Уран и торий

Уран и торий нестабильны. Они распадаются в процессе, называемом радиоактивным распадом. Более 99% природного урана существует в форме (изотопе), называемой уран-238, в то время как более 99% природного тория существует в виде тория-232. Эти металлы распадаются очень медленно, в конечном итоге образуя свинец. В процессе распада образуется ряд новых веществ, включая радий и радон, альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение (см.Google Искусство и культура: Горячие камни).

Изотоп урана уран-235, хотя и встречается гораздо реже, является единственным природным расщепляющимся материалом. Это означает, что он способен подвергаться ядерному делению - процессу, используемому для получения энергии путем расщепления атомного ядра. Когда частица урана-235 подвергается бомбардировке нейтронами, в большинстве случаев она распадается на две более мелкие частицы и высвобождает ядерную энергию и большее количество нейтронов. Это и есть процесс деления. Затем эти нейтроны могут поглощаться другими частицами урана-235, вызывая дальнейшее деление, и происходит цепная ядерная реакция. В ходе этого процесса выделяется большое количество энергии, обычно в виде тепла.

Поскольку уран-235 очень редок в природе, уран должен пройти процесс, называемый обогащением, чтобы получить достаточное количество урана-235 для использования в качестве топлива для ядерной энергетики. Уран-238 может быть преобразован в ядерном реакторе в делящееся вещество, называемое плутонием-239, и затем использован для расщепления. Другим изотопом урана, который обладает способностью к делению, является уран-233. Он не встречается в природе, но может быть получен из тория.

Люди всегда будут подвергаться естественному воздействию небольших количеств урана и тория через воздух, пищу и воду, поскольку эти элементы часто содержатся в почвах и горных породах. Однако воздействие высоких уровней радиации в результате радиоактивного распада высоких концентраций урана и тория может привести к проблемам со здоровьем у людей и других животных. Живые клетки, которые поглощают слишком много радиации, могут быть повреждены или погибнуть. В то время как гамма-излучение может легко проникать через кожу человека, альфа-частицы могут перемещаться только на небольшие расстояния и не проникают через кожу.

Очень высокое потребление урана может привести к заболеванию почек, почечной недостаточности и смерти. Вдыхание ториевой пыли увеличивает вероятность развития заболеваний легких и рака легких или поджелудочной железы. Кроме того, торий может накапливаться в костях, поэтому он может вызывать рак костей через много лет после воздействия.

Использует

Уран используется в ядерных реакторах для выработки электроэнергии. Производство электроэнергии в ядерных реакторах имеет много общего с более традиционным производством электроэнергии в том смысле, что вырабатываемая тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, которая используется для приведения в действие турбогенераторов (в основном с помощью пара или перегретой воды). При распаде одного атома урана выделяется более чем в миллион раз больше энергии, чем при сгорании молекулы бензина.

Ядерная энергия используется в качестве источника энергии в некоторых странах на протяжении шести десятилетий. Австралия в настоящее время не использует ядерную энергию, но экспортирует уран в страны, которые используют ее. Уран также используется в производстве радиоизотопов для медицинских целей и в ядерных научных исследованиях с использованием потоков нейтронов. В Австралии на Лукас-Хайтс в Новом Южном Уэльсе эксплуатируется исследовательский ядерный легководный реактор, который производит медицинские радиоизотопы.

В некоторых странах высокообогащенный уран используется военными для заправки атомных подводных лодок, ракет и бомб. Обедненный уран используется для изготовления оружия проникающего действия и броневых покрытий.

Оксид тория (ThO₂) имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех оксидов и используется в элементах электрических ламп, дуговых светильниках и сварочных электродах, а также в термостойкой керамике. Однако для многих применений тория были разработаны нерадиоактивные заменители. Соединения иттрия заменили соединения тория в лампах, а лантаноиды, цирконий и иттрий могут заменить торий в сплавах, используемых в аэрокосмических технологиях.

История

1789Мартин Генрих Клапрот обнаружил уран в образце смоляной обманки (ныне называемой уранинитом).

1828Торий был обнаружен Мортеном Трейном Эсмарком на острове Ловоя в Норвегии. Он отправил найденный им черный минерал (позже названный торитом) своему отцу, минералогу Йенсу Эсмарку, в Университет Осло.

