Получаване на природен уран

Уранът се намира в природата под формата на съединения, които са най-често с ниски концентрации на полезния елемент. Това създава проблеми при неговото извличане, които засягат в крайна сметка и природната среда. Съществуват следните основни методи за получаване на уран:

· подземен добив (рудници);

· добиване по открит способ (кариери);

· геотехнологично извличане.

Класически добив на уран. Получаване на уранов концентрат

При класическия добив от земята се изкопава (в подземни рудници или в открити кариери) скална маса, съдържаща уран - уранова руда. Основните етапи на получаването на уранов концентрат от рудата са показани на следващата схема.

Преди да бъде извадена урановата руда от мината е необходимо да се изкопае значително количество безполезна скална маса и руда с много ниско съдържание. Това огромно количество съпътствуваща скална маса е основният отпадък, влияещ на природната среда при този етап. Лесно се пресмята, че при съдържание на уран в рудата 0.1% за получаването на 1000t уранов концентрат е необходимо да се преработят 1000000t руда (без да се имат пред вид допълнителните количества празна скална маса от проходките и галериите към рудното тяло). Част от тази скална маса се депонира близо до рудника под формата на насипи (табани). Понякога сред тях се срещат отделни късове с доста висока активност.

Останалата част от изкопания материал (рудата) се транспортира до мястото на преработка. Поради неравномерното разпределение на урановите минерали в рудната маса тя се подлага на сортировка, главната цел на която е да се отдели празната скална маса. Този процес се нарича механично обогатяване. Съществуват няколко метода за механично обогатяване: радиометричен, гравитационен и флотационен.

При радиометричния метод се измерва радиоактивността на отделните парчета руда и с помощта на автоматизирана система те се разделят (сепарират) по този признак. Радиометрично обогатяване се използува още в забоите за проверка на вагонетките с изкопана руда и продължава в следващите етапи, където рудата се подава с лентови механизми.

Ефективността на радиометричното обогатяване зависи от хомогенността на съдържанието на уранови минерали в рудната маса, от нейната замърсеност с инертни материали (глина и пр.). Този метод не винаги дава добри резултати.

Гравитационното обогатяване се основава на разликите в плътността на урановите минерали (за повечето тя е в границите 6.5-10.5 g/cm³), която е доста по-голяма от тази на празната скална маса (2.5-2.7 g/cm³). Сепарацията става по скорост на падане в течни среди (най-често водна среда или водна суспензия). Това изисква значително раздробяване на рудата. Гравитационното обогатяване се комбинира успешно с флотацията.

Самата флотация се основава на различното омокряне на минералните частици на смляната руда (<0.3mm), поради което частиците на някои минерали се прикрепват към мехурчета въздух и изплуват над повърхността на пулпа под формата на пяна, а други частици остават в пулпа. Към тази скално-водна суспензия (пулп) се добавят различни флотационни реагенти (колектори, пенители, активатори, депресори и пр.) в зависимост от вида на урановите минерали и стадия на процеса. Те увеличават или намаляват омокрянето на минералите и по този начин съдействуват за по-доброто им разделяне.

При обогатяването на рудите се губят 5-15% от урана, които отиват заедно с обеднената скална маса като отпадък.

Получената по този начин обогатена руда се подлага на химично излужване с киселинни или алкални реагенти; при това уранът почти изцяло преминава в разтворима форма. Останалата след този процес обеднена маса се складира в специални басейни (хвостохранилища). 

При излужването на урана се използуват различни реагенти в зависимост от химичния и минералния състав на рудата. При това се получават (в зависимост от използуваните реагенти) уранилнитрати UO₂(NO₃)₂, уранилсулфати UO₂(SO₄), уранилфосфати UO₂(H₂PO₄)₂, уранилкарбонати Na₂[UO₂(CO₃)₂] и др. При този процес се получават и други полезни компоненти: желязо, ванадий, антимон, титан и др.

След излужването пулпът се изпраща към следващия стадий - селективно извличане на урановите съединения от разтвора. То става чрез сорбция върху органични смоли или чрез екстракция с помощта на органични течности, неразтворими във вода. Сорбцията е възможна както в разтвор, така и в пулп, но за екстракцията е необходима допълнителна обработка за избистряне на разтворите. Това става чрез филтрация, чрез отстояване и декантиране (преливане) или чрез коагулация.

В последния стадий на преработката урановият концентрат се изсушава и привежда в прахообразна форма като U₃O₈ (yellow cake).

Афинаж. Получаване на ядрено чист уран

"Жълтият кейк" е важен междинен продукт на преработката. Той обаче съдържа само 60-80% U₃O_8. Останалото са различни примеси. Следващият етап е т.нар. афинаж, т.е. получаване на ядрено чист уран, който може да се подлага по-нататък на изотопно обогатяване.

В процеса на афинажа най-строги са изискванията към наличието на примеси като Hf, B, Cd, Eu, Sm, Gd, които имат много големи сечения за поглъщане на неутроните. Техните концентрации в ядрено чистия уран не трябва да надвишават 10^-5-10^-6%. Такива умерени поглътители на неутрони като Fe, Si, Al, V трябва да са под 10^-3-10^-4%.

Технологичната схема на афинажа е показана на следващата фигура.

За такова дълбоко пречистване на урана най-широко разпространение е получил методът на  екстракция с трибутилфосфат (ТБФ). Той представлява сложен етер - безцветна органична течност (C₄H₉O)₃PO. При тази технология урановият концентрат се разтваря в азотна киселина до уранилнитрат и  се използува свойството на ТБФ да има твърде различен коефициент на екстракция за урана в сравнение с почти всички останали примеси (около 10000).

