Урановая руда

Характеристики урановых руд

Урановыми рудами называют природные образования, содержащие метал в значительной концентрации. Часто совместно с ураном в руде находятся другие радиоактивные элементы, такие как полоний и радий.

Ураносодержащая порода классифицируется по размерам зерен минералов:

Урановая руда

• крупнозернистые – в поперечнике свыше 25 мм;
• среднезернистые – от 3 до 25 мм;
• мелкозернистые – от 0,1 до 3 мм;
• тонкозернистые – от 0,015 до 0,1 мм;
• дисперсные – менее 0,015 мм.

От размеров зерен зависит, каким способом будет осуществляться обогащение.

Урановая руда классифицируется по содержанию примесей;

• уран-молибденовые;
• уран-кобальт-никель-висмут;
• уран-ванадиевые;
• моноруда.

По химическому составу различают руду:

Допустимое содержание примесей в закиси и окиси урана

• силикатную;
• карбонатную;
• сульфидную;
• железо-окисную;
• каустобиолиевую.

По химическому составу определяют, каким способом порода будет перерабатываться. Например:

• из карбонатных руд уран выделяется содовым раствором;
• из силикатных – кислотой;
• из железо-окисных – путем доменной плавки.

Руда классифицируется по содержанию урана:

Распределение добываемых руд по содержанию урана

• очень богатая – содержит свыше 1% металла;
• богатая – от 1 до 0,5%;
• средняя – от 0,5 до 0,25%;
• рядовая – от 0,25 до 0,1%;
• бедная – менее 0,1%.

Из породы, которая содержит уран в пределах 0,01 – 0,015%, металл извлекается как побочный продукт.

Советские урановые рудники[править]

Журнал “Страна и мир”, издаваемый Кронидом Любарским в Мюнхене, в N2/87 опубликовал карту урановых рудников, которая, как явствует из предисловия публикатора (Б.Комаров), доступна любому читателю библиотеки Конгресса США. За несколько долларов гражданин любой страны может получить фото- или ксерокопию “Атласа по советской энергетике”.

1. г.Силламяэ, Эстония. Разработка и переработка урано-фосфатных руд.
2. г. Желтые Воды – с.Терны, Днепропетровская обл. Разработка и переработка урано-железных руд.
3. г. Лермонтов, Ставропольский край. Разработка и переработка урано-молибденовых руд.
4. пос. Чупа, Карелия. Месторождение ураносодержащих материалов.
5. Северозападное побережье Онежского озера. Месторождение ураносодержащих минералов.
6. Ловозерская тундра, Кольский п-ов. Месторождение ураносодержащих минералов.
7. пос. Вишневогорск, Челябинская обл. Месторождение ураносодержащих минералов.
8. пос. Новогорный, Челябинская обл. Месторождение ураносодержащих минералов.
9. пос. Аксуек – ст. Кияхты, Джамбульская обл., Казахстан. Разработка урановых руд.
10. ст. Коктас, Джамбульская обл. Разработка ураносодержащих медных руд.
11. г. Степногорск, Целиноградская обл., Казахстан. Возможно, добыча урана методом выщелачивания. Переработка урановых руд на Целинном горнодобывающем комбинате.
12. пос. Ак-Тюз – пос.Бордунский, Киргизия. Разработка уран- и торийсодержащих свинцовых руд.
13. пос. Чигирик, Ташкентская обл. Переработка урановых руд.
14. пос. Гранитогорск, Джамбульская обл. Разработка и переработка урано-свинцовых руд.
15. пос. Мин-Куш, Нарынская обл., Киргизия. В 1960 г. проводилась
разработка и переработка ураносодержащих руд, одновременно с добычей лигнита.
16. пос. Тюя-Муюн, Ошская обл., Киргизия. Месторождение урано-ванадиевых руд. (тюямуюнита, названного по имени месторождения).
17. пос. Кызыл-Джар, Ошская обл. Разработка ураносодержаших руд одновременно с добычей золота.
18. пос. Каджи-Сай, Иссык-Кульская обл., Киргизия. Разработка ураносодержащих руд одновременно с добычей лигнита.
19. пос. Табошар, Ленинабадская обл., Таджикистан. Разработка и переработка урано-ванадиевых руд.
20. г. Чкаловск, Ленинабадская обл. Возможно, переработка табошарских руд.
21. пос. Сумсар, Таласская обл., Киргизия. Возможно, разработка урановых руд.
22. г. Учкудук, Навоийская обл., Узбекистан. Разработка ураносодержащих руд одновременно с добычей золота на шахте Кокпатас. Возможно, выделение урана на Навоийском горнометаллургическом комбинате.
23. пос. Наугарзан. Леннабадская обл. Разработка урановых руд, которые перерабатываются в Чигирике (см.13).
24.пос.Чаркесар, Наманганская обл., Узбекистан. Заброшенные разработки урановых руд.
25.пос.Чавлисак – пос.Красногорский – г.Янгиабад, Ташкентская обл. Разработка урановых руд.
26.г.Кара-Балта, Киргизия. Переработка урановых руд.
27.г.Вихоревка, Иркутская обл. Возможно, разработка урано-ториевых руд.
28.г.Краснокаменск, Читинская обл. Месторождение урановых руд.
29.г.Слюдянка, Иркутская обл. В 1958 г. еще проводилась разработка урановых руд.
30.г.Алдан, Якутия. Разработка уран- и торийсодержащих руд одновременно с добычей золота.

