Технология извлечения урана

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ    

  1. Уран 

  1.1 Переработка урана

  1.2 Общая модель инфильтрационного рудообразования 

   1.3 Основные геотехнологические свойства руд и месторождений урана        пластово-инфильтрационного типа

 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                                                                                                                                              

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ    

ВВЕДЕНИЕ

Урановая промышленность, как одна из конкурентоспособных и экспортоориентированных отраслей, становится одним из важнейших стратегических направлений промышленной деятельности Казахстана. 
 
Республика Казахстан занимает 2-е место в мире по достоверно разведанным запасам 800 (C1 + C2) тыс. тонн на 01.01.2009г. урана. Многие десятки месторождений урана, выявленные на территории Казахстана, различны по условиям формирования и практическому значению. Общность геологических позиций, генетических признаков и территориальная обособленность, позволяет рассматривать их в составе шести урановорудных провинций, наиболее значимыми по запасам являются Шу-Сарысуйская и Сырдарьинская, отработка месторождений которых является наиболее рентабельной и экологически безопасной. 
 
В конце 1991 года на территории Казахстана находилось 10 предприятий входивших в единый ядерно-топливный цикл СССР: Центральное рудоуправление, Степное рудоуправление, Рудоуправление № 6, Восточное рудоуправление, Западное рудоуправление, АО «Волковгеология», ГХК «ЦГХК», ГХК «Каскор», ГХК «Ульба», МАЭК. 
 
Указом Президента Республики Казахстан от 14 июля 1997 года основана в форме Закрытого акционерного общества со стопроцентной долей государства - Национальная атомная компания «Казатомпром». В уставный фонд «НАК «Казатомпром» были переданы имущественные комплексы государственных предприятий, осуществляющих деятельность в атомно-энергетическом производственном комплексе. 
 
В целях повышения эффективности оперативного управления и контроля над производственными процессами добычи и переработки урана в 2004г. создано ТОО «Горнорудная компания» (далее – ТОО «ГРК»), со 100% долей участия НАК «Казатомпром». В ТОО «ГРК» входят горнодобывающие предприятия: ТОО «Таукентское горно-химическое предприятие», ТОО «Степное-РУ», ТОО «РУ-6». 
 
Для эффективного решения текущих и перспективных вопросов экономического развития Казахстана и выхода на ведущие позиции мирового уранового рынка, с учетом стратегического значения урановой промышленности разработан и выполняется долгосрочный Стратегический план развития ТОО «ГРК» до 2015 года. Стратегический план разработан в соответствии с Программой развития урановой промышленности Республики Казахстан на 2003-2030 годы и Программой развития урановой промышленности РК на 2004-2015 годы, утвержденной постановлением Правительства Республики Казахстан от 23 января 2004 года № 78. 
 
В целях повышения эффективности управления и взаимодействия, добывающих и перерабатывающих предприятий в 2008 г. НАК «Казатомпром» передал ТОО «ГРК» в доверительное управление доли участия/акции в уставных капиталах совместных добывающих предприятий.

1. Уран 

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. 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 (англ.) (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.

В 1896 г., исследуя уран, 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 года, 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 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.

Схема деления 235U

В 1938 году 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 расчёте 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 и независимо от них Готтфридом фон Дросте и Зигфридом Флюгге[5]. 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.

1.1 Переработка урана

В грунтовую воду, откачанную погружными насосами из вмещающей водоносной породы, добавляются комплексообразующие реагенты (кислые или щелочные) и окисляющий компонент (перекись водорода или кислород), после чего этот раствор закачивается в геотехнологическое поле. Проходя через руду, выщелачивающий раствор окисляет и растворяет урановые минералы.

Для некоторых руд, особенно при добыче методом ПСВ в США, используют карбонатное выщелачивание для получения растворимых ионов трикарбоната уранила, которые затем можно осаждать щелочью, напр. диуранатом натрия или магния. В Казахстане, Австралии и Канаде на сегодняшний день щелочное выщелачивание или щелочная обработка руды не применяется.

