Где и как добывают уран: карьеры, шахты и скважинное выщелачивание

• 2–3 г/турана в среднем в земной коре
• ≈ 3 мгурана растворено в тонне морской воды
• 1789Клапрот открыл уран в урановой смолке
• > 10 %урана в рудах богатейших месторождений Канады

Уран в природе

Уран открыл в 1789 году немецкий химик Мартин Клапрот, исследуя тяжёлый чёрный минерал — урановую смолку. Новый элемент он назвал в честь планеты Уран, открытой незадолго до этого. Полтора века уран почти не находил серьёзного применения: его соединениями окрашивали стекло и керамику, а урановые руды в начале XX века добывали прежде всего ради радия.

Урана в земной коре в среднем 2–3 грамма на тонну — больше, чем серебра, ртути или золота. Но рассеян он очень тонко: понемногу его содержат граниты, глины, почва, речная и морская вода. В тонне морской воды растворено около 3 миллиграммов урана, а во всём Мировом океане — миллиарды тонн. Извлекать уран из такого слабого раствора пока намного дороже, чем из руды.

Рудой уран становится там, где его в десятки, сотни и даже тысячи раз больше среднего: в большинстве месторождений это сотые и десятые доли процента. Главный рудный минерал — уранинит, оксид урана; его плотную тёмную разновидность и называют урановой смолкой, или настураном. Встречаются и силикат урана коффинит, а в зонах окисления — яркие жёлтые и зеленоватые карнотит и отенит.

От морской воды до богатейшей руды

• ≈ 3 мг/ттонна морской воды
• 2–3 г/тземная кора в среднем
• доли процентаруда большинства месторождений
• > 10 %богатейшие руды Канады

Шкала логарифмическая: каждое деление — в десять раз больше предыдущего.

Рудой уран становится там, где его в десятки, сотни и даже тысячи раз больше среднего

Для добычи важнее всего химия. В четырёхвалентном состоянии уран почти не растворяется в воде, а окисляясь до шестивалентного, легко переходит в раствор — особенно если в воде есть карбонаты или серная кислота. На этом свойстве держится образование многих месторождений, на нём же построено и подземное выщелачивание.

Руда радиоактивна, но «светит» в ней в основном не сам уран, а накопившиеся за миллионы лет продукты его распада — радий и потомки радона. По их гамма-излучению месторождения и ищут, в том числе с самолётов. Как устроены цепочки распада, рассказано в статье «Изотопы и радиоактивность».

Какие бывают месторождения

Геологи выделяют больше десятка типов урановых месторождений; для добычи важнее всего несколько главных.

• В песчаниках. Подземная вода, богатая кислородом, медленно течёт по проницаемому пласту песка или песчаника, растворяет рассеянный уран и несёт его с собой. Там, где она встречает восстановительную среду — органическое вещество, сульфиды, — уран выпадает из раствора и копится на границе окисленных и неокисленных пород, часто в виде изогнутого в разрезе тела — «ролла». Руды обычно бедные, зато лежат в водоносных пластах между непроницаемыми слоями — идеальные условия для скважинного выщелачивания. Такие месторождения разрабатывают в Казахстане, США, Курганской области и Бурятии.
• Связанные с несогласием. В бассейне Атабаска в канадской провинции Саскачеван и на севере Австралии уран отложился вблизи поверхности несогласия — границы между древним кристаллическим фундаментом и перекрывающими его более молодыми песчаниками. Здесь самые богатые руды в мире: в лучших канадских месторождениях урана больше десяти процентов — в сотню и более раз больше, чем в обычной руде.
• Жильные и вулканические. Уран отлагался из горячих растворов в трещинах гранитов и других пород или в толщах древних вулканов. Из жил Рудных гор на границе Чехии и Германии урановую смолку добывали ещё в XIX веке. К вулканическому типу относятся месторождения Стрельцовского рудного поля в Забайкалье — они лежат в древней кальдере.
• В гранитоидах. В Намибии уран рассеян в гранитоподобных породах: руда бедная, но запасы огромны, и её вынимают крупными карьерами.
• Попутные. Иногда уран — не главный продукт. На австралийском месторождении Олимпик-Дам, крупнейшем из известных месторождений урана, его извлекают попутно с медью, а в ЮАР уран получали попутно с золотом.

