Лекция 1 - Томский политехнический университет
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Курс профессиональной переподготовки 1 Технология подземного выщелачивания урана Технология подземного выщелачивания Срок обучения: с 7 апреля 2014 г. по 27 декабря 2014 г. в объеме 550 часов. Цель обучения: получение знаний и умений в области технологии подземного выщелачивания урана. Категория слушателей: специалисты с высшим или средне-техническим образованием. Количество слушателей: 12 человек. Соответствует квалификационным требованиям: специальность 240500 «Химическая технология материалов современной энергетики» (РФ), направление 020700 «Геология» (РФ) 2 УЧЕБНЫЙ ПЛАН по программе профессиональной переподготовки «Технология подземного выщелачивания урана» № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 8. 9. 10. 11. Наименование разделов и дисциплин Минералогия и методы исследования радиоактивных руд Геолого-промышленные типы месторождений радиоактивного сырья Гидродинамика флюидных систем и моделирование гидродинамических процессов Технология бурения эксплуатационных скважин при отработке месторождений урана методом подземного выщелачивания Химия редких элементов Гидрометаллургия редких металлов Основы проектирования урановых производств Автоматизированные системы управления урановыми производствами Методы аналитического контроля производств Итого Всего в том числе ПР Форма контроля часов ЛК ЛБ 50 36 14 50 38 12 Зачет 50 34 16 Зачет 50 36 14 Зачет 110 128 18 36 92 128 18 36 18 Экзамен Экзамен Зачет Экзамен 58 550 40 458 18 50 Экзамен Выпускная 3 квалификац ионная работа Зачет 42 График проведения и стоимость обучения по программе профессиональной переподготовки «Технология подземного выщелачивания урана» № 1. 2. 3. 4. 5. Наименование этапа и основное содержание работы Обучение по 1 модулю: проведение установочных лекций, объем – 80 часов, Форма обучения – очная. Обучение по 2 модулю: лекции, практические работы объем – 160 часов; консультации, согласование и выдача тем выпускной квалификационной работы. Форма обучения – дистанционная. Обучение по 3 модулю: проведение лабораторных практикумов, объем – 80 часов; консультации, зачеты, экзамены. Форма обучения – очная. Обучение по 4 модулю: лекции, практические работы, объем – 170 часов, консультации по выполнению выпускной работы. Форма обучения – дистанционная. Обучение по 5 модулю: лекции, лабораторно-практические занятия, объем – 80 часов, зачеты, экзамены, консультации по выполнению выпускной квалификационной работы, итоговая аттестация. Форма обучения – очная. Сроки оказания услуг и место проведения 31 марта- 09 апреля 2014г., г. Алматы, ТОО «КЯУ» В период с апреля по июль 2014г. 18-27 августа 2014г., г. Томск, ТПУ В период с сентября по ноябрь 2014г. 03-12 декабря 2014г., г. Алматы, ТОО «КЯУ» 4 Предварительное расписание курса переподготовки «Технология подземного выщелачивания урана» (каф. ХТРЭ) № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Итого Наименование разделов и дисциплин Всего часов В том числе Форма контроля 1 модуль (80 часов) 07.04.2014-16.04.2014 в Казахстане Химия урана 54 36 лк Промежуточный контроль Химия золота и серебра 6 6 лк Промежуточный контроль Химия рения 6 6 лк Промежуточный контроль Технология рения 10 10 лк Промежуточный контроль Технология молибдена и вольфрама 10 10 лк Промежуточный контроль 2 модуль (124 часов) 21.04.2014-29.06.2014 в Томске интерактивно Технология природного урана 60 60 лк Промежуточный контроль Химия тория 10 10 лк Промежуточный контроль Химия редкоземельных элементов 10 10 лк Промежуточный контроль Автоматизированные системы управления 36 36 лк Промежуточный контроль химико-технологических предприятий 3 модуль (92 часа) 18.08.2014 – 27.08.2014 г. в Томске Химия урана 54 18 лб. Сдача экзаменов и зачетов Методы аналитического производств контроля 58 18 лб. Сдача экзаменов и зачетов 4 модуль (174 часов) 1.09.2014 – 29.11.2014 г. в Томске Химия циркония, гафния 8 8 лк Промежуточный контроль Химия молибдена и вольфрама 8 8 лк Промежуточный контроль Химия тяжелых цветных металлов 8 8 лк Промежуточный контроль Технология тория 10 10 лк Промежуточный контроль Технология редкоземельных элементов 16 16 лк Промежуточный контроль Технология циркония и гафния 10 10 лк Промежуточный контроль Технология золота и серебра 12 12 лк Промежуточный контроль Методы аналитического контроля 58 40 лк Промежуточный контроль производств Основы проектирования химико18 18 лк Промежуточный контроль технологических предприятий 5 модуль (80 часов) 3.12.2014 – 12.12.2014 г. в Казахстане Сдача экзаменов и зачетов Сдача экзаменов и зачетов Выпускная аттестационная работа 350 Преподаватели Шагалов В.В. Шагалов В.В. Карелин В.А. Карелин В.А. Карелин В.А. Тураев Н.С. Амелина Г.Н. Амелина Г.Н. Вильнина А.В. Шагалов В.В., Амелина Г.Н. Страшко А.Н. Амелина Г.Н. Амелина Г.Н. Амелина Г.Н. Оствальд Р.В. Оствальд Р.В. Оствальд Р.В. Оствальд Р.В. Жерин И.И. Дьяченко А.