Продуктивный раствор из добывающих скважин поступает на перерабатывающую установку, где уран выделяется с помощью либо ионообменных смол, либо жидкостного ионного обмена, также известного как жидкостная экстракция. Выбор между ионным обменом и экстракцией в основном определяется уровнем минерализации грунтовой воды. При высокой минерализации, как на руднике «Ханимун» (17-20 000 ppm), предпочтительна экстракция, в то время как ионный обмен наиболее эффективен при содержании хлоридов менее 3 000 ppm, как на казахстанских месторождениях и на проекте «Беверли» в Австралии.

Затем уран отделяется от ионообменной смолы и химически осаждается (обычно перекисью водорода). Урановая суспензия обезвоживается и осушается до получения конечного продукта — гидрата перекиси урана (UO4.2H2O).

Перед обратной закачкой технологического раствора он насыщается кислородом и, при необходимости, серной кислотой для поддержания уровня pH 2,5—2,8. Бóльшая часть раствора возвращается в закачные скважины, и лишь небольшая часть (около 0,5 %) выпускается для сохранения напорного градиента в геотехнологическом поле. Эта часть вместе с небольшим количеством растворов наземной переработки утилизируется как отходы. Отходы содержат растворенные минералы, такие как радий, мышьяк и железо из рудного тела. Они закачиваются в одобренные скважины для захоронения в истощенной части рудного тела. Выпуск части технологического раствора обеспечивает стабильный приток в геотехнологическое поле жидкости из окружающего водоносного пласта и не позволяет выщелачивающим растворам вытекать за пределы района разработки.

Охрана здоровья и окружающей среды

После завершения добычных работ методом ПСВ качество оставшихся грунтовых вод восстанавливается до исходного уровня, определенного до начала эксплуатации, с возможностью возобновления их прежнего использования. Загрязненная вода, полученная из водоносного слоя, либо испаряется, либо обрабатывается и закачивается обратно.

После вывода из эксплуатации скважины закупориваются или заглушаются, технологические установки демонтируются, испарительные бассейны рекультивируются, после чего почва готова к прежнему использованию.

При добыче урана методом ПСВ применяются обычные меры защиты от радиации, хотя бóльшая часть радиоактивности рудного тела остается глубоко под землей и, следовательно, выброс радона повышается минимально, а рудная пыль отсутствует. Работники проходят регулярное обследование на заражение альфа-активными веществами, а для контроля гамма-облучения носят индивидуальные дозиметры. Осуществляется повседневный контроль на воздушное, пылевое и поверхностное загрязнение.

1.2  Общая модель инфильтрационного рудообразования 

Процессы рудообразования протекают в определенных участках земной коры — рудообразующих системах [Голубев В. С., Шарапов В. Н., 1974]. Эпигенетическое рудообразование, вторичное (наложенное) по отношению к процессам формирования горных пород, происходит в результате привноса рудного (выноса нерудного) вещества растворами в рудообразующую систему. Последняя в целом является термодинамически открытой, и в ней происходят различные необратимые процессы. Об этом свидетельствует наличие определенных распределений концентраций в месторождении, в частности, надежно установленная зональность орудене- ния. Если бы рудообразование в открытой системе протекало термодинамически обратимо (равновесно), то концентрации рудных компонентов не были бы локальными величинами, зависящими от координат, а оставались бы постоянными в пределах всей системы.

Для формирования оруденения необходимо сочетание ряда благоприятных факторов, в первую очередь, эффективных механизмов подвода и фиксации рудных компонентов. Наиболее важным и распространенным процессом доставки рудного вещества является фильтрация рудоносного раствора. Фиксация вещества происходит на геохимических барьерах-зонах изменения физико- химических условий миграции рудоносного раствора, где концентрируется рудное вещество. Основными процессами рудообразования являются химические реакции между рудоносным раствором и вмещающими породами, кристаллизация в результате -изменения термодинамических условий миграции рудообразующего раствора или его состава вследствие взаимодействия с породами, а также химические реакции между растворенными веществами при смешении рудоносных растворов разного состава.

