Уран, являясь химически активным рассеянным элементом, встречается в природе в составе более 200 различных минералов. Геологи выделяют два основных типа месторождений: гидротермальные, для которых характерны протяжённые по глубине рудные тела, и гидрогенные, образующие пластовые залежи. Именно тип месторождения определяет выбор метода добычи: для первого типа применяется подземный способ, а для второго — открытый (карьерный).
Эволюция методов добычи
Промышленная добыча урана, начавшаяся в 1940-х годах, изначально опиралась на классическую подземную разработку. Шахты глубиной от 600 до 900 метров проходились с использованием буровых и буровзрывных работ. Высокий уровень механизации, достигавший 80–90%, обеспечивал производительность на уровне 8–10 кубометров на человека за смену. Технологии того времени успешно решали специфические проблемы отрасли, такие как радиоактивное загрязнение воздуха в шахтах и отвод избыточного тепла от пород и подземных вод.
Начиная с 1960-х годов для разработки подходящих месторождений стал активно применяться открытый способ. Использование мощных роторных экскаваторов и других высокопроизводительных комплексов позволило резко увеличить выработку — до 80–110 кубометров на человека за смену.
Для отработки бедных или сложных для традиционной добычи месторождений экономически эффективным методом стало подземное скважинное выщелачивание. Суть технологии заключается в закачке через специальные скважины (обсаженные трубами из ПВХ, стекловолокна или стали) химического реагента-выщелачивателя с окислителем. Раствор, взаимодействуя с рудой, извлекает уран, и полученный продуктивный раствор с концентрацией U3O8 30–60 мг/л откачивается на поверхность для дальнейшей переработки.
Многостадийный процесс переработки руды
Из-за огромного разнообразия урановых руд технологии и оборудование для их переработки могут сильно отличаться. Однако ключевые стадии технологической цепочки остаются общими:
- Механическая подготовка руды: включает дробление, измельчение, классификацию и обогащение с применением гравитационных, флотационных, магнитных или радиометрических методов.
- Химическое выщелачивание: процесс извлечения урана в раствор с использованием серной кислоты, карбонатов или их комбинаций. Проводится перколяционным, агитационным или автоклавным способами. Автоклавный метод, работающий при высоких температурах (до 430 К) и давлениях (до 6 МПа), особенно эффективен для переработки труднообогатимых руд.
- Получение технического оксида урана ("жёлтого кека"): выделение урана из растворов выщелачивания. Основные методы — ионообменная сорбция (катионная или анионная), экстракция органическими реагентами (ди-2-этилгексилфосфорная кислота, триалкиламины, трибутилфосфат) или их комбинация.
- Аффинажная очистка: глубокая очистка технического продукта (содержание урана не менее 65%) для достижения ядерной чистоты. Чаще всего применяется экстракция трибутилфосфатом с последующим осаждением, например, аммонийно-карбонатной соли NH4UO2(CO3)3. Этот осадок прокаливается с восстановлением до товарного диоксида урана UO2.
Завершающая стадия и перспективы отрасли
Аффинажные стадии могут быть интегрированы в рудоперерабатывающий комплекс или вынесены на специализированные предприятия. В России завершающую переработку урановой продукции осуществляют Машиностроительный завод в Электростали и Новосибирский завод химических концентратов.
Современные химико-металлургические технологии гарантируют получение продуктов с ядерной чистотой свыше 99,95%, при этом содержание нежелательных примесей, особенно поглощающих нейтроны, снижено до уровня 10-3...10-5 процента.
Уранодобывающая промышленность продолжает развиваться, внедряя новые решения для снижения затрат и себестоимости. Одним из перспективных направлений является комплексное извлечение из руд попутных ценных компонентов, таких как редкоземельные элементы, с одновременным производством минеральных удобрений. Для России стратегически важной задачей остаётся разведка и освоение новых, рентабельных урановых месторождений.