Н. 5 3 модуль, в Томске с 18.08.2014 – 27.08.2014 г. № 1 2 Итого Наименование разделов и дисциплин Химия урана В том числе 18 лб. Методы аналитического контроля производств 18 лб. Преподаватели Шагалов В.В. Амелина Г.Н. Страшко А.Н. 36 СПИСОК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Химия урана •Частные реакции урана (1 лабораторная работа/6 часов); •Качественное определение урана (1 лабораторная работа/6 часов); •Объемные методы определения урана (1 лабораторная работа/6 часов). Методы аналитического контроля производств •Электролитические методы определения урана (1 лабораторная работа/6 часов); •Определение актиноидных элементов по спектрам поглощения неорганических комплексных соединений (2 лабораторных работы/12 часов). 6 Итоговая аттестация – Защита выпускной аттестационной работы. Темы утверждаются после согласования с Казахстанским ядерным университетом. Итог – Диплом установленного образца РФ о профессиональной подготовке. 7 ЧИТАЕМЫЕ В ПЕРВОМ МОДУЛЕ ДИСЦИПЛИНЫ: -Преподаватель Карелин Владимир Александрович, д.т.н., профессор кафедры «Химическая технология редких рассеянных и радиоактивных элементов». 36 часов лекций в (г. Алматы). -Преподаватель Шагалов Владимир Владимирович, к.х.н., доцент кафедры «Химическая технология редких рассеянных и радиоактивных элементов». 36 часов лекций (г. Алматы). 8 ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ УРАНА 9 -При переработке руд черных, цветных, благородных и редких металлов могут использоваться пирометаллургические и гидрометаллургические процессы. -Высокотемпературные пирометаллургические процессы являются основными процессами в черной металлургии и в цветной металлургии при получении меди, цинка, свинца и др. металлов. -В технологии благородных и редких металлов (например, уран) основная роль отводится гидрометаллургическим методaм, так как содержание этих металлов в рудах мало и применение пирометаллургических процессов не имеет смысла. 10 -Гидрометаллургические (водные) процессы заключаются в извлечении (выщелачивании) металлов из руд, концентратов, производственных полупродуктов и отходов при их обработке водными растворами химических реагентов с последующим выделением из полученных растворов металла или его химических соединений. 11 Гидрометаллургические преимуществ: процессы обладают рядом 1) их применение обеспечивает избирательное извлечение металлов из бедных и труднообогатимых руд с минимальными затратами реагентов в простой аппаратуре при низких температурах. 2) при использовании гидрометаллургических процессов можно осуществить комплексную переработку сырья с высоким извлечением многих ценных составляющих. Примерами могут служить совместное извлечение на различных месторождениях урана и молибдена, урана и ванадия, урана и циркония, урана и рения, урана, тория, редкоземельных элементов, титана, тантала и ниобия. 12 3) экономическая эффективность гидрометаллургических процессов возросла в связи с разработкой и внедрением таких селективных методов извлечения, как ионообменные процессы, экстракция, автоклавного окислительного выщелачивания и т.д. 4) замена пирометаллургических процессов гидрометаллургическими улучшает условия труда, снижая энергопотребление, пылеобразование, а также резко сокращает загрязнение атмосферы вредными сбросами. 13 Редкими элементами называются элементы, являющиеся относительно новыми в технике или еще мало используемые. К числу редких и рассеянных принято относить около 60 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Они являются весьма перспективными и в ряде случаев совершенно незаменимыми неорганическими материалами, применяемыми в многочисленных областях современной техники. Из причин сравнительно позднего открытия, изучения и технологического освоения редких элементов следует отметить: - малую распространенность, зачастую и рассеянность в земной коре большинства редких элементов; а также отсутствие некоторых в земной коре; - технологические трудности получения многих редких элементов необходимой чистоты. 14 В то же время нельзя связывать понятие «редкий» с понятием о малой распространенности их в земной коре. Многие редкие элементы действительно мало распространены, однако многие распространены значительно больше, чем некоторые давно освоенные элементы. Например, титан является редким элементом, но он по распространенности в природе занимает 9 место; Zr, V, Li: содержатся в земной коре в значительно больших количествах, чем Pb, Sn, Hg, Sb. Кроме содержания элемента в земной коре необходимо учитывать степень его рассеянности. Например, Ge и Ga в земной коре больше, чем Ag, Bi, Sb, а In и Tl – больше, чем Аu, Hg. Однако Ge, Ga, In и Tl очень рассеянны, т.е. обладают ограниченной способностью образовывать собственные минералы и не дают заметных месторождений. 15 Поэтому термин «редкие металлы» в настоящее время утратил значение, т.