Горно-рудная промышленность урана

Урановый топливный цикл — основной цикл современной атомной энергетики. Он состоит из двух частей: дои послереакторной. В этой главе рассмотрена дореакторная часть уран-плутониевого ЯТЦ. Основное внимание уделено начальной стадии работ, одинаковой и для военного и энергетического ЯТЦ, связанной с горнорудной промышленностью урана.

Урановые руды, рудники и запасы урана

Исходным этапом ЯТЦ является добыча руды и производство уранового концентрата. Основные стадии этапа: собственно добыча урансодержащей руды; её механическое обогащение посредством удаления пустой породы; измельчение полученной рудной массы; выщелачивание из неё урана с помощью серной кислоты или карбоната натрия; получение уранового концентрата путём извлечения урановых растворов (экстракцией, сорбцией или селективным осаждением); сушка уранового концентрата и его герметичная упаковка.

Рис. 1 Схема дореакторной части уранового топливного цикла.

При средней концентрации 3 г/т в земной коре, уран не редкий металл. Он более распространен, чем Hg, Cd, Ag, Zn и В, и содержится в промышленных рудах в таких же концентрациях, как Sb или Мо. Земля содержит несколько миллиардов тонн урана. Он занимает 48 место по содержанию в горных породах. Уран обнаружен и в морской воде, в концентрации 150 мкг/мз.

Табл. 1. Концентрация урана в различных природных средах.

В свободном виде уран в земле не встречается, не образует он и мощных месторождений. Известно ~юо минералов урана с содержанием U >1%. В одной трети этих минералов уран четырёхвалентен, в остальных — шестивалентен. 15 из этих урановых минералов являются простыми оксидами или гидроксидами, 20 — комплексными титанатами и ниобатами, 14 — силикатами, 17 — фосфатами, ю — карбонатами, 6 — сульфатами, 8 — ванадатами, 8 — арсенатами. Неопределённые формы урановых соединений встречаются в некоторых углистых сланцах морского происхождения, лигните (буром утле) и каменном угле, а также в межзёрновых плёнках в изверженных породах. Промышленное значение имеют 15 минералов урана.

Табл. 2. Важнейшие урановые минералы.

В некоторых типах месторождений основным носителем урана является ураноносный фторапатит, в котором уран изоморфно замещает кальций.

Главные урановые минералы в крупных рудных месторождениях представлены оксидами (урановая смолка, уранинит, коффинит), ванадатами (карнотит и тюямунит) и комплексными титанатами (браннерит и давидит). Промышленное значение имеют также титанаты, например, браннерит 1Л1₂0б, силикаты — коффинит U[Si0₄]₁-x (0H)₄x, танталониобаты и гидритированные фосфаты и арсенаты уранила — урановые слюдки. Уран не встречается в природе как самородный элемент. Вследствие того, что уран может находиться в нескольких стадиях окисления, он встречается в весьма разнообразной геологической обстановке.

Урановые руды — природные минеральные образования, содержащие уран и его соединения в концентрациях, при которых их промышленное использование технически возможно и экономически целесообразно. Уран в рудах может входить в состав урановых минералов, но может образовывать значительные скопления в залежах фосфатов, лигнитов или монацитовых песков.

По содержанию урана руды сильно варьирутотся, причём распределение урана в руде описывается не нормальным (Гауссовским) законом, а логнормальным, т. е. возможны очень богатые руды, но встречаются они крайне редко.

По условиям образования среди урановых руд различают:

• — эндогенные руды, отложившиеся при повышенных температурах и давлениях из пегматитовых расплавов и водных (предположительно постмагматических) растворов, характерны для складчатых областей и активизированных платформ;
• — экзогенные руды, сформировавшиеся в близкоповерхностных у’словиях и на поверхности Земли в процессе осадконакопления или в результате циркуляции грунтовых вод, связаны с молодыми платформами;
• — метаморфогенные руды, возникшие путём перераспределения первично рассеянного урана в процессе метаморфизма осадочных толщ, характерны для древних платформ.

Урановые руды разделяются на природные типы и технологические сорта. Известны первичные урановые руды — не менее 75% U (IV) от общего количества, окисленные урановые руды, содержащие U (VI) и смешанные урановые руды, в которых U (IV) и U (VI) находятся в равных соотношениях. Степень окисления урановых минералов сказывается на технологии их переработки и поведении в гидрометаллургическом переделе.

