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.

Разведанные российские запасы урана оцениваются в 615 тысяч тонн, а прогнозные ресурсы - в 830 тысяч тонн (2005 г.). К сожалению, многие из них находятся в труднодоступных регионах. Самым крупным среди является месторождение Элькон на юге Якутии, его запасы исчисляются 344 тыс. т. Около 150 тыс. т - запасы другого месторождения, известного под названием Стрельцовское рудное поле в Читинской области. 70 тыс. т.
По состоянию на 1999 государственным балансом запасов урана России учтены запасы 16 месторождений, из которых 15 сосредоточены в одном районе - Стрельцовском в Забайкалье (Читинская обл.) и пригодны под горный способ добычи.

Открытый (карьерный) метод в России сейчас не применяется. Шахтный метод используется на месторождениях урана в Читинской области. Более широко используется технология подземного выщелачивания. Добываемые ураносодержащие руды и растворы перерабатываются с целью получения урановых концентратов на месте. Полученный продукт направляются для дальнейшей переработки на ОАО «Чепецкий механический завод».

В в России урановую руду добывала корпорация «ТВЭЛ», включающая три дочерних предприятия: Приаргунское горно-химическое объединение в городе Краснокаменске Читинской области (3 тыс. т/г), ЗАО «Далур» в Курганской области и ОАО «Хиагда» в Бурятии (мощность каждого 1 тыс. тонн урана в год).

В Читинской области открыты урановые месторождения Аргунское, Жерловое и Берёзовое. Запасы: категория С2 - 3,05 млн т руды и 3481 т урана при среднем содержании урана в руде 0,114 %, прогнозные ресурсы урана Горного месторождения по категории С1 составляют 394 тыс. т руды и 1087 т урана, по С2 - 1,77 млн т руды и 4226 т урана. Прогнозные ресурсы месторождения категории Р1 составляют 4800 т урана. Запасы Оловского месторождения по категории В+С1 составляют 14,61 млн т руды и 11 898 т урана.

Расположенное в Читинской области (Забайкалье) Стрельцовское рудное поле - включает в себя более десятка месторождений урана (и молибдена), пригодных под шахтный и карьерный способы добычи. Из них самые крупные - Стрельцовское и Тулендевское - имеют запасы по 60 и 35 тыс. тонн соответственно. В настоящее время добыча ведётся шахтным способом на пяти месторождениях силами двух рудников, что обеспечивает 93 % производства российского урана (2005). Так неподалеку от города Краснокаменск (460 км к юго-востоку от Читы), добывается 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом (ранее использовался и карьерный способ) «Приаргунское производственное горно-химическое объединение » (ППГХО).

Остальной уран России добывают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» и ОАО «Хиагда», находящиеся в Курганской области и Бурятии соответственно. Полученный урановый концентрат и ураносодержащие руды перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

Зауралье - район, включающий в себя 3 месторождения: Долматовское, Добровольское и Хохловское с общими запасами порядка 17 тыс. т. содержание урана в руде 0,06 %. Все месторождения сосредоточены в палеодолинах, с глубиной залегания 350-560 м и довольно средними геотехнологическими показателями. Добычу ведёт ЗАО «Далур» (Курганская обл.) производительность 1000 т/г, метод добычи - скважинное подземное выщелачивание.

На Хиагдинском урановом месторождении Бурятии применяется подземное скважинное выщелачивание урана. Добычу ведёт ОАО «Хиагда». Объем добычи составляет 1,5 тыс. тонн уранового концентрата в год. Прогнозные запасы месторождения оцениваются в 100 тыс. тонн, разведанные запасы - в 40 тыс. тонн (предполагаемый срок работы рудника 50 лет). Содержание урана в 1 куб м. обогащенной руды достигает 100 мг. Себестоимость 1 кг обогащенной руды колеблется в пределах 20 долларов. Это в 2 раза ниже, чем на основном урановом руднике России в г. Краснокаменск Читинской области.

Общие запасы месторождений урана в Эльконском районе Якутии составляют 346 тыс. тонн, что относит их к одним из крупнейших в мире. Количественно это превосходит все балансовые запасы в стране, но из-за рядового качества руд они могут стать рентабельными только при высокой цене на уран. С г. готовится проект освоения этих месторождений. Ожидаемая производительность рудника в 2020 г. - 15 тыс. тонн урана в год.

Самое крупное из известных потенциальных источников уранового сырья - Алданское месторождение пригодно для разработки только горным, шахтным способом. По мнению геологов, более перспективно освоение Витимского урановорудного района.
Витимский район (Сибирь) с разведанными запасами в 60 тыс. т при концентрации урана 0,054 % в руде с сопутствующими скандием, редкоземельными элементами и лантаноидами;). Витимский рудный район - включает в себя 5 месторождений, общие запасы которых оцениваются в 75 тыс. т. Наиболее крупными являются: Хиагдинское и Тетрахское. Оба объекта локализованы в палеодолинах, пригодны под способ подземного выщелачивания, особенностью их является расположение в зоне вечной мерзлоты под мощным (100-150 м) чехлом базальтов. Так как в России это самый трудный район для освоения месторождений добыча здесь составляет 100 т/г. Стоимостная категория урана с этих объектов 34-52 дол.