к. ряд этих металлов производится в значительных количествах и термин употребляется в силу привычки. Условная классификация редких элементов : 1. Радиоактивные элементы (U, Th и др.); 2. Рассеянные элементы (In, Tl, Ga, Re и др.); 3. Легкие элементы (Li, Be, Rb, Cs); 4. Тугоплавкие элементы (Тi, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Мо, W, Re); 5. Редкоземельные элементы (Y, Sc, РЗЭ) 16 Легкие металлы – обладают малой плотностью (от Li – 0,53 до Cs – 1,87 г/см3), химически очень активны и образуют прочные соединения. Металлы получают электролизом расплавов солей, реже – металлотермией. По свойствам близки к цветным металлам (Аl, Mg, Ca, Na). 17 Тугоплавкие металлы - относятся к числу переходных металлов, обладают сильными межатомными связями, что и проявляется в высоких температурах плавления (от 1600°C у Тi до 3410°C у W). Образуют много интерметаллических соединений, что позволяет создавать ряд ценных сплавов. Тугоплавкие металлы образуют очень твердые, тугоплавкие, химически устойчивые металлоподобные карбиды, нитриды, сульфиды, бориды и др. соединения. Зачастую незначительные добавки этих элементов резко улучшают свойства основных металлов. 18 Рассеянные элементы – в земной коре находятся в виде изоморфных примесей в решетках других минералов и извлекаются обычно попутно с другими, основными компонентами минерального сырья. Например, La – при производстве алюминия; In – Zn и Pb; Ge - Cu, Zn; Re – U, Мо. 19 Редкоземельные металлы. Для них характерна близость физико-химических свойств и совместное присутствие в минералах, что обусловлено близким строением их наружных электронных оболочек. Вследствие этого разделение редкоземельных элементов затруднено. 20 Радиоактивные металлы - делятся на природные и искусственные. В связи с развитием атомной энергетики некоторые из них приобрели важнейшее значение. Наряду с собственным излучением радиоактивные элементы в некоторых случаях обладают колоссальной радиоактивностью обусловленной продуктами деления. Поэтому их технология связана с опасностью поражения ионизирующим излучением. 21 -Уран является девяносто вторым элементом периодической системы Д.И. Менделеева, последним из естественных элементов. -На основе урана создано атомное и термоядерное оружие. -Тепловыделяющие элементы из урана и его сплавов, а так же из диоксида урана работают на атомных электростанциях, на атомных подводных лодках, атомных ледоколах и авианосцах. -Уран является исходным материалом для получения новых искусственных элементов (трансурановых): нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделеевия, лоуренсия и др. -Уран – один из важнейших элементов, определивших современное состояние научных знаний о природе вещества и 22 высокотехнологичных отраслей промышленности. Основной задачей технологии урана является получение урана в форме, пригодной для его продажи (получения товарной формы в основном U3O8) или формы использования его в ядерных реакторах. Формами, используемыми в ядерных реакторах могут быть: уран металлический, диоксид урана, тетрафторид урана. В каждом конкретном случае, в зависимости от вида конечного продукта, выбирается своя технологическая схема переработки урановых руд. 23 Общая схема переработки урансодержащих руд 24 Общая схема гидрометаллургического передела урана включает следующие стадии. 1. Добыча руды. 2. Подготовка руды к выщелачиванию. Здесь предусматриваются следующие операции: механическая обработка рудного материала (дробление, измельчение) с целью раскрытия ценных минералов; физическое обогащение бедных руд с использованием гравитационного обогащения, радиометрической сортировки, флотации, электромагнитной сепарации; изменение химического состава руды для перевода труднорастворимых минералов в растворимые; такие операции называют разложением или вскрытием рудного материала; к ним относятся окислительный обжиг, сульфатизирующий и хлорирующий обжиг, спекание или сплавление с солями или щелочными реагентами (содой, 25 известью, хлоридами и др.). 3. Выщелачивание. На этой операции осуществляется перевод металла из руды (или продукта, полученного при подготовительных операциях) в водный раствор. 4. Разделение твердой и жидкой фаз. Эта стадия включает операции сгущения, фильтрации, отмывки твердой фазы от полученного при выщелачивании продукционного раствора. 5. Выделение урана из растворов (в некоторых случаях – пульп), полученных при выщелачивании. Для этого используются: химическое осаждение, ионообменные процессы, экстракция. 6. Аффинаж (тонкая очистка) соединений урана. 7. Получение оксидов урана. 8. Получение тетрафторида урана. 26 9. Получение гексафторида урана. 10.Получение металлического урана. ОБРАЗОВАНИЕ УРАНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Схематично процесс образования рудных месторождений урана можно представить следующим образом. Образующаяся в глубине земной коры или в верхних слоях мантии магма, двигаясь вверх, внедряется в земную кору и, не достигнув поверхности земли медленно остывает и кристаллизуется. Магма представляет собой сложный, преимущественно силикатный, расплав мантийного вещества, а также пограничных с мантией слоев земной коры. Этот расплав насыщен растворенными в нем летучими компонентами: водой, углекислотой, сероводородом и другими соединениями. Вследствие высокого сродства к кислороду, уран в высокотемпературной магме находился в виде диоксида. При остывании магмы происходит кристаллизация отдельных соединений и их комплексов – минералов. 