Обогащение урановых руд

 

 

Радиометрическое обогащение—очень эффективный и важный метод обогащения бедных урановых руд, успешно применяющийся в СНГ, США, Канаде и Австралии. При большом разнообразии физических и физико-химических свойств урансодержащих минералов все они обладают одним общим свойством — радиоактивностью, обусловленной; неизменным спутником природного урана—радием. Сущность процесса радиометрического обогащения, или сепарации, основанного на измерении интенсивности гамма-излучения, заключается в автоматизированном разделении рудной массы на продукты с кондиционным и отвальным содержанием урана. Для успешного использования этого принципа требуется неравномерность распределения урана по отдельным кускам, то есть руда должна быть контрастной. Примером сильно контрастной урановой руды является руда месторождения Эльдорадо с содержанием урана около 0,6%. Из руды, измельченной до крупности—51+38 мм, радиометрическим обогащением получают четыре фракции. Возможны различные режимы радиометрического обогащения. Наиболее эффективен покусковой метод. Однако для сильно контрастной руды предпочтительнее поточный и порционный методы как более производительные. Пределы размеров кусков руды для радиометрического обогащения от 25—30 до 200—300 мм (выше продукт не транспортабелен). При крупности кусков руды 50—70 мм достигают наилучших результатов сортировки. Радиометрическую сортировку для, выделения отвальных хвостов из кусковой руды применяли уже в ранний период работы канадских заводов. С 1958 г. в усовершенствованном виде ее использовали на заводе в Бикрофте. (рисунок 2.1)

 

 

Рисунок 2.1 - Схема сортировочной машины

1—промежуточный бункер; 2—вибропитатель; 3 — свинцовый экран; 4 — головка фотоэлемента; 5 — конвейер для пустой породы; 6 — конвейер для руды; 7 —- воздушная струя; 8—свинцовая защита; 9— детектор излучения; 10—рабочая площадка; 11— источник света; 12—конвейерная лента; 13 — конический питатель.

 

Извлечение урана в концентрат достигает 75—80% при сокращении объема руды в четыре раза. В настоящее время во Франции все урановые руды перед их гидрометаллургической переработкой на заводах в Бессине, Экарпьере и Форезе подвергают после дробления радиометрической сортировке. Аппаратурное оформление в принципе состоит из питателя, регистрирующего устройства (датчик счетчика Гейгера—Мюллера или сцинтилляционного детектора), сбрасывающего механизма. Средняя, производительность одной машины, установленной в Бессине, составляет 50 т руды/ч. Из руды удаляется 20—25% пустой породы, содержащей ничтожное количество урана (менее 0,01%) при извлечении его в рудный концентрат до 99,5%. Радиометрическая сортировка австралийской руды месторождения Мэри-Кетлин позволила отделить пустую породу в количестве свыше 30% массы исходной руды при общей производительности четырех сортировочных машин около 160 т руды/ч.

Сообщалось, что для эффективного радиометрического обогащения урановой руды на заводе в Биверлодже сконструирована электронная машина, которая сортирует руду крупностью +7,5 мм.

Измерение радиоактивности и отсортировку каждого куска руды осуществляют во время свободного падения кусков руды. С помощью струи воздуха изменяют траекторию пустой породы, вследствие чего она попадает в отдельный желоб. Измерение сечения куска, определение его радиоактивности, обработка этой информации и приведение в действие воздушных эжекторов происходят в течение примерно 0,9 мин. На заводе уставлено четыре таких машины производительностью, по 15— 25 т руды/ч. Выход отвальных хвостов со средним содержанием 0,025% урана составляет 50—60%о, а потери урана не превышают 2%.В СНГ радиометрическое обогащение применяют довольно широко.

Вся добытая горная масса в процессе ее транспортировки в вагонетках или других стандартных емкостях проходит (под землей или на ее поверхности) через радиометрические контрольные станции (РКС). На РКС осуществляются учет добытого урана, выявление основной массы пустой породы и удаление ее в отвал, разделение руды на сорта, если позволяет контрастность руды. Так получают лишь грубый концентрат, который направляют на вторую стадию радиометрического обогащения.

