В поисках боле дешевого источника энергии, который бы не наносил вреда окружающей среде, мировое научное общество уделило внимание сфере ядерной энергетики. На сегодняшний день количество ядерных реакторов, которые возводятся для выработки энергии, исчисляется сотнями. В качестве сырья для выработки атомной энергии применяется урановая руда. Она содержит в себе вещества, которые относятся к семейству актинидов. По некоторым подсчетам в земле содержится в 1000 раз больше урановой руды, чем золота. Для получения топлива для атомных электростанций проводится ее переработка.
Характеристики урановых руд
Руда урана в свободном виде представлена серо-белым металлом, который может иметь довольно большое количество различных примесей. Стоит учитывать, что непосредственно сам очищенный уран считается химически активным веществом. Рассматривая физико-механические и химические свойства урана, отметим нижеприведенные моменты:
- Температура кипения этого химического элемента составляет 4 200 градусов Цельсия, что существенно усложняет процесс его переработки.
- На воздухе уран окисляется, может растворятся в кислотах и реагировать на воздействие воды. Однако, данный химический элемент не взаимодействует со щелочами, что можно назвать его особенностью.
- При определенном воздействии вещество становится источником довольно большого количества энергии. При этом образуется относительно небольшое количество отработки, с утилизацией которой на сегодняшний день возникает довольно много проблем.
Стоит учитывать, что уран многие относят к редкому химическому элементу, так как его концентрация в земной коре составляет 0,002%. При столь относительно невысокой концентрации этого химического элемента, альтернативного вещества пока найдено не было. Конечно, пока запасов достаточно для непрерывной добычи урана и питания атомных электростанций или двигателей.
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:
- Биверли;
- Олимпик Дам;
- 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.
По некоторой информации, запасы России составляют 400 тысяч тонн урана. На конец 2017 года была открыто и разработано 16 месторождений. Интересно, что 15 из них сосредоточено в Забайкалье. Больше всего урановой руды сосредоточено на Стрельцовском рудном поле.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
Подземно-скважинное выщелачивание
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.
Открытие планетарного масштаба. Так можно назвать обнаружение учеными Урана. Планета открыта в 1781-ом году.
Ее обнаружение стало поводом для наречения одного из элементов таблицы Менделеева . Уран металлический выделили из смоляной обманки в 1789-ом.
Шумиха вокруг новой планеты еще не улеглась, поэтому, идея о названии нового вещества лежала на поверхности.
В конце 18-го века еще не было понятия радиоактивности. Между тем, это основное свойство земного урана.
Ученые, работавшие с ним, облучались, сами того не зная. Кто был первопроходцем, и каковы другие свойства элемента, расскажем далее.
Свойства урана
Уран – элемент , открытый Мартином Клапротом. Он сплавил смоляную с едким . Продукт сплавления был неполностью растворим.
Клапрот понял, что предполагаемых , и в составе минерала нет. Тогда, ученый растворил обманку в .
Из раствора выпали шестигранные зеленого цвета. На них химик воздействовал желтой кровяной , то есть, гексацианоферратом калия.
Из раствора выпал бурый осадок. Этот окисел Клапрот восстановил льняным маслом, прокалил. Получился порошок.
Пришлось прокаливать уже его, смешав с бурым . В спекшейся массе обнаружились зерна нового металла.
Позже выяснилось, что это был не чистый уран , а его диоксид. Отдельно элемент получили лишь через 60 лет, в 1841-ом году. А еще через 55 Антуан Беккерель открыл явление радиоактивности.
Радиоактивность урана обусловлена способностью ядра элемента захватывать нейтроны и дробиться. При этом, выделяется внушительная энергия.
Она обусловлена кинетическими данными излучения и осколков. Есть возможность обеспечить непрерывное деление ядер.
Цепная реакция запускается при обогащении природного урана его 235-ым изотопом. Его не то, чтобы добавляют в металл.
Наоборот, из руды убирают малорадиоактивный и неэффективный 238-ой нуклид, а так же, 234-ый.