27 В первую очередь кристаллизуются соединения, обладающие высокими температурами плавления и присутствующие в магме в большом количестве (выше растворимости их в расплаве). На первой стадии кристаллизации, которая называется «первоначальной кристаллизацией» при температуре 800–900оС из магмы выпадают «мафические» элементы, названые по символам двух основных кристаллизующихся элементов, то есть магний, железо и примеси, изоморфные с ними. Редкие металлы присутствуют в магме в малом количестве, причем они неизоморфны с магнием и железом, поэтому на этой стадии они остаются в расплаве. Это обстоятельство объясняет то явление, что основные породы, содержащие оксиды магния и малые количества кремнезема, практически не содержат уран и другие редкие металлы. 28 На следующей стадии кристаллизации, называемой «главной кристаллизацией», при 300–500оС из магмы выпадают «сиалические» элементы (то есть кремний, алюминий, кальций, калий и изоморфные с ними элементы). Так как редкие металлы неизоморфны и с сиалическими элементами, то они и на этой стадии оставались в расплаве. Эти остаточные силикатные расплавы и служат источником, из которого впоследствии образовались месторождения урана и других редких металлов. Дальнейший процесс образования минералов урана и других редких металлов может происходить по-разному. При кристаллизации всего остаточного расплава получаются породы, называемые пегматитами. В пегматитах присутствуют совместно большое количество редких элементов, как в виде индивидуальных минералов (уранинит – UO2 , торит ThSiO4, рутил – TiO2, циркон – ZrSO4 и др.), так и в виде комплексных 29 минералов: ураноторит (U,Th,Fe)SiO4 титанаты, титанониоботанталаты урана, тория, редкоземельных элементов и др. В Казахстане присутствуют пегматитовые руды. Другой путь фиксации некоторых из редких металлов – образование гидротермальных месторождений. - Их образование можно представить следующим образом. По мере кристаллизации магмы концентрация летучих компонентов в остаточном расплаве возрастает. В определенный момент она достигает предела растворимости и происходит выделение газов. По трещинам и порам газы устремляются в окружающие горные породы, охлаждаются и образуют гидротермальные растворы. -Вода в надкритическом состоянии находится в виде сгущенного пара, который при температуре ниже 374оС и под давлением ( 220 атм.) переходит в жидкое состояние. В условиях высоких температур и давлений вода способна растворять многие соединения, не растворимые в обычных 30 условиях. Уран в таких условиях окисляется с четырехвалентного до шестивалентного состояния и легко переходит в гидротермальные растворы. Вместе с ураном в гидротермальный раствор переходит часть MoS, Fe, Au и H2SiO3 в виде коллоидных растворов. Двигаясь по трещинам, гидротермальные растворы поступают в область более низкого давления и постепенно охлаждаются. Под влиянием снижающегося давления и температуры, а также в результате сложного химического взаимодействия с вмещающими породами из гидротермальных растворов осаждаются кварц – SiO2, пирит – FeS2, арсенопирит FeAsS, настуран U3O8, молибденит – MoS2, самородное золото - Au. Они постепенно заполняют трещины, образуя жилы. В гидротермальных породах фиксируется только часть из редких металлов (U, Mo, Au). Большинство редких металлов 31 остается в силикатном расплаве. Для Казахстана жильный тип урановых месторождений не характерен. - Описанные процессы развиваются в глубине земной коры под действием внутренних причин, такие процессы называются эндогенными, а минералы, образующиеся при этом, относят к первичным. Месторождения при этом называют коренным. -После формирования коренных пегматитового или гидротермального месторождений отдельные участки их в результате геологических катастроф могут выйти на поверхность земли. В этих условиях коренные породы подвергаются выветриванию, то есть разрушению под действием таких факторов: - действие ветра, - суточные и годовые колебания температуры, - поверхностные и подземные воды, содержащие кислород и другие растворенные вещества, 32 - процессы, связанные с деятельностью микроорганизмов и почвообразованием. - Процессы, развивающиеся на поверхности земли под действием внешних причин (вода, воздух, переменные температуры) называются экзогенными, а минералы, образующиеся при этом, относят к вторичным. Выветривание сопровождается не только механическим разрушением рудого тела и вмещающих пород, но и химическим преобразованием многих минералов. Окисленный до шестивалентного состояния уран, может растворяться слабокислыми