уран что с ним делают
Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение
Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.
Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:
Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:
Способы добычи
Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:
Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.
Открытый
Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.
Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.
Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.
Подземный
Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.
Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:
Скважинное подземное выщелачивание
В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).
Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.
Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.
Обогащение урана
Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 ( 235 U). Остальную часть составляют:
Причины
Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235 U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.
Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.
Степени
Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:
Технологии
В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.
Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.
Применение
Ядерное топливо
Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).
Геология
Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.
Другие сферы
Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.
Месторождения в России и мире
Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:
Мировые запасы
Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.
В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:
Страны, добывающие уран
Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:
Вторая жизнь урана: что делают в современном мире с отработанным ядерным топливом
Атомная энергетика — одна из самых экологичных с точки зрения выбросов углекислого газа: за 1 кВт⋅ч атомные электростанции выбрасывают всего 12 г СO2. Для сравнения, у природного газа этот показатель составляет 490 г/кВт⋅ч, а у угля — 820 г/кВт⋅ч. Однако атомных электростанций до сих пор не слишком много — в первую очередь, потому что вопрос, что делать с отработанным ядерным топливом, остается нерешенным. Общественное восприятие, часто основанное на мифах, заключается в том, что мы понятия не имеем, что делать с ядерными отходами. «Хайтек» рассказывает, какие технологии утилизации ядерного топлива существуют, какие страны хранят такие отходы и как избегают утечек — таких, как на Фукусиме и в Чернобыле.
Читайте «Хайтек» в
Почему атомная энергетика экологична?
По сравнению с электрогенерирующими установками, работающими на ископаемых или возобновляемых видах топлива, атомные электростанции имеют очень легкий углеродный след. Например, при сжигании биомассы выделяется 230 г CO2 за кВт⋅ч, при добыче электричества с помощью гидростанций — 24 г CO2 за кВт⋅ч, и только 12 г CO2 за кВт⋅ч при добыче электричества на атомной станции.
Какое отработанное топливо подлежит переработке?
Существующие на данный момент 440 ядерных энергетических реакторов, работающих по всему миру, производят примерно 10 500 т отработанного топлива в год. Во время производства энергии потребляется только приблизительно 5% урана, а также генерируются побочные продукты, такие как плутоний. Как и оставшийся уран, плутоний подлежит переработке.
В тепловом реакторе нейтроны, которые формируются довольно быстро, замедляются за счет взаимодействия с соседними атомами с низким атомным весом, такими как водород в воде, которая протекает через активную зону реактора. Все, кроме двух из 440 действующих коммерческих ядерных реакторов, являются тепловыми, и большинство из них используют воду как для замедления нейтронов, так и для передачи тепла, которое возникает в процессе распада, в электрические генераторы. Большинство этих тепловых систем — то, что инженеры называют легководными реакторами.
В атомных реакторах используются два изотопа урана — менее распространенный уран-235 и более распространенный уран-238. Обычные реакторы в основном расщепляют уран-235 для выработки энергии, а уран-238 в чистом виде часто считается бесполезным. Так, когда в стандартном реакторе заканчивается уран-235 — это происходит примерно через три года после начала использования, — его дозаправляют, даже если в нем еще много урана 238.
Когда сотрудники АЭС удаляют отработанное топливо, в нем остается около 95% от его первоначальной энергии — другими словами, используется только 5% его энергии. Только около одной десятой добытой урановой руды превращается в топливо в процессе обогащения (во время которого концентрация урана-235 значительно увеличивается), поэтому для выработки электроэнергии используется менее одной сотой от общего энергосодержания материала.
Большую часть (около 94%) отработанного ядерного топлива составляет уран-238, который не делится. Этот компонент является лишь слегка радиоактивным (по сравнению с другими продуктами распада — цезием-137 и стронцием-90) и, будучи отделен от продуктов деления и остальной части материала в отработанном топливе, может быть легко сохранен для будущего использования на слабо защищенных объектах.
Уран-238 также называют расщепляющимся, потому что он иногда распадается при попадании быстрого нейтрона. Он еще называется фертильным, потому что, когда атом урана-238 поглощает нейтрон без расщепления, то превращается в плутоний-239, который, как и уран-235, является делящимся и может поддерживать цепную реакцию. Он и подлежит переработке.
Ядерное топливо представляет собой герметичный контейнер из сплавов циркония или стали, в который помещены таблетки с ураном. Когда топливо переходит в разряд отработанного, его извлекают из реактора и путем химического разделения сортируют на бесполезные элементы и вещества, которые можно использовать повторно.
Пиропереработка основана на гальванизации — использовании электричества для сбора на проводящем металлическом электроде металла, извлеченного в виде ионов из химической ванны. Этот процесс проводится при очень высоких температурах.