Их смесь именуют обедненной, а оставшийся уран называют обогащенным. Именно такой нужен промышленникам. Но, об этом поговорим в отдельной главе.
Уран излучает , как альфа-, так и бета- с гамма-лучами. Их обнаружили, увидев влияние металла на фотографическую пластину, обернутую черной .
Стало понятно, что новый элемент что-то излучает. Пока супруги Кюри исследовали, что именно, Мария получила дозу радиации, ставшей причиной развития у химика рака крови, от которого женщина умерла в 1934-ом году.
Бета-излучение способно разрушить не только человеческий организм, но и сам металл. Какой элемент образуется из урана? Ответ: — бревий.
Иначе его называют протактинием. Обнаружен в 1913-ом, как раз при изучении урана.
Последний превращается в бревий без сторонних воздействий и реактивов, лишь от бета-распада.
Внешне уран – химический элемент — цвета с металлическим блеском.
Так выглядят все актиноиды, к коим и относится 92-ое вещество. Начинается группа с 90-го номера, а заканчивается 103-им.
Стоя в начале списка, радиоактивный элемент уран , проявляет себя, как окислитель. Степени окисления могут быть 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой, 6-ой.
То есть, химически 92-ой металл активен. Если истереть уран в порошок, он самовоспламениться на воздухе.
В обычном виде вещество окислится при контакте с кислородом, покрывшись радужной пленкой.
Если довести температуру до 1000 градусов Цельсия, хим. элемент уран соединиться с . Образуется нитрид металла. Это вещество желтого цвета.
Брось его в воду, — раствориться, как и чистый уран. Разъедают его и все кислоты. Из органических элемент вытесняет водород.
Выталкивает его уран, так же, из соляных растворов , , , , . Если такой раствор встряхнуть, частицы 92-го металла начнут светиться.
Урановые соли нестабильны, распадаются на свету, или в присутствии органики.
Индифферентен элемент, пожалуй, лишь к щелочам. С ними в реакцию металл не вступает.
Открытие урана – это обнаружение сверхтяжелого элемента. Его масса позволяет выделить металл, точнее, минералы с ним, из руды.
Достаточно раздробить ее и засыпать в воду. Урановые частицы осядут первыми. С этого начинается добыча металла. Подробности, в следующей главе.
Добыча урана
Получив тяжелый осадок, промышленники выщелачивают концентрат. Цель – перевести уран в раствор. Используют серную кислоту.
Исключение делают для смолки. Этот минерал в кислоте не растворим, поэтому, используют щелочи. Секрет трудностей в 4-валентном состоянии урана.
Не проходит кислотное выщелачивание и с , . В этих минералах 92-ой металл тоже 4-валентный.
На такой воздействуют гидроксидом , известным, как едкий натр. В остальных случаях хороша кислородная продувка. Не надо отдельно запасаться серной кислотой.
Достаточно нагреть руду с сульфидными минералами до 150-ти градусов и направить на нее кислородную струю. Это ведет к образованию в кислоты, вымывающей уран .
Химический элемент и его применение связаны с чистыми формами металла. Дабы убрать примеси, используют сорбцию.
Ее проводят на ионообменных смолах. Подходит, так же, экстракция органическими растворителями.
Остается добавить в раствор щелочь, чтобы осадить уранаты аммония, растворить их в азотной кислоте и подвергнуть .
Итогом станут оксиды 92-го элемента. Их нагревают до 800-от градусов и восстанавливают водородом.
Итоговый оксид переводят во фторид урана , из которого кальциетермическим восстановлением и получают чистый металл. , как видно, не из простых. Зачем же так стараться?
Применение урана
92-ой металл – основное топливо ядерных реакторов. Обедненная смесь подходит для стационарных, а для силовых установок используют обогащенный элемент.
235-ый изотоп, так же, — основа ядерного оружия. Из 92-го металла можно получить и вторичное ядерное топливо.
Здесь стоит задаться вопросом, в какой элемент превращается уран . Из его 238-го изотопа получают , — еще одно радиоактивное, сверхтяжелое вещество.
