Лекция № 2. Концепции ядерного топливного цикла. Добыча урановый руды и извлечение из нее урана

1. Лекция № 2

Концепции ядерного топливного цикла.
Добыча урановый руды и извлечение из нее урана.

2.

Ядерный топливный цикл (Nuclear fuel cycle) – это
комплекс мероприятий для обеспечения
функционирования ядерных реакторов,
включающий в себя стадии изготовления,
использования и переработки ядерного топлива.

3.

Основные стадии ЯТЦ
1) Добыча урановой руды и извлечение из нее урана.
2) Изготовление ядерного топлива:
а) получение уранового концентрата в виде U3O8;
б) конверсия U3O8 в UF6;
в) обогащение урана изотопом 235U;
г) изготовление твэлов и ТВС.
3) Использование ядерного топлива в ядерных реакторах
различного типа (промышленных, энергетических
исследовательских).
4) Временное хранение облученных ТВС в приреакторных
хранилищах АЭС.

4.

Открытый и замкнутый ЯТЦ
Для открытого ЯТЦ:
51) Транспортировка и захоронение отработанных ТВС в
геологических формациях.
Для замкнутого ЯТЦ:
52) Транспортировка и химическая переработка
отработанных ТВС, с выделением из ОЯТ урана, плутония
и радиоактивных отходов (РАО).

5.

А. Замкнутый ЯТЦ с рециклом выделенного урана:
6а) Возвращение выделенного урана на стадии конверсии
и обогащения;
7а) Размещение плутония в специальных хранилищах.
8а) Окончательное захоронение РАО в геологических
формациях
Б. Замкнутый ЯТЦ с рециклом выделенного урана и
плутония:
6б) Возвращение выделенного урана и плутония на
стадию изготовления смешанного уран-плутониевого
оксидного топлива (МОХ-топлива).
7б) Окончательное захоронение РАО в геологических
формациях

6.

Точки зрения на замыкание ЯТЦ
I. Замыкание ЯТЦ нецелесообразно, поскольку оно
создает ряд сложных технологических и политических
проблем:
-химическая переработка ОЯТ;
-выделение, транспортировка и использование
регенерированного урана и вторичных делящихся
нуклидов для рефабрикации ядерного топлива;
-возможность хищения расщепляющихся ядерных
материалов для создания ядерных взрывных устройств.
II. ОЯТ является ценным ядерным материалом, который
содержит первичное и вторичное ядерное топливо.
Последнее может быть использована для производства
энергии.

7.

Уран
Считается, что уран был открыт в 1789 г. немецким ученым
Клапротом. Однако на самом деле он принял за новый элемент
оксид урана.
В 1841 г. француз Пелиго впервые получил металлический уран.
В 1869 г. Д.И. Менделеев приблизительно установил его атомную
массу (240 а.е.м.) и расположил уран в конце своей
периодической системы.
Содержание урана в земной коре составляет 2×10-4 %. Известно
около 200 минералов урана, большинство из которых относится к
оксидам переменного состава (уранинит UO2+x) и сложным
уранатам (например, карнотит KUO2VO4•4H2O и отенит
(UO2)2Ca(PO4)2)•10H2O)

8.

Из-за высокой химической активности урана и высокой
растворимости урановых соединений в воде, элемент
подвержен активному переносу. Поэтому на земном шаре
очень редко встречаются богатые залежи урановых руд.
По оценкам геологов, в водах морей и океанов находится
около 4×109 т урана (в среднем 3,3 мг/м3). Общие запасы
урана в земной коре оцениваются в 1014 т.
Урановые руды различаются по содержанию в них урана
на:
1) очень богатые руды – ω (U) > 1 %;
2) богатые руды – ω (U) 0,5-1 %;
3) средние руды – ω (U) 0,25-0,5 %;
4) рядовые руды – ω (U) 0,09-0,25 %;
5) бедные руды – ω (U) < 0,09 %;

9.