Перед второй стадией радиометрического  обогащения продукт подвергается дроблению до крупности —200 мм и грохочению на 3—4 класса.

  Для класса крупностью —30 мм радиометрическое обогащение, как правило, не проводится. На второй стадии радиометрического обогащения часто применяют универсальный ленточный многоканальный сепаратор с установленными в нем детекторами излучения. Разделяющие шиберы имеют электромагнитный привод. Производительность сепаратора 40—50 т руды/ч. Выход отвальных хвостов достигает 70—80% массы сортируемого материала. В зависимости от вещественного состава руд и других факторов радиометрическое обогащение можно применять как единственный обогатительный процесс или в сочетании с другими способами обогащения, например с гравитационными.

 

 

2.2 Гравитационное обогащение

 

 

Основой метода гравитационного  обогащения является различие плотности урановых минералов и минералов пустой породы, что позволяет производить разделение этих минералов по скорости их падения в жидкой , или иногда в газообразной среде. Плотность примерно 70% всех породообразующих минералов равна 2,4—2,9 г/см , в то время как основные урановые минералы уранинит, настуран в 3— 4 раза тяжелее минералов пустой породы, а некоторые другие урановые минералы (браннерит, давидит и т.д.) — в 1,5 — 2 раза. Только тухолит в 1,5 раза легче минералов пустой породы. Некоторые минералы (урановые черни, карнотит) очень мягки и в процессе дробления переходят преимущественно в мелкие классы. Для них, естественно, гравитационное обогащение не эффективно. Наиболее подходящие объекты гравитационного обогащения — руды, содержащие уранинит, настуран и другие тяжелые урановые минералы в виде зерен, не шламующихся при измельчении, и ассоциированные с магнетитом, пиритом или гематитом. Гравитационные методы перспективны, в частности, при переработке урановых руд пегматитового типа. Виды гравитационного обогащения: отсадка, концентрирование на столах, обогащение в тяжелых суспензиях. Отсадка—процесс разделения смеси минеральных зерен различной плотности в восходящей вертикальной пульсирующей струе воды (или воздуха). В различных типах отсадочных машин слой минеральных зерен то разрыхляется, то уплотняется, что ведет к расслаиванию (стратификации) и отделению более тяжелых минералов урана от остальной массы. Число пульсации в современных отсадочных машинах составляет 300— 600 в 1 мин. При использовании концентрационных столов разделение минеральных зерен (крупностью менее 0,5 мм) по плотности происходит в струе воды на плоской, слегка наклонной (по диагонали) поверхности стола. Такой стол совершает возвратно-поступательное движение с числом колебаний (качаний) 200—300 в 1 мин и амплитудой 12—25 мм. Концентрационные столы позволяют разделять даже тонковкрапленные руды, однако низкая производительность и потребность в больших площадях ограничивают их применение. При обогащении в тяжелых средах (минеральных суспензиях) используют тонкодисперсные водные суспензии галенита (РbS), ферросилиция (FexSi), магнетита (Fе304) с размером частиц—325 меш, образующие тяжелые гомогенные среды. Обычно применяют суспензии с плотностью 2,6—2,7 г/см3. Размер зерен руды составляет от 2-—3 до 100 мм. В суспензии зерна минералов либо тонут, либо всплывают, хотя процесс протекает очень медленно вследствие большой вязкости среды. В тех случаях, когда урановые минералы ассоциированы с другими тяжелыми минералами (гематитом, пиритом, сульфидами), выгоднее применять тяжелые суспензии. Обогащение урановых руд в тяжелых суспензиях при размере зерен руды 2—8 мм может быть аппаратно оформлено в конусах или спиральных классификаторах. Для более тонких фракций руды (например, крупностью от 1—2 до 15 мм) особенно эффективно (при благоприятном вещественном составе ру- ды) суспензионное гидроциклонирование, применяемое также в СНГ. В гидроциклонах скорость разделения минералов существенно увеличивается в результате действия центробежной силы. Примером использования тяжелых суспензий может служить обогащение канадских руд (настуран) в суспензии магнетита с плотностью 2,7 г/см3. Размер зерен руды 0,2—2 мм.

