Основным минералом урана в природе является, наиболее распространённый уранинит (синонимы, в зависимости от состава и форм проявления в природе - настуран, урановая смоляная руда, урановая смолка, урановая смоляная обманка, урановая чернь). Англоязычный аналог термина - pitchblende. Сопутствующие минералы: урановые слюдки, галенит, молибденит, минералы меди, кобальта, никеля, висмута, касситерит, самородные серебро и золото, флюорит, гематит, карбонаты, фосфаты, битумоиды.
Имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах); настуран - вулканогенный и гидротермальный - преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни - в основном в молодых - кайнозойских и моложе образованиях преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.
Месторождения урана довольно разные, но промышленных типов - более 10. Менее распространённое в земной коре золото (Au) имеет намного больше типов месторождений, в том числе и промышленных, так как, в отличии от урана, намного меньше склонно к концентрации, т.е. более склонно к рассеянию.
Россия по запасам урана занимает 3-е место в мире (после Австралии и Казахстана). В месторождениях России содержится почти 550 тыс. т запасов урана, или немногим менее 10 % его мировых запасов; около 63 % их сосредоточено в Республике Саха (Якутия). Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановые в вулканитах (Забайкальский край), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото-урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия). Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений.
Промышленные месторождения урана объединены в три серии, включающие 10 основных промышленно-генетических типов:
Серия А. Постметаморфические гидротермальные месторождения древних платформ:
Тип 1. Железо-урановые месторождения.
Тип 2. Урановые месторождения.
Серия Б. Постмагматические гидротермальные месторождения складчатых областей и областей тектоно-магматической активизации:
Тип З. Фосфор (апатит)-урановые месторождения.
Тип 4. Молибден-урановые месторождения.
Тип 5. Титан-урановые месторождения.
Тип 6. Мышьяково-урановые месторождения.
Серия В. Постседиментационные месторождения молодых платформ и областей тектонической активизации:
Группа диагенетических месторождений:
Тип 7. Редкоземельно-урановые месторождения.
Группа экзогенных инфильтрационных месторождений:
Тип 8. Урано-угольные месторождения.
Тип 9. Ванадий-урановые месторождения.
Тип 10. Селен-урановые месторождения.
Согласно классификации МАГАТЭ, разработанной в 1988-1989 годах, все известные месторождения урана разделены на 16 геолого-промышленных типов (ГПТ), три из которых на сегодняшний день доминируют в добыче урана:
• песчаниковый тип, характеризующийся связью урановой минерализации с древними континентальными и прибрежно-морскими песками и песчаниками (месторождения Казахстана, Намибии, Нигера, США, Узбекистана);
• тип «несогласия», характеризующийся приуроченностью оруденения к зонам структурно-стратиграфических несогласий между осадочными породами позднепротерозойского возраста и интенсивно измененными породами кристаллического фундамента архея и раннего протерозоя (Канада, Австралия);
• брекчиевый тип, где рудами являются обогащенные ураном гематитизированные брекчии вулканических и интрузивных пород (Австралия).
Около 60% мировых подтверждённых запасов урана сосредоточено в месторождениях названных промышленных типов. Тем не менее, в сырьевой базе некоторых стран существенную роль играют и другие промышленные типы, в ЮАР — конгломератовый, в России — вулканитовый, в Намибии — интрузивный.
Классификация промышленных типов, предложенная МАГАТЭ, удобна в практических целях, но не отвечает принципу системности. В России выделяют эндогенные и экзогенные месторождения урана, в основу классификации ГПТ которых положен принцип принадлежности месторождений к определенным типам континентальных структур земной коры. Выделяют следующие основные геолого-промышленные типы месторождений:
• урановые месторождения в областях тектоно-магматической активации докембрийских щитов (Украина, Намибия, Россия);
• золото-никель-урановые месторождения в зонах карбонатно-магнезиального метасоматоза вблизи поверхностей несогласия различных структурных этажей (Канада, Австралия);
• месторождения в структурах тектоно-магматической активизации складчатых областей (Казахстан, Германия, Чехия);
• месторождения в вулкано-тектонических структурах позднеорогенного или активизированного этапов развития складчатых областей (Россия);
• месторождения в морских глинах платформенного чехла (Казахстан);
• месторождения в водопроницаемых толщах платформенного чехла (Узбекистан, Казахстан, Россия, Украина, США);
• комплексные урансодержащие месторождения (ЮАР, Бразилия, Австралия).
Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана:
Массовое число Период полураспада Основной тип распада
233 1,59•105 лет α
234 2,45•105 лет α
235 7,13•108 лет α
236 2,39•107 лет α
237 6,75 сут. β−
238 4,47•109 лет α
239 23,54 мин. β−
240 14 час. β−
• Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T1/2 = 4,468•109 лет), 235U (0,7200 %, T1/2 = 7,04•108 лет) и 234U (0,0055 %, T1/2 = 2,455•105 лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в радиоактивный ряд 238U.
• Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и его дочерним нуклидом 234U. В равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.
• На данный момент известно 23 искусственных радиоактивных изотопа урана с массовыми числами от 217 до 242. Наиболее важный из них - 233U (T1/2 = 1,59•105 лет) получается при облучении тория-232 нейтронами и способен к делению под воздействием тепловых нейтронов, что делает его перспективным топливом для ядерных реакторов. Наиболее долгоживущим из изотопов урана, не встречающихся в природе, является 236U с периодом полураспада 2,39•107 лет.
• Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.
• В природных условиях распространены в основном изотопы 234U, 235U и 238U с относительным содержанием 234U : 235U : 238U = 0,0054 : 0,711 : 99,283. Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234U, который, как уже отмечено, образуется в ходе распада 238U. Для отношения 235U : 238U, в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана, характерно географическое постоянство: 238U/235U = 137,88. Величина этого отношения в природных образованиях не зависит от их возраста. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так, в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959-1,0042, в солях - 0,996-1,005. В уран содержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30-138,51, причём различие между формами UIV и UVI не установлено; в сфене - 138,4. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа 235U. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 г. французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке (месторождение в Габоне). Так, в природном уране содержится 0,720 % урана 235U, тогда как в Окло оно уменьшается до 0,557 %. Это послужило подтверждением гипотезы о существовании природного ядерного реактора, который стал причиной выгорания изотопа 235U. Гипотеза была высказана Джорджем Ветриллом (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос¬-Анджелесе, Марком Ингрэмом (Mark G. Inghram) из Чикагского университета и Полом Курода (Paul K. Kuroda), химиком из Университета Арканзаса, ещё в 1956 г. описавшим процесс. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и др. В настоящее время известно 17 природных ядерных реакторов, которые обычно объединяют под общим названием «Природный ядерный реактор Окло».
Применение урана.
Ядерное топливо. Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна само поддерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана - сложная технологическая проблема по разделению изотопов. 1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1 миллиону 350 тысячам тонн нефти или природного газа.
В геологии и на геологоразведочных работах. Основное применение урана в геологии - определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества. В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:
206Pbr = 238Uo (e*λ8*t−1),
207Pbr = 235Uo (e*λ5*t−1), где 238Uo, 235Uo - современные концентрации изотопов урана; λ8 и λ5 - постоянные распада атомов соответственно урана 238U и 235U.
Весьма важным является их комбинация:
206Pbr * 207Pbr = KoU (e*λ8*t−1)*(e*λ5*t−1), где KoU = 238Uo*235Uo = 137,88.
В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот радиометрический метод применяется при поисках и разведке месторождений различных полезных ископаемых, в нефтяной геологии, при геофизических исследованиях, в т.ч. в скважинах, в этот комплекс входит, в частности, γ-каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и многие другие методы. С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидо-упоров, зон тектонических нарушений, и многое другое.
Применение в других сферах:
• Небольшая добавка урана придаёт в керамике красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу ( Урановое стекло).
• Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.
• Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).
• Некоторые соединения урана светочувствительны.
• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело - водород + гексан).
• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• Соль цинкуранилацетат урана Zn[(UO2)3(CH3COO)8] применяется в аналитической химии при проведении качественного анализа катионов натрия.
Применение Обеднённого урана. После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-ым изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексофторида урана (UF6). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана -производство энергии, обеднённый уран - малополезный продукт с низкой экономической ценностью. Использование обеднённого урана связано в основном с его большой плотностью и относительно низкой стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты, как это ни странно, - здесь используется чрезвычайно высокое сечение захвата, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких, как рулевые поверхности летательных аппаратов. В первых экземплярах самолёта «Боинг-747» содержалось от 300 до 500 кг обеднённого урана для этих целей (с 1981 года Боинг применяет вольфрам). Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах формулы-1, при бурении нефтяных скважин. В сердечниках бронебойных снарядов:
Нет комментариев