или карбонатными водами и переноситься поверхностными или подземными водами на значительные расстояния. При этом уран может неоднакратно участвовать в процессах осаждения и растворения. При этом образуются осадочные месторождения. UO 2SO4 2H 2O UO 2 (OH) 2 H 2SO4 2 2 UO 2 2Fe 6H 2O UO 2 2Fe(OH)3 6H 33 UO 22 H 2S UO 2 S 2H Постепенно зона отложения урана перемещается на десятки и сотни километров от первичного источника, например, по водопроницаемому пласту и образует фигуру, называемую «ролл». В зависимости от геологических условий ширина ролла может достигать 200–1000 м, высота – до 10 м, длина от 3 до 20–70 км. «Ролл» В ролле наблюдается неоднородность по химической устойчивости урановых минералов. На месторождении можно отметить следующие участки: 1 – зона не окисленных сероцветных пород; 2 – зона начального минералообразования; 3 – зона уранонакопления; 4 – зона обогащения; 5 – зона окисления; 6 – останцы урановых минералов 34 1 – зона не окисленных сероцветных пород, здесь нет собственных урановых минералов, уран может только быть сорбированным на глинистых или углистых веществах; 2 – зона начального минералообразования с малым содержанием урана. Здесь преобладают «молодые» урановые минералы с менее совершенной кристаллической структурой, разрушение которых и переход урана в раствор происходит при низкой концентрации растворителя; 3 - зона уранонакопления, здесь наблюдается последовательная смена бедных тонкодисперсных руд богатыми рудами, гнездововкрапленного характера, выщелачивание происходит уже не так интенсивно, требуется более высокая концентрация растворителя, но получаемые растворы наиболее богатые; 4 – зона обогащения в тыловой части ролла, здесь преобладают «старые» урановые минералы с более совершенной кристаллической структурой, выщелачивание которых требует более высокой концентрации растворителя и более длительного времени; 5 – зона окисления, на границе с зоной обогащения происходит растворение урановых минералов под воздействием кислородных вод. 6 – останцы урановых минералов в глинистых и углистых включениях, из 35 которых уран не вскрывается при ПСВ Каждое конкретное месторождение урана, подчиняясь основным физико-химическим законам, сопровождающим процесс выщелачивания, имеет свои индивидуальные особенности, которые должны учитываться при разработке и внедрении технологического регламента. 36 Уран в природе Уран широко распространен в природе. В довольно значительных концентрациях он обнаружен во многих горных породах, океанах и морях, в лунном грунте, в метеоритах. Среднее содержание урана в земной коре составляет (2 – 4)10–4 %, т.е. в 1 тонне содержится около 3 грамм урана. Всего в относительно тонком 20километровом слое земной коры содержится около 1014 т урана. 37 Почти повсеместное присутствие урана объясняется высокой миграционной способностью. Это связано с рядом его физико-химических свойств: 1) амфотерность урана, в высшем валентном состоянии (+6) он способен давать соединения как основного, так и кислотного характера; 2) переменная валентность урана, что дает ему возможность участвовать в окислительновосстановительных процессах; 3) большая комплексообразующая способность; 4) изоморфизм, возможность образования смешанных кристаллов или внедрения в кристаллическую решетку соединений многих редких металлов. 38 ВАЖНЕЙШИЕ УРАНОВЫЕ МИНЕРАЛЫ Известно около 200 урановых и урансодержащих минералов, из которых лишь 20 являются основными компонентами урановых руд. Известно 100 минералов урана с содержанием U более 1%. Примерно в одной трети этих минералов уран четырёхвалентен, в остальных – шестивалентен. 15 из этих урановых минералов являются простыми оксидами или гидроксилами, 20 – комплексными титанатами и ниобатами, 14 – силикатами, 17 – фосфатами, 10 – карбонатами, 6 – сульфатами, 8 – ванадатами, 8 – арсенатами. Промышленное значение имеют 15 минералов урана. 39 Минералы урана, имеющие промышленное значение 40 На территории Казахстана имеются как первичные, так и вторичные урановые минералы. Первичные урановые минералы Уранинит – встречается в пегматитовых породах. В момент образования его состав отвечал формуле UO2. С увеличением возраста минерала в нем накапливаются радиоактивные продукты распада, а так же увеличивается содержание UO3 вследствие окисления, которому способствует радиоактивный распад. Поэтому состав минерала выражается формулой: xUO2yUO3zPbO, xy, причем y и z увеличиваются с ростом возраста минерала. В кислотах растворяется с трудом, лучше всего в концентрированной соляной кислоте, азотной кислоте, в серной кислоте – в присутствии окислителя. Некоторые физические свойства 41 минерала: цвет черный, плотность 7,6 – 10 г/см3, твердость 5–7,6 по десятибалльной шкале Мооса. Первичные урановые минералы Настуран (урановая смолка, смоляная обманка) – основной минерал урана в гидротермальных месторождениях. Состав минерала отвечает той же формуле: xUO2yUO3zPbO, но при соотношении х:y1:2, поэтому обычно минералу