Uran
Uran, podobnie jak węgiel kamienny, wydobywa się spod ziemi drążąc podziemne tunele (chodniki) albo, gdy jest płycej pod ziemią tak jak węgiel brunatny – zdejmowana jest wierzchnia warstwa ziemi i z powstałego dołu wydobywany jest na powierzchnię. W jednej tonie rudy znajduje się ok. 1 kilograma uranu. Jednak uran w takiej formie jest dla elektrowni jądrowych nieprzydatny. Kopalnia uranu to dopiero początek drogi. Ruda jest poddawana obróbce i różnym przemianom zanim posłuży do wykonania paliwa, które trzeba dowieźć do reaktora jądrowego.
Właściwości uranu
Uran został odkryty w 1789 roku w minerałach blendy smolistej z Jachymowa (Czechy) przez niemieckiego chemika Martina Klaprotha. Nazwę „uran” nadano dla uczczenia dokonanego kilka lat wcześniej odkrycia nowej planety Urana. Jest to twardy, szary metal o dużej gęstości, 19,05 g/cm3, (przykładowo ołów ma masę właściwą 11,3 g/cm3), bardziej miękki niż stal. Temperatura topnienia uranu wynosi 1135 °C, a temperatura wrzenia 4131 °C. Uran jest substancją bardzo reaktywną – reaguje z prawie wszystkimi pierwiastkami niemetalicznymi i z wieloma związkami.
Uran występuje wszędzie! Jego koncentracja na powierzchni ziemi wynosi 2,8 g/t. Koncentracja uranu zmienia się wraz z głębokością według wzoru:’
gdzie U0 = 2,8 ppm. Uran jest bardziej rozpowszechniony niż złoto, srebro czy rtęć, podobnie jak cyna i trochę rzadszy niż kobalt, ołów czy molibden. Występuje zarówno w pożywieniu, jak i w wodzie pitnej. Uran, nawet w postaci związków rozpuszczalnych w wodzie, jest słabo przyswajalny, prawie nie następuje jego retencja w organizmie i jest dość szybko wydalany.
Najlepszym surowcem do otrzymywania uranu jest uraninit, zwany blendą smolistą lub uranową, zawierającą 60-80% uranu. Składa się on z tlenków uranu (głównie UO2 i UO3) i jest minerałem najczęściej wydobywanym w kopalni uranu.
Zasoby uranu
Do produkcji uranu wykorzystywane są również inne minerały znajdujące się w rudach uranu, m.in. autunit, branerit, karnotyt, kofinit, uranofan. Rudy uranu zwykle zawierają od 0,1 do 0,5% (1000-5000 ppm) uranu. Wydobycie prowadzi się w złożach, w których zawartość uranu wynosi zwykle nie mniej niż 0,1%. Złoża rudy uranu rozmieszczone są równomiernie na kuli ziemskiej (patrz poniższa tabela) i skupione są w 15 krajach, które dysponują 97% światowych zasobów tego surowca. Zasoby uranu o koszcie wydobycia <260 USD/kgU wynoszą 8 070 mln t U.
| Masa U w tonach | Udział procentowy zasobów światowych | |
|---|---|---|
| Australia | 1 692 700 | 28% |
| Kazachstan | 906 800 | 15% |
| Kanada | 564 900 | 9% |
| Rosja | 486 000 | 8% |
| Namibia | 448 300 | 7% |
| Republika Południowej Afryki | 320 900 | 5% |
| Brazylia | 276 800 | 5% |
| Niger | 276 400 | 4% |
| Chiny | 248 900 | 4% |
| Mongolia | 143 500 | 2% |
| Uzbekistan | 132 300 | 2% |
| Ukraina | 108 700 | 2% |
| Botswana | 87 200 | 1% |
| Tanzania | 58 200 | 1% |
| Jordania | 52 500 | 1% |
| USA | 47 900 | 1% |
| Pozostałe | 295 800 | 5% |
| Całkowite zasoby na świecie | 6 147 800 |
Niekonwencjonalne zasoby uranu
- Fosforyty, wykorzystywane do nawozów sztucznych, zawierają od 70 do 200 ppm uranu, a niektóre złoża nawet 800 ppm. Szacunkowo 9-22 mln ton uranu, jednak proces pozyskania jest nieekonomiczny,
- Woda morska – metr sześcienny wody morskiej zawiera średnio 3 mg uranu. Oceany na Ziemi zawierają 4,6 miliarda ton uranu – 650 razy więcej niż znane zasoby konwencjonalne. Rzeki wprowadzają do oceanów dodatkowo 32 tys. ton uranu rocznie,
- Istnieje metoda, opracowana w Japonii, wydobycia uranu z wody morskiej, oparta na żywicy jonowymiennej, wiążącej metale ciężkie (w tym uran), która zanurzana jest na głębokość 100 m. Po kilku miesiącach zgromadzony na niej uran wymywany jest za pomocą kwasu solnego – koszt 400-1000 USD/kgU,
- Rudy miedzi i złota (m.in. w Polsce).
Izotopy uranu
Uran naturalny zawiera tylko trzy izotopy! Są to: U-238 (będący materiałem paliworodnym), U-235 (będący materiałem rozszczepialnym) oraz U-234. Ich procentowy udział w uranie naturalnym przedstawia poniższa tabela.
| Izotop | Czas połowicznego rozpadu w latach | Udział procentowy w uranie naturalnym |
|---|---|---|
| U-234 | 2,455 ‧ 105 | 0,0054 |
| U-235 | 7,038 ‧ 108 | 0,7204 |
| U-238 | 4,468 ‧ 109 | 99,2742 |
Dwutlenek uranu
W reaktorach energetycznych jako paliwo najczęściej jest stosowany dwutlenek uranu UO2. Dwutlenek uranu ma wiele zalet w porównaniu z innymi materiałami paliwowymi. Struktura krystalograficzna UO2 jest niezmiennie regularna aż do temperatury topnienia. Dwutlenek uranu jest odporny na reakcje chemiczne z materiałami koszulek i chłodziwami, a wymiary jego mało zmieniają się przy napromieniowywaniu. Wadą UO2 jest mała przewodność cieplna , powodująca powstawanie dużych gradientów temperatury w pastylkach paliwowych podczas pracy reaktora.