Разведка и добыча урана — важные процессы атомной энергетики. Свойства элемента позволяют генерировать огромное количество энергии из небольшого, по сравнению с другими источниками, объёма сырья.
В природе встречаются разные изотопы урана — атомы с разным числом нейтронов. Самый важный для атомной промышленности — это уран-235. В руде содержится очень малая концентрация нужного изотопа — примерно 0,7%, поэтому специалисты сначала обогащают уран, а только потом используют в промышленности.
В статье расскажем, как добывают уран. Рассмотрим все этапы, от поиска месторождения до переработки для нужд АЭС.
Разведка месторождений: охотимся за сокровищем
Первопроходцы атомной энергетики высоко ценили уран за свойство ядер делиться и высвобождать при этом огромное количество энергии. В физике такая реакция называется ядерным делением. Ценность урана позволяет считать его сокровищем атомной промышленности. Чтобы его найти, нужно исследовать местность и нарисовать карту, но сначала нужно найти урановое месторождение в недрах.
В исследовании выделяют три стадии разведки: предварительная, детальная и эксплуатационная. Нужно соблюдать порядок этапов — сначала проводят предварительную разведку, затем детальную, а потом эксплуатационную. Но иногда их совмещают, если на предварительном этапе месторождение показало хорошие перспективы. Тогда можно сразу перейти к детальной разведке, не дожидаясь окончания предварительной. Если же перспективы месторождения неясны, детальную разведку начинать рано — нужно сначала отсеивать те участки, которые не оправдают затрат.
Если получили положительные результаты, нужно составить план и технический проект. В документах прописывают:
- методы разработки и освоения месторождения,
- способы обработки урановой руды,
- список сооружений,
- расчёт затрат.
Для предварительного исследования используют спутниковую разведку — наблюдение с орбиты. Спутники фиксируют аномалии в рельефе и характере земной поверхности — они свидетельствуют о признаках месторождений. Этот метод удобен для охвата больших территорий, особенно в труднодоступных районах.
Для детальной разведки нужные геофизические методы. Одним из них является аэрорадиометрия, или аэрогамма-съёмка. Уран излучает характерные гамма-лучи, а по их интенсивности можно определить области с повышенной радиоактивностью — возможные месторождения. Самолёты или вертолёты со специальными детекторами фиксируют радиоактивное излучение с поверхности Земли.
Далее нужно проанализировать почву и воду геохимическими методами. Уран вымывается из породы под действием ветра и дождя, а затем распространяется в окружающей среде и оставляет слабый след. Уровень гамма-излучения не представляет опасности для человека и природы. Учёные исследуют химический состав почвы, осадков, подземных и поверхностных вод. Специалисты собирают образцы и проверяют, есть ли там уран. Если концентрация элемента выше обычного, возможно наличие залежей руды.
Бурение скважины — ищем точное место и оцениваем запасы. Когда геофизические и геохимические методы показали наличие потенциальных месторождений, наступает следующий этап — бурение. Это самый точный и дорогостоящий метод разведки. Его цель — получить керны, куски горной породы в форме цилиндра, как пробирка с веществом. Самый лучший способ получить качественный керн — алмазное бурение.
На буровую установку надевают специальные коронки. Алмаз — самый твёрдый материал на планете, поэтому он может разрезать любые другие. Коронки вырезают керны — куски горной породы в форме цилиндра, как пробирка с веществом. Технология позволяет добывать образцы без повреждений структуры.
Добыча урана — извлекаем сокровище на поверхность
Когда нашли точку на карте и определили точные координаты, нужно вытащить клад из-под земли. В атомной промышленности обычно используют один из трёх методов добычи урана.
Карьерный способ — открытый. Используется, когда урановые залежи находятся на небольшой глубине — до 200 метров. Экскаватор снимает поверхностный слой земли, обычно он состоит из песка, глины, камней. Затем породу взрывают и грузят на самосвалы, чтобы транспортировать на обогатительные фабрики.
После окончания добычи карьер нужно рекультивировать — восстановить территорию, чтобы вернуть её в безопасное состояние для окружающей среды и людей. Машины и оборудование увозят, мусор и остатки горных пород утилизируют в соответствии с экологическими стандартами. Хвостохранилища и отвалы бедных руд засыпают грунтом, чтобы создать защитный барьер. В законсервированном карьере приживается новая растительность. Ежегодно нужно мониторить состояние территории — измерять уровень радиации.
Подземный способ — шахты. Используется, когда скопление руды, или рудное тело, находится на такой глубине, когда добывать карьерным методом экономически невыгодно. В горных породах строят шахты и тоннели — через них рабочие или машины получают доступ к урановой руде. Горную массу взрывают, затем поднимают на поверхность. Руду дробят и отправляют на переработку.
