在過去60年中,鈾已成為世界上最重要的能源礦物之一。鈾礦的開采和濃縮與許多其他金屬相似。


鈾礦形成


鈾的原子序數為92,高于金(元素)的79,密度為19.1克/立方厘米,是一種具備放射性的重元素,但比金輕。


之所以用金來對比,是因為二者都是超新星爆 炸的產物,甚至鈾的含量比金更低,但在地球表面,就已探明的數據來看,鈾的含量是金的500倍以上。


這是因為地球形成之初,大地還是熔融狀態,金元素因為較重,所以沉入地心,以人類目前的科技,無法開采,而鈾元素因為較輕,而且很容易被氧化,最后生成各類礦石,所以大多停留在地球表層,也就是我們如今說的“鈾礦”。


目前鈾含量最高的礦物為瀝青鈾礦,主要成分為氧化鈾,次要成分為稀土跟一些礦物質,此外還有晶質鈾礦、鈦鈾礦、鈾石、硅鈣鈾礦、銅鈾云母、鈣鈾云母、釩鈣鈾礦等等。


鈾礦產量


鈾幾乎全部用于發電,有一小部分用于生產重要的醫用同位素。


鈾是一種天然存在元素,在地殼中的平均濃度為百萬分之二點八,鈾的蹤跡幾乎隨處可見,比金、銀或汞更豐富,與錫差不多,比鈷、鉛或鉬略少。海洋中也存在大量的鈾,但濃度很低。


世界上最重要的能源礦物之一的鈾是如何形成的?鈾礦的開采和濃縮介紹

表1:2020年最大的鈾礦產量


目前,這些礦山的大多數鈾礦床平均品位超過0.10%——也就是說,超過百萬分之1000。


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20世紀60年代的鈾礦開采第一階段,一些加拿大礦山的礦石量巨大,平均品位高達20%。其他礦山的礦石開采品位極低,品位僅0.02%左右。


大約20個國家開采鈾礦,2020年世界產量的50%以上來自5個國家的10個礦山(見表1)。


副產品回收鈾


一些鈾還作為銅的副產品回收,如澳大利亞的奧林匹亞大壩礦山,或作為其他礦石處理的副產品,如南非含金礦石,或來自摩洛哥和佛羅里達等磷酸鹽礦床。


在這種情況下,鈾的濃度可能低至主要礦體鈾含量的十分之一。這里的主要礦體是指在當前市場條件下,以經濟上可行的成本回收礦石的礦床。


礦物混合開采


如果礦床含有兩種或兩種以上有價礦物的顯著濃度,則回收每種礦物的成本會降低,因為某些采礦和處理要求可以共享。


在這種情況下,較低濃度的鈾可以以具有競爭力的成本回收。


一般來說,除非礦石品位非常高,否則鈾礦開采與其他類型的開采沒有什么不同。


其中會采用特殊的采礦技術,如抑塵,在極端環境下的遠程處理技術,用于限制工人的輻射暴露,確保環境和公眾的安全。


在某些方面,尋找鈾比尋找其他礦產資源更容易,因為鈾衰變產物的輻射特征,可以從空氣中識別和繪制礦床。


不同類型的礦體


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靠近地表的礦體,通常通過露天開采進入,挖掘一個大礦坑,清除許多覆蓋層(上覆巖石)以及大量廢石。


在礦體較深的地方,通常采用地下采礦,包括修建通道豎井和隧道,但清除的廢石較少,環境影響較小。


在這兩種情況下,礦床品位的測量,也即鈾濃度的測定,通常通過測量礦區周邊的放射性確定,可以間接換算出鈾的濃度。


*放射性測量裝置檢測相關放射性礦物,這些礦物是鈾的衰變產物,而不是鈾本身。


*礦石中約95%的放射性來自U-238衰變系列,含0.1%U3O8的礦石總量約為150 kBq/kg。


U-238系列有14種長期平衡的放射性同位素,因此每種同位素代表約11 kBq/kg(與質量比例無關)。


鈾礦開采


鈾礦的開采方式主要有露天開采、地下開采和原地開采,至于到底選擇哪種方式,主要取決于礦床的類型跟鈾礦周邊地理環境。


露天開采:工作人員直接用炸 藥跟機器,強行創造一個大礦坑,接著礦工們將鈾礦運走,最后把鈾礦從廢礦中挑選出來。


地下開采:礦工通過礦井進入地下,在坑道內開采鈾礦,此法對于礦工而言,有較高的危險性。


原地開采:此法不需要開采大塊礦石,而是將特制溶液注入礦石中,這樣就能把鈾跟礦石分離開來,最后溶液再導回專業容器中,不過這種方法多用于位于巖石跟含水層之間的鈾礦。


礦石加工


當加工礦石時,U-238和更小的U-234(和U-235)去除,剩余的部分變成了尾礦,在這一點上,其原固有放射性約為85%。


然而,隨著大部分U-238的去除,鈾衰變系列(Th-234和Pa-234)中的以下兩種短命衰變產物也很快消失,幾個月后,留下的尾礦放射性略高于原礦石的70%。


控制長壽命的同位素變成Th-230,半衰期為77000年,衰變為鐳-226,然后是氡-222。


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在北澳大利亞的蘭格、納米比亞的R?sing以及加拿大北部薩斯喀徹溫省的大部分礦山,通過露天采礦進入礦體。


其他礦山如澳大利亞的奧林匹克大壩、薩斯喀徹溫省北部的麥克阿瑟河、兔子湖和雪茄湖以及尼日爾的阿庫塔等都位于地下,深達600米。


在麥克萊恩湖和蘭格,在地下進行采礦。


地浸(ISL)


