6.2.1. Добыча природного урана

Уран широко распространен в природе. Значительные его количества обнаружены во многих горных породах и в океанах. Средняя концентрация урана в земной коре~4·10^-6 г/г породы. Средняя концентрация урана в океанических водах~1,3·10^-6 г/л. Известно около 200 минералов, содержащих уран в более высоких количествах. Оценка ресурсов урана определяется масштабом работ и территорией, охваченной геологической разведкой. Особо при этом выделяются запасы тех месторождений, которые приемлемы для промышленного использования. Запасы урана в недрах оцениваются ежегодно МАГАТЭ и АЯЭ ОЭСР, публикуются данные о производстве природного урана (табл. 6.1, 6.2), спросе на него, стоимости переработки и получения основного сырья – концентрата закиси урана U3O8. В основном ведутся разработки урана с содержанием в рудах U3O8 более 0,1%.

Техника разведки урановых руд включает радиометрическую аэрофотосъемку, анализ воды и почвы на наличие урана и радона, гамма-каротаж скважин и цветную аэрофотосъемку местности. Открытая добыча урановых руд производится до глубины 100 м. От разведки месторождений до их вывода на проектную мощность добычи проходит в среднем около 8 лет. Среднее содержание урана в промышленной руде составляет~0,22% U3O8. При столь малой концентрации для извлечения 1 т урана требуется добыть и переработать~1000 т рудной массы, предварительно освобожденной от пустой породы, т.е. после обогащения руды.

Самой современной технологией извлечения урана из руды (до 90–95%) является гидрометаллургическая, которая требует превращения руды путем дробления и помола в рудную муку (порошкообразное состояние). Извлечение урановых оксидов из мелкоразмолотой руды связано с расходом больших количеств воды и химических реагентов. В зависимости от химического и минералогического состава руд для выщелачивания применяются кислотные или щелочные реагенты – серная, азотная, фтористоводородная кислоты или карбонаты щелочных элементов. В случае использования кислотного раствора предпочтительными являются методы селективной экстракции или ионного обмена.

Таблица 6.1 Крупнейшие современные и потенциальные экспортеры урана (64% мировых запасов и 86% производства)

Таблица 6.2 Производство урана, т

Рис. 6.4. Схема основных стадий переработки урановой руды: 1 – дробление и измельчение; 2 – выщелачивание; 3 – селективное выделение урана из растворов и пульп; 4, 7 – селективная экстракция; 5 – десорбция; 6 – промывка водой; 8 – осаждение, сушка и упаковка

На рисунке 6.4 представлена схема основных этапов переработки урановой руды. Поступающая с рудников руда измельчается до состояния мелкого песка. При мокром измельчении получаемая суспензия подается в контур выщелачивания, куда добавляется кислота. Для многих руд необходимо добавлять окислитель, чтобы перевести уран в шестивалентное состояние, соединения которого имеют высокую растворимость. После выщелачивания производят разделение жидкой и твердой фаз. Уран извлекают из раствора методом селективной экстракции или ионного обмена. Уран осаждается, обезвоживается и высушивается, упаковывается и отправляется на металлургический завод для получения чистого урана или его соединений (рис. 6.5).

Концентраты природного урана подвергаются тонкой очистке от примесей. Для этого урановые концентраты растворяют в азотной кислоте. При этом закись-оксид урана переводится в уранилнитрат.

Экстракция урана проводится в растворе трибутилфосфата в керосине. Тонкая очистка позволяет снизить содержание элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов, таких как бор, кадмий, и редкоземельных элементов до миллионных долей процента. При этом уменьшается и содержание других элементов. В результате тонкой очистки получают один из оксидов урана – UO2, UO3или U3O8. Это еще не ядерное топливо, а урановое топливное сырье. Оксиды урана превращают в газообразный гексафторид UF6, используемый в производстве обогащенного урана.

В таблице 6.3 представлены составляющие стоимости 1 т урановой руды и 1 кг U3O8. Видно, что затраты на разведку, перемещение руды и пустой породы составляют 70–75%. Поэтому важнейшим направлением технического прогресса в уранодобывающей промышленности является максимальное удешевление процессов добычи урановой руды.

Уранодобывающая и ураноперерабатывающая промышленность является крупнейшей отраслью мировой индустрии. Ее технический и экономический прогресс, непрерывное совершенствование технологии и организации производства являются гарантией широкого развития ядерной энергетики и увеличения ее роли в энергообеспечении человечества.

Рис. 6.5. Технологическая схема гидрометаллургического завода фирмы «Конвиста юрениум» (США)

Таблица 6.3 Типичные эксплуатационные и капитальные затраты и удельная стоимость производства 1 т урановой руды и 1 кг U3O8 в США

Таблица 6.4 Основные технико-экономические показатели некоторых крупных гидрометаллургических урановых заводов

Таблица 6.5 Производственные мощности гидрометаллургических заводов, т U3O8/ год

В таблицах 6.4 и 6.5 приведены техникоэкономические показатели крупнейших гидрометаллургических заводов на момент их запуска в эксплуатацию и их производственные мощности в различных странах.