приписывают формулу U3O8. «Обманкой» минерал называют за то, что он меняет цвет от черного до светло-серого, а смолкой – за то, что его зерна похожи на капли застывшей смолы. Как и уранинит, в кислотах настуран растворяется также с трудом: лучше всего в концентрированной соляной кислоте, азотной кислоте, в серной кислоте в присутствии окислителя. Некоторые физические свойства минерала: Цвет минерала – черный, 42 3 плотность 4,5 – 7,7 г/см , твердость 4–6,3. Первичные урановые минералы Давидит (примерный состав: ~52% , 17% , 18% , 2% , 5% , 1% , немного V, Th и др.) – титанат железа, урана, РЗЭ. Некоторые физические свойства минерала: Цвет от сероваточерного до черного, плотность 4,8 г/см3, твердость – 6. Коффинит – частично гидролизованный силикат четырехвалентного урана – U(SiO4)1-x(OH)4x. Содержание урана 45–67 %. Цвет – черный, бутылочно-зеленый, буровато-зеленый, плотность 5,1 г/см3, твердость 5–6. Коффинит 43 Давидит Вторичные урановые минералы Имеют малую твердость и химическую прочность, они легко вскрываются, цвет минералов желтый, реже – зеленый. Ванадиевая группа. Карнотит K2(UO2)2(VO4)2(1-3)H2O - двойной ванадат калия и уранила. Минерал ярко-желтого цвета, плотность 4,5 г/см3, твердость 2–2,5. Тюямунит Ca(UО2)2(VО4)2⋅(4-10)Н2О – двойной ванадат кальция и уранила. Цвет – ярко-желтый, плотность 3,3-4,4 г/см3, твердость 1–2. Карнотит Тюямунит 44 Вторичные урановые минералы Фосфатная группа. Отенит – Ca(UO2)2(PO4)2(8-12)H2O . Цвет – от сероватожелтого до зеленовато-желтого, плотность 3-3,2 г/см3, твердость 2–2,5. Торбернит – CuO 2UO 3 P2O5 (8 12)H 2O . Присутствие меди меняет цвет минерала на зеленый, плотность ~3,2-3,6 г/см3, твердость 2–2,5. Парсонит – 2PbO UO 3 P2O5 H 2O . Цвет светло-желтый, присутствие свинца увеличивает плотность до 5,4 – 6,2 г/см3, твердость 2,3–2,5. Отенит 45 Торбернит Технологические характеристики урановых руд Основными технологическими характеристиками урановых руд являются: 1) химический состав нерудной составляющей (вмещающей породы); 2) «контрастность» руды; 3) крупность зёрен урановых минералов и их агрегатов 46 1) Химический состав нерудной составляющей По химическому составу вмещающей породы урановые руды подразделяются на следующие разновидности: а) силикатные, состоящие в основном из силикатных минералов; б) карбонатные, содержащие более 15% карбонатов; в) железо-окисные, представляющие собой комплексные железо-урановые руды; г) сульфидные, содержащие более 20 % сульфидных минералов; д) фосфатные, содержащие более 8 % P2O5 и др. Химический состав нерудной составляющей играет решающее значение при выборе способа их химической переработки. Из силикатных руд уран выщелачивают кислотами; из карбонатных – содовыми растворами; сульфидные руды предварительно подвергают обжигу; железо-окисные руды 47 подвергают переплавке, а затем уран выщелачивают из шлака и т.д. 2) «Контрастность» руды – степень неравномерности содержания урана в кусковой фракции горной массы. По «контрастности» руды подразделяются: а) «контрастные» – смесь богатых штуфов, содержащих основную массу урана и породы с низким содержанием урана, содержание урана в штуфах превышает в десятки раз среднее содержание урана во всей горнорудной массе; б) «слабоконтрастные» – руды с более или менее равномерным распределением урана по всей горнорудной массе; могут быть руды с небольшим превышением урана в штуфах (в 3 – 5 раз). «Контрастность» руд играет важную роль при выборе метода их обогащения: «контрастные» руды обогащают исключительно радио-метрическим методом; для «слабоконтрастных» руд радиометрический метод обогащения непригоден, их обогащают либо гравитационным, либо флотационным методом. 48 . 3) По размерам зёрен урановых минералов и их агрегатов руды подразделяются на следующие разновидности: • крупнозернистые – с размером зерен 25–300 мм; • среднезернистые (3–25 мм); • мелкозернистые (0,1–3 мм); • тонкозернистые (0,015–0,1 мм); • субмикроскопические (0,001–0,015 мм); • коллоидно-дисперсные ( 0,001 мм). Размеры зёрен и агрегатов определяют, в основном, степень измельчения руд при их обогащении и гидрометаллургической переработке 49 Классификация руды по содержанию урана 1 % - богатые руды; 0,1 – 1 % - рядовые (обычные) руды; 0,01 – 0,1 % - бедные руды; 0,01 % - забалансовые (беднейшие) руды. Классификация МАГАТЭ по степени разведанности запасов урана -достоверные (RAR) (Reasonably Assured Resources) – запасы урана оцениваются по характеристикам образцов и по параметрам пластов залегания урана. Высокая степень надёжности оценок; -дополнительно оцененные первой категории (ЕАR-1) (Estimated Additional Resources – Category I) – дополнительные запасы урана, оцениваемые по имеющимся или по похожим образцам. Менее надёжная степень, чем RAR; - дополнительно оцененные второй категории (ЕАR-II) (Estimated Additional Resources – Category II) – дополнительные предполагаемые запасы, оцениваемые главным образом по тенденциям и характеристикам подобных хорошо известных