УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Уран – это основной энергоноситель ядерной энергетики, вырабатывающей около 20% мировой электроэнергии. Урановая промышленность охватывает все стадии производства урана, включая разведку месторождений, их разработку и обогащение руды. Переработку урана в топливо для реакторов можно рассматривать как естественную отрасль урановой промышленности.
Ресурсы.
Общемировые достаточно надежно разведанные ресурсы урана, который можно было бы выделить из руды по себестоимости не выше 100 долл. за килограмм, оцениваются приблизительно в 3,3 млрд. кг U3O8. Примерно 20% этого (ок. 0,7 млрд. кг U3O8, см. рисунок) приходится на Австралию, за которой следуют США (ок. 0,45 млрд. кг U3O8). Значительными ресурсами для производства урана располагают ЮАР и Канада.
Урановое производство.
Основные этапы производства урана – это добыча руды подземным или открытым способом, обогащение (сортировка) руды и извлечение урана из руды выщелачиванием. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом, раздробленную руду сортируют и размельчают, а затем переводят в раствор сильной кислоты (серной) или в щелочной раствор (карбоната натрия, что наиболее предпочтительно в случае карбонатных руд). Раствор, содержащий уран, отделяют от нерастворенных частиц, концентрируют и очищают сорбцией на ионообменных смолах или экстракцией органическими растворителями. Затем концентрат, обычно в форме оксида U3O8, называемого желтым кеком, осаждают из раствора, сушат и укладывают в стальные емкости вместимостью ок. 1000 л.
Для извлечения урана из пористых руд осадочного происхождения все чаще применяется метод выщелачивания на месте. По скважинам, пробуренным в рудном теле, непрерывно прогоняют щелочной или кислый раствор. Этот раствор с перешедшим в него ураном концентрируют и очищают, а затем из него осаждением получают желтый кек. См. также РУДЫ ОБОГАЩЕНИЕ.
Переработка урана в ядерное топливо.
Концентрат природного урана – желтый кек – это исходный компонент ядерного топливного цикла. Для превращения природного урана в топливо, соответствующее требованиям ядерного реактора, нужны еще три этапа: преобразование в UF6, обогащение урана и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).
Преобразование в UF6.
Для преобразования оксида урана U3O8 в гексафторид урана UF6 желтый кек обычно восстанавливают безводным аммиаком до UO2, из которого затем с помощью плавиковой кислоты получают UF4. На последнем этапе, действуя на UF4 чистым фтором, получают UF6 – твердый продукт, возгоняющийся при комнатной температуре и нормальном давлении, а при повышенном давлении плавящийся. Пять крупнейших производителей урана (Канада, Россия, Нигер, Казахстан и Узбекистан) вместе могут давать 65 000 т UF6 в год.
Обогащение урана.
На следующем этапе ядерного топливного цикла повышается содержание U-235 в UF6. Природный уран состоит из трех изотопов: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) и U-234 (0,01%). Для реакции деления в ядерном реакторе необходимо более высокое содержание изотопа U-235. Обогащение урана осуществляется двумя основными методами разделения изотопов: газодиффузионным методом и методом газового центрифугирования. (Энергия, затрачиваемая на обогащение урана, измеряется в единицах разделительной работы, ЕРР.)
При газодиффузионном методе твердый гексафторид урана UF6 переводят понижением давления в газообразное состояние, а затем прокачивают по пористым трубкам из специального сплава, сквозь стенки которых газ может диффундировать. Поскольку масса атомов U-235 меньше, чем атомов U-238, они легче и быстрее диффундируют. В процессе диффузии газ обогащается изотопом U-235, а газ, прошедший по трубкам, обедняется. Обогащенный газ снова пропускают по трубкам, и процесс продолжается до тех пор, пока содержание изотопа U-235 в отборе не достигнет уровня (3–5%), необходимого для работы ядерного реактора. (Для оружейного урана требуется обогащение до уровня свыше 90% U-235.) В отходах обогащения остается лишь 0,2–0,3% изотопа U-235. Газодиффузионный метод характеризуется высокой энергоемкостью. Заводы, основанные на этом методе, имеются только в США, во Франции и в КНР.
В России, Великобритании, Германии, Нидерландах и Японии применяется метод центрифугирования, при котором газ UF6 приводится в очень быстрое вращение. Благодаря различию в массе атомов, а следовательно, и в центробежных силах, действующих на атомы, газ вблизи оси вращения потока обогащается легким изотопом U-235. Обогащенный газ собирается и экстрагируется.
Изготовление твэлов.
Обогащенный UF6 поступает на завод в 2,5-т стальных контейнерах. Из него гидролизом получают UO2F2, который затем обрабатывают гидроксидом аммония. Выпавший в осадок диуранат аммония отфильтровывают и обжигают, получая диоксид урана UO2, который прессуют и спекают в виде небольших керамических таблеток. Таблетки вкладывают в трубки из циркониевого сплава (циркалоя) и получают топливные стержни, т.н. тепловыделяющие элементы (твэлы), которые объединяют примерно по 200 штук в законченные топливные сборки, готовые для использования на АЭС.
Отработанное ядерное топливо сильно радиоактивно и требует особых мер предосторожности при хранении и удалении в отходы. В принципе его можно переработать, отделив продукты деления от остатков урана и плутония, которые повторно могут служить ядерным топливом. Но такая переработка дорого стоит и соответствующие коммерческие предприятия имеются лишь в некоторых странах, например во Франции и Великобритании.
Объем производства.
К середине 1980-х годов, когда надежды на быстрый рост ядерной энергетики не оправдались, объем производства урана резко упал. Строительство многих новых реакторов было приостановлено, а на действующих предприятиях стали накапливаться запасы уранового топлива. С распадом Советского Союза дополнительно увеличилось предложение урана на Западе.
Мировая потребность в уране в середине 1990-х годов составляла ~75 млн. кг. Примерно по 30% этого количества приходилось на США и Европейский союз, а около 15% – на Восточную Азию. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.
К концу 20 в. все большее влияние на урановую промышленность стали оказывать военные запасы урана. В конце 1992 Россия согласилась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США согласились приобрести этот материал по рыночным ценам. К 2000 ядерный материал конвертированного оружия составил не менее 20% предложения на мировом рынке урана. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ; ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ; УРАН.
Чесноков Н.И., Петросов А.А. Системы разработки месторождений урановых руд. М., 1982
Смирнов Ю.В. и др. Аппараты и оборудование зарубежных гидрометаллургических заводов. М., 1984