Как с ядерным топливом поступают разные страны?
К настоящему времени по всему миру переработано около 100 тыс. т (из 290 тыс. т произведенного) отработанного топлива коммерческих энергетических реакторов. Годовая мощность переработки в настоящее время составляет около 5 тыс. т в год.
В частности, переработкой ядерных отходов занимаются Великобритания, Россия и Япония — их коммерческая перерабатывающая мощность составляет 600, 400 и 800 т в год соответственно. Ожидается, что в период с 2010 по 2030 годы в мире будет произведено около 400 тыс. т отработанного ядерного топлива, в том числе 60 тыс. т в Северной Америке и 69 тыс. т в Европе.
Процесс рециркуляции во Франции выглядит так: отработанный уран с электростанций отправляется на два перерабатывающих завода — UP-2 и UP-3, расположенных на мысе Ла Аг. Там в течение трех лет он находится в деминерализованной воде, после чего отделяется для переработки в оксидное топливо.
Ядерные отходы, которые не подлежат переработке, помещаются в специальные резервуары из стекла цилиндрической формы. В будущем правительство планирует построить глубокое подземное хранилище для этих отходов.
Заводы для переработки ядерного топлива также существуют в Великобритании (Thorp) и Японии (предприятия в Роккасе-Мура и Токае-Мура).
Как обстоят дела в России?
Сейчас в России работают десять стационарных атомных электростанций и одна плавучая — «Академик Ломоносов». Годовая выработка энергии атомными электростанциями в России, по данным Росатома, составляет 204,275 млрд кВт⋅ч — это около 18,7% всей электроэнергии, производимой в стране. В госкорпорации отмечают, что этого достаточно, чтобы обеспечивать электричеством Москву и Московскую область примерно в течение двух лет.
В России уже накоплено около 20 тыс. т собственного отработанного ядерного топлива — при перерабатывающей коммерческой мощности в 400 т в год. Единственным предприятием, на котором ведется переработка отработанных ядерных отходов, является РТ-1 на ПО «Маяк» — предприятии в закрытом городе Озерск в Челябинской области.
Второе предприятие РТ-2, в горно-химическом комбинате в Красноярском крае, долгое время находилось в стадии замороженного строительства. На нем планировали организовать хранение отработанного ядерного топлива реакторов АЭС, его переработку и производство нового ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах. В 2018 году на РТ-2 провели тестовую переработку отработанного ядерного топлива с нескольких российских АЭС.
Срок службы существующих тепловых реакторов в России (к этому типу принадлежат восемь из десяти стационарных АЭС) в ближайшем будущем завершится. Если их заменят быстрыми реакторами, отработанные ядерные отходы станет проще и безопаснее перерабатывать, потребность в добыче новой урановой руды, запасы которой ограничены, почти исчезнет. А благодаря рециркуляции топлива использовать существующие запасы можно будет еще очень долго.
Почему атомная энергетика безопасна?
В истории гражданской ядерной энергетики произошло три крупных аварии на реакторах — на АЭС, расположенных на острове Три-Майл, в Чернобыле и Фукусиме. Это единственные крупные аварии, произошедшие за более чем 17 тыс. совокупных реакторных лет промышленной эксплуатации атомной энергии в 33 странах.
С 1990-х годов новые реакторы строятся по международным правилам — при проектировании АЭС инженеры стремятся к большей стандартизации конструкции, а объекты находятся под надзором регулирующих органов.
Стандартизация предполагает принятие положения по безопасности, которое планирует строительство нескольких физических барьеров между активной зоной реактора и окружающей средой, а также несколько систем безопасности, которые дублируют друг друга. Это позволит избежать человеческой ошибки. Сейчас системы безопасности составляют около четверти капитальных затрат на строительство реакторов.
Атомная энергетика сможет удовлетворить долгосрочные потребности человечества в энергии при условии крайне низкого влияния на окружающую среду. Однако для продолжения широкомасштабного устойчивого производства атомной энергии поставки ядерного топлива должны продолжаться в течение длительного времени. В условиях ограниченных запасов ископаемого топлива перспективы производства атомной энергии и переработки ядерного топлива выглядит очень привлекательными.
Как добывают уран: бизнес с риском для жизни
Уран, как химический элемент, относиться к классу металлов и обладает серебристо-белым цветом с ярко выраженным блеском. Залежи его месторождений доступны практически на всех континентах, однако страны добывающие уран знают, что в чистом виде он практически не встречается, из-за своей химической активности.