Основная задача теории динамики рудообразование состоит в том, чтобы на основе определенной модели процесса найти функцию распределения содержаний q~q(x, у, z, t) рудных компонентов в рудообразующей системе (х, у, z) в любой момент времени (t). Эта задача применительно к рудообразованию из фильтрующихся растворов рассматривается в литературе для моделей двух типов, характеризующих развитие процесса на неподвижном и подвижном геохимических барьерах.

Наиболее распространенный случай — формирование орудене- ния на подвижных геохимических барьерах, существование которых обусловлено в основном эволюцией фильтрующихся растворов. Так, при остывании раствора формируется подвижной температурный барьер, перемещающийся вместе с потоком, на котором происходит отложение рудных минералов. Широко распространено представление о наличии в гидротермальном растворе движущейся волны кислотности — щелочности, являющейся причиной рудоотложения и его зональности. Некоторые экзогенные эпигенетические месторождения формируются на подвижном восстановительном барьере.

В общем случае возможны замедление и остановка геохимических барьеров—либо в зоне фильтрации на некотором оптимальном расстоянии от дневной поверхности, либо на структурных и литологических экранах.

При математическом моделировании целесообразно сначала построить модели современных рудообразующих процессов, поскольку имеется возможность проверить некоторые следствия из них непосредственно при геологических исследованиях. В этом отношении весьма интересны экзогенные инфильтрационные месторождения [Экзогенные..., 1965]. Их детальная изученность позволяет количественно сопоставить результаты математического моделирования с геологическими данными.

1.3  Основные геотехнологические свойства руд и месторождений урана        пластово-инфильтрационного типа

 
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оконтуривания и геотехнологической дифференциации руд инфильтрационых месторождений, преимущественно урана, разведуемых для отработки способом подземного выщелачивания (ПВ). 
 
Известен способ осаждения тяжелых металлов из водных растворов путем использования чистой культуры сульфатредуцирующих бактерий, продуцирующих сероводород в присутствии пористых материалов-ловушек (Крамаренко Л.Е. Геохимическое и поисковое значение микроорганизмов подземных вод. Недра, Л. 1983 г. с. 112). 
 
Недостатком способа является малая геологическая интерпретация. 
 
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ геотехнологической дифференциации руд при разведке для подземного выщелачивания, включающий бурение разведочных скважин, отбор проб и поиск кондиционного оруденения по наличию и активности микрофлоры (Лисицын А. К. Геохимия рудообразования, Недра, М. 1975, с. 172). Недостатком способа является неопределенность положения площадей ореолов распространения активных концентраций сульфатредуцирующей микрофлоры по отношению к зонам пластового окисления, сопровождающей оруднение, и не трактующего качественную характеристику последнего. 
 
Целью изобретения является повышение эффективности оконтуривания и дифференциации геотехнологически ценных руд. 
 
Цель достигается тем, что в способе геотехнологической дифференциации руд при разведке для подземного выщелачивания, включающем бурение разведочных скважин, отбор проб и поиск кондиционного оруденения по наличию и активности микрофлоры, производят определение наличия и активности сульфатредуцирующих бактерий и устанавливают границы ореолов оруднения концентраций бактерий, соответствующих активному росту бактерий, росту средней активности и неактивному росту, по которым устанавливают соответственно зоны высокосортных кондиционных для подземного выщелачивания руд, зоны кондиционных и зоны, выходящие за пределы кондиционного выщелачивания руд. 
 
В способе также осуществляют оценку интенсивности вскрытия при подземном выщелачивании руд, подвергаемых исследованию на наличие и активность сульфатредуцирующих бактерий. 
 
