От рудников до цифровых технологий: как добывают самый известный радиоактивный элемент
Серебристо-белый металл, уран, известен своими необычными свойствами: высокой плотностью и способностью поддерживать цепную ядерную реакцию. Благодаря им спектр применения урана широк — от производства электроэнергии до освоения космоса. Как и где добывают уран и какие технологии для этого используют — в материале «Энергии+».
ПРИМЕНЕНИЕ УРАНА: ЭНЕРГЕТИКА, ГЕОЛОГИЯ, МЕДИЦИНА
Уран помогает производить электричество. Для этого природный уран обогащают: с помощью цепочки физико-химических преобразований увеличивают концентрацию изотопа урана-235 в руде с 0,7 до 3–5%. Затем обогащенный уран становится топливом в реакторах атомных электростанций: в ходе цепной реакции его ядра распадаются, выделяя тепло. Тепло превращает воду в пар и приводит в движение турбины. Так миллионы людей получают свет и тепло.
Похожим образом атомное топливо питает реакторы подводных лодок и авианосцев, что позволяет им работать без дозаправки годами.
В космосе ядерные генераторы с ураном обеспечивают энергией марсоходы и спутники, если их нельзя запитать иным способом — с помощью солнечных батарей или радиоизотопных генераторов. Некоторые ученые рассчитывают, что в будущем серебристый металл поможет колонизировать Луну и Марс.
Медикам уран помогает получить молибден-99. Его используют при диагностике и в радиотерапии — лечении онкологических заболеваний.
Геологам, изучающим историю Земли, уран помогает узнать возраст горных пород. Для этого применяют радиоизотопное датирование: специалисты высчитывают возраст образца, зная период полураспада изотопа урана в его составе.
Ученые разрабатывают ядерные ракетные двигатели, топливом для которых станет уран-233, и новые типы ядерных реакторов, которые в будущем обеспечат людей достаточным количеством энергии.
КАК ДОБЫВАЮТ УРАН: КАРЬЕРЫ, ШАХТЫ И СКВАЖИНЫ
Методы добычи урана зависят от особенностей месторождения — насколько глубоко находятся залежи и какова концентрация урана в руде.
Классика: шахты и карьеры
Когда урановая руда залегает близко к поверхности, ее можно добывать открытым способом — в карьерах. Это самый простой метод, однако встречаются такие «легкие» залежи редко. Самые большие месторождения, где добывают уран открытым способом, находятся в африканских Намибии и Нигере.
Если руда залегает глубоко, строят шахты. По ним руду поднимают на поверхность. Добывать уран шахтным способом сложнее, чем открытым: нужны тоннели, вентиляция, техника и взрывные работы. Таким методом уран добывают в Канаде и Австралии.
Химия в действии: метод in situ
Метод подземного выщелачивания (in situ) заключается в том, что в урановую руду закачивают химический раствор. Он растворяет уран прямо в недрах. Затем жидкость выкачивают и извлекают из нее металл. Вместо карьеров и шахт достаточно построить скважины — такой метод проще и безопаснее. Этот способ применяют в Казахстане (мировой лидер по добыче урана методом in situ), в России (Хиагдинское месторождение), в Узбекистане и в США.
Специалисты разрабатывают новые методы выщелачивания — например, с помощью микроорганизмов.
ГДЕ ДОБЫВАЮТ УРАН: ОТ РОССИИ ДО НАМИБИИ
Международное агентство по атомной энергетике оценивает мировые запасы урана в шесть миллионов тонн. Его используют на атомных электростанциях по всему миру, но стран, добывающих уран в больших объемах, немного. В шестерку государств-лидеров входят
- Казахстан — на него приходится более 40% производства топливного урана в мире, то есть более 21 тысячи тонн в год.
- Канада — страна с богатыми месторождениями высококачественного урана. Она производит почти 7,6 тысячи тонны топливного урана в год. Особенно ценными считаются запасы в Саскачеване, где концентрация урана в руде рекордно высока.
- Намибия — главный мировой поставщик африканского урана. Производит свыше 5,6 тысячи тонн урана в год.
- Австралия — здесь самые большие запасы урановой руды, производит более 4,5 тысячи тонны урана ежегодно.
- Узбекистан — основной производитель топливного урана в Центральной Азии с годовым объемом производства более 3,3 тысячи тонн.
Россия входит в число мировых лидеров по запасам урана (около 486 тысяч тонн) и занимает шестое место в рейтинге стран-добытчиков (более 2,5 тысячи тонн ежегодно). Месторождения в России сосредоточены в нескольких регионах.
Главная урановая кладовая — Сибирь: Красноярский край и Иркутская область, богатые природными ресурсами, известны крупными месторождениями урановой руды. Дальний Восток и Урал не столь богаты ураном, но и в этих регионах идет его добыча.
Процесс извлечения урана — это сложная инженерная работа, требующая передовых технологий и знаний. В некоторых местах — например в Сибири, где руды расположены близко к поверхности, — уран добывается в карьерах. В регионах, где уран скрыт на большой глубине, его приходится добывать подземным способом. Наряду с ним в России применяют метод химического выщелачивания.
После добычи необогащенного урана следует другой важный этап — переработка. Чтобы извлечь уран из породы, руду измельчают, обрабатывают жидкими реагентами и получают раствор. Если добыча идет методом выщелачивания, то раствор получают сразу из-под земли. Из него выделяют осадок. Его сушат, обжигают и химически переводят в газовое состояние.
Перспективный способ извлечения урана из руд с малой концентрацией — применение микробов. Бактерии выделяют реагенты, которые окисляют уран и позволяют получить растворимые соединения.
Вращая газ в центрифуге, тяжелые частицы (уран-238) отсеивают, а концентрацию легких (уран-235) увеличивают: это называется обогащением. В финале газ конденсируют и получают порошок оксида урана. Его превращают в топливные таблетки, удобные для транспортировки и использования в реакторах.
БУДУЩЕЕ ДОБЫЧИ УРАНА
Сегодня добыча урана уже не просто шахта или карьер, а высокотехнологичное подземное выщелачивание. Предприятия переходят на дистанционное управление добычей — это повышает эффективность и безопасность работ.
Следующий шаг вперед — цифровизация добычи. В перспективе весь процесс смогут контролировать с помощью сложных компьютерных систем, датчики будут следить за концентрацией урана, а искусственный интеллект — помогать управлять добычей.
Технологии переработки развиваются — позволяют получать более чистый металл, снижая потери сырья. Одновременно ученые работают над вторичным использованием отработанного ядерного топлива. Вместе с реакторами нового типа это позволит замкнуть топливный цикл: уменьшить потребность в первичном уране и частично решить вопрос хранения ядерных отходов.