Добыча и первичная обработка природных ядерных материалов.
Рентабельной считается добыча руды с содержанием
около 0,1% урана
Запасы урана оцениваются по двум стоимостным
категориям:
а) дешевый уран – менее 80 долларов за 1 кг U3O8;
б) дорогой уран – более 80 долларов за 1 кг U3O8.
Пороговая цифра в 80 дол./кг U3O8 разграничивает
области конкурентоспособности АЭС по сравнению с
угольными ТЭС.

10.

Ресурсы урана классифицируются по 4 категориям,
характеризующимся степенью разведанности запасов:
1) достоверные запасы (разведанные месторождения);
2) вероятные запасы на флангах разведанных
месторождений;
3) возможные запасы, получающиеся из геологических
прогнозов;
4) предполагаемые запасы на породах схожих с
урансодержащими.
Объем достоверных запасов урана составляет 3,3×106 т, а
вероятных 1,4×106 т (∑ 4,7×106 т). Из них 3,8×106 т
являются «дешевым» ураном и 0,9×106 т «дорогим».

11.

Мировые запасы урана
Годовая потребность мировой ядерной энергетики в
природном уране составляет около 6,7×104 т. Таким образом,
достоверных запасов «дешевого» урана хватит на 57, а
«дорогого» на 13 лет.
Около 90% достоверных и вероятных запасов урана
находятся в 10 странах, расположенных в Америке (США,
Канада, Бразилия), Австралии, Африке (ЮАР, Намибия,
Нигер) и Евразии (Россия, Казахстан, Узбекистан).
№
п/п
1
2
3
4
5
Достоверные, тыс. тонн
Вероятные, тыс. тонн
Страна
< 80 дол./кг
< 130 дол./кг
< 80 дол./кг
< 130 дол./кг
Австралия
Казахстан
714
378
747
514
360
228
396
302
Канада
Нигер
ЮАР
345
180
177
345
180
256
99
45
72
99
45
85

12.

Производство урана
Канада и Австралия производят более 50 % урана в мире.
№
п/п
Страна
2002 г., тыс.т
2003 г., тыс.т
2004 г., тыс.т
2005 г., тыс.т
1
2
Канада
Австралия
11,6
6,9
10,5
7,6
11,6
9,0
11,8
9,0
3
Нигер
3,1
3,2
3,2
3,4
4
Россия
Казахстан
2,9
2,8
3,1
3,3
3,3
3,7
3,3
4,2
5
Годовая добыча урана (40-41 тыс. т) не покрывает
потребности мировой ядерной энергетики (67 тыс. т).
Дефицит природного урана покрывается за счет ранее
добытой руды.

13.

Мировая ядерная энергетика
Страны, располагающие основными месторождениями
урановых руд, являются и основными производителями
природного урана. Однако не все из них обладают
развитой энергетикой.
№
п/п
Страна
Мощность, ГВт(э)
Доля АЭС, %
1
США
2
Франция
99,9
63,4
19
78
3
Япония
4
Россия
5
Германия
47,8
21,8
20,3
30
16
26

14.

Добыча урана
Существует четыре основных способа добычи урана:
1) подземная (шахтная) добыча;
2) открытая (карьерная) добыча;
3) подземное выщелачивание;
4) добыча из морской воды.
Промышленная технология извлечения урана основана на
хорошей растворимости оксидов урана в кислотных и
щелочных растворах.
Технологические процессы перевода и концентрирования
металлов, содержащихся в измельченной рудной массе, в
растворы (выщелачивание) и последующее селективное
извлечение металлов из этих растворов называют
гидрометаллургическими процессами.

15.

Последовательность действий
при извлечении урана из рудной массы
1) дробление и механическое обогащение руды путем
удаления пустой породы;
2) выщелачивание (растворение) урана из рудной массы с
помощью кислот или щелочей;
3) селективное (избирательное) выделение урана из
растворов или пульп методами сорбции, экстракции или
химического осаждения;
4) получение сухого уранового концентрата (~95 % U3O8)
5) получение чистых соединений природного урана
(аффинаж)

16.

