Садуакасова А.Т.¹, д.т.н. Самойлов В.И.¹, д.т.н. Зеленин В.И.²

¹Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, Казахстан

2 Уральский Федеральный Университет им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия

Минерально-сырьевая база урана и обогащение урановых руд

Создание и расширение минерально-сырьевой базы является одной из основных предпосылок успешного роста экономики любой страны, так как именно минерально-сырьевые ресурсы являются источником экономического процветания и прогресса.

Среднее содержание урана в земной коре составляет 3∙10^-4 % масс. [1]. Урана в земной коре приблизительно в 1000 раз больше, чем золота, в 30 раз больше, чем серебра, и почти столько же, сколько свинца и цинка. Для урана характерна значительная рассеянность в горных породах, почвах, воде морей и океанов. Лишь относительно небольшая часть сконцентрирована в месторождениях, где содержание урана в сотни раз превышает его среднее содержание в земной коре [2].

Урановые минералы встречаются на всех стадиях эндогенного (первичного) минералообразования. Кроме того, уран встречается преимущественно в высшей степени окисления, в экзогенных и метаморфогенных месторождениях. Известно около 200 минералов урана. Они представлены соединениями четырёхвалентного урана (преимущественно оксидами) и шестивалентного урана (соли уранила).

К важнейшим минералам группы оксидов относятся уранинит UO₂ и настуран (или урановая смолка) U₃O₈. По современным воззрениям они представляют одну минеральную фазу переменного состава UO_x, где х изменяется от 2 до 2,6.

Содержание урана в уранините колеблется от 46,5 до 88,2 % масс. Обычно присутствуют также 0,1÷3 % масс. ThO₂, 1÷2 % масс. и более лантаноидов, а также продукты радиоактивного распада урана.

К другим минералам группы оксидов относятся браннерит – титано-силикат (U, Ca, Fe²⁺, Th)₃(Ti, Si)₅O₁₆ и давидит – минерал сложного состава (Fe²⁺, Се, U)(Ti⁴⁺, Fe³⁺, U³⁺, Cr³⁺)₃(O, OH)₇.

К группе экзогенных минералов, образующихся на земной поверхности, относятся: карнотит – уранилванадат калия K₂(UO₂)₂(VO₄)₂∙nH₂O; тюямунит – уранилванадат кальция Са₂(UO₂)₂(VO₄)₂∙nH₂O; отенит – Ca(UO₂)₂(PO₄)₂∙(PO₄)₂∙nH₂O; торбернит – Cu(UO₂)₂(PO₄)₂∙nH₂O.

Среди эндогенных месторождений наибольшее значение имеют гидротермальные, в которых уран представлен в основном настураном и браннеритом.

Экзогенные месторождения также являются важными промышленными источниками урана. Во многих из них уран тесно ассоциируется с органическими соединениями (битумы, угли), молибденом, ванадием, селеном. Кроме того, уран легко задерживается всеми фосфатными образованиями (фосфориты, костные остатки рыб и др.) [1].

Особенностью минералов урана является присутствие в них урана в виде кислородных соединений – окислов.

Для урана характерно отсутствие сернистых и галоидных соединений, а также соединений с азотом, вольфрамом, оловом, селеном, теллуром, элементами группы платины. Совершенно неизвестно нахождение самородного металлического урана.

Существует целый ряд систем классификации урановых минералов. С точки зрения технологии представляет интерес система классификации, основанная на химическом составе минералов, включающая следующие классы: простые окислы; простые силикаты; сложные титанотанталониобаты (титанаты, танталониобаты); гидроокислы урана; гидратированные соли урана; ванадаты, арсенаты, молибдаты, карбонаты, сульфаты, сложные силикаты, фосфаты (фосфориты), органические соединения.

Промышленное значение имеют следующие минералы урана: уранинит, настуран, урановые черни, браннерит, ненадкевит, коффинит, ураноторит, карнотит, тюямунит и др. [1, 3]. К урансодержащим минералам относятся: монацит, давидит, бетасфит, эвксенит и др.

В осадочных месторождениях уран концентрируется в фосфате кальция, органических соединениях, глинистых минералах, лимоните и др. При этом форма нахождения урана в большинстве случаев не установлена.

Минералы урана уранинит, настуран и урановые черни состоят из UO₂ и UO₃. Они образуют единый ряд с постепенным изменением отношения UO₂ к UO₃ [3].