По содержанию полезных примесей выделяют: собственно урановые, уран-молибденовые, уран-ванадиевые, уран-никель-кобальт-висмутсеребряные и др. руды. По химическому составу нерудной составляющей среди урановых руд различают: силикатные, карбонатные, железоокисные, сульфидные, каустобиолитовые, состоящие в основном из органического вещества. Химический состав руд важен при выборе способа их переработки. Так, например, из силикатных руд уран выщелачивается кислотами, из карбонатных — содовыми растворами; железо-окисные руды подвергаются доменной плавке, при которой уран концентрируется в шлаках; каустобиолитовые урановые руды обогащаются путём их сжигания и т. д. По содержанию урана выделяются 5 сортов руд: очень богатые руды (>1% U); богатые (14−0,5%); средние (0,54−0,25%); рядовые (0,254−0,1%); бедные (.

Содержание в руде помимо урана других полезных компонентов оказывает существенное влияние на ценность урановых руд.

Добыча урана имеет смысл только в месторождениях, содержащих концентрации по крайней мере порядка юоо г/тонну (0,1%).

Согласно классификации МАГАТЭ все известные месторождения урана разделены на 16 геолого-промышленных типов, три из которых на сегодняшний день доминируют в добыче урана: песчаниковый тип, характеризующийся связью урановой минерализации с древними континентальными и прибрежно-морскими песками и песчаниками (месторождения Казахстана, Намибии, Нигера, США, Узбекистана); тип «несогласия», характеризующийся приуроченностью оруденения к зонам структурностратиграфических несогласий между осадочными породами позднепротерозойского возраста и интенсивно измененными породами кристаллического фундамента архея и раннего протерозоя (Канада, Австралия); брекчиевый тип, где рудами являются обогащенные ураном гематитизированные брекчии вулканических и интрузивных пород (Австралия).

Несогласие, несогласное залегание — соприкосновение разновозрастных слоёв горных пород по поверхности размыва, возникающее в результате перерыва в накоплении осадков.

Месторождения урана классифицируют по размеру подтверждённых запасов руды и стоимости её извлечения. Стоимость извлечения урана определяется затратами на добычу, переработку и получение единицы продукта. Принято оценивать запасы урана по двум стоимостным категориям: <8о и 804−130 дол. за 1 кг урана.

«Известные ресурсы» (месторождения урана, которые можно разрабатывать при затратах ниже $ 130/кг, что эквивалентно $ 50/фунт U₃Os) составляют ~4,6 миллиона тонн урана во всём мире. «Неизвестные» (вероятные, возможные, теоретические) запасы", которые можно добыть за те же деньги, составляют 6,7 миллиона тонн урана, плюс 3,1 миллиона тонн урана, стоимость добычи которого неизвестна.

Рис. 2. Распределение мировых подтвержденных запасов урана по промышленным типам месторождений (согласно классификации МАГАТЭ).

Для характеристики запасов месторождений урана в России используется ряд терминов.

Запасы распределенного фонда недр — запасы месторождений, на которые имеется лицензия на их разведку и разработку. Запасы нераспределенного фонда недр — запасы месторождений, на которые нет лицензий. Запасы урана в недрах определяются на основании геологических данных, полученных в результате разведки месторождения. Извлекаемые запасы рассчитывают исходя из запасов в недрах с учётом коэффициента извлечения урана при его добыче в зависимости от метода добычи.

При характеристике запасов часто употребляются обозначения, которые характеризуют степень геологической изученности недр, по данным которой был проведён подсчёт запасов урана в недрах: B+Ci — подтверждённые запасы, которые характеризуют высокую степень изученности недр и, следовательно, высокую достоверность их определения. С2 — предварительно оценённые запасы, которые характеризуют достаточную геологическую изученность, чтобы провести определение запасов в недрах. Забалансовые запасы — категория запасов либо B+Ci, либо С2, которые в настоящий момент по каким-либо причинам не могут быть отработаны. Это может быть связано с горнотехническими условиями, ценовой политикой и пр. По международной классификации достоверно оценённые запасы урана относят к категории RAR. Обычно извлекаемые запасы составляют 6о% от достоверно оценённых.