Применение способа основано на исследовании активности сульфатредуцирующих бактерий как индикаторов качества среды, сформированной в геологическом масштабе времени в сопоставлении с геотехнологическими параметрами извлечением полезного компонента во времени для оценки интенсивности вскрытия руд (EТ), которое измеряется десятками суток. При этом достоверность последнего определения относительно низкая из-за малого испытания руд. 
 
Бактериальная среда более полно характеризует свойства руд. Предлагаемый способ позволяет избежать сложного и длительного геотехнологического опробования. 
 
Опробование на наличие микрофлоры проводят в полевых условиях с экспрессивной оценкой. По результатам опробования керна разведочных скважин и оценке активности сульфатредуцирующих бактерий осуществляют геотехнологическую дифференциацию руд в плане и разрезе. 
 
Данное технологическое решение не известно заявителю по отечественной и зарубежной патентной и специальной литературе. 
 
На фиг. 1 изображен план участка рудной залежи; на фиг2 схематический разрез с зонами опробования; на фиг.3 графическая зависимость сопоставляемых показателей на двух месторождениях, где обозначено: разведочные скважины 1 контур рудного тела 2, контур кондиционных для отработки способом выщелачивания (подземного) руд 3, контур весьма высокосортных руд 4. Кроме того, на разрезе изображен верхний водоупор 5 и нижний 6. На фиг.3 представлен график микрофлоры в руде и оценки вскрытия ее (EТ). На первом месторождении эта зависимость обозначена цифрой 7, а на втором месторождении - 8. 
 
Из графика видно, что рост концентрации сульфатредуцирующей микрофлоры соответствует росту интенсивности извлечения и прямо пропорционален ему. 
 
Способ осуществляется следующим образом. 
 
Бурением и опробованием разведочных скважин 1 оконтуривают рудную залежь 2. Проводят асептическое опробование керна в пределах продуктивного горизонта и отбор проб на стационарные многоступенчатые геотехнологические испытания. Экспрессно в течение 3-4 сут устанавливают активность сульфатредуцирующих мироорганизмов и картируют изолинии их содержания. При этом активность микроорганизмов устанавливают по их концентрации и подразделяют на 3 группы: активный рост бактерий (3 балла), рост средней активности (2 балла) и рост низкой активности (1 балл). Для урановых месторождений пластово-инфильтрационного типа на рудном участке сульфатредуцирующие бактерии широко развиты по всей области выклинивания зоны пластового окисления, при этом максимум их активности (n105-7 кл/г) приурочен к зоне высококондиционных для подземного выщелачивания руд. Концентрации СРБ n103-4 кл/г соответствуют, как правило, росту средней активности и характеризуют зоны кондиционных руд, при концентрации СРБ n101-2 кл/г рост низкой активности и принадлежат рудам, выходящим за пределы кондиционных для подземного выщелачивания. 
 
Затем выполняют геотехнологические испытания рудного керна в трубах известнам способом (Разведка месторождений урана для отработки методом подземного выщелачивания. М. Недра, 1983 г. с. 137). После стационарных геотехнологических испытаний и построения линеаризуемого графика (фиг.3,7,8), рассеяния данных результатов опробования С и ЕТ, отбор и стационарное геотехнологическое испытание руд по разведочным скважинам прекращают. Двойное опробование (С и ЕТ) продолжают только по рудному керну опорных геотехнологических скважин. Кроме того, осуществление способа поясняется примером. 
 