У самого 238-го урана велик период полураспада , ондлится 4,5 миллиардов лет. Столь длительное разрушение приводит к малой энергоемкости.
Если рассматривать применение соединений урана, пригождаются его оксиды. Их используют в стекольной промышленности.
Оксиды выступают красителями. Можно получить от бледно-желтых до темно-зеленых. В ультрафиолетовых лучах материал флуоресцирует.
Это свойство используют не только в стеклах, но и урановых глазурях для . Оксидов урана в них от 0,3 до 6%.
В итоге, фон безопасен, не превышает 30-ти микрон в час. Фото элементов урана , точнее, изделий с его участием, весьма красочны. Свечение стекол и посуды притягивает взоры.
Цена урана
За килограмм необогащенной окиси урана дают около 150-ти долларов. Пиковые значения наблюдались в 2007-ом.
Тогда стоимость достигала 300-от долларов за кило. Разработки урановых руд останутся рентабельными и при цене в 90-100 условных единиц.
Кто открыл элемент уран , не знал, каковы его запасы в земной коре. Теперь, они подсчитаны.
Крупные месторождения с рентабельной ценой добычи истощатся к 2030-му году.
Если не откроют новых залежей, или не найдут альтернативы металлу, его стоимость поползет вверх.
В настоящее время ядерная энергия используется в достаточно крупных масштабах. Если в прошлом веке радиоактивные материалы применялись в основном для производства ядерного оружия, обладающего наибольшей разрушительной силой, то в наше время ситуация изменилась. Ядерная энергия на атомных электростанциях преобразуется в электрическую и используется во вполне мирных целях. Также создаются атомные двигатели, которые используются, например, в подводных лодках.
Основным радиоактивным материалом, использующимся для производства ядерной энергии, является уран . Этот химический элемент относится к с семейству актиноидов. Уран открыл в 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот при исследовании настуран, который сейчас также называют «урановой смолкой». Новый химический элемент был назван в честь недавно открытой планеты солнечной системы. Радиоактивные свойства урана были открыты лишь в конце XIX века.
Уран содержится в осадочной оболочке и в гранитном слое. Это довольно редкий химический элемент: его содержание в земной коре 0,002%. Кроме того, в незначительных количествах уран содержится в морской воде (10 ?9 г/л). Благодаря своей химической активности уран содержится только в соединениях и в свободном виде на Земле не встречается.
Урановыми рудами называются природные минеральные образования, содержащие уран или его соединения в количествах, при которых возможно и экономически целесообразно его использование.Урановые руды также служат сырьем для получения других радиоактивных элементов, таких как радий и полоний.
В наше время известно около 100 различных урановых минералов, 12 из которых активно используются в промышленности для получения радиоактивных материалов. Наиважнейшими минералами являются окислы урана (уранит и его разновидности – настуран и урановая чернь), его силикаты (коффинит), титаниты (давидит и браннерит), а также водные фосфаты и урановые слюдки.
Урановые руды классифицируют по различным признакам. В частности, их различают по условиям образования. Одним из видов являются, так называемые, эндогенные руды, которые отложились под воздействием высоких температур и из пегматитовых расплавов и водных растворов. Эндогенные руды характерны для складчатых областей и активизированных платформ. Экзогенные руды формируются в близкоповерхностных условиях и даже на поверхности Земли в процессе накопления (сингенетические руды) или в результате (эпигенетические руды). Возникают преимущественно на поверхности молодых платформ. Метаморфогенные руды, возникшие при перераспределения первично рассеянного урана в процессе метаморфизма осадочных толщ. Метаморфогенные руды характерны для древних платформ.
Кроме того, урановые руды подразделяют на природные типы и технологические сорта. По характеру урановой минерализации различают: первичные урановые руды – (содержание U 4 + не менее 75% от общего количества), окисленные урановые руды (содержат в основном U 6 +) и смешанные урановые руды, в которых U 4 + и U 6 + находятся примерно в равных соотношениях. От степени окисления урана зависит технология их обработки. По степени неравномерности содержания U в кусковой фракции горной («контрастности») выделяют весьма контрастные, контрастные, слабо контрастные и неконтрастные урановые руды. Этот параметр определяет возможность и целесообразность обогащения урановых руд.
