Урановые минералы

Физические свойства урана:

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшимипарамагнитными свойствами. Уран имеет три кристаллические модификации:

•  (стабильна до 667,7 °C), ромбическая сингония, пространственная группа C mcm, параметры ячейки a = 0,2858 нм, b = 0,5877 нм, c = 0,4955 нм, Z = 4;

•  (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), тетрагональная сингония, пространственная группа P 42/mnm, параметры ячейки a = 1,0759 нм, c = 0,5656 нм, Z = 30;

•  (существующей от 774,8 °C до точки плавления), кубическая сингония, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,3524 нм, Z = 2.

Применение урана:

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическаяпроблема (см. разделение изотопов).

Приведем некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % U-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается впротактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Тепловыделяющая способность урана:

1 тонна обогащенного урана  по тепловыделяющей способности  равна 1 миллиону 350 тысячам тонн  нефти или природного газа.

Геология:

Основное применение урана в геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

где 238Uo, 235Uo — современные концентрации изотопов урана;  ;   —постоянные распада атомов соответственно урана 238U и 235U.

Весьма важным является их комбинация:

.

Здесь

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.№1: минерал уран

 

МИНЕРАЛЫ УРАНА

Урановые минералы - это минералы в которых уран присутствует в виде основного компонента, и в состав которых входит в виде изоморфной примеси.

В наше время известно около 100 различных урановых минералов, 12 из которых активно используются в промышленности для получения радиоактивных материалов. Наиважнейшими минералами являются окислы урана (уранит и его разновидности – настуран и урановая чернь), его силикаты (коффинит), титаниты (давидит и браннерит), а также водные фосфаты и урановые слюдки.

Урановые руды классифицируют по различным признакам. В частности, их различают по условиям образования. Одним из видов являются, так называемые, эндогенные руды, которые отложились под воздействием высоких температур и давления из пегматитовых расплавов и водных  растворов. Эндогенные руды характерны для складчатых областей и активизированных платформ. Экзогенные руды формируются в близкоповерхностных условиях и даже на поверхности Земли в процессе накопления осадков (сингенетические руды) или в результате циркуляции грунтовых вод (эпигенетические руды). Возникают преимущественно на поверхности молодых платформ. Метаморфогенные руды, возникшие при перераспределения первично рассеянного урана в процессе метаморфизма осадочных толщ. Метаморфогенные руды характерны для древних платформ.

Кроме того, урановые руды подразделяют на природные типы и технологические сорта. По характеру урановой минерализации различают: первичные урановые руды – (содержание U4 + не менее 75% от общего количества), окисленные урановые руды (содержат в основном U6 +) и смешанные урановые руды, в которых U4 + и U6 + находятся примерно в равных соотношениях. От степени окисления урана зависит технология их обработки. По степени неравномерности содержания U в кусковой фракции горной породы («контрастности») выделяют весьма контрастные, контрастные, слабо контрастные и неконтрастные урановые руды. Этот параметр определяет возможность и целесообразность обогащения урановых руд.

По размерам агрегатов и зёрен урановых минералов выделяются: крупнозернистые  (свыше 25 мм в поперечнике), среднезернистые (3–25 мм), мелкозернистые (0,1–3 мм), тонкозернистые (0,015–0,1 мм) и дисперсные (менее 0,015 мм) урановые руды. Размеры зёрен урановых минералов также определяют возможность обогащения руд. По содержанию полезных примесей урановые руды бывают: урановые, уран-молибденовые, уран-ванадиевые, уран-никель-кобальт-висмут-серебряные и другие.

По химическому составу примесей урановые руды разделяют на: силикатные (состоят в основном из силикатных минералов), карбонатные (более 10–15% карбонатных минералов), железоокисные (железо-урановые руды), сульфидные (более 8–10% сульфидных минералов) и каустобиолитовые, состоящие в основном из органического вещества.

Химический состав руд часто определяет способ их переработки. Из силикатных руд уран выделяется кислотами, из карбонатных – содовыми растворами. Железо-окисные руды подвергаются доменной плавке. Каустобиолитовые урановые руды иногда обогащаются путём сжигания.