Пример. Участок месторождения гидрогенных руд (фиг.1) находится в 180 км от базы партии в пределах пустынного ландшафта. Первичная обработка рудного керна и его испытание по указанному способу проводились в лаборатории вахтового поселка. Отбор керна производился с глубины 380-450 м. Асептическое опробование руд на присутствие сульфатредуцирующих бактерий осуществлялось путем вскрытия центральной части столбика керна, не имеющего следов проникновения бурового раствора и сохранившего влажность как элемент среды обитания микроорганизмов. Посев осуществляется на элективную питательную среду микроорганизмов на месте, время инкубации 3-4 сут при температуре 25-30 oC. Геотехнологические испытания проводились на изолированном от доступа воздуха керновом материале в базовой лаборатории. Так было испытано сначала 53 пробы и проверена возможность сопоставления результатов (С и EТ). Затем отбор проб (фиг. 2,3) на микробиологический анализ экспресс-методом был продолжен в расширенном масштабе, но уже без сопоставления С и EТ. Результаты микробиологических исследований по концентрации клеток в 1 мл (с) нанесены на разрез (фиг. 2,1-9) и проинтерполированы. В результате установлены зоны (фиг. 1,2-2,3,4) оруднения разного геотехнологического качества - произведена геотехнологическая дифференциация их. Проверка такой дифференциации осуществлена бурением и натуральным испытанием одиночных скважин путем вскрытия руд раствором серной кислоты. Получены следующий результаты: в зоне 2-3 (фиг. 1, скв. 10) средняя концентрация урана при 50-м извлечении составила 49 млг/л полезного компонента, а в зоне внутри контура 4 (фиг. 1, скв. 11) средняя концентрация составила 217 млг/л. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Урановые руды различных месторождений Казахстана наряду с ураном содержат и рений, который переходит при выщелачивании урана в растворы. Несмотря на мизерные концентрации, – менее 1 мг/см3 в растворах, –  общие запасы его представляют промышленный интерес.

Впервые с помощью адаптированных методик определения рения в различных урансодержащих жидких и твердых продуктов установлены концентрации рения в растворах ПВ отдельных предприятий, и на примере одного из них изучено поведение рения при переработке растворов ПВ с получением химического концентрата природного урана.

Установлено, что рений содержится во всех технологических растворах, за исключением воды, применяемой для приготовления элюента, анионитах всех операций.

На основании проведенной работы выявлены промпродукты основной технологии извлечения урана, которые можно рассматривать как потенциальные сырьевые источники извлечения рения в урановой отрасли: растворы ПВ, маточные растворы сорбции, анионит после элюирования урана с подсоединением маточных растворов от осаждения ХКПУ.

Создана полупромышленная установка для сорбционного извлечения рения из промпродукта переработки урансодержащих растворов – фильтраты сорбции урана.

Согласно заключенному договору частичной уступки прав на получение охранных документов, по всем объектам промышленной собственности, созданным в результате реализации Проекта, подано соответствующее заявление о выдаче инновационного патента РК на изобретение. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ    

1. Абишев Д., Еремин Ю. «Обогащение тонковкрапленных руд приоритетное направление горно-металлургического комплекса // Промышленность Казахстана - 2000» - №2 - С. 96-99.

2. Антропов П.Я., Евсеева Л.С., Полуаршинов Г.П. Месторождения урана в осадочных породах депрессий // Сов. геология. 1997. - №9 - С. 32-36.

3. Арене В.Ж., Гайдин A.M. Геолого-гидрогеологические основы геотехнологических методов добычи полезных ископаемых. Москва. - Недра. -1978.

4. Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология) М, - Недра. - 1986. - 279 с.

5. Абишев Д., Султанбаев Е. «Минералогия микрокристаллов в процессах обогащения минерального и техногенного сырья // Промышленность Казахстана» 2000. - №2 - С. 100-102.

6. Аубакиров Х.Б. «Отчет экспедиции № 5 о результатах II этапа детальной разведки уранового месторождения партии № 55 за период 1977-80 гг. с подсчетом запасов по состоянию на 1.07.82 г.» Фонды предприятия «Волков-геология». - Алма-Ата. - 1982.

7. Аубакиров Х.Б. и др. «Отчет о детальной разведке месторождения п. №5 за период работы 1979-87 гг. с подсчетом запасов по состоянию на 1.01.1987 г. в 4 томах». Фонды предприятия «Волковгеология» - Алма-Ата. - 1987.