По размерам агрегатов и зёрен урановых минералов выделяются: крупнозернистые (свыше 25 мм в поперечнике), среднезернистые (3–25 мм), мелкозернистые (0,1–3 мм), тонкозернистые (0,015–0,1 мм) и дисперсные (менее 0,015 мм) урановые руды. Размеры зёрен урановых минералов также определяют возможность обогащения руд. По содержанию полезных примесей урановые руды бывают: урановые, уран-молибденовые, уран-ванадиевые, уран- -кобальт-висмут-серебряные и другие.
По химическому составу примесей урановые руды разделяют на: силикатные (состоят в основном из силикатных минералов), карбонатные (более 10–15% карбонатных минералов), железоокисные (железо-урановые руды), сульфидные (более 8–10% сульфидных минералов) и каустобиолитовые, состоящие в основном из органического вещества.
Химический состав руд часто определяет способ их переработки. Из силикатных руд уран выделяется кислотами, из карбонатных – содовыми растворами. Железо-окисные руды подвергаются доменной плавке. Каустобиолитовые урановые руды иногда обогащаются путём сжигания.
Как уже говорилось выше, содержание урана в земной коре достаточно невелико. В России имеется несколько месторождений урановых руд:
Жерловое и Аргунское месторождения. Располагаются в Краснокаменском районе Читинской области. Запасы Жерлового месторождения составляют 4137 тысяч тонн руды, в которых содержится всего лишь 3485 тонн урана (среднее содержание 0,082%), а также 4137 тонн молибдена (содержание 0,227%). Запасы урана на Аргунском месторождении по категории С1 составляют 13025 тысяч тонн руды, 27957 тонн урана (среднее содержание 0,215%) и 3598 тонн молибдена (при среднем содержании 0,048%). Запасы по категории С2 составляют: 7990 тысяч тонн руды, 9481 тонн урана (при среднем содержании 0,12%) и 3191 тонн молибдена (среднее содержание 0,0489%). Здесь добывается примерно 93% всего российского урана.
5 урановых месторождений (Источное, Количканское, Дыбрынское, Намарусское, Кореткондинское ) расположены на территории Республики Бурятия. Суммарные разведанные запасы месторождений составляют 17,7 тысяч тонн урана, прогнозные ресурсы оцениваются еще в 12,2 тысяч тонн.
Хиагдинского урановое месторождение. Добыча ведется методом скважинного подземного выщелачивания. Разведанные запасы этого месторождения по категории C1+C2 оценены в 11,3 тысяч тонн. Месторождение расположено на территории республики Бурятия.
Радиоактивные материалы применяются не только для создания ядерного оружия и топлива. Так, например, уран в небольших количествах добавляют в стекло, для придания ему цвета. Уран входит в состав различных металлических сплавов, применяется в фотографии и других сферах.
является управляющей компанией Горнорудного дивизиона Госкорпорации «Росатом», консолидирующей российские уранодобывающие активы. Минерально-сырьевая база непосредственно самого холдинга по итогам 2017 года составляет 523,9 тыс. тонн (2 место среди крупнейших уранодобывающих компаний мира).
Сосредоточенные в компании уникальные компетенции позволяют выполнять весь комплекс промышленных работ – от геологоразведки до добычи и переработки природного урана. Это важно, потому что российские активы уранодобычи находятся на разных стадиях жизненного цикла: от разведки (проект «Элькон») до интенсивной промышленной эксплуатации месторождений. Крупнейшее предприятие, входящее в контур управления Уранового холдинга «АРМЗ», - это основанное в 1968 году «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО, Забайкальский край) . Оно уже много десятилетий осуществляет добычу подземным горным способом.
Эффективно развиваются два других предприятия - АО «Хиагда» в Республике Бурятия и АО «Далур» в Курганской области, добывающие уран более экологически чистым методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ).