1829Йенс Якоб Берцелиус определил, что горная порода под названием торит содержит новый элемент - торий

1896Эжен-Мельхиор Пелиго выделил металлический уран, а Анри Беккерель открыл его радиоактивную природу

1906Мистер Артур Джей Смит зарегистрировал заявку на добычу карнотита (урановой руды) на урановом месторождении в Южной Австралии. Месторождение использовалось для производства радия, элемента, который использовался для окраски циферблатов часов, пока не были поняты риски, связанные с его радиоактивностью. В конечном итоге это место стало первым крупным урановым рудником Австралии - Radium Hill, который добывался в 1954-1961 годах

1934Группа ученых, в которую входили Отто Хан, Лиза Мейтнер, Энрико Ферми и Роберт Оппенгеймер, разработала способ использования урана в качестве топлива для производства ядерной энергии

1940Вся урановая руда высочайшего качества, добытая на руднике в Конго, была отправлена в США из-за опасений, что эта руда может быть конфискована Германией

1945Первое ядерное оружие было разработано и применено в США

1946Для развития ядерной энергетики в США была создана Комиссия по гражданской атомной энергии

1949Советский Союз испытал атомную бомбу, и в ходе последующей гонки ядерных вооружений между Соединенными Штатами и Советским Союзом были произведены десятки тысяч единиц ядерного оружия, в которых использовался металлический уран

1950Добыча урана в "Ромовых джунглях" на Северной территории началась для поддержки программ создания ядерного оружия правительствами Великобритании и США. Эта шахта была закрыта в 1971 году

1952Соединенное Королевство провело испытания ядерного оружия в Австралии в период с 1952 по 1957 год на островах Монтебелло, Эму Филд и Маралинга

1958Добыча началась на месторождении Мэри Кэтлин в Квинсленде

1979Рудник Набарлек открылся в Северной территории после того, как правительство Содружества объявило о возможности строительства новых урановых рудников для поддержки программ ядерной энергетики. Месторождение было отработано за один засушливый сезон и в настоящее время восстанавливается

1981На Северной территории открылась шахта "Рейнджер"

1988На Олимпик-Дам в Южной Австралии была открыта обширная подземная шахта по добыче меди и урана

2001В Южной Австралии открылся первый рудник по подземному выщелачиванию "Беверли"

В прошлом уран использовался для изготовления стекла, окрашенного в желто-зеленый цвет, которое флуоресцирует зеленым в ультрафиолетовом свете. Он также использовался для тонирования в ранней фотографии.

Образование

Уран и торий - распространенные элементы в земной коре. Их можно найти в небольших концентрациях практически везде, в горных породах, почве, реках и океанах. Австралийский континент, благодаря своему геологическому наследию, обладает концентрациями урана и тория, значительно превышающими средние. Содержание этих элементов в гранитах может быть намного выше, чем в обычных породах земной коры, но все же недостаточно велико, чтобы добыча была экономичной.

Причина, по которой граниты содержат более высокие концентрации урана и тория, заключается в том, что эти элементы являются несовместимыми элементами в магмах. Это означает, что они нестабильны в структуре кристаллов и легко заменяются другими элементами. Таким образом, по мере остывания магмы уран и торий становятся одними из последних элементов, которые включаются в кристаллы, поэтому расплавленный компонент магмы постепенно обогащается ураном, торием и другими несовместимыми элементами. В свою очередь, это первые элементы, которые мобилизуются при нагревании или частичном расплавлении горных пород.

Уран обладает высокой растворимостью, поэтому его можно легко растворять, транспортировать и осаждать в грунтовых водах при незначительных изменениях условий. Минералы, богатые ураном, также легко растворяются, что является еще одним фактором, обусловливающим большое разнообразие геологических условий и мест, в которых может происходить минерализация урана.

В таких урановых месторождениях, как Беверли, Фор-Майл и Маунт-Пейнтер, руда залегает в проницаемых и пористых песчаниках или конгломератах. Эти месторождения образовались, когда грунтовые воды, содержащие растворенный уран, проникли в осадочные породы. Грунтовые воды изменили химический состав при контакте с богатым углеродом органическим веществом, и в результате минералы оксида урана осаждались в пористых породах.

Уран на месторождении Йилирри в Западной Австралии содержится в породе, называемой кальцит, в окружении соленых озер. Этот уран был повторно мобилизован в результате выветривания из гранитов, которые образовались 2,5 миллиарда лет назад.

Богатые торием минералы, такие как монацит, обычно встречаются в магматических и метаморфических породах. Монацит является более стойким минералом, поэтому при выветривании из горных пород зерна монацита остаются нетронутыми. В конечном счете они переносятся вниз по склону ветром, водой и силой тяжести и могут скапливаться за валунами, на внутренних изгибах русел ручьев или в нижних частях отложений вместе с другими тяжелыми минералами.

