Применение подземное скважинное выщелачивание по странам мира

Добыча урана методом скважинного подземного выщелачивания: технологии и используемое оборудование

Россия занимает третье место в мире по запасам урана (после Австралии и Казахстана). Добыча радиоактивного металла в нашей стране ведётся традиционным шахтным способом и современным методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ). На долю последнего уже приходится более 30% от общего объёма добычи. Однако технология СПВ имеет большое будущее, так как она практически исключает угрозу для жизни людей и воздействие на окружающую среду. Более того, после отработки участков земля остаётся пригодной для сельскохозяйственного пользования.

Подземное выщелачивание и его преимущества

Привычный способ добычи урана заключается в извлечении руды из недр, её дроблении и обработке для получения искомых металлов. В технологии СПВ, которая также известна как добыча растворением, порода остаётся на месте залегания, по площади месторождения прокалываются скважины, через которые потом прокачиваются жидкости для выщелачивания металла из руды. В общемировой практике в процессе СПВ используются растворы на основе кислот и щелочей, однако в России, так же, как в Австралии, Канаде и Казахстане, последние не применяют, отдавая предпочтение серной кислоте H₂SO₄.

По сравнению с шахтным методом добычи разработка урановых месторождений методом скважинного подземного выщелачивания оказывает меньшее отрицательное влияние на поверхность земли: отсутствуют оседания и нарушения почвы, отвалы забалансовых руд и пустых пород. В целях предотвращения ущерба от возможных разливов технологических растворов перед началом обработки запасов на участке производится снятие поверхностного плодородного слоя почвы по всей длине ряда эксплуатационных скважин на ширину 4-5 м и глубину 40-50 см. По завершении всех работ плодородный слой возвращают обратно, скважины ликвидируют, а загрязнённые участки восстанавливают. Эти меры позволяют передать земли в сельскохозяйственное пользование.

Благоприятное влияние на окружающую среду оказывает и отсутствие так называемых хвостов (радиоактивных отвальных отходов) и, как следствие, полигонов для их захоронений. Кроме того, на всех этапах добычи, включая вскрытие и подготовку рудных тел, исключается пылеобразование. В итоге при СПВ в десятки раз снижается выделение токсичных веществ в атмосферу.

Также стоит отметить, что скважинный метод вскрытия и отработки месторождения ещё и более экономичный с точки зрения стоимости эксплуатации, так как из процесса исключаются операции рудоприёмки и рудоподготовки.

Все указанные преимущества делают метод СПВ самым прогрессивным, экологически безопасным и доступным на сегодняшний день. Передовые представители атомной отрасли уже используют его на своих площадках. Так, ярким примером компании, ведущей добычу урана способом скважинного подземного выщелачивания, является предприятие «Хиагда», расположенное в Баунтовском районе Республики Бурятия.

История Хиагдинского месторождения

Добыча урана методом скважинного подземного выщелачивания началась на АО «Хиагда» ещё в 1999 году: было сооружено 30 скважин, 4 из которых предназначались для наблюдений и экологического мониторинга. В 2004 г. полигон расширили, и количество скважин увеличилось до 51. В 2008 г. АО «Хиагда» вошло в состав Уранового холдинга «Атомредметзолото» («АРМЗ») и начался новый виток развития предприятия. За три следующих года было сооружено 230 технологических скважин (из них 77 откачных и 11 эксплуатационно-разведочных) и выполнены геологоразведочные работы по пяти новым месторождениям.

Предприятие и сейчас продолжает наращивать свои мощности. Так, летом 2015 года были запущены I очередь нового технологического комплекса и объекты инфраструктуры – площадки основного производства. «Ввод в эксплуатацию всего комплекса означает поступательный рост объёмов производства металла. В настоящее время отрабатываются залежи Хиагдинского месторождения. С 2015 по 2018 г. мы будем последовательно вводить в эксплуатацию залежи Источного и Вершинного месторождения. В 2015 г. объём производства готовой продукции должен составить 508 т. К 2018 г., надеюсь, сможем полностью загрузить новое оборудование, производить 1000 т необходимого стране металла в год. Но и это не предел. Наши расчёты показывают, что объём производства можно довести до 1300 т в год», – поделился планами Алексей Дементьев, генеральный директор АО «Хиагда».[1]

В сентябре 2015 года на предприятии планируется запуск собственного цеха по производству серной кислоты производительностью 110 тыс. т H₂SO₄ в год, что позволит полностью обеспечить нужды АО «Хиагда» и сократить себестоимость готовой продукции. Основным сырьём производства H₂SO₄ станет техническая сера – сыпучее вещество, перевозка которого более безопасна и экологична, чем транспортировка кислоты.

Однако на АО «Хиагда» понимают, что бурение новых скважин и строительство производственных площадок – лишь половина успеха. Метод СПВ – самый современный на сегодняшний день – требует использования инновационного и качественного оборудования на всех этапах.