С конца 2000-х годов крупнейший производитель урана в мире — Казахстан, и почти весь уран там добывают скважинным выщелачиванием. Много урана дают канадские шахты на богатейших рудах, крупнейшие разведанные запасы — у Австралии. Среди других заметных производителей — Намибия, Узбекистан, Россия и Китай.

Карьер и шахта

Способ добычи зависит от глубины залегания, богатства руды и строения пласта. Основные способы сведены в таблицу.

Открытый способ выбирают, когда руда лежит неглубоко — до нескольких сотен метров. Груз каждого самосвала проверяют радиометром: по гамма-излучению сразу видно, куда его везти — на склад руды или в отвал пустой породы.

Подземный способ нужен для глубоких залежей — так добывают уран в Краснокаменске и в Канаде. Богатейшие канадские руды залегают в обводнённых породах, поэтому массив вокруг рудного тела замораживают, а руду вынимают машинами с дистанционным управлением: вода не прорывается в выработки, а горняки не приближаются к руде.

Скважинное подземное выщелачивание

При скважинном подземном выщелачивании (СПВ) руду вообще не поднимают на поверхность: уран растворяют прямо в пласте, а наверх выкачивают раствор. Метод разработали в начале 1960-х годов независимо в СССР и США, и сегодня это самый распространённый способ добычи урана в мире.

Какие месторождения подходят

Условий три. Рудный пласт должен быть проницаемым — из песка или слабо сцементированного песчаника, по которому может течь вода. Он должен лежать ниже уровня подземных вод и быть зажат между водоупорами — слоями глины или других непроницаемых пород, которые не дают раствору уйти вверх или вниз. А уран должен находиться в минералах, которые растворяются в выщелачивающем растворе.

Важен и состав вмещающих пород. Если в них много карбонатов, они расходуют кислоту, и тогда вместо сернокислотного выщелачивания применяют содовое — растворами карбонатов с кислородом. В СССР основой стала сернокислотная схема, в США — в основном карбонатная.

Как устроен полигон

Участок месторождения разбуривают сетью скважин. Через нагнетательные, или закачные, скважины в пласт подают выщелачивающий раствор, через откачные поднимают его обратно. Скважины располагают рядами или ячейками — например, шестиугольником нагнетательных вокруг откачной — на расстоянии от десятка до нескольких десятков метров друг от друга. На крупном месторождении их сотни и тысячи.

Скважины обсаживают трубами из полиэтилена или поливинилхлорида: сталь кислота бы разъела. Напротив рудного интервала ставят фильтр, через который раствор выходит в пласт или входит в скважину, а зазор между трубой и стенкой скважины выше фильтра заливают цементом — так раствор не поднимется вдоль скважины в верхние водоносные горизонты. В откачные скважины опускают погружные насосы или поднимают раствор сжатым воздухом — эрлифтом.

Выщелачивающий раствор — слабый раствор серной кислоты: обычно в нём около процента кислоты или меньше. При необходимости в него добавляют окислитель, например пероксид водорода, чтобы перевести уран в растворимую шестивалентную форму. Пройдя через руду, раствор забирает уран и становится продуктивным: в литре — десятки и сотни миллиграммов урана.

Откачивают чуть больше раствора, чем закачивают. Из-за этого подземные воды вокруг блока слегка стягиваются внутрь, и раствор не растекается за его пределы. Вокруг полигона и в соседних водоносных горизонтах бурят наблюдательные скважины: по пробам воды из них сразу видно, если раствор всё же начал уходить.

Что происходит на поверхности

Продуктивный раствор по трубопроводам идёт на установку переработки и проходит через колонны с ионообменной смолой — гранулами полимера, которые избирательно захватывают соединения урана. Обеднённый раствор доукрепляют серной кислотой и снова подают в нагнетательные скважины: раствор ходит по замкнутому кругу и проходит через пласт много раз.

