URAN CHARAKTERYSTYKA, ZASOBY, WYDOBYCIE

Transkrypt

1 URAN CHARAKTERYSTYKA, ZASOBY, WYDOBYCIE

2 Uran - charakterystyka Atom uranu składa się z 92 protonów, 92 elektronów oraz od 141 do 146 neutronów (w różnych konfiguracjach) - tworzy 6 odmian izotopowych Najważniejsze dwa izotopy: U-238, U-235 Uran jest słabo radioaktywny - rozpada się alfa radioaktywnie, ciężar właściwy jest większy od ołowiu. Srednia koncentracja uranu w przyrodzie to 2,4 ppm. Skład izotopowy w przyrodzie: 99,3% U-238, 0,7% U-235, 0,006% U-234. Pochłania neutrony, które powodują rozpad jądra na dwa jądra innych pierwiastków Spontaniczny rozpad jądra (bez udziału czynników zewnętrznych): alfa, beta. U-235: jest materiałem rozczepialnym, a także promieniotwórczym (rozpad alfa), Czas połowicznego rozpadu 704 mln lat U-238: dominuje w składzie izotopowym uranu, nie jest rozczepialny, jest wykorzystywany w reaktorach powielających do produkcji plutonu (Pu-239), Czas połowicznego rozpadu 4,5 mld lat

3 Energetyczność Uranu Teoretycznie jeden gram uranu (czyli kulka o średnicy ok. 0,5 cm) może dostarczyć ok. 20 miliardów dżuli ( J) energii. Jest to ilość odpowiadająca spaleniu ok. 1,5 t węgla. "Uran jest zatem na razie najbardziej skondensowanym źródłem energii wykorzystywanym przez człowieka" Wartość opałowa jest to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu Elektrownie jądrowe wykorzystują paliwo uranowe, w którym U-235 osiąga koncentrację ok. 3%. Reaktory wykorzystują tylko ok. 1-2% paliwa uranowego.

4 Minerały zawierające uran-przykłady URANINIT Jest radioaktywny, zawiera UO 2 oraz UO 3, odmiana naciekowa (pitchblenda - smółka uranowa), zawiera małe ilości radu, ołowiu, helu oraz technetu (produkty rozpadu).

5 Karnotyt (wanadan uranylowo-potasowy) K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 3H 2 O jest radioaktywny, zawiera 63,42% UO 2, 20,16% V 2 O 5, 10,44%K, i 5,98% H 2 O.

6 Tiujamunit Ca(UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 6(H 2 O) Po raz pierwszy został odkryty w górach Tyuya Muyun, Ferghana, Uzbekistan

7 Pitchblenda UO 2 Karnotyt K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 3H 2 O Tiujamunit - Ca(UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 4H 2 O Autunit-CaO(UO 3 ) 2 P 2 O 5 12H 2 O Sklodowskit Mg(UO 2 ) 2 (HSiO 4 ) 2 5H 2 O Uraninit - UO 2

8 249 minerałów występujących w przyrodzie zawiera uran

9

10 Bekerelit

11

12

13 Jachymovite

14 Natroboltwoodite

15 Radioaktywność czystego uranu (U-235, -238, -234 w ich odpowiednich proporcjach) wynosi średnio 25 kbq/g [ Bq / kg] Dla porównania: Dane dla Warszawy [radioaktywność] Trawa: przed awarią Bq / kg, po awarii ( 1 V 1986r) Bq / kg Warzywa zielone: przed awarią Bq / kg, po awarii Bq / kg Powietrze: przed awarią Bq / m 3, po awarii Bq / m 3 Gleba: przed awarią Bq / kg, po awarii Bq / kg Rad x Bq/kg 60 Kobalt - 44 TBq/g Uran-235 i uran-234 stanowią większe zagrożenie dla zdrowia niż uran-238 ponieważ cechują się dużo krótszym półokresem, rozpadają się szybciej, w rezultacie są bardziej radioaktywne. Ponieważ wszystkie izotopy uranu są alfa-emiterami, stanowią zagrożenie tylko wtedy jeżeli dostaną się do wnętrza organizmu. Jednak, ponieważ kilka produktów rozpadu uranu emituje promieniowanie gamma, pracownicy przebywający w pobliżu dużych składowisk rud uranu lub w zakładach przetwarzających uran są również narażeni na małe dawki promieniowania z zewnątrz.