Таблица 2.1 - Обогащение урановых руд в магнетитовой суспензии

Руда	Содержание урана,%	И Извлечение урана, %	В Выход концентрата, %	С Содержание урана в  концентрате, %	Содержание  урана в хвостах, %
А	0,1	83	22	0,38	0,022
Б	3	95	43	6,65	0,26
В	0,05	58	13	0,22	0,024

 

Из табл. 2.1 видно, что как по извлечению урана в концентрат, так и по его содержанию в отвальных хвостах лучших результатов достигают при обогащении руды типа А. При обогащении руды типа Б неудовлетворителен состав хвостов, а для руды типа В недостаточно извлечение урана

 

Интересно использование  тяжелых суспензий при обогащении сырой сланцевой руды, содержащей уран, на урановом заводе в Кварнторпе (Швеция) в суспензии магнетита с плотностью 2,5 г/см3.Удаление известняка (30%) резко снижает расход Н2SO4 при последующем выщелачивании уранового продукта, что существенно повышает экономичность схемы в целом. Один из примеров применения гравитационного обогащения — извлечение тяжелых минералов урана, тория и циркония из хвостов медной обогатительной фабрики фирмы «Палабора майнинг» в ЮАР. Гравитационное обогащение осуществляется в конусах Рейхерта, обеспечивающих 40—50-кратное концентрирование фракции тяжелых минералов. Магнетит дополнительно удаляется с помощью магнитных барабанных сепараторов. Далее следует разделение на качающихся концентрационных столах «Конценко». Получают два ценных продукта: уранторианитовый концентрат, содержащий 5% урана и 14% тория, направляемый на выщелачивание горячей азотной кислотой, и бадделеитовый концентрат, содержащий до 65% двуокиси циркония. Извлечение урана в концентрат достигает 98—99%.

 

 

2.3 Флотационное обогащение урановых руд

 

 

Флотационный процесс  основан на прилипании частиц несмачивающихся минералов к пузырькам воздуха при аэрации пульпы и вынесении их этими пузырьками на поверхность, («флотация» означает всплывание). Частицы смачиваемых минералов остаются в воде. Понятно, что при этом плотность минералов не имеет значения. Гидрофобизации поверхности извлекаемых минералов и образования пены, к которой прилипают флотируемые минералы, .достигают искусственно добавлением флотореагентов, причем расход их совершенно ничтожен. Однако тонина помола, и раскрытие зерен минерала играют большую роль. Успехи применения флотации для обогащения руд цветных металлов в середине XX века колоссальны. Однако как способ извлечения урановых минералов флотация не оправдала ранее возлагавшихся на нее надежд. Тонкая, вкрапленность урановых руд, окисленное состояние урана, трудности коллекторов, сложность схем, как правило, обусловливают экономическую нерентабельность применения флотационного обогащения руд. Поэтому прямую селективную флотацию урановых руд в практике почти не применяют.

Для решения частных задач флотацию все же иногда используют, например, в Биверлодже (Канада) для выделения пиритной фракции перед содовым выщелачиванием в Моабе и Каннон-Сити (США) для разделения руд на карбонатную и силикатную фракции, а также на некоторых заводах ЮАР для удаления пирита из руды и хвостов от выщелачивания.

В СНГ флотацию используют для выделения  имеющихся в урановых рудах (а  также в радиометрических и гравитационных урановорудных концентратах) сульфидных минералов и разделения руды или концентратов на карбонатный и силикатный продукты.

Тем не менее исследовательские  работы по применению флотационного  метода для обогащения урановых руд, в основном бедных, в некоторых странах ведутся и в настоящее время.

 

 

2.4 Газовая диффузия

 

 

Процесс газовой диффузии использовался для обогащения почти  всего низко- и высокообогащенного урана, который производился в США. Впервые этот метод был разработан в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта и был частично применен при обогащении урана для бомбы, сброшенной на Хиросиму. Все пять известных ядерных держав-участниц Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) в тот или иной период времени ввели в эксплуатацию газодиффузионные установки, однако на сегодняшний день такие объекты продолжают функционировать только в США и Франции. Для процесса диффузии необходимо закачать уран, находящийся в газообразном состоянии, через большое количество пористых барьеров. Это очень энергоемкий процесс.