Западно-Сибирский район (Малиновское месторождение с запасами 200 тыс. т урана). Западно- сибирский район - включает в себя 8 мелких месторождений, пригодных под способ ПВ, также локализованных в палеодолинах, с общими запасами порядка 10 тыс. т. Наиболее изученным из них является месторождение Малиновское, где сейчас проводится 2-х скважинный опыт по ПВ урана. Район месторождений несколько легче для освоения, чем Витимский, но до 2010 реальной добыча будет 100-150 т/г. Стоимостная категория урана с этих объектов 13-20 дол. США за фунт U3O8. Дальневосточный рудоносный район, расположенный в прибрежной зоне Охотского моря пока разведан недостаточно.

К перспективным регионам относится Онежский район (Карелия), где обнаружены запасы ванадиевой руды с содержанием урана, золота и платины. «Невскгеология» проведена разведка уранового месторождения (Средняя Падмы) в районе Ладожского озера вблизи деревни Салми (Медвежьегорский район). Запасы урановой руды здесь возможно достигают 40 тыс. тонн. Месторождение не разрабатывается, главным образом из-за отсутствия технологии переработки данного типа руд. К 2005 существующий в России дефицит урана для собственных нужд составил 5 тыс. тонн в год и постоянно рост. Ситуация ухудшилась с началом атомной реформы, когда было принято решение по активному строительство в России новых АЭС с целью доведения доли атомной энергетики в производстве электричества до 25-30 %. В 2004 добыла 32000 т урана при потребности 9900 т. (остальную часть обеспечивали поставки со складов - обеднение военного урана).

Осознавая угрозу топливного кризиса, «Росатом» в 2006 учредил ОАО «Урановая горнорудная компания», УГРК, призванную долгосрочно и надежно обеспечить урановым сырьем старые российские АЭС (с учётом того, что продолжительность их работы продлена до 60 лет), строящиеся российские АЭС, а также построенные и строящиеся Россией АЭС за рубежом (в 2006 шестая часть АЭС в мире работала на российском топливе). Новая компания создана двумя подконтрольными Минатому структурами: корпорацией ТВЭЛ и ОАО «Техснабэкспорт». УГРК рассчитывает довести объем к 2020 добычу урана до 28,63 тыс. тонн. При этом добыча в самой России составит 18 тыс. тонн: на Приаргунском горнохимическом объединении 5 тыс. тонн, на ОАО «Хиагда» - 2 тыс. тонн, ЗАО «Далур» - 1 тыс. тонн, на Эльконском месторождении в Якутии - 5 тыс. тонн, на ряде новых месторождений в Читинской области и в Бурятии - 2 тыс. тонн. Еще 3 тыс. тонн планируется добывать на новых предприятиях, по которым пока известны только прогнозные запасы урана. Кроме этого, компания рассчитывает к 2020 году добывать на двух уже созданных СП в Казахстане порядка 5 тыс. тонн урана. Обсуждается также возможность создания СП по добыче урана в Украине и Монголии. Речь идет об украинском месторождении Новоконстантиновское и монгольском месторождении Эрдес. Компания также рассчитывает на создание еще двух СП по добыче урана в Северном Казахстане - на месторождениях Семизбай и Касачинное. Добываемый совместными предприятиями за рубежом уран будет - после обогащения на российских разделительных производствах, например в созданном Международном центре по обогащению в Ангарске - идти на экспорт.

По добыче урана Российская Федерация находится на пятом месте среди прочих стран мира. Самые известные и мощные месторождения - Хиагдинское, Количканское, Источное, Кореткондинское, Намарусское, Добрынское (республика Бурятия), Аргунское, Жерловое (Читинская область). В Читинской области производится добыча 93% от всего добываемого российского урана (в основном карьерным и шахтным способами). Немного по-другому обстоит дело с месторождениями в Бурятии и Кургане. Урановая руда в России в этих регионах залегает таким образом, что позволяет добывать сырье методом выщелачивания.

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

Способы добычи урановой руды

Как и в любом горнодобывающем деле, существует определенная технология и способы по извлечению урана из породы. Все зависит еще и от того, какой именно изотоп находится в пласте литосферы. Добыча урановой руды осуществляется тремя способами.

Существует шахтный, карьерный и выщелачивающий способ добычи. Применение каждого из них зависит от состава изотопов и глубины залегания породы. Карьерная добыча урановой руды возможна при неглубоком залегании. Риск облучения минимальный. Нет проблем с техникой - широко применяются бульдозеры, погрузчики, самосвалы.

Шахтная добыча - более сложная. Этот способ применяется при залегании элемента на глубине до 2 километров и экономической рентабельности. Порода должна содержать высокую концентрацию урана, для того чтобы добывать ее было целесообразно. В штольне обеспечивают максимальную безопасность, это связано с тем, как добывают урановую руду под землей. Рабочие обеспечиваются спецодеждой, режим работы -строго лимитированный. Шахты оборудуются лифтами, усиленной вентиляцией.