Помимо залежей тяжелого минерального песка, торий может присутствовать и в других геологических условиях, таких как щелочные магматические интрузии и комплексы, включая карбонатиты, а также в жилах и дайках. В этих месторождениях торий обычно ассоциируется с другими сырьевыми товарами, такими как редкоземельные элементы, цирконий, ниобий, тантал и другие элементы.

Ресурсы

Австралия обладает богатыми запасами урана и тория, на долю которых приходится около 33% мировых запасов урана и 20% мировых запасов тория.

Текущая информация о ресурсах, производстве, потреблении и торговле ураном и торием.

Уран

Месторождения урановой руды можно найти на всех континентах, крупнейшие месторождения находятся в Австралии, Казахстане и Канаде. Ежегодный доход Австралии от экспорта урана составляет более 1 миллиарда долларов. Гигантская шахта Olympic Dam в Южной Австралии является крупнейшим в мире месторождением урана. Уран также обнаружен в Беверли и Медовом месяце в Южной Австралии, на месторождениях Рейнджер и Джабилука в Северной территории и в Йелирри в Западной Австралии. Три наиболее перспективных месторождения урана в Квинсленде находятся в глубине материка от Таунсвилла, в районе Маунт-Айза и в районе залива Карпентария недалеко от границы с Северной территорией. Урановая руда встречается в жилах и дайках на месторождении Ноланс Бор в Северной территории и в брекчиях на месторождении Росомаха в Западной Австралии.

Некоторые австралийские месторождения урана в настоящее время недоступны, в том числе месторождение Джабилука на Северной территории, где традиционные землевладельцы-аборигены не дали разрешения на разработку месторождения, и месторождение Кунгарра, которое в 2011 году было включено Комитетом всемирного наследия в список объектов всемирного наследия Какаду. В Южной Австралии месторождение Маунт-Джи находится в пределах охраняемой зоны Аркарула, созданной правительством штата в 2011 году, в которой разведка и добыча полезных ископаемых запрещены.

Уран, добываемый в Австралии, в основном идет на экспорт. В Австралии нет атомных электростанций, судов с ядерными двигателями или ядерного оружия. Австралийские горнодобывающие компании поставляют уран энергетическим компаниям в США, Японию, Китай, Южную Корею, Канаду, Великобританию, Францию, Германию, Испанию, Швецию, Бельгию и Финляндию. Кроме того, Австралия заключила соглашения с Россией, Индией и Объединенными Арабскими Эмиратами о поставках австралийского урана для использования в их гражданских программах ядерной энергетики.

Экспорт австралийского урана контролируется строгими ядерными гарантиями в отношении других стран. Эти гарантии предусматривают, что австралийский уран должен использоваться исключительно в мирных целях в гражданских ядерных топливных циклах. Материал также защищен в соответствии с согласованными на международном уровне стандартами физической безопасности. Эти соглашения гарантируют, что страны, которым Австралия продает уран, соблюдают гарантии и международные стандарты ядерной безопасности.

• Дополнительная информация о запасах и добыче урана

Торий и монацит

Торий распределен более равномерно, чем уран, и его значительные залежи обнаружены во всех штатах. Наиболее известные запасы тория в Австралии связаны с минералом монацит, который часто встречается в тяжелых минеральных песках и залежах редкоземельных элементов. Австралия когда-то была крупнейшим в мире производителем монацита и, как считается, обладает крупнейшими в мире запасами монацита.

Залежи тяжелых минеральных песков обнаружены в бассейне реки Мюррей, который включает в себя части штатов Виктория, Новый Южный Уэльс и Южная Австралия, в бассейне реки Эвкла в Южной Австралии и Западной Австралии и в бассейне реки Перт в Западной Австралии. Другие месторождения минерального песка находятся на севере Западной Австралии, в Квинсленде, Северной территории и Тасмании. В большинстве штатов Австралии имеются месторождения редкоземельных элементов.

В период с 1952 по 1995 год Австралия экспортировала 265 килотонн (тыс. тонн) монацита, главным образом во Францию, но завод по производству монацита во Франции был закрыт, поскольку его операторы не смогли получить разрешение на строительство соответствующего полигона для захоронения токсичных и радиоактивных отходов. Текущие данные свидетельствуют о том, что широкого применения тория в ядерных реакторах в краткосрочной и среднесрочной перспективе не произойдет из-за проблем, связанных с развитием технологий.

Дополнительная информация о ресурсах и производстве тория.

Добыча полезных ископаемых

Руда на руднике Olympic Dam в Южной Австралии добывается подземным способом, в то время как на руднике Ranger в Северной территории добыча ведется открытым способом. На месторождениях Beverley, Four Mile и Honeymoon используются методы добычи на месте.

