Těžba a zpracování uranu: část 1

Chemickou strukturu přírodního uranu tvoří z 99,3 % izotop uranu 238 (U238), 0,7 % uran 235 (U235) a méně než 0,01 % uran 234 (U234). Všechny uranové izotopy mají stejné chemické vlastnosti, ale každý izotop má své charakteristické fyzikální vlastnosti. Pro konvenční štěpení pomalými (tepelnými) neutrony je nejvhodnější izotop U235. Uranové jádro obsahuje 92 protonů. Množství protonů v atomovém jádře určuje, že se jedná právě o prvek „uranu“. Jádro atomu izotopu U238 obsahuje 146 neutronů (subatomárních částic bez elektrického náboje), U235 disponuje 143 neutrony a atomy U234 v sobě ukrývají 142 neutronů.

Součet protonů a neutronů v jádře tvoří tzv. nukleonové číslo, nebo také hmotnostní číslo každého izotopu. Odtud je tedy odvozeno jejich číselné označení (U238 = 92+146). Na atomové úrovni se velikost a hmotnost těchto izotopů výrazně liší. Tato skutečnost umožňuje, že se správným vybavením a při vhodných podmínkách, je možné od sebe izotopy oddělovat. Všechny druhy obohacovacích procesů jsou založeny na rozdílu hmotností uranových izotopů.

Těžba uranové rudy

Pro těžbu uranu se využívají celkem tři různé metody:

• Povrchová těžba
• Hlubinná těžba
• Těžba metodou In-situ

Povrchová těžba se provádí ve vytvořených důlních jámách v případě, že se uranová ložiska nachází v hloubkách do 120 m. Dochází k odstranění sulfidických solí a nepotřebné horniny pro získání uranové rudy. Zbylá hlušina z těžby se obvykle ponechá v blízkosti těžební jámy. Velikosti dolů se mohou výrazně lišit. Některé doly je potřeba vybavit čerpadly pro jejich odvodnění. Jedním z největších dolů tohoto typu na světě je důl Jackpile-Payuate v Novém Mexiku.

Výhody:

• Levnější než hlubinná těžba
• Dobrá ventilace
• Nové doly musí dodržovat přísná ekologická nařízení, bezpečnostní opatření a musí se držet předem stanoveného plánu těžby. Regulována je velikost těžební jámy, stejně jako úroveň radonu a prašnosti

Zápory:

• Obrovský zásah do krajiny
• Velké množství vyprodukované hlušiny
• Drobné prachové částice horniny rozptýlené v atmosféře mohou být nebezpečné
• Sanace krajiny je nákladná a časově náročná
• Drahá obnova zasažených podzemních vod
• Pracovníci a okolní obyvatelé jsou vystaveni zdravotním rizikům kvůli všudypřítomnému prachu a radonu

Hlubinná těžba se používá pro získávání uranové rudy s vyšší výtěžností než ruda z povrchových dolů, protože je dražší. Vytěžená ruda je rozdrcena na drobnější úlomky, které jsou přepraveny na povrch a následně putují na mletí. Hlubinná těžba se například provozovala na území České republiky v dole Rožná.

Výhody:

• Menší zásah do krajinného rázu
• Méně vzniklé hlušiny
• V současnosti se již využívají pokročilé postupy těžby s kvalitním ventilačním systémem, možnostmi robotické těžby a sledováním radioaktivity pro zajištění bezpečnosti dělníků

Nevýhody:

• Velmi nákladné
• Nebezpečí zasažení místních podzemních vod a s tím spojená drahá sanace půdy
• Staré doly byly vážnou zdravotní hrozbou pro pracující dělníky. Doly byly plné prachu, radonu, naftových výparů a byly vybaveny velmi špatným odvětráváním

Mletí

Obě tradiční metody těžby (povrchová i hlubinná) musí řešit nízké zastoupení uranu v hornině (obvykle méně než 0,3 %). Zisk uranu obsaženého v hornině tedy musí být vysoký. Proces mletí zahrnuje drcení a rozmělňování horniny na velmi jemné částice, ze kterých se přidáním vody vytvoří kaše. Tato kaše se potom mísí s kyselinou sírovou, nebo alkalickým roztokem, aby došlo k uvolnění uranu z horniny.