Долгое время никто и не подозревал о радиоактивных свойствах этого металла, хотя в 1857 году французский изобретатель Абель Ньепс и обнаружил некое излучение во время экспериментов в фотолаборатории. И лишь в 1938 году ученые наконец поняли, что при делении ядра изотопа урана выделяется внушительное количество энергии — это обстоятельство стало началом эры атомной энергетики. Государства на разных континентах и разных идеологических режимов моментально задумались – какой уран добывают их рабочие, и как можно использовать его мощь.
Как добывают уран
Нужно понимать что места, где добывают уран, несмотря на свою распространённость в мире, довольно проблематично найти и реализовать в полной мере. Виной всему радиоактивность данного металла.
Конечно из-за того, что этот химический элемент «фонит», компании добывающие уран могут обнаружить его залежи благодаря аэрогаммасъёмке, улавливающей радиацию. Но из-за угрозы заражения, особенностей местонахождения, анализов после разведки и оценок запаса – добыча и последующая переработка будет отличаться.
На сегодня уран добывают как правило тремя способами:
Если руда залегает неглубоко, то, компании добывающие уран, начинают разрабатывать карьеры. Однако, часто радиоактивные породы находятся под землёй и тогда приходиться рыть шахты. В большинстве случаев именно посредством шахт добывают уран в России, так как наиболее выгодного с экономической точки зрения способа найти трудно. Правда всё это оправданно лишь если глубина не превысит 2000 метров, а сама руда будет достаточно высокого качества.
Поэтому в России уран добывают как подземными горными выработками, так и методом СПВ. Карьерные работы в нашей стране, практически не используют. Порода, которую разрабатывают посредством шахт, проходит следующие стадии:
В случае же скважинного подземного выщелачивания отвалы не образуются, а в земле отсутствуют пустоты после выработки. К плюсам этой технологии следует отнести безопасность для работников завода ввиду отсутствия радиоактивной пыли при обработке урана. Таким образом, за методом СПВ, который не наносит вред экологии и экономически выгоден будущее. Но стоит помнить, что в большинстве стран мира, и в России тоже, добывать уран таким способом можно если руда залегает ниже уровня грунтовых вод, а между ними находится водонепроницаемая глина. Именно поэтому в нашей стране лишь 7% подобных разработок месторождений.
Наглядно понять как добывают уран и как происходит его переработка для производственных целей, показывает Телеканал Discovery:
Видео того как добывают уран не просто объясняет устройство этого непростого ремесла, но показывает насколько сложен и интересен данный процесс.
Как применяют уран
Помимо того как добывают уран, нужно рассказать и о его использовании в промышленности и энергетики. Ввиду своей химической активности, уран достаточно гибкий и весьма ковкий металл, обладающий свойством намагничиваться. Однако в первую очередь, человечество использует его в атомной энергетике.
Следует понимать, что в природе смотреть как добывают уран U235 не приходится. Всё дело в том, что изотопа с таким массовым числом в природе менее 1%. Поэтому для нужд энергетики и армии, полученный уран обогащают или обедняют.
Изотоп урана U235 устроен таким образом, что однажды запущенная реакция ядерного распада будет протекать самопроизвольно, без дополнительного влияния извне. Поэтому уран добывают в основном как основу для извлечения из руды подобных изотопов. Благодаря такой реакции он крайне эффективен как источник энергии для ядерного реактора.
Впрочем, уран и плутоний используются не только в военных целях. Изотопы этих металлов нашли свое применение в медицине — препараты на их основе представляют собой удобные маркеры, которые просто отследить внутри организма по следам слабого, безопасного для пациента излучения. Кроме того, уран позволяет геологам отслеживать возраст минералов и горных пород. Так как добывают уран достаточно давно,мы точно знаем время периода его полураспада. Так что, оценивая разницу между его концентрацией на сегодняшний день и постоянной распада, можно вычислить возраст того или иного геологического объекта.
Уран элемент. Свойства, добыча, применение и цена урана
Открытие планетарного масштаба. Так можно назвать обнаружение учеными Урана. Планета открыта в 1781-ом году.
Ее обнаружение стало поводом для наречения одного из элементов таблицы Менделеева. Уран металлический выделили из смоляной обманки в 1789-ом.
Шумиха вокруг новой планеты еще не улеглась, поэтому, идея о названии нового вещества лежала на поверхности.
В конце 18-го века еще не было понятия радиоактивности. Между тем, это основное свойство земного урана.
Ученые, работавшие с ним, облучались, сами того не зная. Кто был первопроходцем, и каковы другие свойства элемента, расскажем далее.
Свойства урана
Из раствора выпал бурый осадок. Этот окисел Клапрот восстановил льняным маслом, прокалил. Получился черный порошок.
