Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта первым, восстановившим из руды один из наиболее распространённых минералов урана – настуран.
• Французского химика ЭженаПелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес.
• Великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева – поставившего уран в соответствующую его характеристикам клетку 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.

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

• Тяжёлый, гибкий и ковкий металл, плотностью 18-19 г/см³.
• Температура плавления равняется +1132,3⁰C.
• Температура кипения составляет +4113⁰C.
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +150⁰C, уран способен самовозгораться.
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определённых температурах: альфа, бета и гамма.
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.
• Химически очень активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной плёнкой.

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего 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.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

• откалывание (отбивание) материала,
• погрузку его на вагонетки или шахтные самосвалы,
• перевозку руды до бункера приёмки,
• скиповое поднятие на поверхность,
• транспортировку к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

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

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

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид ²³⁵U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

• Обеднённый уран представляет собой технологические отходы процесса обогащения. Содержание ²³⁵U в нём колеблется в пределах: 0,1–0,3 %. Тем не менее, постепенно он находит широкий диапазон применения в качестве:

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

• Низкообогащённый уран с концентрацией ²³⁵U доходящей до 20%, широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.
• Высокообогащённый 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.

• Термодиффузия – концентрирующая различные по массе изотопы в отдельных температурных зонах.
• Электромагнитная сепарация – отбирающая разно заряженные ионы в отдельные сборники.
• Газовая диффузия – использующая неодинаковую скорость проникновения частиц через мелкопористые мембраны.
• Центрифугирование – разделяющее газовую среду по скоростям вращающихся потоков.
• Аэродинамическая сепарация – создающая завихряющиеся потоки в соплах искривлённой конфигурации.

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

Применение

Ядерное топливо

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

Геология

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

Другие сферы

В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

• Австралия – 19 месторождений. Крупнейшими из них являются: ОлимпикДан – 3 тыс. тонн добычи ежегодно, Биверли – 1 тыс. тонн., Хонемун – 900 тонн.
• Казахстан. 16 месторождений. 6 наиболее значимых: Будёновское, Западный Мынкудук, Ирколь, Корсан, Южный Инкай, Харасан.
• Россия. 7 месторождений. Из них в эксплуатации находятся три: Аргунское, Жерловское, Источное.
• Канада. Известные урановые залежи на территории этой страны: МакАртур-Ривер, Сигар Лейк и "Проект Уотербери".
• ЮАР. Месторождение Доминион и рудники: Вааль-Ривер, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн.
• Нигер. 12 залежей. Наибольшие: Азелит, Арлит, Имурарен, Мадауэла.
• Намибия. 4 месторождения.

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

• Австралия – 40%.
• Канада – 15%.
• Казахстан – 13%.
• Бразилия – 8%.
• Южная Африка – 6,5%.

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

• Казахстан – 21,705 тыс. тонн. 41% мировой добычи, составляющей 53,498 тыс. тонн.
• Канада – 7,001 тыс. тонн. Что составляет 13% от общемирового уровня.
• Австралия – 6,517 тыс. тонн или 12%.
• Намибия – 5,525 тыс. тонн.
• Нигер – 2,911 тыс. тонн.
• Россия – 2,904 тыс. тонн.
• Узбекистан – 2,404 тыс. тонн.
• Китай – 1,855 тыс. тонн.
• Украина – 1,18 тыс. тонн.
• США – 582 тонны.
• Также добычей урана занимаются: Индия – 423 тонн, ЮАР – 346 тонн, Иран – 71 тонна и Пакистан – 45 тонн.