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 48 кг). Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов).

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивый зеленовато-жёлтый оттенок стеклу .
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
• Сплавы железа и обедненного урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• В начале ХХ века уранилнитрат широко применялся в качестве вирирующего агента для получения тонированных фотографических отпечатков.

Обеднённый уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF₆).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете «Боинг-747» содержится 1500 кг обедненного урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Периоды полураспада

Как уже говорилось выше, каждый из изотопов урана обладает разной энергетической ценностью и разными свойствами, одним из которых является полураспад. Для того чтобы понимать что это такое нужно начать с определения. Периодом полураспада называется время за которое число радиоактивных атомов уменьшается в двое. Период полураспада влияет на многие факторы, в пример можно привести его энергетическую ценность или полное очищение. Если в пример взять последнее то можно посчитать за какой промежуток времени произойдет полная очистка от радиоактивного заражения земли. Полураспады изотопов урана:

Массовое число	Период полураспада	Основной тип излучения
U-233	15.9*10⁴ лет	альфа
U-234	24.5*10⁴ лет	альфа
U-235	71000*10⁴ лет	альфа
U-236	2390*10⁴ лет	альфа
U-237	6.75 суток	бета
U-238	447000*10⁴ лет	альфа
U-239	23.54 минуты	бета
U-240	14 часов	бета

Как можно увидеть из таблицы период полураспада изотопов варьируется от минут до сотен миллионов лет. Каждый из них находит себе применение в разных областях жизнедеятельности людей.

Читайте: Бенгальский тигр как одна из самых крупных кошек на планете.

Уран и производство электричества

Символ урана в периодической таблице — U. Уран состоит в основном из двух изотопов — 235U и 238U. Уран на 99,7 % состоит из изотопа 238U и только оставшиеся 0,7 % — это изотоп 235U.

Именно изотоп 235U, который составляет столь малый процент урана, позволяет получить энергию посредством расщепления ядра атома. Для производства электричества концентрация изотопа 235U должна составлять 3–4 %. Поэтому химики обогащают уран.

Обогащение урана можно провести двумя способами: с помощью ультрацентрифугирования или газовой диффузии. Оба метода разделяют изотопы и в результате концентрация 235U повышается.

Ядерная энергия считается чистой, потому что она не выделяет парниковые газы и её отходы достаточно малы. Другим преимуществом этой энергии то, что её легко транспортировать и она не требует много места для хранения.

Обогащённый уран прессуют в таблетки размером 1х1 см. Энергоотдача такой таблетки очень высока: две таблетки способны обеспечить энергией семью из 4 человек на 1 месяц.

Таким образом, уран является отличной альтернативой нефти и углю: чтобы произвести столько же электроэнергии, сколько производит 1 килограмм урана, потребуется 10 тонн нефти и 20 тонн угля. Это помимо негативных эффектов, которые последние оказывают на окружающую среду. К тому же нефть и уголь требуют много места.

Гибрид учёного и чекиста

В 1945 году по Германии, а также Чехословакии, Болгарии и Венгрии колесила группа советских геологов под командой профессора и полковника Семёна Александрова, который ещё с 1920-х годов занимался поиском радиоактивных руд на Дальнем Востоке, работал на урановом руднике в Средней Азии. В 1940 году профессор Александров – заместитель начальника Управления горно-металлургической промышленности Главного управления лагерей (ГУЛАГ) НКВД, а в июле 1941 года он становится заместителем начальника и главным инженером ГУЛАГа, то есть начальником целой империи, в которую входили горно-металлургические предприятия НКВД и сотни тысяч человек. Гибрид учёного и чекиста – невообразимый сплав, но в сталинскую эпоху, чему подтверждением целая система «шарашек», – в порядке вещей. Философ мог бы заметить, что время порождало не только новые элементы, но и новые сочетания профессий.