Насыщенную смолу промывают крепким раствором, который снимает с неё уран, — это десорбция. Из богатого раствора уран осаждают, сушат и при необходимости прокаливают.

Достоинства метода очевидны: нет горных выработок, отвалов и хвостохранилищ, люди не работают под землёй, поверхность почти не нарушается, а выгодно разрабатывать можно даже бедные руды. Есть и ограничения: годятся лишь месторождения определённого строения, часть урана остаётся в пласте, а за подземными водами нужно следить и во время добычи, и после неё.

Скважинное подземное выщелачивание. Через нагнетательные скважины в рудный пласт между водоупорами подают раствор, он растворяет уран и поднимается через откачные скважины на установку, где уран извлекают сорбцией. Горных выработок и отвалов нет.

От руды к концентрату

Руду из карьеров и шахт перерабатывают на гидрометаллургическом заводе: дробят, измельчают и выщелачивают — обычно серной кислотой с окислителем, а карбонатную руду — растворами соды. Пустую породу отделяют, а уран извлекают из раствора ионообменными смолами или экстракцией, осаждают, сушат и прокаливают.

Руду, в которой урана слишком мало для завода, перерабатывают кучным выщелачиванием. Её дробят, укладывают в штабели высотой в несколько метров на основание из глины или полимерной плёнки и орошают сверху кислым раствором. Просочившийся раствор собирают дренажом и отправляют на сорбцию.

Итог — урановый концентрат, «жёлтый кек»: чаще всего это порошок закиси-окиси урана U₃O₈. Его упаковывают в стальные бочки и отправляют на конверсию; дальнейший путь урана до тепловыделяющих сборок описан в статье «Ядерный топливный цикл».

От руды к «жёлтому кеку» на гидрометаллургическом заводе

1. Дроблениеруду из карьеров и шахт дробят и измельчают
2. Выщелачиваниесерной кислотой с окислителем, карбонатную руду — растворами соды
3. Извлечение уранапустую породу отделяют, уран берут из раствора смолами или экстракцией
4. Осаждениеуран осаждают, сушат и прокаливают
5. «Жёлтый кек»порошок закиси-окиси урана U₃O₈ в стальных бочках едет на конверсию

Руду, в которой урана слишком мало для завода, перерабатывают кучным выщелачиванием

Почти вся масса руды после извлечения урана превращается в хвосты — тонко измельчённую породу. В них остаются радий, торий-230 и другие продукты распада урана, поэтому хвосты складируют в хвостохранилищах, а после завершения работ перекрывают слоями глины и грунта. В российской классификации это радиоактивные отходы шестого класса — подробнее в статье «Радиоактивные отходы и ОЯТ».

Уран России

В России уран добывают три предприятия горнорудного дивизиона Росатома. Управляющая компания дивизиона — АО «Росатом Недра», которое до 2024 года называлось «Атомредметзолото».

Три предприятия Росатома, которые добывают уран в России

«Далур» и «Хиагда» используют сернокислотную схему и сорбцию урана на ионообменных смолах

Приаргунское производственное горно-химическое объединение (ППГХО) в Краснокаменске Забайкальского края — старейшее из них. Месторождения Стрельцовского рудного поля открыли в 1963 году, и с конца 1960-х годов здесь работает горно-химический комбинат, ставший объединением. Уран добывают в основном подземным способом — рудники уходят на сотни метров вглубь. Руду перерабатывают на собственном гидрометаллургическом заводе, а бедную — кучным выщелачиванием.

АО «Далур» в Курганской области — первое в России предприятие, которое стало добывать уран скважинным подземным выщелачиванием. АО «Хиагда» ведёт выщелачивание в Бурятии, в краю многолетней мерзлоты: рудные залежи лежат в песках древних речных долин, перекрытых сверху мощным покровом базальтов. Оба предприятия используют сернокислотную схему и извлекают уран из растворов сорбцией на ионообменных смолах.