При классификации запасов и ресурсов урана, принятой МАГАТЭ, помимо степени геологической изученности, используется показатель рентабельности их отработки при существующих способах добычи. Он учитывает прямые затраты на добычу, транспортировку и получение уранового концентрата (U₃Oe), а также затраты на проведение геологоразведочных работ для продления деятельности добывающего предприятия, с обеспечением экологической безопасности в период отработки месторождения и после её завершения, капитальные затраты на строительство новых производственных мощностей, неамортизационные расходы. Выделяется три стоимостных категории урановых руд в зависимости от себестоимости добычи 1 кг урана: <40 дол/кг; <8о дол/кг; <130 дол/кг. В 2005 г. рентабельной являлась отработка руд с себестоимостью добычи урана <8о дол./кг.

По величине запасов урановых руд месторождения делятся на: мелкие — запасы месторождений от 0,5 до 5 тыс. т; средние — от 5 до 20 тыс. т; крупные — от 20 до юо тыс. т; уникальные — более юо тыс.т. С экономической точки зрения месторождения урана делят по себестоимости получения U₃0s: <40 дол/кг; <8о дол/кг и <130 дол/кг. При этом вероятность того, что оценка себестоимости достаточно надежна, определяется категорией достоверности ресурсов: установленные (RAR), дополнительные (IFR) или неоткрытые (UDR). Запасы бывают также доказанными, вероятными, измеренными и обозначенными.

Рис. 3. Распределение балансовых запасов урана по субъектам РФ, тыс.т.

Категории залежей урана по классификации МАГАТЭ: RAR — запасы урана оцениваются по характеристикам образцов и по параметрам пластов залегания урана. Высокая степень надежности оценок; EAR-1 — дополнительные запасы урана, оцениваемые по имеющимся образцам. Менее надежная степень, чем RAR; EAR-II — дополнительные предполагаемые запасы, оцениваемые по характеристикам подобных хорошо известных залеганий. Степень надежности оценок ещё меньше, чем EAR-I; SR — в дополнение к категории EAR-II предполагается, что эти запасы урана определены на основе косвенных свидетельств и геологических экстраполяций.

Последние 15 лет потребление урана устойчиво превосходит его производство, а недостаток компенсируется из запасов, благодаря переработке оружейного урана (концентрация радиоактивного изотопа ²35U — 90%) в низкообогащенный энергетический (3,5⁴, 5%)" ^а также за счёт повторного обогащения и использования части ОЯТ.

В России учтены запасы 38 урановых месторождений, относимых к забалансовым (т.е. разведанным, но не разрабатываемым). Среди последних выделяются запасы Эльконского и Ергенинского урановорудных районов, рассматриваемые как резервные. Так, в Эльконском районе в Республике Саха-Якутия запасы урана (более 200 тыс. т) количественно превосходят все балансовые запасы в стране, но из-за рядового качества руд они могут стать рентабельными только при высокой цене на уран (и на золото, содержащееся в этих рудах). К перспективным регионам относится Онежский район (Карелия), где обнаружены запасы ванадиевой руды содержащей уран, золото и платину; Витимский район (Сибирь) с разведанными запасами в 6о тыс. т при концентрации урана 0,054% в руде с сопутствующими скандием, РЗЭ и лантанидами;); Западно-Сибирский район (Малиновское месторождение с запасами 200 тыс. т урана), а также ЕнисейскоЗабайкальский район и Дальневосточный рудоносный район, расположенный в прибрежной зоне Охотского моря.

В настоящее время разведанные запасы урана России по категориям В+С1+С2 составляют 656 тыс. т. с преобладанием (67,7%) наиболее низкой категории С2. Реальными для освоения в ближайшем будущем можно считать запасы боо тыс. т. Кроме того, выявлены прогнозные ресурсы урана, которые оцениваются по категориям Р1+Р2 в 830 тыс. т.