Методы механического обогащения урановой руды
1) Радиометрическое обогащение, основанное на
радиоактивности урановых руд.
2) Гравитационной обогащение.
Основывается на разности плотностей урановых
минералов (6,5-10,5 г/см3) и минералов пустой породы
(2,5-2,7 г/см3). Измельчение руды до частиц порядка 1 мм.
3) Флотационное обогащение.
Измельчение руды на частицы в доли миллиметра (0,070,15 мм).

17.

Выщелачивание урановых соединений из руды.
Выщелачивание – извлечение одного или нескольких
компонентов из твердых тел (руд, концентратов,
промежуточных продуктов, отходов производства) водным
раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент.
Для выщелачивания урана используются серная кислота и
карбонатные растворы, в качестве дополнительных реагентов
используются окислители: азотная кислота, пиролюзит
(MnO2), кислород воздуха и другие.
Выбор метода вскрытия урановой руды определяется
минералогическим составом руды, причем должны
учитываться как минералы урана, так и минералы вмещающих
пород. Современная технология выщелачивания позволяет
довести извлечение урана из руд до 95-99% и не ниже 85-90%
для наиболее трудных условий.

18.

Кислотное выщелачивание
Для выщелачивания чаще используется H2SO4, так как она
распространенная, дешевая и не летучая:
U3O8 + MnO2 + 4H2SO4
3UO2SO4 + MnSO4 + 4H2O
Реакция ускоряется в присутствии растворимых соединений
железа:
UO2(тв) + 2Fe3+(водн)
2Fe2+(водн) + MnO2(тв) + 4H+
UO22+(водн) + 2Fe2+(водн)
2Fe3+(водн) + Mn2+(водн) + 2H2O

19.

Карбонатное выщелачивание
Обогащенную руду обрабатывают карбонатом натрия. При действии
кислорода воздух, содержащийся в уранините уран окисляется и
переходит в раствор в виде карбонатного комплекса:
2U3O8 + O2 + 18CO32- + 6H2O
6[UO2(CO3)3] 4- + 12OH-
В ходе реакции рН раствора повышается, это может привести к
осаждению гидроксида уранила. Поэтому рН раствора регулируют
добавлением гидрокарбоната:
OH- + HCO3-
CO32- + H2O
Карбонатный комплекс разрушают подкислением до рН 3:
[UO2(CO3)3] 4- + 6H+
UO22+ + 3CO2 + 3H2O
В процессе карбонатного выщелачивания уран отделяют от значительного
количества примесей: окислов железа, карбонатов щелочноземельных
металлов, SiO2.

20.

Селективное извлечение урановых соединений из
кислотных или карбонатных растворов.
1) Сорбция на органических ионообменных смолах.
2) Экстракция органической жидкостью не
смешивающейся с водой.
3) Химическое осаждение из растворов.
Сорбция осуществляется из осветленных растворов и из
пульп. Экстракция и химическое осаждение – только из
хорошо осветленных растворов.
Осветление растворов производится преимущественно
двумя способами:
-отстаиванием в больших резервуарах;
-фильтрацией отстоенного раствора через слой песка,
силикагеля, активированного угля.

21.

(1) Сорбционный метод извлечения урана из растворов
основан на селективности ионообменных смол по
отношению к урановым соединениям. Мелкие
сферические гранулы смолы смешиваются с раствором и
сорбируют на поверхности преимущественно урановые
соединения. Так как смола легче раствора, она может быть
собрана с поверхности раствора и удалена для десорбции
урановых соединений с поверхности гранул.
В качестве промывной жидкости используют нейтральные
или щелочные содовые растворы.

22.

(2) Экстракция основана на способности некоторых
нерастворимых в воде органических растворителей
образовывать с солями урана комплексные химические
соединения. За экстракцией следует реэкстракция урансодержащих химических соединений в избытке
растворителя.
В качестве реэкстрагентов используются обычная вода
или слабый раствор азотной кислоты.
Экстракционный метод с несколькими ступенями
экстракции позволяет извлекать до 99,7 % урана.

23.