Запасы урана (категории RAR + EAR-I) по цене менее 40 долл/кг 10 стран приведены на рисунке 1, из которого видно, что более 70 % самых дешёвых запасов сосредоточено в трёх странах – Австралии, Казахстане и Канаде [4].

Если рассмотреть распределение запасов урана c ценой менее 40 долл/кг по промышленным типам месторождений, то в месторождениях песчаникового типа и калькретах (мелкозернистые и тонкозернистые пористые породы) сосредоточено 35 % урана, в месторождениях типа несогласия – 34 % урана, в золотых и медно-золотых месторождениях с попутной добычей урана – 19,6 %, в гранитах месторождения Россинг (Намибия) – 5,1 %, в жильных и штокверковых гидротермальных месторождениях – 3,4 %.

Что касается запасов урана по цене менее 80 долл/кг (рисунок 2), то и их большая часть находится в Австралии, Казахстане и Канаде. Высокие содержания урана характерны только для месторождения типа несогласия (более 1%).

На начало 2006 г. мировые разведанные запасы урана в недрах по цене менее 80 долл/кг составляли около 5000 тыс. т, из них 4224 тыс. т сосредоточены всего в 11 странах мира [4]. Именно эти запасы служат в настоящее время основным источником для производства урана.

Рисунок 1 – Разведанные запасы (% масс.) категории RAR + EAR-I по цене менее 40 долл/кг (по состоянию на 01.01.2001 г.)

Рисунок 2 – Разведанные запасы (% масс.) категории RAR + EAR-I по цене менее 80 долл/кг (по состоянию на 01.01.2001 г.)

Эти одиннадцать ведущих стран-производителей обеспечивают 95 % мировой добычи урана, причём Канада и Австралия – более 50 % [5].

При добыче руд с содержанием урана 0,1 % масс. для получения 1 т урана необходимо извлечь из недр примерно 1000 т руды, не считая колоссального количества пустой породы от вскрытых и проходческих выемок. Такую огромную массу руды лучше всего перерабатывать и обогащать в непосредственной близости от рудника [2]. В настоящее время считают экономически целесообразным перерабатывать руды с содержанием урана не менее 0,05÷0,07 % масс. Комплексное использование урана вместе с другими ценными компонентами позволяет экономически выгодно перерабатывать руды, содержащие не менее 0,01÷0,03 % урана [3].

Всё шире в практику внедряется комплексная переработка урановых руд с попутным извлечением других ценных компонентов (фосфор, ванадий, сера, молибден, железо, медь, золото, редкоземельные элементы).

Добыча урановой руды осуществляется в основном шахтным либо карьерным способом – в зависимости от глубины залегания рудных пластов. В 2005 г. на подземные рудники приходилось 38 % массы добытого урана в мире, на открытые месторождения (карьеры) – 30 %, способом подземного выщелачивания добывалось 21 % урана, ещё 11 % получались как побочный продукт при разработке других видов полезных ископаемых [2].

Вещественный состав урановых руд предопределяет необходимость гибкого использования различных методов обогащения и тщательного согласования операций обогащения и гидрометаллургии.

Можно привести известный пример резкого сокращения транспортных расходов на перевозку уранового сырья. Доставка уранового сырья, содержащего 1 % урана, из района добычи в Канаде около Полярного круга (Эльдорадо) на самолётах в США для приготовления первой атомной бомбы стоила огромных денег. После того, как урановое сырьё стали обогащать в районе добычи до 50 %-ного содержания урана, транспортные расходы сократились в 50 раз [3].

Урановое месторождение в Канаде, известное под названием Эльдорадо, находится в районе Большого Медвежьего озера, на его восточном берегу, в 30 км к югу от Полярного круга. Урановая руда здесь когда-то была очень богата и предствалена настураном в ассоциации с минералами, содержащими кобальт, никель, серебро и др. Это старое месторождение к настоящему времени в значительной степени выработано. В Канаде имеются другие месторождения урана.

В США основной источник добычи урана – осадочные месторождения плоскогорья Плато Колорадо в штатах Юта, Колорадо, Аризона, Нью-Мексико, а также Вайоминг и Техас. Карнотитовые песчаники и конгломераты Плато Колорадо служат значительным источником добычи не только урана, но и ванадия, хотя руды здесь довольно бедные.

На урановых месторождениях Аляски, Мексики, Бразилии добыча урана незначительна. В центральной и северной частях Аргентины добывают медно-урановую руду.

