцию.

Выделяемая энергия становится теплотой, которая нагревает воду в реакторе. Пар от горячей воды активирует турбины, а те, в свою очередь, запускают электрогенераторы. Такие генераторы и производят электроэнергию.

Ядерная (атомная) энергетика России

В России функционируют 10 атомных электростанций.

Основные залежи урана в России находятся рядом с городом Краснокаменском. Там же находятся основные горно-химическое объединения и крупнейшее уранодобывающее предприятие.

По объёму добытого урана Россия занимает 5 место. А вот по запасам урана — 3 место.

Недостатки ядерной энергии

Одним из основных недостатков является риск аварий и их последствия для окружающей среды. Зоны, заражённые радиоактивностью урана, становятся непригодными для жилья.

Ядерные отходы — ещё одно негативное последствие. Остатки производства не могут быть использованы повторно и должны быть правильно утилизированы. Контакт людей с такими отходами может вызвать генетическую мутацию, болезни и даже немедленную смерть.

Бочки с ядерными отходами

Добыча руды

Месторождения радиоактивного элемента ищут методом аэрогаммасъемки. Затем проводят разведку бурением, изучают породу, оценивают запасы и подбирают технологию добычи и переработки. Существует три способа добычи урановой руды:

• открытый – карьеры;
• подземный – горные выработки;
• скважинное подземное выщелачивание (СПВ).

Карьеры разрабатывают в случае неглубокого залегания руды.

Фото: рудник «Рейнджер» Австралия

Зачастую урановые породы находятся глубоко под землей. В этом случае роют шахты. Этот способ добычи экономически выгоден, если глубина выработки не превышает 2 тысяч метров, а добываемая руда высокого качества. После извлечения на поверхность ее сортируют, пустую породу вывозят на отвалы, а содержащую уран – на завод.

Фото: добыча в шахте

Подземное выщелачивание на сегодня – наиболее перспективный, экономически выгодный и сохраняющий почву метод. При нем не образуются отвалы на поверхности и пустоты в земле. Операторы установок находятся в безопасности, так как нет радиоактивной и токсичной пыли.

Фото: процесс выщелачивания под землей

Этот метод применим только там, где руда залегает ниже уровня грунтовых вод, а под ней и над водой – слой водонепроницаемой глины.

Тогда можно пробурить скважины и пустить по ним вниз выщелачивающий раствор, а вверх откачивать жидкость, содержащую уран. Остальные элементы с обратными растворами возвращаются в землю.

Вам может быть интересно: Как добывают золото.

Физико-химические характеристики

Чистый уран чуть мягче стали, пластичный, ковкий. Слабый парамагнетик. Структура кристаллической решетки вещества меняется при разных температурах.

Даже в обычных условиях металл химически активен:

• Быстро окисляясь, покрывается переливчатой оксидной пленкой.
• Измельченный до порошка спонтанно воспламеняется при 151°C.
• Разъедается водой: чем выше температура и мельче фракции, тем быстрее.
• Растворяется кислотами, устойчив к щелочам.
• Соли вещества распадаются на ярком свету либо под воздействием органики.

Химические свойства вещества также определяются валентностью.

Свойства атома
Название, символ, номер	Уран / Uranium (U), 92
Атомная масса (молярная масса)	238,02891(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	5f3 6d1 7s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность	1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,05 г/см³
Температура плавления	1405,5 K
Температура кипения	4018 K
Уд. теплота плавления	12,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения	417 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,67 Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-61-1

Четырехвалентные образцы урана нестабильны, долго находясь на воздухе, становятся шестивалентными.

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Форма	Примечание
+3	Не существует	Не существует	—	U3+, UH3	Сильный восстановитель
+4	UO2	Не существует	Основный	UO2, галогениды
+5	Не существует	Не существует	—	Галогениды	В воде диспропорционирует
+6	UO3	UO2(OH)2	Амфотерный	UO22+ (уранил), UO42- (уранат), U2O72- (диуранат)	Устойчив на воздухе и в воде

Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены ниже в таблице.

Неметалл	Условия	Продукт
F2	+20 oC, бурно	UF6
Cl2	180 oC для измельчённого 500—600 oC для компактного	Смесь UCl4, UCl5, UCl6
Br2	650 oC, спокойно	UBr4
I2	350 oC, спокойно	UI3, UI4
S	250—300 oC спокойно 500 oC горит	US2, U2S3
Se	250—300 oC спокойно 500 oC горит	USe2, U2Se3
N2	450—700 oC то же под давлением N 1300o	U4N7 UN2 UN
P	600—1000 oC	U3P4
C	800—1200 oC	UC, UC2