В отличие от традиционного способа добычи, который заключается в извлечении руды из недр, ее дроблении и гидрометаллургической переработке, при СПВ урановая руда остается на месте залегания. Посредством системы скважин через рудную залежь прокачивается выщелачивающий реагент с последующей откачкой урансодержащего раствора на поверхность, где он последовательно перерабатывается до получения конечного продукта – желтого кека или закиси-окиси урана. При СПВ почвенный покров почти не нарушается, не образуется отвалов пустой породы и отходов, а состояние вмещающего руду водоносного горизонта после отработки восстанавливается до начального состояния. Данная технология значительно экономичнее и экологически предпочтительнее карьерного или шахтного способов добычи урана.
АО «Хиагда» оценивается как самый перспективный актив холдинга. Расширение его производственной базы уже в ближайшем будущем позволит выйти на проектную мощность в 1000 тонн урана в год.
Среди других дочерних предприятий АО «Атомредметзолото» - сервисный центр АО «РУСБУРМАШ», осуществляющий разведку природных ископаемых как в России так и за рубежом, инжиниринговый центр АО «ВНИПИпротехнологии», специализирующийся в проектировании и строительстве промышленных объектов «под ключ».
Кроме добычи урана, Урановый холдинг «АРМЗ» реализует также ряд проектов, связанных с добычей редких, редкоземельных и драгоценных металлов. Один из ключевых проектов – освоение Павловского свинцово-цинкового серебросодержащего месторождения на архипелаге Новая земля, минерально-сырьевая база которого позволит организовать одно из крупнейших перерабатывающих предприятий в России. Основой для этой деятельности служит многолетний опыт разработки месторождений в самых разнообразных геоклиматических условиях. В АО «Далур» планируется организовать попутное производство концентрата (до 10 тонн в год) и концентрата редкоземельных металлов (до 450 тонн в год). ППГХО на разрезе «Уртуйский» ведет добычу угля.
Благодаря инвестициям и оптимизации деятельности производительность труда в Урановом холдинге «АРМЗ» растет, а себестоимость добычи – снижается. Внедрение прогрессивных технологий также способствует повышению результатов. В частности, в АО «Далур» в 2015 году была смонтирована технологическая линия сушки «желтого кека» с проектной мощностью 120 кг продукта в час. Влажность суспензии соединений урана благодаря вводу линии снизилась с 30% до 2%. В свою очередь, это не только снижает затраты на логистику, но и обеспечивает удобство дальнейшей переработки для получения высокочистых соединений урана.
Зарубежные уранодобывающие активы Госкорпорации «Росатом» объединяет холдинг Uranium One. Он имеет диверсифицированный портфель международных активов в Казахстане, США и Танзании. Минерально-сырьевая база Uranium One, согласно оценкам по стандартам международной отчетности, составила на конец 2018 года 216 тыс. тонн урана (по сравнению с 2017 годом значение не изменилось). Объем добычи урана в 2018 году составил 4,4 тыс. тонн урана.
Добыча осуществляется с применением экологически щадящей технологии скважинного подземного выщелачивания. Uranium One является сторонником экологически чистой энергетики, поддерживает самые высокие стандарты в сфере защиты окружающей среды, обеспечения охраны жизни и здоровья сотрудников, активно участвует в программах развития местных сообществ на территориях присутствия компании.
Особенностью разработки урановых месторождений является возможность применения для них как обычных горных способов добычи (открытый и подземный), так и способов подземного (скважинное, блочное) и кучного выщелачивания. Распространённость в мире различных способов добычи урана: подземный 37%, открытый 24%, попутная добыча 18%, скважинное подземное выщелачивание 12%, неопределён 7%.
При добыче и производстве урана предпринимаются различные меры предосторожности для защиты здоровья персонала:
- - Тщательно контролируется уровень запылённости, чтобы минимизировать попадание в организм у- или а-излучающих веществ. Пыль является главным источником радиоактивного облучения. Она обычно даёт вклад в 4 мЗв/год в ежегодную дозу, получаемую персоналом.
- - Ограничивается внешнее радиоактивное облучение персонала в шахтах, на заводах и местах размещения отходов. На практике уровень внешнего облучения от руды и отходов обычно настолько низок, что он практически не влияет на увеличение допустимой ежегодной дозы.