залеганий; 50 - прогнозные (SR) (Speculative Resources) – в дополнение к предыдущей категории EAR-II предполагается, что эти запасы урана определены на основе косвенных свидетельств и геологических экстраполяций. Классификация по степени себестоимости получения урана 5 ценовых категорий: -низкая (менее 34 долл/кг), -низкая–средняя (34–52 долл/кг), -средняя–высокая (52–78 долл/кг), -высокая (78–130 долл/кг.), очень высокая (более 130 долл/кг). Применяются и другие ценовые градации запасов: до 40 долл/кг, до 80 долл/кг, до 130 долл/кг. Разведанные запасы (RAR+EAR-I) по цене менее 40 долл./кг № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Страна Австралия Казахстан Канада ЮАР Узбекистан Намибия США Россия Бразилия Нигер Всего: Запасы, тыс.т. 839 430 380 163 137 132 104 81 56 22 2346 % 35,9 18,4 16,2 7,0 5,8 5,6 4,4 3,4 2,4 0,9 100 51 Разведанные запасы (RAR+EAR-I) по цене менее 80 долл./кг № Страна Запасы, тыс.т. % 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Австралия Казахстан Канада ЮАР Бразилия Намибия Россия Узбекистан США Другие страны Всего: 863 628 437 300 262 253 172 137 104 313 3451 25 18,2 12,7 8,7 7,6 6,8 5,0 4,0 3,0 9,1 100 Ресурсы ЕАR-II составляют 2340 тыс.т урана, а прогнозные ресурсы (SK) – 10600 тыс.т 52 Классификация по величине запасов урановых руд месторождения -мелкие - запасы месторождений от 0,5 до 5 тыс. т; -средние - от 5 до 20 тыс. т; -крупные - от 20 до 100 тыс. т; -уникальные - более 100 тыс. т. Уникальные и крупнейшие по запасам урановые месторождения мира 53 - В Канаде, Австралии, Намибии, Нигере добыча горным способом осуществляется преимущественно карьерами (в России – шахтами). При этом содержание урана в рудах месторождений Канады более 1%, Австралии – 0,3–0,4%, а России – 0,1–0,2%. - В Казахстане и Узбекистане добыча осуществляется исключительно способом скважинного подземного выщелачивания на крупных месторождениях с высокой продуктивностью и в условиях экономически освоенных районов. При этом содержание урана в рудах этих месторождений колеблется от 0,01 - 0,8 %. 54 Динамика изменения структуры запасов урана разных стоимостных категорий -Количество крупных рудников с запасами до 80 дол./кг значительно сократится -К 2030 г. полностью отработаны крупные месторождения МакАртурРивер, Сигар-Лейк, Россинг, Рейнджер, Акута, Акдала, Ю.Инкай, Миллениум, Карамурун, и другие. 55 -Будут вовлекаться в освоение месторождения с себестоимостью производства более 130 дол./кг урана Факторы, влияющие на реализацию планов по добыче урана Добыча урана как правило всегда отстает от заявленных планов. Причины: • Спекулятивные заявления ряда компаний, особенно юниоров; • Финансовый кризис; • Техногенная катастрофа (Фукусима, платформа British Petroleum); • Нестабильные цены; • Технологические ограничения; 56 • Политические, социальные и экологические факторы. В ближайшие 5 лет для обеспечения развития уранодобывающей отрасли ведущим мировым компаниям необходимо: -активизировать урановую геологоразведку для открытия новых крупных месторождений и повышения достоверности запасов; -провести переоценку существующей сырьевой базы и подготовить к освоению резервные месторождения; -осуществить внедрение инновационных, экологически чистых технологий; -решить кадровые вопросы. Реализации планов по добыче должны способствовать стабильные, адекватные и прозрачные рыночные цены57на уран. Урандобывающие компании В группу крупнейших уранодобывающих компаний входят компании с годовой добычей урана более 1 тыс.т. Традиционно к ним относятся: канадская компания Cameco Corp., британская Rio Tinto, казахстанская НАК Казатомпром, французская AREVA, англо-австралийская BHP Billiton, российская «Урановый холдинг АРМЗ» (ОАО «Атомредметзолото») и узбекская компания Навоийский горнометаллургический комбинат (НГМК). - Их вклад в мировую добычу урана составляет 80 %. 58 Компания Cameco (Канада) Канадская горнорудная компания Cameco Corp. (Canadian Mining and Energy Corporation) – крупнейший производитель урана в мире, добывающий 19% мирового оборота урана – образовалась в 1988 путем слияния двух компаний, одна из которых была государственной. Офис находится в г. Саскатун, Канада. На данный момент компания добывает уран на 4 шахтах (2 в Канаде и 2 в США), а также добывает уран в Казахстане. Контролируемые Cameco, превышают 500 миллионов фунтов, имеются также крупные запасы руд других металлов. В 2008 учреждено совместное предприятие ТОО «Ульба Конверсия» (Казахстан) с Cameco. Конверсионное производство создаётся на базе АО «Ульбинский металлургический завод». Производственная мощность 12 тыс. тонн гексафторида урана в год, т.