Добыча полезных ископаемых на месте также называется подземным выщелачиванием, восстановлением на месте или добычей растворов. Этот метод включает растворение минералов с использованием кислотного или щелочного выщелачивающего раствора, который прокачивается через рудное тело. В этом растворе уран растворяется, а затем обогащенные ураном жидкости выкачиваются на поверхность, где добывается металл. Это означает, что традиционные методы добычи полезных ископаемых (открытым или подземным способом) не требуются.

Значительная добыча урана в Квинсленде не велась с 1982 года из-за запрета правительства Квинсленда. Однако разведка урана по-прежнему разрешена.

В Австралии торий не добывается, но он присутствует в монаците, который добывается вместе с другими минералами на месторождениях пляжного песка с тяжелыми минералами. Извлеченные тяжелые пески перерабатываются для отделения этих тяжелых минералов, а легкая фракция возвращается на месторождение. В настоящее время при добыче тяжелого минерального песка монацитовая фракция возвращается на рудник и диспергируется для снижения уровня радиации, как это предусмотрено условиями добычи. В результате добычи тяжелых минералов добываются речные отложения, аллювиальные террасы, пляжные отложения, террасы на пляже и мелководные отложения.

Обработка

Уран

Руда, добываемая на урановых рудниках, уже находится в жидком виде, поскольку ее выкачивают из-под земли. Однако руду, добываемую открытым способом, сначала измельчают и смешивают с водой, а затем добавляют в большие резервуары с кислотой. Поскольку уран легко растворяется, в растворе он отделяется от других минералов и элементов, которые остаются твердыми.

Затем обогащенный ураном раствор очищают и получают кристаллы оксида урана (U₃O₈) выпадает в осадок. Полученный порошок называется желтым кеком, потому что при добыче полезных ископаемых на ранних этапах производился ярко-желтый порошок, но на большинстве современных заводов желтый кек бывает коричневого или черного цвета. Его либо упаковывают в бочки для транспортировки, либо перерабатывают на месте. Оксид урана радиоактивен лишь незначительно; он содержит в основном (>99%) уран-238. Австралия экспортирует урановый концентрат в таком виде.

Следующим этапом обогащения урана является отделение примесей от желтого кека. Порошок обрабатывают азотной кислотой и выпаривают воду. В результате образуется триоксид урана высокой чистоты (UO₃). Триоксид урана может быть расплавлен с образованием диоксида урана (UO₂) для использования в топливных стержнях тяжеловодных реакторов.

Для большинства ядерных энергетических реакторов требуется обогащенное урановое топливо, в котором доля урана-235 была увеличена по сравнению с природным уровнем примерно до 3-5%. Процесс обогащения включает преобразование урана в уран-235.₃в гексафторид урана (UF6) путем объединения этого соединения с соединениями фтора. На обогатительных фабриках используются центрифужные системы с тысячами вращающихся вертикальных трубок для отделения урана-235 от урана-238. Высокообогащенный уран с содержанием урана-235 более 20% подходит для питания подводных лодок и кораблей военно-морского флота, а содержание урана-235 выше 90% используется для создания ядерного оружия.

Торий и монацит

Торийсодержащий монацит, добываемый из минеральных песков, обычно смешивают с целым рядом других минералов, включая кремнезем, магнетит, ильменит, циркон и гранат. Первая стадия обогащения монацита заключается в промывке более легких минералов путем помещения песка на столы для встряхивания и пропускания полученной фракции монацита через ряд электромагнитных сепараторов.

Чтобы отделить торий от других элементов, содержащихся в монаците, минерал измельчают в порошок и смешивают с горячими концентрированными растворами серной кислоты или гидроксида натрия. Остаток, который остается, содержит 99% тория и 5% других элементов (в основном редкоземельных).

Альтернативный способ переработки включает превращение тория, содержащегося в монаците, торите или других минералах, в диоксид тория (ThO₂). Затем его нагревают с кальцием, натрием или магнием. Полученное соединение смешивают с разбавленной азотной кислотой, а затем промывают водой, спиртом и эфиром. В результате получается металлический порошок, который можно прессовать с получением металлического тория чистотой 99,7%. Дальнейшая переработка позволяет получить металлический торий с чистотой 99,97%.

Дополнительная информация

• Текущая информация о ресурсах, производстве, потреблении и торговле ураном и торием
• Дополнительная информация о запасах и добыче урана
• Выставка искусств и культуры в Google: Горячие камни