Глава 5. Добыча и обогащение урановых руд.
5.1. Добыча урановых руд.
Ядерный топливный цикл - комплекс операций на предприятиях ядерной энергетики, включающих в себя добычу и переработку руды, радиоизотопное обогащение урана изотопом U235, приготовление ядерного топлива, изготовление топливных элементов и сборок, переработка выгоревшего топлива, захоронение или переработка радиоактивных отходов. Схема ядерно-топливного цикла приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема ядерно-топливного цикла (ЯТЦ): 1 - Шахта (карьер); 2 - завод по механическому
обогащению руды; 3 - гидрометаллургический завод; 4 - аффинажная очистка; 5 - завод по обогащению урана; 6 - завод по изготовлению твэлов и ТВС; 7 - атомная электростанция; 8 - временное хранилище твэлов;
10 - транспортирование твэлов; 11 - радиохимический завод; 12 - временное хранилище отходов;
13 - могильник для отходов
В 1789 году Клапрот в железоцинковых рудах Иоахимского месторождения в Чехии обнаружил черный порошок - урановую смолку, которую он принял за новый химический элемент и назвал его в честь открытой в то время новой планеты Уран. Он использовался как желто-оранжевый краситель для изготовления керамики и в медицине для улучшения белизны зубных протезов.
Уран-235 - делящий элемент, встречающийся в природе. Плутоний становится частью ядерного топливного цикла тогда, когда воспроизводящий материал U238 превращается в делящийся Pu239. Главным в ядерной энергетике является уран-плутониевый цикл.
Все начинается с добычи ядерного горючего. Геологи оценили, что в земной коре урана содержится также около 4%, тория (он тоже делится) - приблизительно в 3 раза больше. Всего в поверхностном слое земли толщиной 3 км имеется около 5∙1013 т воспроизводящего материала.
Урановое сырье обладает рядом специфических особенностей, в т.ч.
1. Потребность в уране определяется темпами и масштабами развития энергетики, т.к для других целей, кроме военных, уран не используется.
2. Уран на АЭС нельзя заметить другим традиционным топливом.
3. Ядерное топливо обладает высокой теплотворной способностью, т.е. высоким тепловыделением, отнесенным к единице массы разделившихся нуклидов.
4. За одноразовое пребывание в ядерном реакторе невозможно полное «сжигание» всех делящихся нуклидов, так как в активной зоне необходимо иметь критическую массу топлива.
5. Возможность иметь частичное, и даже полное расширенное воспроизводство ядерного топлива.
6. «Сжигание» ядерного топлива не требует окислителя и не сопровождается выбросом в атмосферу продуктов «сгорания».
7. Транспортировка и хранение урана требует незначительных капитальных и эксплуатационных расходов по сравнению с затратами, связанными с органическим топливом. Таким образом, можно создавать запасы уранового горючего.
8. Процессы, протекающие в ядерном реакторе, сопровождаются накоплением радиоактивных продуктов и, вследствие этого, остаточными тепловыделениями.
9. Возникает наведенная радиоактивность технологического оборудования, радиационной защиты и т. пр.
Уран находится в руде, морской воде и в отработанных тепловыделяющих элементах. Следует отметить, что процентное содержание урана в морской воде очень ничтожно и технология извлечения урана из морской воды недостаточно разработана. В отработанных тепловыделяющих элементах имеется достаточно большое содержание ядерного горючего, но стоимость его извлечения выше стоимости извлечения из руд.
Различают 5 сортов урановых руд.
1. Очень богатые - содержание урана более 1%
2. Богатые - содержание урана (0,5 - 1,0)%
3. Средние - содержание урана (0,25 - 0,5)%
4. Рядовые - содержание урана (0,09 - 0,25)%
5. Бедные - содержание урана менее 0,09%.
Урановые руды характеризуются минеральным и химическим составом горнорудной массы, что определяет выбор способа гидрометаллургической переработки, состав и расход химических реагентов.
По химическому составу различают 6 групп нерудной составляющей урановых руд:
- силикатные и алюмосиликатные;
- карбонатные;
- сульфидные;
- железоокисные;
- фосфатные;
- каустоболитовые руды, содержащие ураноносные угли, твердые битумы, сланцы и др. Такие руды целесообразно сжигать и из золы получать уран.
Для уменьшения стоимости добычи и производства природного урана имеет значение наличия в рудах сопутствующих составляющих. Уран добывается и как побочный продукт при разработке месторождений фосфатов, золота, меди и др. Это позволяет снизить и нижний предел (промышленный минимум) содержания урана в перерабатываемых рудах до (0,01 - 0,03)% при существующей технологии добычи, извлечения и обогащении природного урана.
По мере развития ядерной энергетики темпы роста добычи урана возрастают. Так, в СССР в 1991 г. на складах накопилось около 200 тыс. т. урана, а во всех странах рыночной экономики примерно 150 тыс. т. В октябре 1990 г. цена урана была 19,2 - 21,7 дол/кг.
Крупнейшим производителем и потребителем урановых концентратов U3O8 являются:
- в США добывается приблизительно 40 % урана. Содержание урана в руде (0,1 – 0,15)%;
- Австралия имеет большие запасы богатых (около 2,35)% урановых руд, в среднем – 0,41%. Добыча урановых руд может производиться открытым способом. По запасам руд занимает, после США, 2 место;
- Канада – около 20 %, из которых приблизительно 5 % концентратов, вырабатываемых компаниями, идут на экспорт, Содержание урана в руде (0,05 – 0,1)%;
- ЮАР - (10 - 13)%. Среднее содержание урана в руде составляет 0,014. Более 60% урана извлекают из золотосодержащих руд;
- Франция обеспечивает производство урановых концентратов для собственных нужд;
- Нигер занимает 5 место по объему производства уранового сырья;
- Намибия, Габон и др. страны Африки имеют запасы урановых руд и в этих странах располагаются перерабатывающие заводы.
По прогнозам фирмы Ux Consulting ожидается значительный рост мировой добычи и потребления урана (табл. 5.1).
Таблица 5.1.