е. 17% от мировых мощностей по конверсии. Доля 59 Казатомпрома в новом СП 51%, Cameco - 49%. Компания AREVA (Франция) Международная группа AREVA появилась на свет 3.09.2001 путём слияния крупнейших французских атомных компаний, в том числе, «Framatome ANP» и топливной корпорации «COGEMA». Считается государственной компанией, основной капитал принадлежит Франции (правительству Франции принадлежит 5,19%), а немецкая компания Simens имеет 34%. Группа AREVA - мировой лидер в атомной энергетике (AREVA присутствует в каждом аспекте ядерного топливного цикла, от добычи урана и обогащения до вывода объектов из эксплуатации, включая и реакторы, и производство топлива). AREVA свой основной уран добывает в Африке – на двух открытых карьерах в Нигер. Группа так же владеет 30% шахты McArthur River (Канада), которая обеспечивает 20% мировой добычи урана. 60 Компания BHP Billiton (Англия-Австралия) BHP Billiton - крупнейшая в мире горнодобывающая компания. Основана в 2001 путём объединения австралийской Broken Hill Proprietary Company (BHP), и британской Billiton. Австралийская компания владеет 60%; британская - 40%. BHP Billiton добывает бокситы, уголь, медь, марганец, железную руду, уран, никель, алмазы, серебро и титан, а также нефть и природный газ. Добывающие мощности компании сосредоточены в 25 странах: Австралия, Канада, Чили, Мозамбик, ЮАР, Колумбия, Пакистан, США и др. Владелец шахты месторождения Olympic Dam (Австралия). Уран ассоциируется с медью, золотом и серебром. Запасы меди составляют 11 млн. тонн при содержании меди 2,5%, запасы урана – 275 тыс. тонн с содержанием 0,07%, запасы золота ― 270 тонн с содержанием 0,6 г/т, запасы серебра ― 2700 тонн с содержанием 6 г/т. Данное комплексное месторождение является самым 61 рентабельным в мире. По существу, уран и золото являются попутными компонентами, а медь – основным. Компания Rio Tinto (Британия) Rio Tinto Group – австралийско-британский концерн, вторая по величине в мире транснациональная горнорудная группа. Основан в 1873. Rio Tinto производит золото (5-е место в мире), медь (4-е место), алюминий (7-е место), добывает железную руду (2-е место), уголь (4-е место), а также алмазы и уран. Rio Tinto контролирует компанию Energy Resources of Australia, которая производит 10% мирового урана, а также проект Rossing в Намибии. 62 Навоийский горно-металлургический комбинат (НГМК, Узбекистан) ГП Навоийский горно-металлургический комбинат (НГМК, г.Навои), создан в 1958 в, монопольный оператор по добыче, обогащению и экспорту урана в Узбекистане. Входит в десятку крупнейших мировых производителей урана и золота: в бюджете НГМК золото занимает 80%, уран 15%. Республика не обладает собственной атомной промышленностью, и весь произведенный уран поставляет на экспорт (Американская компания RWE Nukem Inc. до 2013 обладает эксклюзивным правом на поставку на международный рынок урана, добываемого НГМК). 63 ОАО Атомредметзолото Государственный концерн, который образован в 1992 из 1-го главного управления Министерства среднего машиностроения СССР. АРМЗ консолидирует все уранодобывающие предприятия в России и ряд уранодобывающих компаний с российским участием за рубежом. Концерн осуществляет разведку, добычу и переработку урановых, золотосодержащих руд, а также руд редких и рассеянных элементов. В задачи концерна входит проектирование горнодобывающих предприятий, перерабатывающих и машиностроительных заводов. Предприятия: ОАО «ППГХО», ОАО «Далур», ОАО «Хиагда», СП «Заречное» 64 Урановый рынок Рынок урана по сравнению с рынками других металлов имеет ряд особенностей - это не один рынок, а несколько. Первый рынок - это рынок природного урана. Основные игроки рынка добычи и реализации природного урана - Канада, Австралия, Южная Африка, Казахстан. Второй рынок - это рынок услуг по обогащению природного урана, где содержание изотопа 235U 0,7%, до уровня энергетического (4,5%U). На этом рынке всего четыре основных игрока - Россия, американская компания USEC, французская AREVA и англонемецкая URENCO. Россия контролирует четверть 65 второго рынка (экспорт низкообогащённого топлива). Урановый рынок Третий рынок - фабрикация топлива, точнее, производство ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов для реакторов), здесь много национальных игроков, Россия контролирует пятую часть мирового рынка. Areva обеспечивает техническую поддержку Казатомпрому в создании производства по изготовлению топливных сборок мощностью 1200 тонн в год на АО «Ульбинский металлургический завод». Производство включает линию производительностью 400 тонн для реакторов французского дизайна (Казатомпром - 51%, АРЕВА - 49%), при этом топливные таблетки для данных сборок будут поставляться компанией Казатомпром. Сбытом данной продукции будет заниматься совместное предприятие, учрежденное компаниями Areva - 51% и 66 Казатомпром - 49%. Урановый рынок Рынок дизайна реакторов. Есть российский дизайн, есть дизайн американских компаний General Electric, Westinghouse и немецкой-французской SiemensFramatom. Это системообразующий рынок, потому что с дизайном реакторов связаны колоссальный объем машиностроения, развитие сопутствующих технологий, фабрикация топлива. Во всех странах, выбравших тот или иной дизайн реактора, сразу же возникает масса компаний, обслуживающих основной кластер. 67