一些礦體位于地下水中的多孔松散材料(如礫石或沙子)中,只需溶解鈾并將其抽出即可開采——這就是地浸(ISL)采礦(在北美也稱為原地回收-ISR)。


它可以應用于礦體含水層垂直承壓和理想水平承壓的情況。


當然,在飲用水供應可能受到威脅的地方,ISL很難獲得許可。在適當的情況下,這無疑是對環境影響最小的采礦方法。


ISL采礦,在沒有任何重大地面擾動的情況下,鈾礦物完成開采。


弱酸化地下水(或堿性地下水,地下含有大量石灰巖,如美國)中含有大量氧氣,通過封閉的地下含水層循環,該含水層將鈾礦石保存在松散的砂中。


浸出液溶解鈾,然后泵送至表面處理廠,在處理廠,鈾以沉淀形式回收。


大多數美國和哈薩克斯坦的鈾生產都采用這種方法。在澳大利亞ISL礦山,使用的氧化劑是過氧化氫和絡合劑硫酸,以生成硫酸鈾酰。


世界上最重要的能源礦物之一的鈾是如何形成的?鈾礦的開采和濃縮介紹

哈薩克斯坦鈾礦分布(圖源:網絡)


哈薩克斯坦ISL礦山通常不使用氧化劑,但在循環溶液中使用更高濃度的酸。


由于主含水層中存在大量的耗酸礦物,如石膏和石灰石,美國的ISL礦山使用堿浸法生產碳酸鈾酰。


任何超過一定量的碳酸鹽礦物都意味著必須優先使用堿浸,而不是更有效的酸浸,盡管成本通常是雙倍的。


無論是酸浸法還是堿浸法,強化地下水都通過一系列注入井,泵入含水層,然后緩慢地通過含水層遷移,浸出含鈾主砂,然后進入抽水井,潛水泵將液體泵入地下室表面處理。


對于適于ISL采礦的非常小的礦體,中央處理廠可能離其較遠,因此將設立衛星廠。這只不過提供了一個裝載離子交換(IX)樹脂/聚合物的設施,以便將其用散裝拖車運至中心工廠進行剝離。


因此,ISL適合非常小的礦床,除了井場外,礦山和偏遠的IX現場幾乎不需要資本支出。


堆浸


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有些礦石通常品位很低(低于0.1%U),這時可通過堆浸處理。


在這種方法中,破碎的礦石堆在一個不透水的墊上,大約5到30米高,并用酸性(有時是堿性)溶液沖洗數周。


與ISL一樣,通常使用離子交換法收集并處理從中提取的母液以回收鈾。


在材料不再產生大量的鈾后,將其移除并替換為新礦石?;厥章释ǔ?0-80%。耗盡的材料有可能造成污染,因此必須安全安置,以免影響地表水或地下水。


通常情況下,這在采空的礦井中進行。


研磨和加工


傳統礦山有一個研磨機,在那里礦石被粉碎和研磨以釋放礦物顆粒,然后用硫酸在槽中浸出以溶解鈾氧化物。最終對溶液進行處理以回收鈾。


南非從黃金尾礦中回收了一些鈾,因此有必要進行加壓浸出。


有時,在化學處理之前,采用物理選礦工藝來濃縮礦石并提高原礦品位。


大多數礦石是貧瘠巖石或其他礦物,在浸出過程中未溶解。這些固體或“尾礦”通常通過沉淀,從富鈾溶液中分離出來。


過濾剩余溶液,并通過某種形式的離子交換(IX)或溶劑萃?。⊿X)系統回收鈾。


ISL或堆浸的母液也進行類似處理。然后從中剝離鈾并沉淀,最后的化學沉淀物被過濾并干燥。


破碎和研磨的礦石,或ISL采礦情況下的地下礦石,用硫酸浸出。


UO2被氧化成UO3。


對于某些礦石,碳酸鹽浸出可形成可溶性三碳酸鈾酰離子:UO2(CO3)34-。然后可以用堿沉淀,如二甲酸鈉或鎂。


溶液中的鈾,在樹脂/聚合物離子交換(IX)或液體離子交換(溶劑萃取-SX)系統中回收。


酸性ISL或堆浸的母液也進行了類似處理。


IX的進一步處理包括,在半連續循環中用強酸或氯化物溶液或硝酸鹽溶液從樹脂/聚合物中剝離鈾。


然后,通過添加氨、過氧化氫、燒堿或苛性氧化鎂,沉淀汽提循環產生的母液。。


溶劑萃取是一個連續的加載/汽提循環,包括使用有機液體攜帶萃取劑,從溶液中去除鈾。


通常,在溶劑萃取中,叔胺用于煤油稀釋劑中,并且相逆流移動。


然后用硫酸銨溶液逆流剝離溶劑。


通過添加氣態氨中和溶液(盡管在早期操作中使用了苛性鈉和氧化鎂),實現了對二甲酸銨的沉淀。


然后,對二甲酸銨進行脫水和焙燒,得到U3O8產品,這通常是鈾的銷售和出口形式。


過氧化氫產品可在環境溫度下干燥,生成含有約80%U3O8的產品。


二甲酸銨或二甲酸鈉產品在高溫下干燥,以將產品轉化為鈾氧化物濃縮物——U3O8——約85%的鈾(按質量計)。


這有時被稱為黃餅,盡管它通常是卡其色的。


在碳酸鹽浸出的情況下,碳酸鈾??梢杂脡A沉淀,例如二甲酸鈉或二甲酸鎂。然后將產品包裝到200升鋼桶中,鋼桶密封以便裝運。


U3O8只有輕微的放射性(距離新加工的U3O8桶一米遠的輻射水平約為商用噴氣式飛機上宇宙射線輻射水平的一半)。


在ISL研磨中,鈾回收過程非常相似,不需要破碎和研磨。


文章來源: 嘿嘿能源heypower,蛋蛋優券

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