16 Radioaktywność czystego uranu i rudy uranowej Radioaktywność czystego uranu - 25 MBq / kg [25 kbq/g] 0,5 MBq / kg (50 razy mniej)

17 Radioaktywność rudy uranu oraz czystego uranu w porównaniu:

18

19 Np. rad, ołów, hel, technet Zagrożenia radiacyjne związane z eksploatacją rudy uranowej: promieniowanie alfa: 8 alpha emiterów (z serii U-238); 7 alpha emiterów (z serii U-235) stanowi zagrożenie w przypadku połknięcia lub inhalacji pyłem rudy uranu oraz radonem. Promieniowanie gamma: Pb-214, Bo beta pochodzące od Th-234, Pa-234m, Pb-214, Bi-214 oraz Bi-210 stanowi zagrożenie z zewnątrz. W przypadku inhalacji lub połknięcia należy brać pod uwagę także działanie chemiczne / toksyczne uranu.

20 Aktualnie potwierdzone zasoby uranu na świecie Obecne zużycie ~68000 tu/rok Okres zużycia ~80 lat (?) (przy stałym zapotrzebowaniu) Zasoby uranu - ok. 5,5 mln ton W cenie do 130$ / kgu

21 Niska koncentracja U w rudzie (stąd wysoki koszt wydobycia)

22 Australia - zasoby uranu (najważniejsze fakty)

23 Zasoby uranu zwiększają się w miarę zwiększania wydatków na eksploracje nowych obszarów

24 Zawartość uranu w różnych rodzajach skał Zawartość Uranu w rudzie wynosi zazwyczaj od 0.1 do 0.2%. Wyjątkiem są złoża kanadyjskie, w których zawartość uranu wynosi kilka procent (do 20%).

25 Cykl paliwowy uranu

26 Kazachstan - I miejsce w wydobyciu uranu

27 Kazachstan - największe na świecie wydobycie uranu 6 prowincji gdzie występują złoża uranu, obecnie w Kazachstanie czynnych jest 21 kopalni wydobywających uran za pomocą metody ługowania podziemnego (in-situ leach, ISL). Osiągnięty ogromny wzrost produkcji spowodowany był, wg przedstawicieli KazAtomPro, otwarciem nowych kopalni, zwiększeniem mocy produkcyjnej już istniejących

28 ISL - ok.. 36% wydobycia, reszta - metody konwencjonalne W tym wydobycie głębinowe < 30%

29 Sposoby wydobycia uranu Wydobycie odkrywkowe uranu 120 m - granica Wydobycie głębinowe (otworowe - metoda ługowania) In situ leaching

30 Ranger uranium mine. (AFP: Energy Resouces of Australia/SkyScans) Przykład kopalni odkrywkowej

31 Ranger uranium mine. (AFP: Energy Resouces of Australia/SkyScans)

32 Metoda In situ leaching Alkaline leaching (zasadowy ług) Acid leaching (kwaśny ług, ph ) Metoda popularna w USA i Kazachstanie Konwencjonalne metody polegają na wydobyciu rudy uranu na powierzchnię, rozdrobnieniu, rozpuszczeniu oraz wytrąceniu pożądanego minerału. ISL (ISR) pozostawia rudę tam gdzie jest. Wpompowuje się roztwór do złoża, rozpuszcza minerały i wypompowuje je na powierzchnię gdzie wytrącane są z roztworu. ISL nie produkuje odpadów w postaci skały płonnej. Złoże musi być przepuszczalne oraz izolowane od poziomów wodonośnych. Czasem jako substancję ługującą stosuje się zamiast kwasu, związek alkaliczny, gdy w złożu występują wapienie lub gips.

33 Rozmieszczenie rur wlotowych i wylotowych (metoda ISL)

34 Metoda ISL stała się popularna po spadku cen uranu - USA, Niemcy, Czechy Złoże uranu

35 Zalety i wady metody ISL

36

37 ISL - eksploatacja złoża od 1 do 3 lat; efektywność wydobycia od 60 do 80%. (uranian sodu i magnezu) (Evaporation ponds w trakcie rekultywacji) Po wydobyciu i ekstrakcji uranu zanieczyszczona woda ze złoża podlega albo wyparowaniu albo jest (po uzdatnieniu) wpompowywana do złoża. Otwory są utylizowane, evaporation pond podlegają rekultywacji.