Насосы для подземного выщелачивания

Основную роль в процессе скважинного подземного выщелачивания играют насосы. Они используются уже на самой первой стадии – откачивания грунтовых вод, в которые потом добавляются кислый реагент и окисляющий компонент на основе перекиси водорода или кислорода. После при помощи скважинного оборудования раствор закачивается в геотехническое поле. Обогащённая ураном жидкость поступает в добывающие скважины, откуда вновь при помощи насосов отправляется на перерабатывающую установку, где в процессе сорбции уран оседает на ионообменной смоле. Затем металл отделяется химическим способом, суспензия обезвоживается и осушается до получения конечного продукта. Технологический раствор вновь насыщается кислородом (при необходимости – серной кислотой) и возвращается в цикл. «Очевидно, что насосы – один из ключевых элементов технологии СПВ: они задействованы на всех стадиях добычи. Именно поэтому на первое место при подборе оборудования выходят его качество и долговечность – перерывы в работе недопустимы, так же, как и слишком малое количество часов наработки. Ведь в последнем случае насосы придётся часто менять, а это дополнительные финансовые и временные затраты», – говорит Юрий Мурашко, руководитель службы по связям с общественностью Уранового холдинга «АРМЗ».

Раствор серной кислоты, который впоследствии ещё и обогащается радиоактивным ураном, – агрессивная среда, а значит, насосы и их элементы должны быть устойчивыми к коррозии.

Ещё один важный критерий – надёжность систем уплотнений. «Исходя из указанных требований, для перекачивания продуктивных растворов из сборников в главный производственный корпус на АО «Хиагда» были выбраны скважинные насосы GRUNDFOS серии SPM. Они разработаны специально для работы с растворами в процессах выщелачивания: насосы изготовлены из высококачественной нержавеющей стали 1.4539 по стандартам DIN, что делает их невосприимчивыми к воздействию кислот, содержащихся в перекачиваемой среде», – рассказывает Александр Колмаков, региональный представитель пермского филиала компании «ГРУНДФОС», ведущего мирового производителя насосного оборудования.

Ещё большую надёжность моделей линейки SPM обеспечивает соединение электродвигателя с насосной частью шпильками с высокопрочными титановыми гайками. Также для повышения устойчивости насосов к кислоте держатель внутреннего кольца торцевого уплотнения впрессован в кольцо из нержавеющей стали. Наряду с высокой надёжностью, оборудование способствует повышению рентабельности производства – ведь насосы GRUNDFOS оснащены современными энергоэффективными двигателями с высоким КПД.

Как показывает опыт использования оборудования SPM на добывающих предприятиях, насосы GRUNDFOS отличаются от аналогов высоким сроком наработки – 6000-8000 часов против стандартных 700-800 часов. «Всего на нашем предприятии задействовано 195 скважинных насосов GRUNDFOS. Они эксплуатируются уже несколько лет, и за это время никаких нареканий работа оборудования не вызывала», – говорит Юрий Мурашко (Урановый холдинг «АРМЗ»).

Зарубежный опыт использования технологии СПВ

На долю скважинного подземного выщелачивания приходится около 20% всего мирового уранового промысла. Лидерство пока что удерживают подземные рудники (40%) и открытые карьеры (30%). Однако много говорит тот факт, что методу СПВ отдают предпочтение такие развитые уранодобывающие страны, как США, Узбекистан и безусловный лидер отрасли – Казахстан. Например, добычей радиоактивного металла методом подземного выщелачивания занимаются на крупнейшем месторождении республики – руднике Инкай, принадлежащем «Казатомпром». Его потенциальные запасы урана оцениваются в 41 тыс. тонн, что, по подсчётам экспертов, позволит эксплуатировать участок более 30 лет.

Так же, как и на АО «Хиагда», для закачивания и откачивания выщелачивающего и продуктивного растворов в скважинах установлены насосы серии SPM (1 для закачки, 6 для откачки).

Наряду со скважинным оборудованием, на руднике «Инкай» широко применяются и другие модели насосов GRUNDFOS. В частности, в процессах приёмки и перекачки серной кислоты установлены вертикальные многоступенчатые центробежные насосы серии CRN с магнитными муфтами MAGdrive. Последние заменяют стандартные торцевые уплотнения, которые восприимчивы к агрессивным жидкостям. Магнитные муфты повышают надёжность оборудования, позволяя без проблем работать с раствором H₂SO₄, а также являются гарантом отсутствия утечек химических растворов.

Подобные насосы с магнитными муфтами только во взрывозащищённом исполнении применяются на руднике для заполнения топливных цистерн. Кроме того, насосы CRN, оснащённые частотно-регулируемыми приводами (ЧРП) и двойным торцевым уплотнением, установлены для подачи серной кислоты в трубопроводную трассу на полигон для доведения раствора до требуемой концентрации. Использование ЧРП позволяет оптимизировать затраты электроэнергии на данном участке производства.

Сегодня скважинное подземное выщелачивание применяет большинство российских и зарубежных уранодобывающих предприятий. Накопленный опыт будет полезен другим компаниям при организации процессов и выборе надёжного и долговечного оборудования.

