Подземная добыча урана возникла в результате мелкомасштабных операций в суровых и удаленных краевых скалах и каньонах региона плато Колорадо на юго-востоке штата Юта и юго-западе Колорадо. До начала добычи урана в этом регионе десятилетиями разрабатывались залежи ванадия. Позже добыча урана велась на многих из этих же месторождений, содержащих как ванадиевую, так и урановую минерализацию. Рост урановой промышленности в XIX в.60-е и 1970-е годы привели к более масштабным подземным горным работам, и шахты были открыты на западе в Колорадо, Юте, Нью-Мексико, Аризоне, Вайоминге, Вашингтоне и Южной Дакоте.

Большинство коммерчески жизнеспособных месторождений урана в США находятся во вмещающих породах песчаника. На заре подземной добычи урана большая часть песчаниковой породы разбивалась вручную и транспортировалась небольшими железнодорожными вагонами на поверхность для складирования и отправки на фабрику по переработке руды. По мере увеличения горных работ и объемов производства дизельное оборудование с резиновыми шинами вытесняло рельсовое оборудование.

Подземная добыча урана требует той же базовой последовательности этапов разработки, что и для любого другого типа подземной добычи. Должен быть обеспечен доступ к рудным месторождениям, минерализованный материал должен быть «разработан» путем строительства выработок, обеспечивающих доступ к руде, руда должна быть извлечена (обычно путем бурения скважин малого диаметра и взрыва руды), отбитая руда должна быть транспортирована в поверхность, и, наконец, руда должна быть отправлена ​​​​на обогатительную фабрику для извлечения содержащихся в ней металлов. Помимо проектирования и разработки горнодобывающей операции, специально соответствующей физическим свойствам руды, подземная добыча урана не уникальна в отрасли.

Ранние добытчики урана часто обнаруживали минерализацию на поверхностных обнажениях и следовали за рудой под землей, куда бы она ни шла. По мере развития методов добычи полезных ископаемых и повышения производственных требований методы добычи улучшались, а производительность значительно увеличивалась. Месторождения урана в настоящее время обычно вскрываются путем бурения с поверхности. Доступ к рудным месторождениям осуществляется через вертикальные шахты или наклонные отверстия (называемые «штреками» или «спусками»). В США шахты обычно имеют глубину от нескольких сотен футов до более 3000 футов. Шахты, использующие уклоны для доступа, непрактичны для разработки глубоких месторождений, поскольку уклоны должны быть с уклоном, который может быть преодолен горнодобывающим оборудованием, а увеличение глубины соответствует увеличению длины уклона.

При добыче урана из песчаника руда обычно добывается с использованием метода «камеры и столба», при котором столбы из цельной породы оставляются на месте для поддержки прилегающих выработок, в которых извлекается руда. Горные выработки также поддерживаются за счет вставки стальных болтов в вышележащие слои для стабилизации грунта, а в районах с интенсивным движением горные выработки часто облицовывают бетоном, стальными каркасами или деревом для обеспечения долгосрочной устойчивости.

Каждый горнодобывающий регион уникален, а подземные условия различны. Наличие или отсутствие грунтовых вод, количество грунтовых вод, прочность руды и окружающей породы, геометрия и ориентация минеральных тел и т. д. – все это должно учитываться при проектировании горных работ. При доступе к рудным телам через шахты или уклоны поверхность «следа» подземных урановых рудников невелика. Типичные наземные установки включают в себя офисы, склады, мастерские по техническому обслуживанию и ремонту, энергетические объекты, воздушные компрессорные станции, насосные станции, если это необходимо, и складские площадки. Пустая порода от начальной разработки шахты откладывается на поверхности. Этот объем горной породы незначителен по сравнению с открытым карьером, когда для доступа к руде необходимо удалить все слои вскрышных пород. По мере разработки подземных рудников и извлечения руды обычная практика заключается в размещении пустой породы разработки на выработанных участках, чтобы избежать ее перемещения на поверхность и свести к минимуму нарушение поверхности.

Подземная добыча урана имеет очень строгие нормативные требования к вентиляции. Наличие газообразного радона в урановых рудниках в результате естественного радиоактивного распада урана диктует необходимость прохождения через рудники больших объемов воздуха для снижения концентрации газа.

Контроль радона в шахтах тщательно контролируется, чтобы гарантировать, что концентрация радона соответствует всем требованиям Администрации по безопасности и гигиене труда на шахтах (MSHA). Наследие воздействия на здоровье добытчиков урана в первые годы подземной добычи урана привело к сегодняшнему очень жесткому контролю. В исторических горных работах сочетание радона, кремнеземной пыли из песчаниковой руды и курения сигарет приводило к аномально высокому уровню заболеваемости раком легких и связанными с ним заболеваниями. Все эти факторы устранены или строго регламентированы (курение запрещено) в условиях современного майнинга. Все подземные шахты имеют обширные системы вентиляции, включающие несколько вертикальных шахт и вентиляторов, для подачи свежего воздуха в шахты.