38 The water used to pull the Uranium out of the ground is also stored in evaporation ponds. Baseny są podścielone plastikiem i winylem, wypełnione są radioaktywnym osadem. Woda z evaporative ponds wyparowuje, pozostaje osad soli metali ciężkich i radu, które są przechowywane w bezpiecznych storage. Conoco's Trevino in situ leach processing plant and evaporation ponds - Hebbronville, Texas, 1982

39 Zagrożenia związane z ISL

40 Zagrożenia związane z ISL Failure and Contamination of Groundwater From ISL Pipe Leak on Surface

41 Failure and Contamination from ISL Injection Well Failure in the Aquifer

42 Failure and Contamination from ISL Evaporation Pond Liner Failure

43 Zagrożenia związane z ISL 1. Uruchomienie (przejście do roztworu) Radu, Arsenu, Wanadu, Molibdenu, Kadmu, Niklu, Ołowiu 2. Wytrącanie się CaCO 3, CaSO 4 i in., które mogą zablokować przepływ substancji ługującej uran 3. ISL produkuje ogromne ilości skażonej wody. 4. ISL podwyższa stopień skażenia radonem.

44 . Uranium mill - fabryka przetwarzająca uran

45 Thickener - osadnik flotacyjny

46

47 Od rudy uranowej do żółtych ciasteczek Przerób rudy uranowej 1. Dostarczenie i kruszenie rudy 2. Mieszanie z wodą i mielenie do frakcji piasku 3. Pompowanie szlamu do kadzi do ługowania ( leaching tanks ) 4. Ług (kwas siarkowy z dodatkiem czteronadlenku wodoru) rozpuszcza uran z rudy 5. Odpady stałe są odseparowywane a uran jest filtrowany i oczyszczany (ługowane są także: Molibden, Wanad, Selen, Żelazo, Ołów i Arsen) 6. Odpady są składowane w kanałach lub basenach o pojemności rzędu kilku (kilkunastu) mln ton 7. Roztwór uranu jest czyszczony i zagęszczany, ekstrakcja uranu przy wykorzystaniu roztworu organicznego 8. Ekstrakcja uranu z roztworu organicznego za pomocą siarczanu amonu i ponownie oczyszczanie. 9. Usuwanie nadmiaru wilgoci, pozostałość to koncentrat tlenku uranu - yellowcake (U3O8)

48 Ośmiotlenek trójuranu Yellowcake zawiera ok.. 80% U 3 O 8 Yellowcake zawiera oba izotopy uranu, -235 i 238, w niekorzystnych proporcjach, U-235 jest zbyt mało żeby zaszła reakcja rozczepienia. W dalszych etapach produkcji paliwa następuje wzbogacenie w U-235. The uranium ore concentrate ("Yellow Cake") produced in the milling process contains a mixed oxide usually referred to as "U 3 O 8 " (UO 2 2 UO 3 ). Due to a number of impurities contained, it needs further refining before it can be used for nuclear fuel production. 1 t U 3 O 8 is equivalent to t U.

49 Odpady uranowe Emisja radonu bezpośrednio z hałd uranowych oraz z obszarów sąsiednich, gdzie przedostały się radionuklidy wskutek filtracji do wód podziemnych i powierzchniowych

50 Hałdy uranowe a zagrożenia dla środowiska [uranium[ tailings] Miliony ton rocznie odpadów pokopalnianych (skały płonnej) jest ubocznym produktem wydobycia i przetwarzania rudy uranowej. Składowisko odpadów uranowych powinno być izolowane (metale ciężkie oraz pierwiastki radioaktywne) od stref zamieszkanych przez człowieka. Przesiąkanie przez hałdę zakwaszonych roztworów, wymywanie toksycznych i radioaktywnych składników odpadów uranowych (zagrożenie jakości wód podziemnych). Ruda uranu ( pitchblend ) jest częściowo rozpuszczalna w wodzie. Hałdy składające się z tej rudy mogą tracić ok. 30% uranu po sezonie deszczowym. Ok. 50% uranu z rud niskoprocentowych jest rozpuszczalnych w wodzie. Utilizacja niskiego ph składowiska, wapnowanie lub dodawanie sody kalcynowanej (Na 2 CO 3 ) Kontrola hydraulicznego kontaktu w zwałowisku uranowym (dodawanie bentonitu, 5% bentonitu, względem masy całej hałdy, zmniejsza przepuszczalność o jeden rząd wielkości) Wprowadzanie minerałów ilastych po aby związać radionuklidy w kompleksie sorpcyjnym Uwolnienie radu z hałd uranowych, Rad-226 jest częściowo rozpuszczalny w wodzie (środkiem zapobiegawczym jest zamiana Radu na związki nierozpuszczalne oraz wiązanie w kompleksie sorpcyjnym) Hałdy są poddane różnym rodzajom erozji, występuje zagrożenie powodzią, penetracja przez zwierzęta i rośliny, dyspersja materiału radioaktywnego. Niebezpieczeństwo związane z hałdami o dużym zakwaszeniu - woda inflitrująca do wód gruntowych może zawierać Rad-226, arsen (skażenie wody pitnej).