Замечание. За последние годы запасы природного урана, годного к промышленному использованию, в несколько раз, так что Россия переместилась с 7-го на 4-е место в мире (после Австралии, Казахстана и Канады). Связано это не с достижениями геологоразведки, а с успехами в развитии центрифужной технологии разделения изотопов урана. Дело в том, что до 2006 г. в резервы урана записывали все месторождения, на которых можно было обеспечить производство урана с издержками не более 8о$ за кг. После внедрения дешёвой центрифужной технологии в России из геологических запасов в извлекаемые запасы были переведены месторождения урана со стоимостью добычи до 130 $ за кг U, т. е. рентабельной стала добыча урана из бедных руд. Поэтому потенциал мировых запасов урана вырос до -6 306 300 т.

В 2011 г. во всём мире было добыто 53 494 т урана, что обеспечило мировые потребности в уране на 85%. Недостающий уран берётся из других источников: складские запасы, дообогащение хвостов и т. п.

Наибольшая добыча урановой руды (2011 г.) осутцествлялась в странах: 1. Казахстан (19 451 т.), 2. Канада (9145 т.), 3. Австралия (5983 т.), 4. Нигер (4351 т.), 5. Намибия (3258 т.), 6. Россия (2993 т.).

В России добычей урана занимается Урановый холдинг АТОМРЕДМЕТЗОЛОТО («АРМЗ», ARMZ), входящий в состав ОАО «Атомэнергопром». АРМЗ управляет всеми уранодобывающими предприятиями в России, а также за счёт долей в совместных предприятиях контролирует более 20% урановых запасов Казахстана. Он также широко представлен и в других странах: компания инициировала совместные проекты по геологоразведке и добыче урана в Монголии, Намибии, Армении и Украине. АРМЗ владеет 100% акций канадской уранодобывающей компании Uranium One.

В настоящее время в России добыча урана ведётся в Стрельцовском ураново-рудном районе, располагающемся в Читинской области (г. Краснокаменск). В него входят 15 месторождений молибден-урановых руд, образующих компактную структурно связанную группу площадью 40 км². На Стрельцовское рудное поле приходится 28,4% разведанных и 94% балансовых запасов урана в стране (общие резервы 128 тыс. т, содержание o, 2%U). Месторождения отрабатываются ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение», входящим в состав корпорации «ТВЭЛ». Это предприятие добывает -93% российского урана, обеспечивая 30% потребностей в сырье для производства ядерного топлива для российских АЭС и экспортные поставки. Месторождения отрабатываются шахтным способом: богатые руды непосредственно пощупают на гидрометаллургическую переработку, рядовые руды — на кучное выщелачивание, бедные подвергаются блочному выщелачиванию в горных выработках. В настоящее время производство урана поддерживается на уровне 3000 т в год, планируется его увеличение до 5000 т в год.

На Долматовское месторождении (г. Курган) предприятие ЗАО «Далур» осуществляет добычу урана скважинным подземным выщелачиванием. Рудоносные отложения находятся на глубине 360^-510 м, запасы п тыс. т., содержание 0,04%U). Витимский ураново-рудный район находится в Центральном Забайкалье на территории Республики Бурятия. Здесь расположено 8 месторождений. Общие запасы бедных (o, c>5%U) руд урана достаточно велики (более 44 тыс. т) и еще не полностью оценены. Залегают они не глубоко (150+200 м). ОАО «Хиагра» осуществляет добычу урана методом скважинного подземного выщелачивания. Производительность 2000 тонн урана в год. Добытые в Далур и Хиагра руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе. В ближайшие годы планируется организовать добычу урана на четырёх новых добывающих предприятиях: Эльконский горнометаллургический комбинат и «Лунное» — в Якутии, а также Уранодобывающая компания «Горное» и Оловская горно-химическая компания в Забайкальском крае.

Среди объектов нераспределенного фонда недр наиболее крупным является Эльконский золото-урано-серебро-молибденово-рудный район в Республике Саха (Юг Якутии, Алданский район). Здесь находятся восемь месторождений. Запасы боо тыс. т. — одно из крупнейших месторождений в мире — 6% мировых урановых залежей. Его запасы превышают запасы Стрельцовского района в 4 раза. Однако руды здесь бедные: среднее содержание урана в них 0,145%. Негативными сторонами месторождений является необходимость исключительно подземной их разработки (глубины 300+1000 м). Проектируемый промышленный комплекс будет осуществлять всю совокупность работ, связанных с добычей, переработкой урановой руды и выпуском концентрата в форме U₃0e.