Urāna apstrāde, rūdas sagatavošana izmantošanai dažādos produktos.
Urāns (U), lai arī ir ļoti blīvs (19,1 grami uz kubikcentimetru), ir samērā vājš, ugunsizturīgs metāls. Patiešām, šķiet, ka urāna metāliskās īpašības ir starpposmā starp sudraba un citiem īstajiem metāliem un nemetālisko elementu īpašībām, tāpēc to nevērtē par pielietojumu konstrukcijā. Galvenā urāna vērtība ir tā izotopu radioaktīvajās un skaldāmās īpašībās. Dabā gandrīz visu (99,27 procentus) metālu veido urāns-238; atlikumu veido urāns-235 (0,72 procenti) un urāns-234 (0,006 procenti). No šiem dabiski sastopamajiem izotopiem tikai urāns-235 ir tieši sadalāms ar neitronu apstarošanu. Tomēr urāns-238, absorbējot neitronu, veido urānu-239, un pēdējais izotops galu galā sadalās plutonijā-239 - skaldmateriālā, kam ir liela nozīme kodolenerģijā un kodolieročos. Citu skaldāmo izotopu, urānu-233, var radīt torija-232 neitronu apstarošana.
Pat istabas temperatūrā smalki sadalīts urāna metāls reaģē ar skābekli un slāpekli. Augstākā temperatūrā tas reaģē ar dažādiem leģējošiem metāliem, veidojot intermetāliskus savienojumus. Cietu šķīdumu veidošanās ar citiem metāliem notiek tikai reti, pateicoties urāna atomu veidotajām vienkrāsas kristāliskajām struktūrām. Starp istabas temperatūru un tā kušanas temperatūru 1122 ° C (2 070 ° F) metāliskais urāna metāls eksistē trīs kristāliskās formās, kas pazīstamas kā alfa (α), beta (β) un gamma (γ) fāzes. Transformācija no alfa uz beta fāzi notiek 668 ° C (1,234 ° F) un no beta - uz gamma fāzi 775 ° C (1427 ° F). Gamma urānam ir uz ķermeni vērsta kubiskā (bcc) kristāla struktūra, bet beta urānam ir tetragonāla struktūra. Alfa fāze tomēr sastāv no gofrētām atomu loksnēm ļoti asimetriskā ortorombiskā struktūrā. Šī anizotropā vai izkropļotā struktūra apgrūtina leģējošo metālu atomus aizstāt urāna atomus vai aizņemt vietas starp urāna atomiem kristāla režģī. Novērots tikai molibdēns un niobijs, veidojot cietus šķīdumus ar urānu.
Vēsture
Vācu ķīmiķim Martinam Heinriham Klaprotam tiek piešķirta atļauja urāna elementa atklāšanai 1789. gadā kartona paraugā. Klaprots jauno elementu nosauca par Urāna planētu, kas tika atklāta 1781. gadā. Tomēr tikai 1841. gadā franču ķīmiķis Eugène-Melchior Péligot parādīja, ka Klaproth iegūtā melnā metāla viela patiešām ir urāna dioksīda savienojums. Péligot sagatavoja faktisko urāna metālu, reducējot urāna tetrahlorīdu ar kālija metālu.
Pirms kodola skaldīšanas atklāšanas un noskaidrošanas, daži praktiski izmantojamie urāna veidi (un to bija ļoti maz) bija keramikas krāsošanā un kā katalizators dažos specializētos lietojumos. Mūsdienās urāns tiek augstu novērtēts gan militārajā, gan komerciālajā lietojumā, un pat zemas kvalitātes rūdām ir liela ekonomiskā vērtība. Metāla urānu parasti ražo, izmantojot Ames procesu, kuru 1942. gadā izstrādāja amerikāņu ķīmiķis FH Spedding un viņa kolēģi Aiovas štata Amesas universitātē. Šajā procesā metālu iegūst no urāna tetrafluorīda, termiski reducējot ar magniju.
Rūdas
Zemes garozā ir apmēram divas urāna daļas uz miljonu urāna, atspoguļojot plašu izplatību dabā. Tiek lēsts, ka okeāni satur 4,5 × 10 9 tonnas elementa. Urāns ir kā nozīmīga sastāvdaļa vairāk nekā 150 dažādos minerālos un kā mazsvarīgs komponents vēl 50 minerālos. Primārie urāna minerāli, kas atrodami magmatiskajās hidrotermiskajās vēnās un pegmatītos, ietver uraninītu un piblendendu (pēdējie ir dažādi uraninīti). Šajās divās rūdās urāns ir urāna dioksīda formā, kura oksidācijas dēļ precīzs ķīmiskais sastāvs var mainīties no UO 2 līdz UO 2,67. Citas ekonomiski nozīmīgas urāna rūdas ir autunīts, hidratēts kalcija uranilfosfāts; tobernīts, hidratēts vara uranilfosfāts; zārks, melna hidratēta urāna silikāts; un karnotīts, dzeltens hidratēts kālija uranilvanadats.
Tiek lēsts, ka vairāk nekā 90 procenti no zināmajām zemo izmaksu urāna rezervēm atrodas Kanādā, Dienvidāfrikā, ASV, Austrālijā, Nigērā, Namībijā, Brazīlijā, Alžīrijā un Francijā. Aptuveni 50 līdz 60 procenti no šīm rezervēm atrodas Elliotas ezera konglomerāta iežu veidojumos, kas atrodas uz ziemeļiem no Hurona ezera Ontario, Kanādā, un Witwatersrand zelta laukos Dienvidāfrikā. Smilšakmens veidojumi Kolorādo plato un Vaiomingas baseinā ASV rietumos satur arī ievērojamas urāna rezerves.
Kalnrūpniecība un koncentrēšana
Urāna rūdas rodas nogulumos, kas ir gan tuvu virsmai, gan ļoti dziļi (piemēram, no 300 līdz 1200 metriem vai no 1000 līdz 4000 pēdām). Dziļās rūdas dažkārt rodas 30 metrus biezās šuvēs. Tāpat kā citu metālu rūdu gadījumā virszemes urāna rūdas tiek viegli iegūtas ar lielām zemes apstrādes iekārtām, bet dziļās atradnes iegūst ar tradicionālajām vertikālo šahtu un dreifēšanas metodēm.
Urāna rūdas parasti satur tikai nelielu daudzumu urānu saturošu minerālu, un tos nevar kausēt ar tiešām pirometalurģiskām metodēm; tā vietā urāna vērtību iegūšanai un attīrīšanai jāizmanto hidrometalurģijas procedūras. Fiziskā koncentrācija ievērojami samazinātu hidrometalurģiskās apstrādes ķēžu slodzi, taču neviena no parastajām bagātināšanas metodēm, ko parasti izmanto minerālu apstrādē, piemēram, smaguma spēks, flotācija, elektrostatika un pat šķirošana ar rokām, parasti nav piemērojama urāna rūdām. Ar dažiem izņēmumiem koncentrācijas metodes pārmērīgi samazina urāna daudzumu atkritumiem.