Для того чтобы превратить уран в газообразное состояние, при  котором он может участвовать  в процессе газовой диффузии, осуществляют конверсию природного урана в  гексафторид урана (UF6). Молекулы гексафторида урана, содержащие атомы U-235, будучи немного легче, станут двигаться через каждый барьер с несколько более высокой степенью разделения, нежели те, которые содержат атомы U-238. Для визуализации этого процесса можно привести пример продувания песка через множество решет. Более мелкие песчинки будут преимущественно проходить через каждое решето и, таким образом, после каждой ступени отсеивания они будут составлять несколько более высокий процент от общего объема песчинок, по сравнению с тем процентом, который они имели на предыдущей ступени просеивания. Схема одной из таких ступеней просеивания в газодиффузионной установке представлена на Рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Схема одной ступени обогащения в газодиффузионной установке.

Более темные цвета представляют молекулы UF6, которые содержат более  тяжелые атомы U-238, тогда как более  светлыми цветами изображены газовые молекулы, содержащие более легкие атомы U-235. После каждой ступени газ, который переходит к низконапорной стороне барьера (т.е. стороне выхода потока) имеет более высокий процент U-235, по сравнению с тем, который был на предыдущей ступени. Разница в массах, а значит и скоростях молекул UF6, содержащих U-235 и U-238, невелика. Таким образом, чтобы обогатить большие промышленные или военные объемы урана, необходимы тысячи ступеней обогащения. В газодиффузионной установке ступени построены в "каскады", которые позволяют на каждой ступени приращивать обогащение, полученное на предыдущих ступенях, а также более эффективно использовать обедненный урановый поток. Чтобы понять масштаб такого производства, нужно знать, что на момент строительства газодиффузионного завода, возведенного в начале 1940-х годов в городе Ок-Ридж, штат Теннеси, США, это был крупнейший промышленный объект в мире.

Диффузия газов через пористые перегородки при пониженном давлении является одним из важнейших методов разделения тяжелых, а также многих легких изотопов. Метод газовой диффузии использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях ~ 0,1 н/м2 (~10-3 мм рт. ст.) «прокачивается» через пористую перегородку, содержащую до 106 отверстий на 1 см2. Лёгкие молекулы проникают через перегородку быстрее тяжёлых, так как скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса. В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Принцип действия метода газовой диффузии (смотреть рисунок 2.3).При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие из них обгонят более тяжелые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь - изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление. Поскольку легкий изотоп диффундирует быстрее, чем тяжелый, то газ, прошедший через пористую перегородку, обогащается легким изотопом. Для некоторых легких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия - циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Рисунок 2.3 - Схема метода газовой диффузии

Наиболее сложной задачей  при возведении газодиффузионной установки  является производство проницаемых  барьеров, которые необходимы для  работы диффузоров. Материал для таких  барьеров должен быть высокопрочным и способным поддерживать одинаковый диаметр пор в течение нескольких лет работы установки. Это очень сложная задача при использовании газа гексафторида урана, который обладает высококоррозионным свойством. Толщина типичных барьеров составляет всего 5 миллиметров (менее 0,2 дюйма), а их отверстия лишь в 30-300 раз больше диаметра одного атома урана.

Помимо того, что в ходе работы установки требуются большие  объемы электроэнергии, компрессоры  в газодиффузионных производствах  также генерируют много тепла, которое нужно рассеивать. В американских установках теплоотдача происходит с помощью истощающих озон хлорфторуглеродов (CFCs), таких как охладитель CFC-114 (нередко его называют фреон или фреон-114). Производство, ввоз, а также применение CFC было серьезно ограничено в 1987 году Монреальским протоколом о веществах, которые истощают озоновый слой (Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer) и который США выполняют посредством поправок 1990 года к Закону о контроле над загрязнением воздуха (Clean Air Act).