Выщелачивание - третий способ - наиболее чистый с экологической точки зрения и безопасности сотрудников добывающего предприятия. Через систему пробуренных скважин закачивается специальный химический раствор. Он растворяется в пласте и насыщается урановыми соединениями. Затем раствор выкачивается и отправляется на обрабатывающие предприятия. Этот метод более прогрессивный, он позволяет уменьшить экономические затраты, хотя для его применения есть целый ряд ограничений.

Как добывают уран в Казахстане aslan wrote in March 27th, 2017

Урановая промышленность Казахстана по объемам поступления в бюджет страны уступает, пожалуй, только нефтедобыче. В этой отрасли работают более 25 тысяч человек, однако из-за режимности объектов гости на урановых рудниках - крайне редкое явление.

Сегодня в мы увидим как работает добывающее предприятие «Орталык», расположенное в Сузакском районе Южно-Казахстанской области

Рабочая смена сотрудников ТОО «Добывающее предприятие «Орталык» начинается с обязательного медицинского осмотра

У работников уранодобывающего предприятия измеряют давление, температуру, а также проверяют на алкотестер. Хотя, по словам врача, спиртное на объекте строго запрещено, и не было ни одного случая, чтобы последний тест был «провален»

После медосмотра - завтрак в столовой рудника

Специфика производства создает дополнительные требования безопасности - рабочую одежду сотрудники надевают в отдельной раздевалке, выход в ней в вахтовый поселок и чистую зону рудника запрещен

Мастер смены выдает наряд - задание, определяющее содержание, место работы, время ее начала и окончания, условия безопасного выполнения, необходимые меры безопасности

Одной из мер безопасности является ношение в цехах респираторов. Это связано с тем, что при производстве урана используются такие реагенты, как серная кислота, селитра аммиачная

Добыча урана полностью автоматизирована. В операторской можно отследить все процессы, которые происходят на объекте

Добыча урана на «Орталык», как и на всех других предприятиях Казахстана, ведется методом подземного скважинного выщелачивания. Этот метод выбран потому, что является наиболее экологически чистым. Радиационный фон на месторождениях не отличается от радиационного фона крупных городов

Принцип метода подземного выщелачивания заключается в следующем: под землю в ураноносные слои закачивается 2-процентный раствор серной кислоты, который, взаимодействуя с породами, растворяет уран, затем этот обогащенный ураном раствор выкачивается на поверхность. Над каждой скважиной стоит щит управления насосом

В этом помещении на территории полигона со скважинами находится узел распределения растворов

Сотрудникам выдают очки и шляпы, которые спасают от невероятной жары

Через эти трубы в скважины закачивается раствор серной кислоты. Аналогично выглядят и откачные скважины, которые выкачивают уран из-под земли

Затем по трубам раствор с ураном направляется в цех переработки продуктивных растворов (цикл сорбции-регенерации).

При таком методе добычи на «Орталыке» используется около 15 тонн серной кислоты в час

В производстве урана все процессы автоматизированы, однако возможно и ручное управление

В этот цех поступает раствор урана - товарный десорбат урана

Раствор взаимодействует с углеаммонийной солью, чтобы получить концентрат природного урана - «желтый кек»

Проверка показаний пресс-фильтра

Желтый кек или концентрат природного урана - конечный продукт предприятия, который упаковывается в специальные контейнеры. Собственно урана в этом соединении около 45-50%. В этом году планируется добыть 2000 тонн урана. Само месторождение рассчитано на 25 лет работы.

Погружные насосы практически не нуждаются в ремонте, они вырабатывают порядка 30 тысяч часов работы. Однако необходимо постоянно проводить ревизию и в случае необходимости менять рабочие колеса

Параллельно с непосредственной добычей урана в лаборатории проводятся исследования, которые позволяют наиболее эффективно отрабатывать месторождение.

По принятым стандартам в растворе, направляемых обратно в недра, после переработки должно оставаться не более 3 миллиграммов урана на литр, однако по результатам проб потери не превышали 1,2 миллиграммов.

После окончания рабочей смены у сотрудников непременно проверяется доза излучения

Когда мы ехали на предприятие, то ожидали, что вахтовый поселок уранщиков будет выглядеть, как в старые добрые времена - вагончики, в которых ютятся рабочие. Однако вахтовый поселок на "Орталыке" выглядит совершенно иначе - это современный комплекс зданий, в которых есть все, что необходимо человеку для отдыха после работы.

После ужина многие работники проводят время за настольным теннисом.

В вахтовом поселке есть и свое мини-футбольное поле

Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.

История открытия

Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.

Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.

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 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (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 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U 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 UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.

Ядерное топливо

При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.

Другие применения урана

Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.

Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.

Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.

Переработка

Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.

Кристаллические формы

Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.

Руды

Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).

По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.

Добыча

Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.

Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.

Обжиг

Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.

Выщелачивание

Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.

Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .

Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .

Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.

Экстракция

Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.

Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.

Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.

Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.