Uranverarbeitung

Uranverarbeitung, Aufbereitung des Erzes zur Verwendung in verschiedenen Produkten.

Uran (U) ist zwar sehr dicht (19,1 Gramm pro Kubikzentimeter), aber ein relativ schwaches, nicht feuerfestes Metall. In der Tat scheinen die metallischen Eigenschaften von Uran zwischen denen von Silber und anderen echten Metallen und denen der nichtmetallischen Elemente zu liegen, so dass es für strukturelle Anwendungen nicht bewertet wird. Der Hauptwert von Uran liegt in den radioaktiven und spaltbaren Eigenschaften seiner Isotope. In der Natur besteht fast das gesamte Metall (99,27 Prozent) aus Uran-238; Der Rest besteht aus Uran-235 (0,72 Prozent) und Uran-234 (0,006 Prozent). Von diesen natürlich vorkommenden Isotopen ist nur Uran-235 durch Neutronenbestrahlung direkt spaltbar. Uran-238 bildet jedoch beim Absorbieren eines Neutrons Uran-239, und dieses letztere Isotop zerfällt schließlich in Plutonium-239 - ein spaltbares Material von großer Bedeutung für Atomkraft und Atomwaffen. Ein weiteres spaltbares Isotop, Uran-233, kann durch Neutronenbestrahlung von Thorium-232 gebildet werden.

Fein verteiltes Uranmetall reagiert auch bei Raumtemperatur mit Sauerstoff und Stickstoff. Bei höheren Temperaturen reagiert es mit einer Vielzahl von Legierungsmetallen unter Bildung intermetallischer Verbindungen. Die Bildung einer festen Lösung mit anderen Metallen tritt aufgrund der singulären kristallinen Strukturen, die durch Uranatome gebildet werden, nur selten auf. Zwischen Raumtemperatur und seinem Schmelzpunkt von 1.132 ° C (2.070 ° F) liegt Uranmetall in drei kristallinen Formen vor, die als Alpha (α) -, Beta (β) - und Gamma (γ) -Phasen bekannt sind. Die Umwandlung von der Alpha-Phase in die Beta-Phase erfolgt bei 668 ° C (1.234 ° F) und von der Beta-Phase in die Gamma-Phase bei 775 ° C (1.427 ° F). Gamma-Uran hat eine körperzentrierte kubische (bcc) Kristallstruktur, während Beta-Uran eine tetragonale Struktur aufweist. Die Alpha-Phase besteht jedoch aus gewellten Schichten von Atomen in einer stark asymmetrischen orthorhombischen Struktur. Diese anisotrope oder verzerrte Struktur erschwert es den Atomen von Legierungsmetallen, Uranatome zu ersetzen oder Räume zwischen Uranatomen im Kristallgitter einzunehmen. Es wurde beobachtet, dass nur Molybdän und Niob mit Uran Legierungen in fester Lösung bilden.

Geschichte

Dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth wird die Entdeckung des Elements Uran im Jahr 1789 in einer Pechblende-Probe zugeschrieben. Klaproth benannte das neue Element nach dem 1781 entdeckten Planeten Uranus. Erst 1841 zeigte der französische Chemiker Eugène-Melchior Péligot, dass die von Klaproth erhaltene schwarze Metallsubstanz tatsächlich die Verbindung Urandioxid war. Péligot stellte das tatsächliche Uranmetall her, indem er Urantetrachlorid mit Kaliummetall reduzierte.

Vor der Entdeckung und Aufklärung der Kernspaltung waren die wenigen praktischen Anwendungen von Uran (und diese waren sehr gering) bei der Färbung von Keramik und als Katalysator in bestimmten Spezialanwendungen. Heute wird Uran für militärische und kommerzielle Nuklearanwendungen hoch geschätzt, und selbst minderwertige Erze haben einen hohen wirtschaftlichen Wert. Uranmetall wird routinemäßig nach dem Ames-Verfahren hergestellt, das der amerikanische Chemiker FH Spedding und seine Kollegen 1942 an der Iowa State University in Ames entwickelt haben. Bei diesem Verfahren wird das Metall aus Urantetrafluorid durch thermische Reduktion mit Magnesium erhalten.

Erze

Die Erdkruste enthält ungefähr zwei Teile pro Million Uran, was eine breite Verbreitung in der Natur widerspiegelt. Die Ozeane enthalten schätzungsweise 4,5 × 10 ⁹ Tonnen des Elements. Uran kommt als wesentlicher Bestandteil in mehr als 150 verschiedenen Mineralien und als Nebenbestandteil von weiteren 50 Mineralien vor. Zu den primären Uranmineralien, die in magmatischen hydrothermalen Venen und in Pegmatiten vorkommen, gehören Uraninit und Pechblende (letztere eine Vielzahl von Uraninit). Das Uran in diesen beiden Erzen kommt in Form von Urandioxid vor, das aufgrund der Oxidation in seiner exakten chemischen Zusammensetzung von UO ₂ bis UO _2,67 variieren kann. Andere Uranerze von wirtschaftlicher Bedeutung sind Autunit, ein hydratisiertes Calciumuranylphosphat; tobernit, ein hydratisiertes Kupferuranylphosphat; Sarg, ein schwarzes hydratisiertes Uransilikat; und Carnotit, ein gelbes hydratisiertes Kaliumuranylvanadat.

Schätzungen zufolge kommen mehr als 90 Prozent der bekannten kostengünstigen Uranreserven in Kanada, Südafrika, den USA, Australien, Niger, Namibia, Brasilien, Algerien und Frankreich vor. Etwa 50 bis 60 Prozent dieser Reserven befinden sich in den konglomerierten Felsformationen des Elliot Lake nördlich des Huronsees in Ontario, Kanada, und auf den Goldfeldern Witwatersrand in Südafrika. Sandsteinformationen im Colorado Plateau und im Wyoming Basin im Westen der Vereinigten Staaten enthalten ebenfalls erhebliche Uranreserven.

Bergbau und Konzentration

Uranerze kommen in oberflächennahen und sehr tiefen Lagerstätten vor (z. B. 300 bis 1.200 Meter oder 1.000 bis 4.000 Fuß). Die tiefen Erze kommen manchmal in Nähten mit einer Dicke von bis zu 30 Metern vor. Wie bei Erzen anderer Metalle können Oberflächenuranerze leicht mit großen Erdbewegungsgeräten abgebaut werden, während tiefe Ablagerungen durch traditionelle vertikale Schacht- und Driftmethoden abgebaut werden.

Uranerze enthalten typischerweise nur eine geringe Menge uranhaltiger Mineralien, und diese können durch direkte pyrometallurgische Verfahren nicht geschmolzen werden. Stattdessen müssen hydrometallurgische Verfahren angewendet werden, um die Uranwerte zu extrahieren und zu reinigen. Die physikalische Konzentration würde die Belastung der hydrometallurgischen Verarbeitungskreise stark verringern, aber keine der herkömmlichen Aufbereitungsmethoden, die typischerweise bei der Aufbereitung von Mineralien angewendet werden - z. B. Schwerkraft, Flotation, Elektrostatik und sogar Handsortierung - ist im Allgemeinen auf Uranerze anwendbar. Konzentrationsmethoden führen mit wenigen Ausnahmen zu einem übermäßigen Uranverlust an die Rückstände.