Уран, который не разглядели в Тюрингии и Саксонии местные геологи, не скрылся от проницательного профессора Александрова. Его вердикт был твёрд: в Рудных горах достаточно урана, чтобы начать промышленные разработки.

В 1947 году на основании указа главнокомандующего советской военной администрацией в Германии маршала Соколовского о передаче Саксонского горнодобывающего управления в собственность СССР в счёт репараций был издан приказ об организации советского государственного акционерного общества «Висмут». Кстати, почему предприятие назвали «Висмут»? В Периодической таблице Менделеева висмут – это последний ещё не радиоактивный элемент. По принятой в советской оборонке логике, предприятие надо было засекретить так, чтобы даже свои не догадались. Вот и взяли абсолютно нерадиоактивное название. Как часто бывает, для противника это был секрет Полишинеля. Руководитель Манхэттенского проекта генерал Гровс, узнав о начале работ в Рудных горах, сказал: «Русские хотят получить с паршивой овцы хоть шерсти клок». Правда, потом американцы сильно огорчились. Овца-то оказалась вовсе не паршивой. Если искать сравнения с овцами, то это было золотое руно.

Кстати, со временем выяснилось, что висмут – ценнейший материал в ядерной энергетике, ядерной медицине, радиоизотопной промышленности, а также при производстве детекторов ядерного излучения. Таким образом, если бы в середине ХХ столетия были известны свойства висмута, то «Висмут» назывался бы иначе.

В 1949 году после удачного испытания советской атомной бомбы профессор Семён Александров, в числе первых награждённых получил звание Героя Социалистического Труда. В той же первой партии «героя» получил генерал-майор Михаил Мальцев, первый директор «Висмута». Героями Соцтруда стали и шесть работников «Висмута», а семеро – лауреатами Сталинской премии. Щедрость наград говорит о значении «Висмута» для создания советской атомной бомбы.

Любопытно, что Семён Александров и Михаил Мальцев были земляками – оба родились на Донбассе. Генерал Мальцев тоже всей жизнью был связан с НКВД, работал в «Волгострое», был начальником Воркуто-Печорского управления исправительно-трудовых лагерей НКВД. Из этого вовсе не следует, что Михаил Мальцев лютовал и видел в рабочей силе безмолвных и неодушевлённых рабов. Люди жили по законам своего времени, и было бы высокомерным верхоглядством сплеча судить об их жизни, исходя из ценностей иной эпохи.

Ситуация в мире

Сегодня добыча урана осуществляется только в 28 странах мира. При этом 90% месторождений расположены в 10 странах, которые являются лидерами по объемам добычи.

Добыча урановых руд на крупнейших рудниках мира

На первом месте Австралия

Основные показатели:

Полезные ископаемые Австралии

• доказанные запасы – 661 000 т (31,18% от общемировых запасов);
• месторождения – 19 крупных. Самые известные:
  • Олимпик Дам – добывается 3 000 т в год;
  • Биверли – одна тысяча тонн в год;
  • Хонемун – 900 т.
• себестоимость добычи – 40 долларов за один килограмм;
• крупнейшие добывающие компании:
  • Paladin Energy;
  • Rio Tinto;
  • BHP Billiton.

Второе место по объемам добычи у Казахстана

Основные данные:

Рост добычи урана в Казахстане

• доказанные запасы – 629 000 т (11,81% от общемировых запасов);
• месторождения – 16 крупных. Самые известные:
  • Корсан;
  • Ирколь;
  • Буденовское;
  • Западные Мынкудук;
  • Южный Инкай;
• себестоимость добычи – 40 долларов за кг;
• объем производства – 22574 тонны в год;
• добывающая компания – Казатомпром (производит 15,77% от общемирового объема).

Третье место у России

Показатели:

• доказанные запасы – 487 000 т (9,15% от общемировых запасов); Добыча урана в России
• месторождения – 7 крупных. Основная часть сосредоточена в Читинской области. Проектные работы ведутся на Ямале;
• себестоимость добычи – 40 долларов за кг;
• объем производства – 3135 т в год;
• добывающая компания – АРМЗ (АТОМРЕДМЕТЗОЛОТО). Производит 13,68% от общемирового объема.