К крупным промышленным источникам урана принадлежат месторождения ЮАР (Витватерсранд, Трансвааль и др.) Главными промышленными компонентами являются золото и минералы урана – уранинит и браннерит, в меньшей степени – тухолит, урановая смолка, настуран, коффинит, торогуммит и др. [6]. Минералы урана находятся в золотоносных конгломератах и извлекается попутно при добыче золота, в стоимость которого и включают значительную часть расходов. Поэтому считают экономичным извлекать уран из руды даже с содержанием его всего 0,02÷0,025 %. К этим рудам наиболее применимы гравитационные методы обогащения с последующей доводкой черновых концентратов методами магнитной и электрической сепарации. Для урансодержащих руд важное значение имеет радиометрическая сортировка.

Золото-ураноносные конгломераты и метаморфизированные редкометальные россыпи являются крупным потенциальным сырьевым источником редких элементов (особенно иттриевых земель и циркония), хотя в настоящее время их роль в добыче редких элементов незначительна).

Промышленное извлечение иттрия и иттриевых лантаноидов (попутно с ураном) в относительно небольших масштабах пока освоено лишь на Бланд-Ривер в Канаде [6].

Очень большие запасы, но с низким содержанием урана имеются в Юго-Западной Африке (Намибия). Этот район может стать одним из наиболее значительных поставщиков урана, и, по-видимому, добыча в нём будет сильно влиять на общемировую ситуацию снабжения ураном.

В Австралии крупные месторождения урана представлены медно-настурановыми рудами Рам-Джангла (Северная Австралия) и карнотитовыми рудами Радиум-Хилла (Южная Австралия). И те, и другие руды разрабатывают открытым способом. Основная масса урановых запасов континента сосредоточена в месторождении довольно бедных руд Мэри-Кетлин на севере штата Квинсленд. В настоящее время ведутся интенсивные поиски новых залежей урана в Южной и Западной Австралии.

На территории Азии месторождения урановых руд имеются в Индии, Японии, Индонезии, на Филиппинах, в Китае и некоторых других местах. В Индии огромны запасы монацитовых песков, содержащих до 9 % тория и 0,3 % урана.

Из всех европейских стран наибольшими запасами урановых руд (в т.ч. и бедных) обладают Испания, Португалия, Италия, Дания (о. Гренландия), Швеция, Норвегия, Чехословакия, Югославия и особенно Франция. Практически нет урановых руд в Голландии, Швейцарии и очень мало в Англии и Германии [3].

Комплексная переработка урановой руды с попутным извлечением других её компонентов позволяет резко снизить промышленный минимум процентного содержания урана до экономически допустимых пределов. Этот фактор существенно влияет на выбор схемы переработки руды и вообще на технологическую оценку месторождения, что можно видеть на примере таких примесей, как ванадий, РЗЭ, золото, некоторые другие цветные и редкие металлы, фосфорная кислота. Так, экономически выгодно перерабатывать на уран и золото руды месторождения Витватерсранд (ЮАР) с содержанием U₃O₈, равным 0,01÷0,03 %, или фосфориты штата Флорида (США) с 0,01÷0,02 U₃O₈.

Таким образом, некоторые месторождения рассматривают как золото-урановые, уран-молибденовые, уран-полиметаллические, уран-фосфатные, уран-ванадиевые и др.

Минеральный и химический состав горнорудной массы определяет выбор, состав и общий расход реагентов на химическое обогащение руды. Химический состав вмещающей породы часто имеет решающее значение при выборе способа переработки урановых руд. Например, из силикатных руд уран обычно извлекают растворами серной кислоты, из карбонатных – содовыми растворами. Железоокисные руды подвергают доменной плавке на чугун, при этом уран как литофильный элемент полностью переходит в шлак. Каустобиолитовые руды иногда целесообразно сжигать до золы, в которой уран концентрируется [3].

Применение механического обогащения позволяет сократить расход химических реагентов при последующей гидрометаллургической переработке, получать более чистые гидрометаллургические растворы, удалять некоторые вредные примеси, расширить ресурсы сырья вследствие включения в переработку более бедных руд.

Продуктами обогащения являются концентраты, хвосты (отвальные, неотвальные) и промпродуткы. Обычно в отвальные хвосты уходит 5÷15 % всего урана. Следует подчеркнуть условность понятия «хвосты». Так, хвосты старых урановых обогатительных фабрик в настоящее время служат сырьём для извлечения из них урана.