Реекстракцията на чистия уранилнитрат от органичната фаза става във водна среда с повишаване на температурата. Уранилнитратът се утаява с водороден пероксид H₂O₂ и след накаляване се получава UO₃. Ако е необходим UO₂, той може да се получи от триоксида с редукция. Тетрафлуорид обаче може да се получи и директно от UO₃. С добавка на още флуор се получава важното съединение уранов хексафлуорид UF₆, който се използува в процеса на обогатяване на урана. Метален уран се получава от оксидните форми чрез редукция със свръхчист калций или магнезий във вакуум.

Геотехнологичен метод за извличане на уран

Един от перспективните методи за добив на уран е т.нар. геотехнологичен метод, който представлява подземно излужване на урановата руда. При него става разтваряне на полезната компонента с химически реагент в самото месторождение на рудното тяло. След това образуваните разтворими съединения се отвеждат на повърхността от принудително движещия се поток на разтворителя. Този принцип е известен отдавна и се прилага при добива на сол, сяра и др. Методът се използува широко в много страни за добив на уран. В сравнение с класическата технология този метод има следните предимства:

a) ефективно се отработват месторождения с ниско съдържание на уран, както и такива със сложни геоложки условия, които не позволяват рентабилно прилагане на класическия минен способ;

b) намаляват се значително капиталните вложения за създаване и въвеждане в експлоатация на нови обекти;

c) подобряват се условията за съхранение на надземния ландшафт; няма необходимост от хвостохранилища за отпадъците;

d) отсъствува прахоотделяне и рязко намалява отделянето на радон в атмосферата.

При подземното извличане изборът на разтворителя се определя от формата на урановата минерализация и състава на рудните залежи. Най-благоприятни за отработване чрез подземно извличане са рудите, в които урановите съединения са 4- и 6-валентни. За извличането обикновено се използуват водни разтвори на минерални киселини или карбонатни соли на алкалните метали. Киселинният способ (най-често със сярна киселина) дава по-висока степен на извличане на урана в сравнение с карбонатния, но има някои недостатъци (по-голяма агресивност на разтваряне, скъпоструващо киселинноустойчиво оборудване и пр.), между които е и потенциалната опасност от замърсяване на подземните води с радиоактивни и други химически активни вредни примеси.

От технологична гледна точка методът за подземно извличане изглежда така:

1. От земната повърхност по определена схема се пробиват сондажи през рудните тела на базата на предварителни изследвания (главно хидрогеоложки и геохимични). Те се обсаждат с тръби от ПВЦ. В зоната на орудяването те се перфорират странично, за да играят ролята на филтри. Сондажите са два вида: нагнетателни и черпещи.

2. През нагнетателните сондажи в продуктивния пласт се подава воден разтвор на сярна киселина (2-8g/l), който преминава в рудния пласт и се извлича на повърхността през черпещите сондажи с помпи.

3. Ураносъдържащите разтвори се пренасят по тръбопроводи в сорбционни комплекси. Там уранът се извлича от разтворите с йонообменни смоли. Към останалите бедни на уран разтвори се добавя свежа сярна киселина и те се връщат в нагнетателните сондажи. Така се осъществява непрекъсната циркулация на разтвора.

4. Йонообменните смоли, обогатени на уран, се обработват с цел обратното извличане на урана от тях (десорбция). Получените разтвори се включват в процесите на по-нататъшната обработка (хим.очистване, утаяване, изсушаване и получаване на прахообразен U₃O₈). Този процес е свързан с транспорт на смолите към заводите за хидрометалургична преработка на урана.

За прилагане на този метод е необходима пълна хидрогеоложка информация за района. Оттам се прогнозират загубите на продуктивни разтвори, степента на замърсяване на водоносния хоризонт и минерализацията на водите. Главна задача е да се избегне възможността за създаване на хидравлична връзка между продуктивния и водоносния хоризонт и изтичане на продуктивни разтвори извън рудното тяло. Правят се и наблюдателни сондажи.

Експлоатацията на урановите находища по метода на подземно извличане не води до значителни радиационни замърсявания на почвата. Могат да се появят локални замърсявания при нарушаване херметичността на съединенията на тръбите. Едно важно предимство на геотехнологичния метод е, че при него вследствие на различните химични отнасяния на урана и продуктите от неговото разпадане, около 97% от радия остава в рудното тяло. По този начин най-опасните в радиологично отношение нуклиди не излизат на повърхността на земята.

По отношение на опазването на земната повърхност, ландшафта и въздушния басейн геотехнологичният метод има неоспорими предимства. По отношение опазването на повърхностните и особено на подземните води мненията са нееднозначни. Причината е, че вследствие на многогодишната експлоатация на находището в подземните води се вкарват огромни количества сярна киселина (за България - общо над 2.5.10⁶t). Те предизвикват активни химични процеси дълбоко под земята, в резултат на което се получават високи концентрации на сулфатни йони. Замърсяването на подземните води от технологичните разтвори може да бъде предизвикано от разливането на тези разтвори извън границите на експлоатираната част от находището към съседните водоносни хоризонти. Въпреки взетите технологични мерки, такива изтичания могат да се случат при дефекти в инсталациите, запушване или разрушаване на тръбите и пр.

Уранодобивни райони в България