По содержанию урана выделяются 5 сортов руд: очень богатые руды (свыше 1% урана); богатые (1–0,5%), средние (0,5–0,25%), рядовые (0,25–0,1%) и бедные (менее 0,1%). Из руд, содержащих 0,01–0,015% урана, он извлекается в качестве побочного продукта.

Как уже говорилось выше, содержание урана в земной коре достаточно невелико. В России имеется несколько месторождений урановых руд:

Жерловое и Аргунское месторождения. Располагаются в Краснокаменском районе Читинской области. Запасы Жерлового месторождения составляют 4137 тысяч тонн руды, в которых содержится всего лишь 3485 тонн урана (среднее содержание 0,082%), а также 4137 тонн молибдена (содержание 0,227%). Запасы урана на Аргунском месторождении по категории С1 составляют 13025 тысяч тонн руды, 27957 тонн урана (среднее содержание 0,215%) и 3598 тонн молибдена (при среднем содержании 0,048%). Запасы по категории С2 составляют: 7990 тысяч тонн руды, 9481 тонн урана (при среднем содержании 0,12%) и 3191 тонн молибдена (среднее содержание 0,0489%). Здесь добывается примерно 93% всего российского урана.

5 урановых месторождений (Источное, Количканское, Дыбрынское, Намарусское, Кореткондинское) расположены на  территории Республики Бурятия. Суммарные разведанные запасы  месторождений составляют 17,7 тысяч  тонн урана, прогнозные ресурсы  оцениваются еще в 12,2 тысяч тонн.

Хиагдинского урановое месторождение. Добыча ведется методом скважинного подземного выщелачивания. Разведанные запасы этого месторождения по категории C1+C2 оценены в 11,3 тысяч тонн. Месторождение расположено на территории республики Бурятия.

Радиоактивные материалы применяются не только для создания ядерного оружия и топлива. Так, например, уран в небольших количествах добавляют в стекло, для придания ему цвета. Уран входит в состав различных металлических сплавов, применяется в фотографии и других сферах.

Главные урановые минералы: оксиды — уранинит, урановая смолка, урановая чернь; силикаты — коффинит; титанаты — браннерит; уранилсиликаты — уранофан, бетауранотил; уранил-ванадаты — карнотит, тюямунит; уранилфосфаты —отенит, торбернит. Кроме того, уран в рудах нередко входит в состав минералов, содержащих Р, Zr, Ti, Th и TR (фторапатит, лейкоксен, монацит, циркон, ортит, торианит, давидит и др.), или находится в сорбированном состоянии в углистом веществе. 
УРАНИНИТ

Уранинит - минерал, безводный окисел урана (U4+) с идеализированной формулой UO2(справедлива только для синтетических материалов). Все природные Уранинит наряду с UO2 содержат и UO3; соотношение UO2 к UO3 выражается величиной т. н. кислородного коэффициента, который колеблется от UO2,17до UO2,92.

Химический состав

Как известно из химии, уран с кислородом даёт или закись урана UO2, называемую также двуокисью (чёрного цвета), и аморфную трехокись урана UO3 (жёлтого цвета). Но химический состав встречающихся в природе кристаллов уранинита не отвечает приводимой формуле, он является промежуточным между UO2 и UO3 и может достигать U3O8. Наличие в составе уранинита U+6, вероятно, обязано процессу окисления. Содержит Rа, Ас, Ро и другие продукты радиоактивных превращений. Как конечный продукт радиоактивного распада U и Тh в уранинитах всегда присутствует радиогенный РЬ (изотопы РЬ206, РЬ207 и РЬ208). Содержание его нередко достигает 10-20%. Однако в урановых рудах часто устанавливается и обычный свинец (за счёт включений галенита), содержащий, кроме указанных изотопов, также изотоп РЬ204 в постоянном количестве (около 10%) по отношению к другим изотопам. Некоторые разности уранинита, носящие специальные названия клевеит или нивенит, содержат редкие земли (Се, Lа, Еr..), а также Y. Их количество достигает нескольких процентов (до 12%). Для крупнокристаллических разностей, встречающихся в пегматитах, характерно содержание Тh. Изредка в значительных количествах (до 7,5%) присутствует Zr. Устанавливаются также газы: Не, Ar, N, СО2 и др. Гелий во всех случаях является результатом радиоактивного распада. Почти постоянно присутствует Н2O, входящая в состав при изменении вещества.