Максимальная глубина залегания шахты доходит до 4000 метров — такое месторождение есть в Южно-Африканской Республике. Чтобы обеспечить безопасность, при строительстве и работе большое внимание уделяют вентиляции. Ещё регулярно измеряют уровень радиации. Работники носят специальные защитные костюмы и респираторы.
Скважинное подземное выщелачивание — без копания. Это самый современный и экологически безопасный метод добычи урана. Он используется, когда уран находится в проницаемых породах — например, песчаниках.
Над рудным телом сооружают полигон. По углам шестиугольника бурят шесть скважин, через которые в руду закачивают разбавленную серную кислоту. В центре бурят еще одну скважину, через которую вытягивают на поверхность раствор с растворенными солями урана. Раствор пропускают через специальные колонны, где соли урана собираются на ионно-обменной смоле. Затем смолу снова обрабатывают серной кислотой, и так несколько раз, пока концентрация урана не станет достаточно высокой.
Метод СПВ считается более безопасным для экологии, так как не создаются отвалы пустых пород и отходы производства. Выщелачивание урана происходит прямо в недрах. Руда остается под землей, что исключает контакт персонала с радиоактивной породой.
Датой начала урановой отрасли в СССР считается 28 сентября 1942 года, когда И. В. Сталин подписал распоряжение «Об организации работ по урану». В годы войны в специально созданном подразделении учёные пробовали выделять изотоп урана-235 из полученных образцов урановой породы. Параллельно сотрудники Комитета по делам геологии проводили разведку месторождений.
А в 1945 году начались активные работы на стыке границ Таджикистана, Узбекистана и Кыргызстана. На самых первых рудниках в СССР горную массу перевозили с рудника на завод на ручной или лошадиной тяге. Вагонетки загружали лопатами. Урановую руду измельчали в шаровых мельницах, а затем обрабатывали раствором соды. В шахтах работали заключённые. С развитием промышленности появились машины, вокруг месторождений построили заводы, а поисковыми работами руководили сотрудники Института геологии рудных месторождений.
Обогащение урана — очищаем сокровище
Для использования в атомной промышленности уран нужно обогатить — повысить концентрацию нужного изотопа. В урановой руде большую часть составляет уран-238, а для тепловых реакторов нужен уран-235. В руде его концентрация составляет всего около 0,7%, а для атомной энергетики нужно увеличить показатель до 3–5%.
Переработка урана состоит из нескольких этапов:
- Производство жёлтого кека. Жёлтый кек представляет собой смесь солей урана характерного жёлтого цвета. Порошок получается в результате выщелачивания концентрата урана с помощью серной кислоты.
- Превращение в газ. На следующем этапе порошок закиси-окиси урана переводят в газообразную форму. Жёлтый кек нагревают в водороде, затем обрабатывают фтором. На выходе получается гексафторид урана. При комнатной температуре это вещество твёрдое, а при нагревании до 56 градусов — газообразное.
- Обогащение урана. Долю изотопа уран-235 увеличивают до нужного уровня для работы ядерных реакторов, обычно 3−5%. Для отсеивания изотопов уран-238 используют газовую диффузию или центрифугирование. Оба метода используют физические свойства изотопов: 235-й изотоп легче, чем 238-й. В первом случае гексафторид урана пропускают через мембрану с микроскопическими отверстиями. Более лёгкие атомы быстрее проходят барьер. А для второй технологии нужна центрифуга — барабан как у стиральной машины, только во много раз больше. При вращении лёгкие изотопы остаются в центре, а тяжёлые отлетают к стенкам.
- Формирование топливных сборок. Затем обогащённый уран нужно вернуть в твёрдое состояние и облечь в удобную форму. Порошок прессуют в небольшие таблетки, затем помещают их в циркониевые оболочки и герметизируют заглушками. Так получаются тепловыделяющие элементы — твэлы. Твэлы объединяют в тепловыделяющие сборки — ТВС. Каждая сборка состоит из нескольких сотен твэлов. ТВС загружают в реактор, чтобы получить энергию.
Уран — энергия будущего, добытая из прошлого
Путь урана от залежей руды до ядерного реактора — это сложный и многогранный процесс, в котором переплетаются передовые технологии, глубокое понимание геологии и химии, а также неустанный труд множества специалистов. Этот процесс, полный вызовов и открытий, обеспечивает мир чистой и мощной энергией, необходимой для развития человечества.
Добыча и переработка урана — это не просто извлечение ценного ресурса из недр Земли. Это вклад в будущее, основанный на знаниях и опыте прошлого. Это мост между природными богатствами и технологическим прогрессом, который позволяет нам двигаться вперёд, освещая путь к устойчивому развитию и процветанию.