Четвертое место – Канада

Показатели:

доказанные запасы – 468 000 т (8,80% от общемировых запасов);

Добыча урана на месторождениях Канады

• месторождения – 18 крупных. Самые известные:
  1. МакАртур-Ривер;
  2. Уотербери;
• себестоимость добычи – 34 долларов за один килограмм;
• объем производства – 9332 т в год;
• добывающая компания – Cameco (производит 9144 т урана в год).

Пятое место – Нигер

Нигер (горнопромышленная карта)

• доказанные запасы – 421 000 т (7,9% от общемировых запасов);
• месторождения :
  • Имурарен;
  • Арлит;
  • Мадауэла;
  • Азелит;
• себестоимость добычи – 35 долларов за один килограмм;
• объем производства – 4528 т в год.

Вторая пятерка стран по объемам запасов урана выглядит следующим образом:

• ЮАР – 297 000 т;
• Бразилия – 276 000 т;
• Намибия – 261 000 т;
• США – 207 000 т;
• Китай – 166 000 т.

Добыча урана в мире

По прогнозам специалистов до 2025 года в мире будет увеличиваться количество атомных станций. Этот рост будет провоцировать больший спрос на уран – увеличение на 44% (80–100 тыс. т). Поэтому во всем мире ведется тенденция к использованию вторичных источников урана:

• золото;
• фосфаты;
• медь;
• лигнитсодержащие породы.

Но содержания металла в этих источниках невелико. Такая ситуация ежегодно приводит к росту стоимости. С 2008 года наблюдается стремительное увеличение: с 26 долларов за 1 кг до 64 долларов в 2015 году.

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:

1. Биверли;
2. Олимпик Дам;
3. 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.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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.

Запасы и объемы добычи урановой руды в России

Разведанные запасы урана в нашей стране оцениваются в более чем 400 тысяч тонн. При этом показатель прогнозируемых ресурсов составляет более 830 тысяч тонн. По состоянию на 2017 год в России действует 16 урановых месторождений. Причем 15 из них сосредоточены в Забайкалье. Главным месторождением урановой руды считается Стрельцовское рудное поле. В большинстве отечественных месторождениях добыча осуществляется шахтным способом.

Интересные факты

• Уран был открыт еще в XVIII веке. В 1789 году немецкий ученый Мартин Клапрот сумел произвести из руды металлоподобный уран. Что интересно, этот ученый также является первооткрывателем титана и циркония.
• Соединения урана активно используют в сфере фотодела. Этот элемент применяется для окрашивания позитивов и усиления негативов.
• Главным отличием урана от других химических элементов является естественная радиоактивность. Атомы урана имеют свойство самостоятельно изменяться с течением времени. При этом они испускают лучи, невидимые глазу человека. Эти лучи делятся на 3 вида – гамма-, бета- альфа-излучения (см. Что такое радиация? Действие радиации на организм. Характеристика зон радиоактивного заражения.).

Физико-химические характеристики

Чистый уран чуть мягче стали, пластичный, ковкий. Слабый парамагнетик. Структура кристаллической решетки вещества меняется при разных температурах.

Даже в обычных условиях металл химически активен:

• Быстро окисляясь, покрывается переливчатой оксидной пленкой.
• Измельченный до порошка спонтанно воспламеняется при 151°C.
• Разъедается водой: чем выше температура и мельче фракции, тем быстрее.
• Растворяется кислотами, устойчив к щелочам.
• Соли вещества распадаются на ярком свету либо под воздействием органики.

Химические свойства вещества также определяются валентностью.

Свойства атома
Название, символ, номер	Уран / Uranium (U), 92
Атомная масса (молярная масса)	238,02891(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	5f3 6d1 7s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность	1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,05 г/см³
Температура плавления	1405,5 K
Температура кипения	4018 K
Уд. теплота плавления	12,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения	417 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,67 Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-61-1

Четырехвалентные образцы урана нестабильны, долго находясь на воздухе, становятся шестивалентными.

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Форма	Примечание
+3	Не существует	Не существует	—	U3+, UH3	Сильный восстановитель
+4	UO2	Не существует	Основный	UO2, галогениды
+5	Не существует	Не существует	—	Галогениды	В воде диспропорционирует
+6	UO3	UO2(OH)2	Амфотерный	UO22+ (уранил), UO42- (уранат), U2O72- (диуранат)	Устойчив на воздухе и в воде

Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены ниже в таблице.