- - Естественная вентиляция открытых месторождений уменьшает уровень экспозиции от радона и его дочерних изотопов. Уровень облучения от радона не превышает 1% от уровня, допустимого для непрерывного облучения персонала. Подземные рудники оборудуются системами вентиляции для достижения того же уровня. На Австралийских и Канадских подземных рудниках средняя доза облучения составляет ~з мЗв/год.
- - Существуют строгие гигиенические нормы на работу персонала с концентратом оксида урана, поскольку он химически токсичен, подобно оксиду свинца. На практике предпринимаются предосторожности, защищающие органы дыхания от попадания токсинов, аналогичные тем, которые используются при работах на свинцовых плавильных печах.
Остановимся на основных методах добычи уранового сырья несколько подробнее.
Шахтный способ добычи урана - один из основных способов производства урана. Организация работ аналогична методам горнодобывающей промышленности других металлов, но есть и отличия. Урановые руды залегают чаще всего в виде узких пластов, что приводит к образованию рудника в виде разветвлённых штреков. Так как разработка урановой руды ведётся на одном горизонте с образованием штреков и очистных блоков, расположенных вблизи от основной откаточной выработки, то образование пыли в значительной мере локализовано. Отсутствие циркуляции воздуха от одного блока к другому не вызывает их взаимного загрязнения, а образование пыли в урановых рудниках не велико.
При эксплуатации подземных урановых рудников шахтные воды рудника постоянно откачиваются и направляются на гидрометаллургический завод в систему замкнутого технологического водооборота. Мощная вентиляция не позволяет концентрироваться радону в воздухе. Если после окончания рабочей смены вентиляция выключается, то атмосферные концентрации радона и его дочерних продуктов резко возрастают, и поэтому перед началом следующей смены необходимо снижать эти концентрации до предельно допустимых
Основная опасность для шахтёров урановых рудников исходит от вдыхания воздуха, содержащего радон, выделившийся из руды. В урановых рудах, кроме урана, содержатся все другие члены радиоактивного ряда, в котором он является материнским нуклидом. Наибольшую опасность для здоровья горняков представляют следующие элементы этого семейства: 222 Rn, 21t *Pb, 211 Bi и 21 «Ро. Содержание радона в атмосфере рудника определяется скоростью эманирования, скоростью вентиляции и периодом полураспада радона. Непосредственные дочерние продукты распада радона имеют малый период полураспада и быстро накапливаются в атмосфере, даже если радон поступает в шахту без дочерних продуктов.
Ввиду того, что относительная вредность дочерних продуктов радона больше, чем вредность самого радона, контроль за радиоактивным загрязнением воздуха в урановых рудниках может осуществляться по продуктам его распада. В качестве допустимого рабочего уровня содержания дочерних продуктов распада радона в рудничной атмосфере предлагается величина «скрытой энергии», равная 1,з*ю5 МэВ/л воздуха.
Популярным способом добычи урана являются открытые карьеры (некоторые из них глубиной до 500 м). Считается, что радиационная опасность таких карьеров для шахтёров значительно меньше, чем подземных шахт. Однако, для окружающей среды открытая добыча урана может представлять серьёзную опасность из-за пылеуноса. Изменения ландшафтов, нарушение растительного покрова, неблагоприятные воздействия на местную фауну - неизбежные последствия открытых разработок. Трудной задачей является засыпка карьера отработанной породой и рекультивация после окончания горнодобывающих работ.
Существуют правила и законы, определяющие меры по охране окружающей среды, оговаривают такие требования, как предварительные
оценки воздействия на окружающую среду; постепенное проведение программы восстановления, включая восстановление ландшафтов и лесных массивов, посадка эндогенной флоры, восстановление эндогенной дикой природы; а также проверки соответствия состояния окружающей среды существующим нормам.
Рис. 4. Добыча урана методом подземного выщелачивания.