Источник

Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение

Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

• Немецкого натурфилософа Мартина Генриха Клапорта первым, восстановившим из руды один из наиболее распространённых минералов урана – настуран.
• Французского химика ЭженаПелиго, сумевшего получить чистый минерал и определить его атомный вес.
• Великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева – поставившего уран в соответствующую его характеристикам клетку периодической системы, задолго до открытия действительного атомного веса этого элемента.
• Знаменитого британского физика Эрнеста Резерфорда, открывшего два вида радиоактивного излучения урана.
• Советских академиков Юлия Борисовича Харитона и Якова Борисовича Зельдовича, доказавших возможность осуществления цепной ядерной реакции.

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

• Тяжёлый, гибкий и ковкий металл, плотностью 18-19 г/см 3 .
• Температура плавления равняется +1132,3 0 C.
• Температура кипения составляет +4113 0 C.
• В порошкообразном состоянии при температуре свыше +150 0 C, уран способен самовозгораться.
• Обладает тремя кристаллическими модификациями, стабильными при определённых температурах: альфа, бета и гамма.
• Минерал радиоактивен изотопами: уран-238, уран-235, уран-234.
• Химически очень активный элемент, быстро вступающий в реакцию взаимодействия с кислородом воздуха, покрываясь при этом защитной оксидной плёнкой.

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:

• настуран,
• карнотит,
• соединения с ванадием и титаном,
• силикаты,
• фосфаты.

Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

• откалывание (отбивание) материала,
• погрузку его на вагонетки или шахтные самосвалы,
• перевозку руды до бункера приёмки,
• скиповое поднятие на поверхность,
• транспортировку к местам переработки.

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.

Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.

Обогащение урана

Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 ( 235 U). Остальную часть составляют:

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235 U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

• Обеднённый уран представляет собой технологические отходы процесса обогащения. Содержание 235 U в нём колеблется в пределах: 0,1–0,3 %. Тем не менее, постепенно он находит широкий диапазон применения в качестве:

• химического катализатора в реакциях восстановления перекиси водорода и кислорода;
• космического, судового, автомобильного балласта и самолётного противовеса;
• средства радиационной защиты;
• бронебойного сердечника снарядов;
• танковой брони;
• ударного механизма буровых штанг,
• средства получения комплексного ядерного топлива, применение которого возможно в энергетических ядерных реакторах на тепловых нейронах.

• Низкообогащённый уран с концентрацией 235 U доходящей до 20%, широко используется в качестве топлива энергетических и научно-исследовательских ядерных реакторов.
• Высокообогащённый уран, содержащий в себе свыше 20% урана-235, применяется при изготовлении атомных и водородных бомб, а также в качестве длительно используемого ядерного топлива в реакторах морских судов и космических кораблей.

Технологии

В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.

• Термодиффузия – концентрирующая различные по массе изотопы в отдельных температурных зонах.
• Электромагнитная сепарация – отбирающая разно заряженные ионы в отдельные сборники.
• Газовая диффузия – использующая неодинаковую скорость проникновения частиц через мелкопористые мембраны.
• Центрифугирование – разделяющее газовую среду по скоростям вращающихся потоков.
• Аэродинамическая сепарация – создающая завихряющиеся потоки в соплах искривлённой конфигурации.

Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.

Применение

Ядерное топливо

Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).

Геология

Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.

Другие сферы

В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

• Австралия – 19 месторождений. Крупнейшими из них являются: ОлимпикДан – 3 тыс. тонн добычи ежегодно, Биверли – 1 тыс. тонн., Хонемун – 900 тонн.
• Казахстан. 16 месторождений. 6 наиболее значимых: Будёновское, Западный Мынкудук, Ирколь, Корсан, Южный Инкай, Харасан.
• Россия. 7 месторождений. Из них в эксплуатации находятся три: Аргунское, Жерловское, Источное.
• Канада. Известные урановые залежи на территории этой страны: МакАртур-Ривер, Сигар Лейк и «Проект Уотербери».
• ЮАР. Месторождение Доминион и рудники: Вааль-Ривер, Вестерн-Ариез, Палабора, Рандфонтейн.
• Нигер. 12 залежей. Наибольшие: Азелит, Арлит, Имурарен, Мадауэла.
• Намибия. 4 месторождения.

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

• Австралия – 40%.
• Канада – 15%.
• Казахстан – 13%.
• Бразилия – 8%.
• Южная Африка – 6,5%.

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

• Казахстан – 21,705 тыс. тонн. 41% мировой добычи, составляющей 53,498 тыс. тонн.
• Канада – 7,001 тыс. тонн. Что составляет 13% от общемирового уровня.
• Австралия – 6,517 тыс. тонн или 12%.
• Намибия – 5,525 тыс. тонн.
• Нигер – 2,911 тыс. тонн.
• Россия – 2,904 тыс. тонн.
• Узбекистан – 2,404 тыс. тонн.
• Китай – 1,855 тыс. тонн.
• Украина – 1,18 тыс. тонн.
• США – 582 тонны.
• Также добычей урана занимаются: Индия – 423 тонн, ЮАР – 346 тонн, Иран – 71 тонна и Пакистан – 45 тонн.

Источник