Добыча полезных ископаемых разрешена на основании разрешений на эксплуатацию, выдаваемых государственными органами. Если шахты находятся на землях, находящихся в государственной собственности США, федеральные агентства также активно участвуют в процессе выдачи разрешений. Современное разрешение на добычу требует, чтобы оператор рудника предоставил финансовые гарантии для покрытия всех расходов, необходимых для вывода участка добычи из эксплуатации, полной рекультивации такого участка и возвращения его для полезного использования до добычи.

После завершения горных работ рекультивация рудника, как правило, не вызывает затруднений при подземных работах. После демонтажа подземного оборудования и сервисных сооружений все горные выработки постоянно герметизируются (хотя в последние годы произошли интересные события, когда горные выработки были забаррикадированы, но оставлены доступными для обеспечения превосходной «среды обитания летучих мышей» в соответствии с требованиями регулирующих органов). Наземные сооружения удаляются, а горнорудная площадка и отвалы пустой породы могут быть рекультивированы и рекультивированы, а поверхность земли возвращена в прежнее продуктивное использование. Типичные участки подземных урановых рудников варьируются от 10 до 25 акров.

Измельчение урановой руды

После извлечения урановой руды из-под земли ее необходимо переработать для извлечения содержащегося в ней урана. Этот процесс, «измельчение», включает в себя последовательность стадий физической и химической обработки для извлечения урана из самородной породы. Конечным продуктом измельчения является желтый кек или U ₃ O ₈ , который является коммерческим продуктом, продаваемым производителями урана потребителям атомных электростанций.

В период пика добычи урана в США в начале 19В 80-х годах работало в общей сложности 26 урановых заводов, а США были ведущим производителем урана в мире. Сегодня в США осталось три урановых завода. Два из них в настоящее время разрешены к эксплуатации, и только один фактически работает сегодня.

При переработке урана используются оборудование и металлургические процессы, адаптированные из других добывающих отраслей, специально предназначенные для извлечения урана. Урановые заводы прошлых десятилетий и заводы, существующие сегодня, имеют производительность от 500 тонн руды в день до 3000 тонн в день. При среднем историческом содержании руды годовое производство уранового концентрата обычно колебалось от примерно 1 000 000 фунтов желтого кека до более 7 000 000 фунтов желтого кека на крупнейших предприятиях США.

Измельчение урана начинается с доставки добытой руды на мельницу, где руда взвешивается и берется проба для определения содержания урана и подготовки проб для технологических испытаний. Склады руды сооружаются для хранения достаточного объема руды для работы мельницы в течение непрерывного периода и для обеспечения «смеси» руды для обеспечения стабильной подачи на мельницу. На первом этапе происходит дробление и измельчение, при котором руда измельчается до отдельных зерен, чтобы убедиться, что урановая минерализация подвергается воздействию выщелачивающих агентов.

Руда, взвешенная в воде, или «пульпообразная» руда, подается в контур многоступенчатого выщелачивания. Здесь пульпу обычно нагревают для повышения химической активности, а выщелачивание инициируют добавлением серной кислоты или бикарбоната, в зависимости от базовой конструкции мельницы и пригодности руды. Руда проходит несколько стадий выщелачивания, поскольку концентрации выщелачивающего агента и окислителя регулируются для достижения оптимального растворения урана (а также ванадия, если он присутствует в руде). Когда большая часть урана находится в растворе, рудный шлам поступает в контур разделения твердой и жидкой фаз, или контур ПЗС, который представляет собой серию больших емкостей, в которых шлам смешивается с промывной водой для удаления как можно большего количества урана, а также для разделения урансодержащего щелока из выщелоченной породы.

По завершении схемы ПЗС весь извлекаемый уран (обычно превышающий 98% исходного содержания урана) находится в растворе. Выщелоченные твердые вещества перекачиваются в ячейки для захоронения хвостов уранового завода, которые должны быть спроектированы и построены со слоями непроницаемого футеровочного материала и сложной системой обнаружения утечек, чтобы гарантировать полное удержание всех технологических химикатов.

