Начальная стадия ТЭЦ : добыча и переработка руды

12.2  Начальная стадия  ТЭЦ : добыча и переработка руды

Уран — широко распространенный элемент, находящийся в природных соединениях в о кисной форме.

Мировые запасы оцениваются 5 - 11 млн. тонн. Российские запасы - несколько сотен тысяч тонн. Например, разведанные запасы  Стрельцовского рудного поля (Читинская обл.),  составляют ~170 тыс. тонн, запасы Витимского ураново-рудного района (Баунтовский район Бурятии) - ~150 тыс.тонн.

Однако на Земле очень мало районов, где он залегает в концентрациях(больше 0,1%), при которых его экономически целе­сообразно добывать. Основные месторождения урана находятся в Австра­лии, Канаде, Южной Африке, Казахстане и на Западе США.

Богатые руды могут содержать до 4% урана (см. табл. 12.1), в Канаде существуют руды с содержанием урана до 23%. Кроме значительного количества урана, содержащегося в земной коре (около 4 • 10⁹ т), уран содержится в океанских водах. Однако концентрация урана "в этих водах очень низка, порядка 3 • 10^-9, так что его добыча из воды станет экономически целе­сообразной только тогда, когда большая часть ресурсов урановых руд будет исчерпана.

Табл . 12.2.1  Распространенность урана в природе

 12.2.1 Добыча урана и переработка руды

Добыча урана

Из трех используемых способов добычи урана два являются традиционными для горно-добывающей промышленности:

подземный (шахтный)  может быть использован при наличии выраженных  рудных жил в крепких горных породах (в России – месторождения Стрельцовского рудного поля), недостаток метода - необходимость наличия наземных хранилищ рудных отвалов и выделение радона;

открытый (карьерный) - может применяться лишь для небольших глубин залегания руды (до 500м) (в России сегодня не используется).

Третий - метод подземного выщелачивания (используется с 60-х годов 20 века), считающийся наиболее экологически чистым, основан на заполнении рудных пород растворяющими уран химическими реагентами и откачке ураносодержащих растворов на поверхность. Условия применения метода - минерализация урана в пористых породах, расположенных между водонепроницаемыми слоями. В России этот метод используется при добыче руды на урановых месторождениях «Хиагда» (с. Романовка, Баунтовский район Бурятии) и «Далур» на Далматовском месторождении в Курганской области.

Переработка руды

В промышленной технологии извлечения урана  из руд используется свойство растворимости окислов урана в водных растворах азотной, серной и соляной кислот, а также в щелочных растворах. Практически в жидкий раствор можно перевести весь уран. Технологические процессы перевода и концентрирования металлов, содержащихся в измельченной рудной массе, в растворы (выщелачивание) и последующее селективное извлечение металлов из этих растворов называются гидрометаллургическими процессами.

На рисунке 12.2.1 приведена схема основных стадий получения чистых соединений урана в процессе переработки урановых руд.

Рис. 12.2.1 схема основных стадий переработки урановых руд для получения химических концентратов урана и чистых соединений урана

Первой стадией является  (обогащение) урановой руды. Для  этого используются физические методы: с последующим химическим извлечение урана из рудного концентрата;  и химические методы (выщелачивание, чтобы перевести уран в шестивалентное состояние - такие соединения имеют большую растворимость).

Растворенный уран, извлекается из щелочного раствора методом экстрак­ции или ионообмена. Полученный таким образом продукт, называемый "желтым пеком", содержит 70-80% окислов урана в виде смеси U0₂ и U₃0₈.

Так, Приаргунское горно-химическое объединение (г. Краснокамск Читинской обл.), базирующееся на  Стрельцовском рудном поле (разведанные запасы 170 тыс. тонн) производит в год 3 тыс. тонн такого урана.

12.2.2  Получение соединений урана для изготовления топлива или для процесса обогащения.

Изготовление твэлов с естественным или обогащенным ураном в ме­таллической или окисной форме требует в качестве промежуточной ста­дии получения чистой двуокиси урана U0₂. Она получается восстановле­нием водородом из концентрата окислов: U₃0₈ + 2Н₂ ª 3U0₂ + 2Н₂0.

Двуокись урана можно получить другим способом, растворяя урановый концентрат в азотной кислоте. Этот раствор поступает в экстракционную  колонну, в  которой  образуется гексагидрат уранилнитрата. Это соединение при нагревании разлагается до триоксида урана U0₃ ("оранжевый оксид"). При взаимодействии U0₃ с водородом он восста­навливается до U0₂. При достаточной химической чистоте последнего из него можно непосредственно изготовить твэлы из оксида естествен­ного урана.

Для конверсии в металлический уран или в промежуточный продукт, поступающий на обогатительные заводы, U0₂ превращается в тетрафторид  урана UF₄ в результате реакции с безводным фтористым водородом:

     U0₂ + 4HF ª UF₄ + 2Н₂0.

Чистый металлический уран можно получить из UF₄, восстанавливая его кальцием или магнием. Например,

     UF₄ + 2Mg ª 2MgF₂ + U.

Большая разность плотностей жидкого металла и расплавленного шлака позволяет легко отделить их друг от друга.

Если уран нужно обогатить по изотопу ²³⁵U, то его предварительно превращают в гексафторид урана UF₆, который переходит в газовую фазу при температуре выше 60 °С. Такая конверсия осуществляется реакцией с фтором:

UF₄ + F₂ ª UF₆.

После обогащения гексафторид урана вновь восстанавливают до UF₄:

UF₆ + H₂ ª UF₄ + 2HF.

Затем UF₄ может быть восстановлен до металлического урана магнием или кальцием, как уже описывалось выше, или конвертирован в U0₃ при взаимодействии с водными растворами щелочей. Последнее соедине­ние конвертируется при взаимодействии с водородом в обогащенную по ²³⁵U двуокись U0₂, из которой изготавливаются твэлы.