معالجة اليورانيوم ، وإعداد الخام لاستخدامه في مختلف المنتجات.
اليورانيوم (U) ، على الرغم من كثافته البالغة (19.1 جرام لكل سنتيمتر مكعب) ، فهو معدن ضعيف نسبيًا وغير قابل للصهر. في الواقع ، يبدو أن الخصائص المعدنية لليورانيوم متوسطة بين خصائص الفضة والمعادن الحقيقية الأخرى وتلك الخاصة بالعناصر غير المعدنية ، بحيث لا يتم تقييمها للتطبيقات الهيكلية. القيمة الرئيسية لليورانيوم في الخصائص المشعة والانشطارية لنظائره. في الطبيعة ، يتكون معظم المعدن تقريبًا (99.27 في المائة) من اليورانيوم -238 ؛ ويتكون الباقي من اليورانيوم 235 (0.72 في المائة) واليورانيوم 234 (0.006 في المائة). من بين هذه النظائر التي تحدث بشكل طبيعي ، يمكن فقط انشطار اليورانيوم 235 بشكل مباشر عن طريق التشعيع النيوتروني. ومع ذلك ، فإن اليورانيوم 238 ، عند امتصاص النيوترون ، يشكل اليورانيوم 239 ، وهذا النظير الأخير يتحلل في النهاية إلى البلوتونيوم 239 - مادة انشطارية ذات أهمية كبيرة في الطاقة النووية والأسلحة النووية. يمكن تشكيل نظائر انشطارية أخرى ، اليورانيوم -233 ، عن طريق التشعيع النيوتروني للثوريوم 232.
حتى في درجة حرارة الغرفة ، يتفاعل معدن اليورانيوم المنقسم بدقة مع الأكسجين والنيتروجين. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتفاعل مع مجموعة متنوعة من معادن السبائك لتشكيل مركبات معدنية. نادرًا ما يحدث تكوين المحاليل الصلبة مع معادن أخرى ، ويرجع ذلك إلى التركيبات البلورية المفردة التي تتكون من ذرات اليورانيوم. بين درجة حرارة الغرفة ونقطة انصهارها البالغة 1132 درجة مئوية (2070 درجة فهرنهايت) ، يوجد معدن اليورانيوم في ثلاثة أشكال بلورية تعرف باسم أطوار ألفا (α) وبيتا (β) وغاما (γ). يحدث التحول من ألفا إلى مرحلة بيتا عند 668 درجة مئوية (1234 درجة فهرنهايت) ومن بيتا إلى مرحلة غاما عند 775 درجة مئوية (1427 درجة فهرنهايت). يحتوي غاما اليورانيوم على بنية بلورية مكعبة تركز على الجسم (bcc) ، بينما يحتوي يورانيوم بيتا على بنية رباعي الزوايا. ومع ذلك ، تتكون مرحلة ألفا من صفائح مموجة من الذرات في بنية متعامدة بشكل غير متماثل. هذا الهيكل المتغاير ، أو المشوه ، يجعل من الصعب على ذرات سبائك المعادن استبدال ذرات اليورانيوم أو احتلال الفراغات بين ذرات اليورانيوم في الشبكة البلورية. وقد لوحظ فقط الموليبدينوم والنيوبيوم لتكوين سبائك ذات محلول صلب مع اليورانيوم.
التاريخ
يرجع الفضل إلى الكيميائي الألماني Martin Heinrich Klaproth في اكتشاف عنصر اليورانيوم في عام 1789 في عينة من pitchblende. قام كلابروث بتسمية العنصر الجديد بعد كوكب أورانوس ، الذي تم اكتشافه عام 1781. ومع ذلك ، لم يكن الكيميائي الفرنسي يوجين-ميلكيور بيليغو قد أظهر حتى عام 1841 أن المادة المعدنية السوداء التي حصل عليها كلابروث كانت في الحقيقة مركب ثاني أكسيد اليورانيوم. أعدت شركة Péligot فلز اليورانيوم الفعلي عن طريق تقليل رابع كلوريد اليورانيوم بمعدن البوتاسيوم.
