Доклад на тему уран как полезное ископаемое

Содержание:

1. История
2. Нахождение в природе
3. Месторождения
4. Получение
5. Физические свойства
6. Химические свойства
7. Применение
8. Физиологические свойства
9. Добыча урана в мире
10. Добыча урана в России
11. Стоимость
12. Источники информации

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, подобно порождаемой им цепной реакции. Вначале сведения о его свойствах, как и первые импульсы цепной реакции, поступали с большими перерывами, от случая к случаю. Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (фр. Eugene-Melchior Péligot (1811—1890)) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Изучение урана началось с 1896 г.: французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл Лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория [4] на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от др.-греч. ἴσος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»), а в 1920 г. предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A. O. К. Нир (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 — 1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1938 немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчете на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 гг. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер

Нахождение в природе

Уранинитовая руда

Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 0,0003 % (вес.), концентрация в морской воде 3 мкг/л. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3×1014 т.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно обогащённых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (ортит, сфен CaTiO3[SiO4], монацит (La,Ce)PO4, циркон ZrSiO4, ксенотим YPO4 и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка), уранинит и карнотит. Основными минералами — спутниками урана являются молибденит MoS2, галенит PbS, кварц SiO2, кальцит CaCO3, гидромусковит и др.

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах), настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе образованиях — преимущественно в низкотемпературных осадочных породах

Месторождения

Содержание урана в земной коре составляет 0,0003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая 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 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.

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 определённых 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.

Уран, как химический элемент, был открыт в 1789 году, а радиоактивные его свойства выявлены в конце XIX века. В прошлом столетии уран использовался только для изготовления ядерного оружия. А в наше время он широко используется во многих отраслях промышленности, например, его в небольших количествах добавляют в стекло для окрашивания. Но в большей мере используется для создания электрической энергии.

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.

Месторождения урана в России

Содержание урана в земной коре невелико, в мире не так много крупных месторождений. В России можно выделить следующие:

• Жерловое – расположено в Читинской области, запасы оцениваются в 4137 тыс. т. По содержанию металла – молибденовые – 0,082% урана и 0,227% молибдена. Чистого урана лишь 3485 т;
• Аргунское – расположено в Читинской обрасти. Запасы руды категории С1– 13025 тыс. т, из них урана – 27957 т, категории С2 – 7990 тыс., из них 9481 т чистого урана. Это самое крупное месторождение. Оно дает 93% от общероссийского объема добычи;
• Источное, Дыбрынское, Количкановское, Кореткондинское – месторождения, расположенные в Республике Бурятия. В этом районе разведданных запасов порядка 17,7 тыс т, а прогнозные ресурсы – 12,2 тыс т;
• Хиагдинское – расположено в Бурятии. Запасы урановой руды – 11,3 тыс т.

Схема размещения урановых районов

По оценкам специалистов, в России самые перспективные месторождения сегодня находятся на этапе разработки:

• Эльконское – расположено в Якутии, по прогнозам там 346 тыс. т руды;
• Малиновское – в Западной Сибири;
• Витимское и Алданское – в Восточной Сибири;
• Дальневосточное – расположено на побережье Охотского моря;
• В Карелии возле Онежского и Ладожского озер.

Общие запасы урана в России оцениваются в 800 тыс. т.

Как осуществляется добыча урановых руд

Урановые месторождения в России разрабатываются двумя способами:

• открытым;
• подземным.

Карьер для добычи урана открытым способом

Добыча урана открытым способом осуществляется в том случае, когда пласты полезной породы залегают неглубоко под землей.

Для выемки руд используют машинную технику:

• бульдозеры – для вскрытия породы;
• ковшевые погрузчики;
• самосвалы для транспортировки.

Обязательным условием разработки месторождений открытым способом в России является последующее его закрытие. Осуществляется оно покрывающими пластами, а на восстановленной поверхности проводят рекультивацию.

Техника для добычи урановой руды

Более высокосортную руду добывают подземным способом. Он заключается в оборудовании шахт или штолен. Сегодня технические возможности не ограничивают добычу по глубине, но превышение двух километров делает добычу нерентабельной.

Основной проблемой подземного способа добычи является выбросы радона – радиоактивного газа. Он может быстро распространяться и создавать высокие концентрации в атмосфере рудника. Один атом радона живет 5 суток. Основная задача при проектировании шахты – обеспечить эффективную систему вентиляции. Чтобы атомы газа не скапливались, а поднимались на поверхность. Часто вентиляционные системы и трубы используются не для подачи в шахту кислорода, а для выведения радона. Воздух при этом подается искусственным способом. Шахта предприятия ППГХО в России потребляет 1410 м3 воздуха в минуту. Вентиляционные установки работают непрерывно, даже когда шахта не эксплуатируется.

Схема добычи урана методом подземного (скважинного) выщелачивания

Метод подземного выщелачивания – современная прогрессивная технология. Ее использование наносит наименьший урон по экологии региона. Суть способа заключается в следующем:

• бурится скважина;
• в нее закачивается щелочной состав;
• после взаимодействия с урановой породой происходит выщелачивание металла;
• насыщенный ураном химический состав выкачивается на поверхность.

Несмотря на весомые преимущества, использовать этот способ можно только в песчанике и ниже уровня подземных вод.

Ситуация в мире

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.

Видео: Как добывают уран