Урансодержащий щелок поступает в цикл экстракции растворителем («SX») или ионообменный («IX»). Контуры SX или IX селективно удаляют уран из урансодержащего водного раствора; уран преимущественно собирается органическим растворителем в контуре SX или гранулами смолы в контуре IX. На этой стадии переработки урана также происходит концентрирование урана в меньший объем раствора. Бесплодный водный раствор может быть возвращен в технологический цикл или утилизирован в хвостохранилище.

В схемах SX или IX сродство селективного органического растворителя или смолы к урану является ключевым этапом удаления урана из водного раствора. Уран отделяют от растворителя SX или смолы IX солевым раствором. Этот солевой раствор является кульминацией нескольких шагов по увеличению концентрации урана, и теперь этот раствор готов для получения конечного продукта. Уран осаждают из этого реэкстракционного раствора добавлением аммиака или пероксида. Осажденный уран теперь представляет собой желтую суспензию (отсюда «желтый пирог»).

Суспензия желтого кека промывается для удаления загрязнений и обезвоживается до образования густой пасты. Подготовка конечного продукта включает сушку пасты из желтого кека для удаления свободной воды. Сушка обычно проводится в высокотемпературной печи, в которой выпекается кекс, или его также можно сушить в сушилке с вращающимся барабаном. Сушилки желтого кека обычно работают на пропане или природном газе.

Сушеный желтый кекс упаковывается в стальные 55-галлонные бочки, каждая из которых содержит от 800 до 1000 фунтов. Желтый кек является конечным продуктом добычи и переработки урана, и это продукт, который производители продают потребителям коммунальных услуг. Впоследствии Yellowcake проходит ряд сложных этапов обработки (конверсия, обогащение, изготовление топлива) на пути к тому, чтобы стать топливом для атомной электростанции.

Нормативно-правовой и экологический

Предприятия по переработке урана подлежат одному из самых строгих экологических и нормативных требований любого промышленного комплекса и должны иметь все возможности на месте для быстрого анализа и выявления потенциальных проблем, чтобы меры реагирования могли быть немедленными и эффективными. .

Для извлечения урана любым способом требуется Лицензия на исходный материал (или ее эквивалент). Лицензирование урановых заводов и регулирующий надзор обычно входят в компетенцию Комиссии по ядерному регулированию США. Юта, Колорадо и Техас являются «Штатами Соглашения» и отвечают за лицензирование и регулирующий надзор; однако государства должны соответствовать или превышать требования Комиссии по ядерному регулированию, чтобы получить статус государства-соглашения.

Заводы по переработке урана должны располагаться в районах, которые могут соответствовать строгим критериям, чтобы обеспечить изоляцию хвостов урановых заводов от окружающей среды. Все возможные пути переноса загрязняющих веществ тщательно изучаются, чтобы обеспечить изоляцию хвостов фабрики. Урановый завод, построенный и эксплуатируемый в соответствии с текущими стандартами, должен быть предприятием с нулевым выбросом, что означает, что ничто не может выйти за пределы установленного периметра предприятия.

Современные правила требуют, чтобы хвосты урановых заводов можно было хранить только в специально спроектированных и построенных ячейках с несколькими синтетическими и глиняными вкладышами, чтобы предотвратить любую утечку растворов отработанных заводов. Во время работы хвосты фабрики должны быть стабильными и находиться в строго контролируемой зоне для предотвращения вывоза материалов хвостов за пределы лицензионных площадок. План окончательного вывода из эксплуатации комбината и закрытия хвостохранилищ с целью обеспечения изоляции хвостохранилищ от окружающей среды должен быть одобрен соответствующими регулирующими органами. До начала операций по измельчению операторы должны предоставить финансовые гарантии, достаточные для полного вывода мельницы из эксплуатации и восстановления территории мельницы и хвостохранилищ. Это поручительство ежегодно пересматривается и обновляется по мере необходимости.

Операторы заводов по переработке урана должны владеть землей, на которой расположены завод и хвостохранилище. После завершения фрезерных работ, окончательного закрытия и рекультивации рекультивированный участок передается Министерству энергетики США на постоянную заботу. Операторы мельниц должны пополнить счет постоянного ухода до начала работы – эти средства предоставляются в дополнение к гарантии закрытия и возврата.

Во время активной эксплуатации предприятия по извлечению урана строго соблюдают программы радиационного контроля и безопасности. Эти программы охватывают всех работников, а также окружающий воздух, почвы, растительность, дикую природу, поверхностные и грунтовые воды. Эти программы включают обширную индоктринацию сотрудников, сканирование сотрудников и биоанализы, использование средств индивидуальной защиты, когда это необходимо, комплексный отбор проб и отчетность обо всех результатах соответствующим регулирующим органам, внешние аудиты и опросы, а также непосредственное участие корпоративного руководства во всех программах радиационного контроля.