Радон, вода и рекультивация

Главная радиационная особенность подземного рудника — радон. Этот инертный газ непрерывно образуется в руде при распаде радия и выходит в воздух выработок, а его короткоживущие продукты распада, оседая в лёгких, дают горнякам основную часть дозы. Откуда берётся радон и почему он копится в плохо проветриваемых помещениях, рассказано в статье «Радиация и защита от неё».

Поэтому урановые рудники проветривают особенно мощно: свежий воздух подают так, чтобы продукты распада радона не успевали накапливаться. Пыль подавляют водой — бурят с промывкой, орошают отбитую руду. Концентрацию радона и его продуктов распада в выработках постоянно измеряют, горняки носят индивидуальные дозиметры, а их дозы учитывают и ограничивают нормами радиационной безопасности.

При скважинном выщелачивании главный объект контроля — подземные воды, а на поверхности — трубопроводы с растворами. После отработки блока наблюдение продолжают, пока состав вод не вернётся к допустимому: остатки кислоты постепенно нейтрализуются вмещающими породами, а при необходимости воду в пласте дополнительно очищают.

Последний этап любой добычи — рекультивация. Скважины ликвидируют, заполняя цементом, трубопроводы и оборудование демонтируют, землю возвращают в хозяйственный оборот. Отвалы и хвостохранилища закрывают многослойными покрытиями из глины, грунта и почвы, которые задерживают радон и пыль и защищают от размыва, а сверху высевают траву. В современных проектах рекультивацию и её стоимость предусматривают ещё до начала добычи.

Термины

• УранинитГлавный рудный минерал урана — его оксид; плотную тёмную разновидность называют урановой смолкой, или настураном.
• ВодоупорСлой непроницаемых пород, например глины, который не пропускает подземные воды.
• Скважинное подземное выщелачиваниеСпособ добычи, при котором уран растворяют прямо в рудном пласте и поднимают на поверхность раствор через скважины.
• Продуктивный растворРаствор с растворённым ураном, который откачивают из пласта при выщелачивании.
• Ионообменная смолаГранулы полимера, избирательно захватывающие из раствора нужные ионы, — при добыче урана его соединения.
• Кучное выщелачиваниеИзвлечение урана из дроблёной бедной руды, сложенной в штабели и орошаемой раствором.
• ХвостыИзмельчённая порода, оставшаяся после извлечения урана из руды; в ней остаются радий и другие продукты распада урана.
• РекультивацияВосстановление земель после добычи: закрытие отвалов и хвостохранилищ, ликвидация скважин, возвращение участка в хозяйственный оборот.

Частые вопросы

Как добывают уран?

Тремя основными способами: открытым — в карьерах, подземным — в шахтах и скважинным подземным выщелачиванием, при котором уран растворяют прямо в пласте и выкачивают на поверхность раствор. Бедные руды перерабатывают ещё и кучным выщелачиванием, а иногда уран извлекают попутно с медью или золотом.

Что такое скважинное подземное выщелачивание урана?

Это способ добычи, при котором через нагнетательные скважины в водоносный рудный пласт подают слабый раствор серной кислоты, а через откачные поднимают раствор с растворённым ураном. Уран извлекают из него ионообменными смолами, а раствор после доукрепления кислотой снова закачивают в пласт.

Где добывают уран в России?

В Забайкальском крае — подземным способом на рудниках Приаргунского производственного горно-химического объединения в Краснокаменске. В Курганской области и Бурятии уран добывают скважинным подземным выщелачиванием предприятия «Далур» и «Хиагда».

Какая страна добывает больше всего урана?

С конца 2000-х годов лидер мировой добычи — Казахстан, где почти весь уран получают скважинным подземным выщелачиванием. Много урана добывают также Канада и Намибия, а крупнейшие разведанные запасы — у Австралии.

Опасно ли работать на урановом руднике?

Главный радиационный фактор под землёй — радон и продукты его распада, поэтому урановые рудники мощно проветривают, а концентрацию радона и дозы горняков постоянно контролируют. Облучение работников ограничено нормами радиационной безопасности.