Позже выяснилось, что это был не чистый уран, а его диоксид. Отдельно элемент получили лишь через 60 лет, в 1841-ом году. А еще через 55 Антуан Беккерель открыл явление радиоактивности.
Радиоактивность урана обусловлена способностью ядра элемента захватывать нейтроны и дробиться. При этом, выделяется внушительная энергия.
Она обусловлена кинетическими данными излучения и осколков. Есть возможность обеспечить непрерывное деление ядер.
Цепная реакция запускается при обогащении природного урана его 235-ым изотопом. Его не то, чтобы добавляют в металл.
Наоборот, из руды убирают малорадиоактивный и неэффективный 238-ой нуклид, а так же, 234-ый.
Их смесь именуют обедненной, а оставшийся уран называют обогащенным. Именно такой нужен промышленникам. Но, об этом поговорим в отдельной главе.
Стало понятно, что новый элемент что-то излучает. Пока супруги Кюри исследовали, что именно, Мария получила дозу радиации, ставшей причиной развития у химика рака крови, от которого женщина умерла в 1934-ом году.
Бета-излучение способно разрушить не только человеческий организм, но и сам металл. Какой элемент образуется из урана? Ответ: — бревий.
Иначе его называют протактинием. Обнаружен в 1913-ом, как раз при изучении урана.
Последний превращается в бревий без сторонних воздействий и реактивов, лишь от бета-распада.
Внешне уран – химический элемент серебристо — белого цвета с металлическим блеском.
Так выглядят все актиноиды, к коим и относится 92-ое вещество. Начинается группа с 90-го номера, а заканчивается 103-им.
Стоя в начале списка, радиоактивный элемент уран, проявляет себя, как окислитель. Степени окисления могут быть 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой, 6-ой.
То есть, химически 92-ой металл активен. Если истереть уран в порошок, он самовоспламениться на воздухе.
В обычном виде вещество окислится при контакте с кислородом, покрывшись радужной пленкой.
Брось его в воду, — раствориться, как и чистый уран. Разъедают его и все кислоты. Из органических элемент вытесняет водород.
Урановые соли нестабильны, распадаются на свету, или в присутствии органики.
Индифферентен элемент, пожалуй, лишь к щелочам. С ними в реакцию металл не вступает.
Открытие урана – это обнаружение сверхтяжелого элемента. Его масса позволяет выделить металл, точнее, минералы с ним, из руды.
Достаточно раздробить ее и засыпать в воду. Урановые частицы осядут первыми. С этого начинается добыча металла. Подробности, в следующей главе.
Добыча урана
Получив тяжелый осадок, промышленники выщелачивают концентрат. Цель – перевести уран в раствор. Используют серную кислоту.
Исключение делают для смолки. Этот минерал в кислоте не растворим, поэтому, используют щелочи. Секрет трудностей в 4-валентном состоянии урана.
Достаточно нагреть руду с сульфидными минералами до 150-ти градусов и направить на нее кислородную струю. Это ведет к образованию в камнях кислоты, вымывающей уран.
Химический элемент и его применение связаны с чистыми формами металла. Дабы убрать примеси, используют сорбцию.
Ее проводят на ионообменных смолах. Подходит, так же, экстракция органическими растворителями.
Итогом станут оксиды 92-го элемента. Их нагревают до 800-от градусов и восстанавливают водородом.
Применение урана
92-ой металл – основное топливо ядерных реакторов. Обедненная смесь подходит для стационарных, а для силовых установок используют обогащенный элемент.
У самого 238-го урана велик период полураспада, он длится 4,5 миллиардов лет. Столь длительное разрушение приводит к малой энергоемкости.
Если рассматривать применение соединений урана, пригождаются его оксиды. Их используют в стекольной промышленности.
Оксиды выступают красителями. Можно получить стекла от бледно-желтых до темно-зеленых. В ультрафиолетовых лучах материал флуоресцирует.
В итоге, фон изделий безопасен, не превышает 30-ти микрон в час. Фото элементов урана, точнее, изделий с его участием, весьма красочны. Свечение стекол и посуды притягивает взоры.
Цена урана
За килограмм необогащенной окиси урана дают около 150-ти долларов. Пиковые значения наблюдались в 2007-ом.
Тогда стоимость достигала 300-от долларов за кило. Разработки урановых руд останутся рентабельными и при цене в 90-100 условных единиц.
Кто открыл элемент уран, не знал, каковы его запасы в земной коре. Теперь, они подсчитаны.
Крупные месторождения с рентабельной ценой добычи истощатся к 2030-му году.
Если не откроют новых залежей, или не найдут альтернативы металлу, его стоимость поползет вверх.