Неметалл	Условия	Продукт
F2	+20 oC, бурно	UF6
Cl2	180 oC для измельчённого 500—600 oC для компактного	Смесь UCl4, UCl5, UCl6
Br2	650 oC, спокойно	UBr4
I2	350 oC, спокойно	UI3, UI4
S	250—300 oC спокойно 500 oC горит	US2, U2S3
Se	250—300 oC спокойно 500 oC горит	USe2, U2Se3
N2	450—700 oC то же под давлением N 1300o	U4N7 UN2 UN
P	600—1000 oC	U3P4
C	800—1200 oC	UC, UC2

Процесс добычи урана: просто о сложном

Уран – слаборадиоактивный тяжелый металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Он хорошо поддается обработке, ковкий и гибкий со свойствами парамагнетика (слабо намагничивается), в чистом виде встречается редко, так как химически активен. Добыча урана ведется во многих странах мира, его месторождения обнаружены на шести континентах (только Антарктида пока мало изучена).

Более 99% металла в природе содержится в виде урана-238, который практически не опасен для человека.

В атомной энергетике важен изотоп с массовым числом 235, содержание которого в природе всего 0,7%.

Уран используют в ядерных реакторах, производстве некоторых сортов стекла, оружия, брони, в перспективе – как топливо для ракетных двигателей. В старину его широко применяли для изготовления красок.

В 1789 году немец Мартин Генрих Клапрот изучал «смоляную обманку», которая является побочным продуктом добычи серебра. В процессе выделился новый элемент, названный в честь планеты Уран, открытой за восемь лет до этого. Обманку Клапрот переименует в «урановую смолку».

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжелые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжелые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжелая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. 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 четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определенных условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твердое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, лития, редких земель. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций

Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трехокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

На диоксид урана UO₂ при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF₄. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Современные способы добычи урана

На сегодняшний день известно три способа добычи урана, применение каждого из которых зависит от глубины залегания вещества и от его содержания в породе. Открытый или, как его еще называют, карьерный способ разработки применим лишь при неглубоком залегании металла. Сложностей в процессе добычи этим способом не возникает: для вскрытия и разработки задействуют бульдозеры, для погрузки руды – погрузчики, для вывоза на перерабатывающие предприятия – самосвалы. Стоит уточнить, что открытый способ все же представляет большую опасность для экологии, даже несмотря на то, что после завершения работ карьер засыпают, а на его поверхности проводят рекультивацию. Отработанная порода сохраняет до 85% радиационного фона урана, территория загрязняется солями тяжелых металлов и сульфидами, ядовитыми для организма и покрывается пылью с содержанием радиоактивных элементов.

Другой метод добычи урана – подземный или шахтный позволяет добывать руду более высокого сорта, чем в предыдущем случае, однако добыча становится рентабельной лишь при высоком качестве руды. Обычно глубина современных урановых рудников не превышает 2 км, поскольку строительство более глубоких проходов повышает себестоимость добытого вещества. Организация радиационной защиты в штольнях и шахтах становится главной задачей добывающих предприятий, для чего в них устанавливают современные вентиляционные системы, позволяющие выводить радон из рабочего пространства и направлять внутрь рудника свежий воздух.

Добыча урана методом подземного выщелачивания считается наиболее щадящей для экологии.  Для вскрытия месторождения руды используют систему скважин, в которые закачивают специальный химический реагент. Растворяясь в пласте, он выщелачивает из него полезные вещества, после чего насыщенный соединениями урана, выкачивается на поверхность. Монолитные залежи вскрывают подземными горными выработками, в некоторых случаях используют буровзрывные работы. Эта прогрессивная технология добычи имеет ряд ограничений: ее разрешено использовать ниже уровня залегания грунтовых вод и только в песчанике.

В целом, использование геотехнологического метода, описанного выше, позволяет отрабатывать месторождения с невысоким содержанием урана и сложными условиями залегания. К тому же в несколько раз снижаются затраты на строительство горно-обогатительных предприятий и одновременно повышается производительность работ. Однако даже использование высокотехнологичных способов добычи и переработки урана не исключает вероятности технических ошибок, которые могут привести к серьезным загрязнениям окружающей среды серной кислотой, металлами, высокому уровню радиации, а значит сделать дальнейшее использование природных ресурсов невозможным. Поэтому каждый существующий и перспективный проект добычи урана в мире предполагает привлечение экологов и оценки возможного негативного воздействия на дикую среду, а также разработку программы восстановления эндогенной природы и дальнейший мониторинг ее состояния.