51 Hałdy uranowe a zagrożenia dla środowiska [uranium[ tailings], cd. Radionuklidy zawarte w odpadach uranowych emitują razy więcej promieniowania gamma, w porównaniu z tłem naturalnym na poziomie terenu przed rozpoczęciem eksploatacji. Na początku radioaktywność hałdy jest równa 85% radioaktywności rudy uranowej (tyle, że ruda była izolowana od powierzchni!!!) Radioaktywność hałdy uranowej Po kilku miesiącach izotopy Th-234, Pa-234 rozpadają się powodując wyraźne obniżenie radioaktywności. Radioaktywność hałdy pozostaje niezmieniona przez następne lat, na poziomie 75% aktywności rudy. Po upływie kilkuset tysięcy lat Th-230 ulega rozpadowi, co powoduje znaczne obniżenie radioaktywności hałdy.

52 Hałdy powinny być pokryte warstwami chroniącymi przed promieniowaniem gamma, promieniowaniem radonu, infiltracją opadów, sukcesją roślin i zwierząt oraz erozją - wiele pokryw o różnej funkcjonalności.

53 Podczas eksploatacji kopalni odpady są trzymane pod wodą aby zmniejszyć Tailing ponds radioaktywność na powierzchni i emisję radonu. Po zakończeniu eksploatacji (to nie jest to samo co tailings pokrywane są ok.. 2 m warstwą gliny oraz pokrywą glebową, następnie evaporative pond!) wprowadza się roślinność. Czasem skałę płoną wtłacza się do wyeksploatowanych szybów oraz odkrywek.

54 Tailings dam - problemy (budowane w nieodpowiednich miejscach pod względem geologicznym - uskoki, niestabilne podłoże tamy, zagrożenie deszczem nawalnym) W Kanadzie odpady uranowe często zrzucano bezpośrednio do jezior - przykład Elliot Lake Early methods included discharge of tailings into rivers and streams, which is still practised at some mines, and the dumping of coarse dewatered tailings on to land (United( Nations,, 1996; Sorstokke and Soderberg, 1985; Wills,, 1992).

55 Szlam zawiera 85 % radioaktywności rudy uranu, zawiera także ok % uranu, którego nie udało się odzyskać.

56 Naturalny reaktor jądrowy w Oklo w Gabonie

57 Geological situation in Gabon leading to natural nuclear fission reactors 1. Nuclear reactor zones 2. Sandstone 3. Uranium ore layer 4. Granite

58 Reakcja łańcuchowa w pigułce

59 Odpowiednia zawartość U-235 (ok( ok.. 3%) została zapewniona w sposób naturalny, gdyż reakcja rozpoczęła się ok.. 2 mld lat temu gdy jeszcze naturalne zasoby tego izotopu były wystarczające. Położenie geologiczne sprawiło, że rejon reaktora był wolny od pierwiastków zwanych "neutron poissons", tzn.. takich, które mają duże przekroje czynne na chwytanie neutronów, co powoduje występowanie reakcji konkurencyjnych do rozszczepienia i tym samym zakłócających prace reaktora; do takich pierwiastków należą np.. kadm i bor Moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony aby mogły wejść w reakcję z U-235, w przypadku Oklo była woda, której duże ilości przesiąkały przez skały w rejonie reakcji, a także pewne ilości naturalnie występującego węgla. Przebieg reakcji natomiast był następujący: przesiąkająca przez złoże uranu woda w czasie opadów zaczęła spełniać rolę moderatora umożliwiając łańcuchowe rozszczepienie U-235. Po spowodowanym reakcją podwyższeniu temperatury woda odparowywała i wtedy samoczynnie reaktor przerywał swoją pracę. Po ochłodzeniu woda znów zaczynała się dostawać w obszar złoża i reakcja rozpoczynała się od nowa. Tak działo się aż do wykorzystania wszystkich naturalnych zasobów U-235.