При анализе затрат на различные стадии технологического цикла гидрометаллургической переработки урановых руд установлено, что на стадию выщелачивания приходится 35÷60 % общих прямых производственных затрат на гидрометаллургический предел. Это объясняется необходимостью перерабатывать огромные массы руды, бедной по содержанию урана, а также высоким расходом кислоты, соды и других реагентов на выщелачивание [3].

На фабрике «Миндола» (Замбия) [7] с целью удешевления последующего сернокислотного выщелачивания урана применяют комбинированную схему переработки: гравитационное и флотационное обогащение (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема обогащения урановых руд на фабрике «Миндола» (Замбия) [7]

Основной урановый минерал в руде уранинит ассоциирован с карбонатами, которые находятся в слюдяных полевошпатовых песчаниках. Второстепенные минералы – пирит, халькопирит, борнит. Уранинит имеет очень тонкую вкрапленность. Часть уранинита вместе с карбонатами извлекается флотацией, но предварительное выделение свободных зёрен гравитацией уменьшает потери урана с карбонатами. Поэтому в цикле измельчения были установлены винтовые сепараторы, с помощью которых извлекается до 50 % урана при содержании в гравитационном концентрате 30 % U3O8; первичный концентрат перечищается на концентрационных столах.

Хвосты столов и винтовых сепараторов возвращаются в классификатор. Флотация осуществляется при рН 9,4, для чего добавляется кальцинированная сода (1,36 кг/т руды). Руду измельчают до 0,3 мм, не допуская переизмельчения.

Для подавления флотации некарбонатных минералов применяют дробную подачу 2 %-ного раствора R-633 (450-570 г/т). Собирателем служит смесь трёх частей пальмового масла и одной части топливного масла калтекс – всего 566 г/т. Иногда добавляют пенообразователь.

В результате обогащения руды на фабрике «Миндола» удаляют до 80 % карбонатов в отвал, с которыми теряется менее 10 % урана. При удалении 65÷70 % карбонатов потери урана составляют всего лишь 4÷5 %. Предварительное обогащение позволяет снизить расходы кислоты на выщелачивание урана с 270 до 65 кг/т исходной руды [7].

Методы обогащения, применяемые на практике уранового производства, имеют свою специфику. Традиционные методы обогащения, широко используемые, например, в цветной металлургии, в большинстве случаев не могут быть использованы в технологии урана. В частности, флотация как метод уменьшения объёма руды перед дальнейшей переработкой оказалась малоэффективной при переработке урана и применяется лишь для решения частных задач [3].

Руды, содержащие заметные количества урана в виде вторичных минералов, или же руды с тонко вкрапленными ценными составляющими, освобождающимися лишь при очень тонком измельчении более всего подходят для химической переработки, которая, по-видимому, является единственным экономичным методом обработки таких руд. В настоящее время для большинства урановых руд требуемая степень извлечения может быть достигнута лишь с помощью химических методов. В тех случаях, когда урановые минералы трудно вскрываются, как например, минералы месторождения Радиум-Хилл (Австралия), и для их разложения необходима более энергичная химическая обработка, следует предварительно обогащать их с помощью физических методов, иначе химическая обработка оказалась бы неэкономичной [8].

По мере усовершенствования методов обогащения урановых руд должна стать возможной переработка более бедных руд, что может способствовать снижению стоимости химической обработки в существующих процессах.

Литература

1. Металлургия редких металлов. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г.: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991. – 432 с.

2. 2Добыча урана в мире // Газета «География», 2006 – №21.

3. Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана. Учебник для вузов. – М.: Атомиздат, 1978. – 336 с.

4. Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана: Учебное пособие для вузов / Н.С. Тураев, И.И. Жерин. – М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005. – 407 с.

5. Машковцев Г.А., Мигута А.К., Щёточкин В.Н. Минерально-сырьевая база и производство урна в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке // МРР, 2008. – №1.

6. Месторождения литофильных редких металлов / Под ред. Л.Н. Овчинникова и Н.А. Солодова. – М.: Недра, 1980. – 559 с.

7. Полькин С.И. Обогащение руд и россыпей редких и благородных металлов: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. – 428 с.

8. Извлечение и очистка редких металлов / Под ред. О.П. Колчина. – М.: Недра, 1960. – С. 128-145.