Przetwarzanie uranu

Przetwarzanie uranu, przygotowanie rudy do stosowania w różnych produktach.

Uran (U), choć bardzo gęsty (19,1 grama na centymetr sześcienny), jest stosunkowo słabym, nierefrakcyjnym metalem. Rzeczywiście, metaliczne właściwości uranu wydają się być pośrednie między właściwościami srebra i innych prawdziwych metali a właściwościami metali niemetalicznych, więc nie są one cenione dla zastosowań strukturalnych. Główną wartością uranu są jego radioaktywne i rozszczepialne właściwości jego izotopów. W naturze prawie cały (99,27 procent) metalu składa się z uranu-238; pozostała część składa się z uranu-235 (0,72 procent) i uranu-234 (0,006 procent). Z tych naturalnie występujących izotopów tylko uran-235 jest bezpośrednio rozszczepialny przez napromienianie neutronami. Jednak uran-238 po wchłonięciu neutronu tworzy uran-239, a ten ostatni izotop ostatecznie rozpada się na pluton-239 - materiał rozszczepialny o dużym znaczeniu w energii jądrowej i broni jądrowej. Kolejny izotop rozszczepialny, uran-233, można wytworzyć przez napromieniowanie neutronem toru-232.

Nawet w temperaturze pokojowej drobno rozdrobniony metaliczny uran reaguje z tlenem i azotem. W wyższych temperaturach reaguje z wieloma różnymi stopami metali, tworząc związki międzymetaliczne. Tworzenie się stałych roztworów z innymi metalami zachodzi rzadko, ze względu na pojedyncze struktury krystaliczne utworzone przez atomy uranu. Między temperaturą pokojową a temperaturą topnienia 1 132 ° C (2070 ° F) metal uranowy występuje w trzech postaciach krystalicznych znanych jako fazy alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Transformacja z fazy alfa do fazy beta zachodzi w 668 ° C (1234 ° F), a z fazy beta do fazy gamma w 775 ° C (1427 ° F). Uran gamma ma strukturę krystaliczną skoncentrowaną na ciele (bcc), a uran beta ma strukturę tetragonalną. Faza alfa składa się jednak z pofałdowanych arkuszy atomów o wysoce asymetrycznej strukturze rombowej. Ta anizotropowa lub zniekształcona struktura utrudnia atomom metali stopowych zastępowanie atomów uranu lub zajmowanie przestrzeni między atomami uranu w sieci krystalicznej. Zaobserwowano, że tylko molibden i niob tworzą stopy w roztworze stałym z uranem.

Historia

Niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth jest uznany za odkrycie pierwiastka uranu w 1789 r. W próbce melanżu. Klaproth nazwał nowy pierwiastek od planety Uran, która została odkryta w 1781 r. Jednak dopiero w 1841 r. Francuski chemik Eugène-Melchior Péligot wykazał, że czarna metaliczna substancja uzyskana przez Klaproth była tak naprawdę złożonym dwutlenkiem uranu. Péligot przygotował faktyczny uran metaliczny poprzez redukcję czterochloru uranu za pomocą metalu potasowego.

Przed odkryciem i wyjaśnieniem rozszczepienia jądrowego nieliczne praktyczne zastosowania uranu (a były one bardzo małe) polegały na barwieniu ceramiki i jako katalizatora w niektórych specjalistycznych zastosowaniach. Dzisiaj uran jest wysoko ceniony do zastosowań nuklearnych, zarówno wojskowych, jak i komercyjnych, a nawet rudy niskiej jakości mają wielką wartość ekonomiczną. Uran metaliczny jest rutynowo wytwarzany za pomocą procesu Amesa, opracowanego przez amerykańskiego chemika FH Speddinga i jego współpracowników w 1942 r. Na Iowa State University, Ames. W tym procesie metal otrzymuje się z tetrafluorku uranu przez termiczną redukcję magnezem.

Rudy

Skorupa ziemska zawiera około dwóch części na milion uranu, co odzwierciedla szeroki rozkład w przyrodzie. Szacuje się, że oceany zawierają 4,5 × 10 ⁹ ton pierwiastka. Uran występuje jako znaczący składnik w ponad 150 różnych minerałach i jako niewielki składnik kolejnych 50 minerałów. Pierwotne minerały uranu, występujące w magmowych żyłach hydrotermalnych i pegmatytach, obejmują uraninit i pitchblende (ta ostatnia odmiana uraninitu). Uran w tych dwóch rudach występuje w postaci dwutlenku uranu, który ze względu na utlenianie może różnić się dokładnym składem chemicznym od UO ₂ do UO _2.67. Inne rudy uranu o znaczeniu ekonomicznym to autunit, uwodniony fosforan wapniowo-uranylowy; tobernit, uwodniony fosforan miedziowo-uranylowy; trumna, czarny uwodniony krzemian uranu; i karnotyt, żółty uwodniony wanadan uranylowo-potasowy.

Szacuje się, że ponad 90 procent znanych tanich rezerw uranu występuje w Kanadzie, Afryce Południowej, Stanach Zjednoczonych, Australii, Nigrze, Namibii, Brazylii, Algierii i Francji. Około 50 do 60 procent tych rezerw znajduje się w konglomeratowych formacjach skalnych jeziora Elliot, położonego na północ od jeziora Huron w Ontario w Kanadzie oraz na złocistych polach Witwatersrand w Afryce Południowej. Formacje piaskowca na płaskowyżu Kolorado i basenie Wyoming w zachodnich Stanach Zjednoczonych również zawierają znaczne rezerwy uranu.

Wydobycie i koncentracja

Rudy uranu występują w złożach zarówno powierzchniowych, jak i bardzo głębokich (np. Od 300 do 1200 metrów lub od 1000 do 4000 stóp). Głębokie rudy występują czasem w szwach o grubości nawet 30 metrów. Podobnie jak w przypadku rud innych metali, powierzchniowe rudy uranu są łatwo wydobywane za pomocą dużych urządzeń do robót ziemnych, natomiast głębokie złoża są wydobywane tradycyjnymi metodami szybu pionowego i dryfu.

Rudy uranu zazwyczaj zawierają tylko niewielką ilość minerałów zawierających uran i nie podlegają one wytapianiu za pomocą bezpośrednich metod pirometalurgicznych; zamiast tego należy zastosować procedury hydrometalurgiczne w celu wyodrębnienia i oczyszczenia wartości uranu. Stężenie fizyczne znacznie zmniejszyłoby obciążenie hydrometalurgicznych obwodów przetwarzania, ale żadna z konwencjonalnych metod wzbogacania zwykle stosowanych w przetwarzaniu minerałów - np. Grawitacja, flotacja, elektrostatyka, a nawet sortowanie ręczne - nie ma ogólnie zastosowania do rud uranu. Z nielicznymi wyjątkami metody koncentracji powodują nadmierną utratę uranu do odpadów przeróbczych.