Běžně lze z horniny získat až 95-98 % obsaženého uranu. Pomocí kyseliny, nebo alkalického roztoku je vysrážen oxid uranu, neboli „žlutý koláč“. Tento název je odvozen od barvy výsledného produktu při využívání staršího způsobu extrakce uranu z horniny. Poté je uran transportován do dalšího zařízení k obohacení. Zbylá kamenná kaše je vyčerpána do kalové nádrže poblíž dolu.

Způsob těžby metodou In-situ

V poslední době se jedná o stále častěji využívanou metodu získávání uranu, protože je mnohem levnější a obecně je považována i za šetrnější k životnímu prostředí, než tradiční povrchová a hlubinná těžba.

Metoda In-situ spočívá v napumpování vody spolu s rozpuštěným oxidačním činidlem, například ve formě plynného kyslíku do země. Některé způsoby zahrnují i uhličitanovou fázi, kdy se do roztoku přidává ještě hydrouhličitan sodný (jedlá soda) pro lepší uvolňování uranu. Ideální pH roztoku je mezi 6,5-7,0 (blízko pH neutrální). Roztok způsobuje oxidaci uranu obsaženého v porézních pískovcích a jeho uvolňování do roztoku.

Oxidační roztok se napumpuje do uranového ložiska a uvolňuje uran obsažený v hornině. Nedaleko prvního vrtu je vytvořen druhý hnací vrt, kterým se do těžené oblasti tlačí oxidační roztok, který pomáhá „vyhánět“ uran na povrch. Celý vrt je monitorován, aby se minimalizovaly možnosti úniku roztoku mimo vrt. Vyčerpaný roztok je pomocí filtrů zbaven uranu a následuje regenerace pomocí oxidantů a uhličitanů. Přečištěný roztok je opět hnán do vyhloubeného vrtu a celý proces se opakuje. Po vytěžení uranu na ekonomicky přijatelnou úroveň (přibližně 0,1 %) musí být celý vrt dle platných norem vyčištěn a ošetřen, aby nedošlo k zasažení podzemních vod.

Existují však země jako Austrálie nebo Kazachstán, kde i přes použití kyseliny sírové jako rozpouštědla, místní legislativa následnou sanaci půdy nenařizuje. Pochopitelně jsou těžaři uranu v těchto zemích finančně zvýhodněni oproti konkurenci, neboť samotná sanace tvoří značnou část nákladů na těžbu. V USA se nejčastěji používají alkalické roztoky, v Austrálii roztoky na bázi kyseliny sírové, či peroxidu.

Výhody

• Malý zásah do krajiny
• Velmi malá produkce odpadní horniny (hlušiny)
• Levné uvedení do provozu
• Nižší sanační náklady než u klasických metod
• Nižší radiační dávky pracovníků
• Potřeba menšího množství zaměstnanců, zato lépe vyškolených

Nevýhody

• Možnost lokální kontaminace podzemních vod
• Nedůvěra veřejnosti

Světově nejvíce uranu se momentálně těží v Kazachstánu, kde mají ložiska i vysoký podíl uranu v rudě. Největší zásoby uranu se však nachází v Austrálii. Mezi další velké těžaře patří Kanada, Austrálie, Niger, Rusko a Namibie. Těchto 6 zemí tvoří 85 % celosvětové těžby uranu.

V dalším díle se budeme věnovat metodám obohacování uranu. To se provádí za účelem vyššího zastoupení štěpného izotopu U235 pro použití např. v tlakovodních energetických reaktorech.

Zdroj úvodní fotografie: NRC