Структура и облик

Кристаллизуется в кубической сингонии. Кристаллическая структура идеального уранинита аналогична структурефлюорита, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, пространственная группа Fm3m. В природных уранинитах, в связи с вхождением в структуру уранильных групп UO2+, симметрия кристаллической решётки снижается и возникает примитивная кубическая структура; наиболее часто встречающиеся формы кристаллов - кубы, октаэдрыи их комбинации. 
Облик кристаллов кубический с подчиннным развитием граней октаэдра и ромбического додекаэдра. Встречаются октаэдрические, изредка ромбододекаэдрические кристаллы, вросшие в породу, размеры их обычно небольшие (иногда до 1 см.). двойники прорастания по флюоритовому закону редки. Чаще наблюдаются в виде характерных агрегатов - колломорфных почковидных форм сферолитового строения. Такие разности называют урановой смоляной рудой, урановой смолкой, настураном (от греч. "настое" - плотный). Характерны также матовые сажистые налёты или порошковатые массы, называемые урановой чернью.

Свойства

Цвет чёрный со смоляным блеском. Хрупок. Твёрдость 5–6, плотность 8–10 г/cм3 (у настурана 6–9,2 г/cм3). Под паяльной трубкой не плавится, окисленные разности уранинита довольно легко растворимы в HNO3, H2SO4 и в HF. А в HCl он растворяется медленно и с трудом.

Нахождение

Собственно уранинит - высокотемпературный минерал, характерен для гранитных и сиенитовых пегматитов в ассоциации со сложными ниобо-тантало-титанатами урана (самарскит, колумбит, пирохлор и др.), цирконом, монацитом; встречается также в гидротермальных, скарновых и осадочных месторождениях. Настуран образуется в основном в низкотемпературных гидротермальных и осадочных месторождениях; спутниками настурана являютсясульфиды, арсениды Ni и Co, самородные висмут, мышьяк и серебро, карбонаты и др. Урановые черни особенно характерны для гидротермальных сульфидно-урановых и осадочных месторождений.

Уранинит легко изменяется в зоне окисления и служит исходным материалом для образования гидроокислов, силикатов, фосфатов и др. минералов U6+. Все разновидности уранинита являются основой урановых руд. Крупные месторождения уранинита известны в Канаде (Большое Медвежье озеро), США (район Джилпин в Колорадо), Африке (Казоло и Шинколобве в респ. Конго), Австралии, Чехии (Яхимов), Франции и в России тоже.

В уранинитовых рудах содержится радий в кол-вах до неск. стотысячных долей процента по отн. к урану. Получаемые при обработке урановых руд препараты радия применяются в медицине для лечения злокач. опухолей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.№2: минерал уранинит

 

КАРНОТИТ

Карнотит - минерал, островной уранил-ванадат калия из группы карнотита семейства урановых слюдок, химическая формула K2[UO2]2[VO4]2 ×3H2O. Назван в честь французского горного инженера и химика М.А. Карно.

Свойства

Цвет канареечно- или лимонно-желтый. Блеск тусклый (в землистых массах), перламутровый на плоскостях спайности; прозрачен до просвечивающего. Излом ступенчатый, неровный. Спайность весьма совершенная по (001). Сильно радиоактивен.

Морфология

Кристаллы мелкие, обычно плохо образованные, изредка мелкие сферолиты. Чаще образует землистые и порошковатые массы, иногда налёты и корочки. В Австралии, на месторождении Радиум-Хилл наблюдались налеты карнотита на давидите, представляющие собой продукт изменения последнего.

Происхождение и месторождения

Распространен в зоне выветривания осадочных пород, главным образом песчаников, обогащенных органическими остатками. Встречается в виде вкрапленности в песчаниках. Продукт окисления первичных минералов урана и ванадия. Впервые был найден в ванадиеносных песчаниках юрского возраста в штатах Юта и Колорадо (США). Встречен также в известковистых песчаниках в провинции Шаба (Демократическая Республика Конго), Радиум-Хилл (Австралия), в Мексике, Марокко, Австралии. Важная руда урана и ванадия.