Добыча растворением
(выщелачивание на месте залегания) включает в себя введение щёлочной или кислой жидкости (например, серной кислоты) через скважины в залежи урановой руды, и выкачивание обратно. Этот способ не требует удаления руды с места добычи, но может использоваться только там, где месторождения урана расположены в водоносном слое в водопроницаемой породе и не слишком глубоко (-200 м).
Преимущества этой технологии - уменьшенный риск несчастных случаев и облучения для персонала, низкая стоимость, не требуется много места для складирования отходов. Главные недостатки - риск отклонения выщелачивающих жидкостей от месторождения урана и последующего загрязнения грунтовой воды, и невозможность восстановления естественных условий в зоне выщелачивания после окончания операций. Возникшая загрязненная смесь или перемещается в водохранилища, или отправляется в глубокие ликвидационные колодцы.
Выщелачивание - извлечение одного или нескольких компонентов из руд, концентратов, отходов производства водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент, а также с использованием определенных видов бактерий; частный случай экстрагирования из твёрдой фазы. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией, в результате которой извлекаемый компонент переходит из формы, не растворимой в воде, в растворимую.
Подземное выщелачивание - выщелачивание на месте залегания урановых руд. Оно включает впрыскивание серной кислоты в массу руды и исключает проблему хранения хвостов, но при неблагоприятных условиях может вызвать загрязнение подземных вод.
Выщелачивание основано на способности извлекаемого вещества растворяться лучше, чем остальные. Растворители - раствор аммиака, кислот, щелочей, хлоридов металлов или хлора, сульфатов и т.п. Выщелачивание может сопровождаться окислением извлекаемого материала с целью перевода труднорастворимых соединений в легкорастворимые (окислительное выщелачивание). В качестве окислителя применяют газы (воздух, кислород), жидкие и твёрдые неорганические вещества (HN0 3 , Мп0 2 , КМп0 4 и др.), бактерии (бактериальное выщелачивание).
Скважинное подземное выщелачивание применяется при отработке пластовых месторождений. Условиями его применимости являются высокая проницаемость и обводнённость рудовмещающей среды. При использовании этого способа месторождение разделяется на полигоны, последовательно разбуриваемые системами закачных и откачных скважин, причём на одну закачную приходится две-три или более откачных. Время выщелачивания урана из пород на каждом полигоне составляет 1^-3 года. В зависимости от состава используемых рабочих растворов выделяют кислотную схему выщелачивания урана (растворы серной кислоты) и карбонатную схему (растворы карбонатов-бикарбонатов натрия и аммония).
Подземное выщелачивание состоит в подаче выщелачивающего раствора под землю непосредственно в рудное тело или в слой специально подготовленной руды и выкачивании раствора, просочившегося через слой руды, на поверхность. Известны два основных варианта подземного выщелачивания - скважинный (бесшахтный) и шахтный (блочный). В подземных рудниках используются старые или специально созданные шахты, подготовленные подземные камеры с обрушенной рудой, а для сбора продукционного раствора - штольни или штреки.
Подземное выщелачивание, применяемое обычно при глубине залегания рудного тела не более боо м, позволяет вовлечь в горнорудную промышленность бедные урановые руды, резко сократить объёмы капитальных вложений и сроки строительства предприятий, повысить в несколько раз производительность труда, значительно уменьшить вредное воздействие на природу (не нарушать ландшафт, резко снизить количества твёрдых отходов и вредных веществ, выносимых на поверхность земли, сравнительно просто восстанавливать отработанные участки).
Подземное скважинное выщелачивание является способом разработки рудных месторождений без поднятия руды на поверхность путём избирательного перевода ионов природного урана в продуктивный раствор непосредственно в недрах. Данный метод осуществляется бурением скважин через урановорудные тела, подачей раствора в урановорудные тела, подъёма урансодержащих растворов на поверхность и извлечением из них урана на сорбционных ионообменных установках, добавлением кислоты в маточные растворы и закачкой их снова в недра. При скважинном выщелачивании не происходит изменения геологического состояния недр, так как не производится выемка горнорудной массы.