(3) Осаждение химических соединений урана из раствора
осуществляется добавлением в него реагентов Н2О2, NH3, NaOH,
MgO. В результате образуются малорастворимые гидраты
оксидов урана (UOx)•nH2O, которые выпадают на дно резервуара
и могут быть отделены от жидкой фазы.
Осажденный и отделенный от водной фазы просушенный
концентрат урана представляет собой конечный продукт
уранового гидрометаллургического завода.
Таким образом, последовательность гидрометаллургических
процессов переработки урановой руды, добытой шахтным или
карьерным способом, включает:
-транспортировку руды;
-измельчение и механическое обогащение руды;
-выщелачивание урановых соединений;
-сорбция, экстракция или химическое осаждение;
-десорбция, реэкстракция и опять химическое осаждение.

24.

Подземное выщелачивание
«+»:
-нет необходимости в транспортировки руды;
-отсутствуют стадии измельчения и обогащения руды
Условия подземного выщелачивания:
а) пласт урановой руды должен быть расположен между
двумя водонепронецаемыми слоями, чтобы урановый
раствор не уходил из зоны месторождения;
б) пласт должен быть достаточно пористым, чтобы
раствор мог глубоко проникать в толщу урановой руды.

25.

Подземное выщелачивание
Основные стадии:
а) бурение системы закачных скважин в рудные тела
урановых месторождений;
б) закачивание в пласты урановых руд жидких реагентов
для растворения урановых соединений;
в) откачивание полученных растворов через откачные
скважины после определенной выдержки.
В качестве растворителя применяются кислоты (при
малом содержании карбонатов в руде), либо щелочные
растворы (при высоком содержании карбонатов).
Концентрация урана в откачных растворах не превышает
200мг/л.
Затем проводится переработка урановых растворов
(сорбция-десорбция, экстракция-реэкстракция,
химическое осаждение)

26.

Добыча из морской воды
«‒»:
-малая концентрация урана в воде;
-требуются большие объемы прокачки морской воды;
-большие объемы химических реагентов и отходов.
Стоимость добычи урана из морской воды оценивается в
450 дол./кг.

27.

Тонкая очистка уранового концентрата
В результате гидрометаллургической переработки
урановой руды получается сухой урановый концентрат в
виде смеси оксидов урана (95-96%, в основном, U3O8) и
различные примеси (4-5 %).
Поэтому необходима тонкая очистка от примесей,
главным образом от B, Cd, Hf, редкоземельных элементов
(Eu, Gd, Sm).
Для этого используются аффинажные процессы.
Аффинаж – это металлургический процесс получения
высокочистых веществ путём отделения от них
загрязняющих примесей.

28.

Экстракционный аффинаж
В качестве экстрагента наиболее подходящим является
трибутилфосфат (ТБФ):
C4H9 O
C4H9
C4H9
O
P
O
O
ТБФ очень вязкая жидкость с плотностью = 0,973 г/см3.
Для снижения вязкости его растворяют в нейтральных
органических соединениях, например в керосине.
ТБФ способен селективно экстрагировать соединения
урана. Один литр ТБФ способен удерживать до 440 г
урана.

29.

Стадии экстракционного аффинажа
1) Растворение уранового концентрата в азотной кислоте с
образованием уранил-нитрата:
U3O8 + 8 HNO3
3UO2(NO3)2 + 2NO2 + 4H2O
2) Смешивание раствора уранил-нитрата с ТБФ:
UO2(NO3)2 + 2 ТБФ
UO2(NO3)2 2ТБФ
3) Разделение водной и органической фаз;
4) Реэкстракция чистого уранил-нитрата из органической фазы
путем осаждения:
а. применение Н2О2 при температуре 60-70 оС для получение
пероксида урана UO4•2H2O;
б. применение NH4HCO3; в результате образуется аммонийуранил-карбонат (АУК, (NH4)4UO2(CO3)3) практически без
примесей.

30.

Аффинаж уранового концентрата
При прокаливании пероксида урана или АУК в зависимости от
температуры получаются различные чистые оксиды урана:
UO3 (при температуре 240-350 оС), U3O8 (при 580-620 оС) и
UO2 (при 750-800 оС).