5.3. Добыча и переработка уранового сырья.
Основной задачей технологии урана является получение урана в форме, пригодной для его дальнейшего использования или хранения. Такими формами могут быть: закись-окись урана, уран металлический, диоксид урана, тетрафторид урана. В каждом конкретном случае, в зависимости от вида конечного продукта, выбирается своя технологическая схема переработки урановых руд.
Урановые руды добывают открытым способом, или шахтным (рис.5.5, 5.6). В последние годы развиваются технологии подземного выщелачивая урана без переработки руды.
Рис. 5.5. Шахтный способ добычи урана (http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/21_3.pdf)
Рис. 5.6. Урановый карьер в Казахстане (http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/21_3.pdf)
При добыче урана открытым или шахтным способами с рудников на дальнейшую переработку поступают куски руды размером до 1 метра. В исходной руде минералы урана очень сильно рассеяны. Урановые руды содержат обычно небольшое количество ураносодержащего минерала (0,05-0.5% U3O8), так что необходимы предварительное извлечение и обогащение минерала. Поэтому одна из самых первых стадий уранового производства — концентрирование. В большинстве случаев размер зѐрен урановых минералов в руде составляет от 0,01 до 1 мм. Минералы в руде практически полностью экранированы минералами пустой породы. Поэтому первой стадией переработки руд является их дробление и измельчение. Измельчение производится обычно в водной среде в шаровых или стержневых мельницах. Вода подается вместе с материалами, примерно, в равном количественном отношение твердого к жидкому. Смесь измельченной руды с водой называется пульпой. В результате измельчения твердый материал в пульпе приобретает текучесть и транспортируется из мельниц самотеком в гидравлические классификаторы, где первичные минералы урана, как наиболее тяжелые соединения, осаждаются в первую очередь.
Основным методом обогащения урановых руд является химическое концентрирование, которое заключается в селективном растворении (выщелачивании) урановых минералов. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.
Основная же масса урана из добываемых руд выщелачивается серной кислотой. Основным недостатком серной кислоты при вскрытии урановых руд является необходимость добавления окислителя. В качестве окислителя можно применять HNO3, MnO2, KClO3 и др. Чаще всего в промышленной практике применяют в качестве окислителя очищенный природный минерал пиролюзит (MnO2).
При выщелачивании урана из руд, содержащих минералы группы уранинита, серной кислотой в присутствии MnO2 протекает следующая реакция:
U3O8 + 4H2SO4 + MnO2 → 3UO2SO4 + MnSO4 + 4H2O (5.2)
Третий способ добычи урана состоит в подземном выщелачивании соединений урана. Суть подземного выщелачивания заключается в добыче урана избирательным растворением его химическими реагентами в рудном теле на месте залегания с извлечением на поверхность и последующей переработкой продуктивных растворов. При подземном выщелачивании проницаемых рудных тел месторождение вскрывается системой скважин, располагаемых рядами, многоугольниками, кольцами. В скважины закачивают выщелачивающий раствор (1 – 2 % -я серная кислота или карбонатный раствор) который, просачиваясь через урановый пласт, вскрывает урановые минералы. Полученный урановый солевой раствор поднимается на поверхность через откачные скважины с помощью погружных насосов и направляется на ионообменное извлечение урана.
Метод подземного скважинного выщелачивания является наиболее привлекательным способом добычи урана с точки зрения упрощенности технологических операций. При данном методе не происходит изменения геологического состояния недр, так как не производится выемка горнорудной массы. Общая поверхность земли, занимаемая полигоном подземного выщелачивания и перерабатывающим цехом для получения 500 метрических тонн U/год U3O8, в 3-4 раза меньше площади, занимаемой типичным гидрометаллургическим заводом на эту же производительность. В процессе скважинного выщелачивания в подвижное состояние в недрах переходит и выводится на поверхность менее 5% радиоактивных элементов по сравнению со 100% при традиционных способах добычи урана. Серная кислота при контакте с породой превращается в гипс, поэтому при данной технологии не остаётся в земле элементов, которых там нет. И если и бывают какие-то размывы, то они быстро устраняются, т.к. при утечках технология не работает. Здесь отпадает необходимость строительства хвостохранилищ для хранения отходов с высоким уровнем радиации. Есть пескоотстойники небольших размеров, которые после завершения добычи легко рекультивировать.
В настоящее время подземное выщелачивание составляет конкуренцию по отношению к традиционному горно-химическому способу получения урана, так как позволяет вовлечь в разработку месторождения урана, залегающие на значительных глубинах месторождения бедных и забалансовых руд, недоступных по экономическим показателям для обычной технологии
Конечный продукт добычи урана представляет концентрат закиси-окиси урана U3O8. Он имеет тот же самый изотопный состав, как и руда, в которой содержание U-235 не превышает 0.7 %. Остальная часть - это более тяжелый изотоп урана - U-238 (с небольшим содержанием U-234). После извлечения из раствора, осадок, содержащий уран, имеет ярко желтую окраску. После высокотемпературной сушки окись урана (U3O8) загружается в специальные емкости и отправляется либо на склад, либо на заводы для получения других соединений урана .
Общая технологическая схема извлечения и переработки урана из руды показана на рис 5.7.
Рис.5.7. Общая схема переработки урансодержащих руд