قبل اكتشاف الانشطار النووي وتوضيحه ، كانت الاستخدامات العملية القليلة لليورانيوم (وهذه كانت صغيرة جدًا) في تلوين السيراميك وكحفاز في بعض التطبيقات المتخصصة. اليوم ، اليورانيوم ذو قيمة عالية للتطبيقات النووية ، العسكرية والتجارية على حد سواء ، وحتى خامات منخفضة الجودة لها قيمة اقتصادية كبيرة. يتم إنتاج معدن اليورانيوم بشكل روتيني من خلال عملية Ames ، التي طورها الكيميائي الأمريكي FH Spedding وزملاؤه في عام 1942 في جامعة ولاية أيوا ، أميس. في هذه العملية ، يتم الحصول على المعدن من رابع فلوريد اليورانيوم عن طريق الاختزال الحراري مع المغنيسيوم.
خامات
تحتوي القشرة الأرضية على قسمين لكل مليون يورانيوم ، مما يعكس توزيعًا واسعًا في الطبيعة. ويقدر أن المحيطات تحتوي على 4.5 × 10 9 طن من العنصر. يحدث اليورانيوم كمكون هام في أكثر من 150 معدنًا مختلفًا ومكونًا ثانويًا في 50 معدنًا آخر. تشتمل معادن اليورانيوم الأولية ، الموجودة في الأوردة المائية الحرارية magmatic وفي pegmatites ، على uraninite و pitchblende (هذا الأخير عبارة عن مجموعة متنوعة من uraninite). يحدث اليورانيوم في هذين الخامين في شكل ثنائي أكسيد اليورانيوم ، والذي - بسبب الأكسدة - يمكن أن يختلف في التركيب الكيميائي الدقيق من UO 2 إلى UO 2.67. خامات اليورانيوم الأخرى ذات الأهمية الاقتصادية هي autunite ، وهو فوسفات الكالسيوم اليورانيل المائي. توبيرنيت ، فوسفات يورانيل النحاس المائي ؛ نعش ، سيليكات اليورانيوم المائي الأسود. و كارنوت ، فاناديت يورانيل بوتاسيوم أصفر مائي.
تشير التقديرات إلى أن أكثر من 90 في المائة من احتياطيات اليورانيوم المنخفضة التكلفة المعروفة تحدث في كندا وجنوب إفريقيا والولايات المتحدة وأستراليا والنيجر وناميبيا والبرازيل والجزائر وفرنسا. يوجد حوالي 50 إلى 60 في المائة من هذه الاحتياطيات في التكوينات الصخرية المتكتلة لبحيرة إليوت ، التي تقع شمال بحيرة هورون في أونتاريو ، كان ، وفي حقول ويتواتسراند الذهبية في جنوب إفريقيا. تحتوي تكوينات الحجر الرملي في هضبة كولورادو وحوض وايومنغ في غرب الولايات المتحدة أيضًا على احتياطيات كبيرة من اليورانيوم.
التعدين والتركيز
تحدث خامات اليورانيوم في رواسب قريبة من السطح وعميقة جدًا (على سبيل المثال ، 300 إلى 1200 متر ، أو 1000 إلى 4000 قدم). تحدث الخامات العميقة أحيانًا في طبقات يصل سمكها إلى 30 مترًا. كما هو الحال مع خامات المعادن الأخرى ، يتم تعدين خامات اليورانيوم السطحي بسهولة بمعدات كبيرة لتحريك التربة ، في حين يتم استخراج الرواسب العميقة بطرق رمح رأسية تقليدية وطرق الانجراف.
تحتوي خامات اليورانيوم عادة على كمية صغيرة فقط من المعادن الحاملة لليورانيوم ، وهي غير قابلة للصهر بالطرق الحرارية المعدنية المباشرة ؛ وبدلاً من ذلك ، يجب استخدام الإجراءات المعدنية الميتالورجية لاستخراج وتنقية قيم اليورانيوم. سيقلل التركيز الفيزيائي بشكل كبير من الحمل على دوائر المعالجة المعدنية المائية ، ولكن لا تنطبق أي من طرق الإفادة التقليدية المستخدمة عادةً في معالجة المعادن - مثل الجاذبية ، والتعويم ، والإلكتروستاتيكا ، وحتى الفرز اليدوي - بشكل عام على خامات اليورانيوم. مع استثناءات قليلة ، تؤدي طرق التركيز إلى فقدان مفرط لليورانيوم في المخلفات.