В процессе скважинного выщелачивания в подвижное состояние в недрах переходит и выводится на поверхность менее 5% радиоактивности, по сравнению со 100% при традиционных способах добычи урана. Отпадает необходимость строительства хвостохранилищ для хранения отходов с высоким уровнем радиации. Природная гидрогеохимическая среда на урановых месторождениях обычно способна к самовосстановлению от техногенного воздействия. За счёт постепенного восстановления естественных окислительно-восстановительных условий происходит медленный, но необратимый процесс рекультивации подземных вод рудовмещающих водоносных горизонтов. Существуют методы значительной интенсификации этого процесса, ускоряющий рекультивацию в десятки раз.
Тем не менее, метод скважинного выщелачивания является достаточно опасным с экологической точки зрения способом добычи. Выщелачивающий уран-содержащий раствор может вытечь из рудного тела зоны через разломы в горной породе или разрывы в гидроизолирующих слоях с последующим распространением по водоносному слою. Это может привести к загрязнению грунтовой воды на больших расстояниях от рудника. Помимо урановых выщелачивающие растворы растворяют и другие минералы, в результате чего подвижным становится не только уран, но и элементы: радий, мышьяк, ванадий, молибден, кадмий, никель, свинец и др., причём они концентрируются в тысячу раз. Минералы осаждаются из раствора в процессе подземного выщелачивания, образуя кальцит, гипс и другие минералы. Возникшие осадки могут уменьшить или даже полностью блокировать поток раствора через урансодержащие области, приводя к непредсказуемым результатам или преждевременному закрытию рудника.
Скважинное выщелачивание производит большие количества сточных вод и растворов, от которых нужно избавиться экологически приемлемым способом. К ним относятся промывные воды и жидкие отходы от урановой обогатительной фабрики. Эти жидкости смешивают и повторно закачивают в ту же самую грунтовую воду, что участвовала в добыче урана, или закачивают в глубокий водоносный слой далеко от других пользователей грунтовых вод. В этих жидких отходах находятся высокие концентрации радионуклидов и тяжёлых металлов, и область их распространения нуждается в восстановлении после закрытия рудника.
Кучное выщелачивание - процесс получения полезных компонентов растворением подготовленного (раздробленных бедных руд или хвостов обогатительной фабрики) и уложенного в специальный штабель минерального сырья, с последующим их выделением (осаждением) из циркулирующих растворов.
Кучное выщелачивание применяется для переработки руд, содержащих легкорастворимые полезные компоненты; такие руды должны быть относительно пористыми и недорогими. Иногда кучное выщелачивание используется для переработки отвалов, возникших в результате процессов предшествующей добычи. Для загрузки руды подготавливается слабо наклонная поверхность, непроницаемая для выщелачивающих растворов. Вдоль и поперек этой поверхности создаются водосборные углубления для дренажа. После загрузки руда заливается количеством выщелачивающего раствора, достаточным для того, чтобы пропитать всю её толщу. Раствор проникает между частицами руды и производит растворение полезных компонентов. Через некоторый период времени материал высушивают и извлекают корку, образованную растворившимися ценными составляющими, а обработанную рыхлую породу смывают в дренажную систему.
Выщелачивание путём просачивания используется при переработке руд, которые при дроблении измельчаются плохо и не содержат природного шлама или глины. Это довольно медленный процесс. Выщелачивание при просачивании осуществляется в баках, хорошо приспособленных для загру"зки и разгрузки. Дно бака должно быть эффективным фильтром, позволяющим производить через него закачку и откачку раствора. Баки загружаются раздробленной рудой определенной фракции крупности. Затем выщелачивающий раствор закачивается в бак и впитывается в руду. По истечении необходимого времени выдержки раствор с выщелоченными компонентами откачивается, а руда промывается для удаления остатков выщелачивающего раствора.
В процессе выщелачивания возможны выбросы пыли, радона и выщелачивающей жидкости. После завершения процесса выщелачивания, в особенности если руда содержит сульфид железа, то после её доступа к воде и воздуху может начаться непрерывное бактериальное производство кислоты в отвалах, что ведёт к самопроизвольному выщелачиванию урана в течение многих столетий с загрязнением грунтовых вод.