עיבוד אורניום, הכנת העפרות לשימוש במוצרים שונים.
אורניום (U), למרות שהוא צפוף מאוד (19.1 גרם לסנטימטר מעוקב), הוא מתכת חלשה יחסית, שאינה עקשן. אכן, נראה כי התכונות המטאליות של האורניום הן ביניים בין התכונות של כסף ומתכות אמיתיות אחרות לבין אלה של האלמנטים הלא מתכתיים, כך שלא מוערך ליישומים מבניים. הערך העיקרי של אורניום הוא בתכונות הרדיואקטיביות והבקועיות של האיזוטופים שלו. בטבע, כמעט כל (99.27 אחוז) המתכת מורכבת מאורניום -238; השאר מורכב מאורניום -23 (0.72 אחוז) ואורניום -23 (0.006 אחוז). מבין איזוטופים טבעיים אלה, רק אורניום -235 ניתן להחלפה ישירה על ידי הקרנת נויטרונים. עם זאת, אורניום 238, לאחר קליטת נויטרון, מהווה אורניום -239, והאיזוטופ האחרון מתפרק בסופו של דבר לפלוטוניום -239 - חומר בקיע בעל חשיבות רבה בכוח גרעיני ובנשק גרעיני. ניתן ליצור איזוטופ פיסילי נוסף, אורניום -23, על ידי הקרנת נויטרונים של תוריום -23.
אפילו בטמפרטורת החדר, מתכת אורניום מחולקת דק מגיבה עם חמצן וחנקן. בטמפרטורות גבוהות יותר הוא מגיב עם מגוון רחב של מתכות סגסוגות ליצירת תרכובות אינטר-מתכתיות. היווצרות תמיסות מוצקה עם מתכות אחרות מתרחשת רק לעיתים רחוקות, בשל המבנים הגבישיים הייחודיים הנוצרים על ידי אטומי אורניום. בין טמפרטורת החדר לנקודת ההתכה שלה 1,132 מעלות צלזיוס (2,070 מעלות צלזיוס), מתכת אורניום קיימת בשלוש צורות קריסטליות הידועות בשם שלבי האלפא (α), בטא (β) וגמא (γ). טרנספורמציה מהאלפא לשלב הבטא מתרחשת בטמפרטורה של 668 מעלות צלזיוס (1,234 מעלות צלזיוס) ומהבטא לשלב הגמא בטמפרטורה של 775 מעלות צלזיוס. אורניום לגמא הוא בעל מבנה גביש מעוקב (bcc) שבמרכזו גוף, ואילו אורניום בטא הוא בעל מבנה טטרגון. אולם שלב האלפא מורכב מגיליונות אטומים גלי במבנה אורטורהומבי א-סימטרי ביותר. מבנה אניסוטרופי זה, או מעוות, מקשה על האטומים של מתכות סגסוגות להחליף אטומי אורניום או לתפוס חללים בין אטומי אורניום בסריג הגביש. נצפו רק מוליבדן וניוביום שיוצרים סגסוגות תמיסות מוצקות עם אורניום.
היסטוריה
לזכותו של הכימאי הגרמני מרטין היינריך קלפרוט התגלה היסוד אורניום בשנת 1789 במדגם של פיצ'בלנדה. קלפרוט קראה את היסוד החדש על שם כוכב הלכת אורנוס שהתגלה בשנת 1781. אולם רק בשנת 1841 הראה הכימאי הצרפתי יוג'ין-מלכיאור פליגוט שהחומר המתכתי השחור שהושג על ידי קלפרוט הוא באמת התרכובת האורניום דו-חמצנית. פליגוט הכין מתכות אורניום בפועל על ידי הפחתת טתרכלוריד אורניום עם מתכת אשלגן.
לפני הגילוי וההבהרה של ביקוע גרעיני, השימושים המעשיים המעטים באורניום (ואלה היו קטנים מאוד) היו בצביעת הקרמיקה וכזרז ביישומים מיוחדים מסוימים. כיום אורניום מוערך מאוד ליישומים גרעיניים, צבאיים ומסחריים כאחד, ואפילו לעפרות בדרגה נמוכה יש ערך כלכלי רב. מתכת אורניום מיוצרת באופן שגרתי באמצעות תהליך איימס, שפותח על ידי הכימאי האמריקאי FH Spedding וחבריו בשנת 1942 באוניברסיטת איווה, איימס. בתהליך זה המתכת מתקבלת מאורניום טטרא-פלואוריד על ידי הפחתה תרמית עם מגנזיום.
עפרות
קרום כדור הארץ מכיל כשני חלקים למיליון אורניום, המשקף תפוצה רחבה בטבע. האוקיינוסים מכילים 4.5 × 10 9 טון של היסוד. האורניום מופיע כמרכיב משמעותי ביותר מ -150 מינרלים שונים וכרכיב מינורי של 50 מינרלים נוספים. מינרלים אורניים ראשוניים, הנמצאים בעורקים הידרותרמיים מגמטיים ובפגמטיטים, כוללים אורניניט ופיצ'בלנדה (האחרונים מגוון אורניניטים). האורניום בשני עפרות אלה מתרחש בצורה של אורניום דו חמצני, אשר - עקב חמצון - יכול להשתנות בהרכב הכימי המדויק מ- UO 2 ל- UO 2.67. עפרות אורניום אחרות בעלות חשיבות כלכלית הן אוטונייט, פוספט אורניל סידן מתוק; tobernite, פוספט אורניל נחושת מיובש; Koffinite, סיליקט אורניום מיובש שחור; וקרנוט, אורנדיאל ונדיאט אשלגן צהוב.
ההערכה היא כי למעלה מ- 90 אחוז משמורות האורניום הידועות בעלות נמוכה מופיעות בקנדה, דרום אפריקה, ארצות הברית, אוסטרליה, ניז'ר, נמיביה, ברזיל, אלג'יריה וצרפת. כ -50 עד 60 אחוז מהשמורות הללו נמצאים בתצורות הסלע הקונגלומרטיות של אגם אליוט, שנמצא צפונית לאגם הורון באונטריו שבקנדה ובשדות הזהב של ויטווטרסנד בדרום אפריקה. תצורות אבן חול במישור קולורדו ובאגן ויומינג שבמערב ארצות הברית מכילות גם שמורות משמעותיות של אורניום.
כרייה וריכוז
עפרות אורניום מתרחשות בשקעים שהם קרקע לפני השטח וגם עמוקים מאוד (למשל 300 עד 1,200 מטר, או 1,000 עד 4,000 רגל). העפרות העמוקים מופיעים לעתים בתפרים בעובי של 30 מטר. כפי שקורה עם עפרות של מתכות אחרות, עפרות אורניום לפני השטח ממוקשים בקלות עם ציוד גדול הנע לעפר, ואילו משקעים עמוקים ממוקשים בשיטות מסורתיות של פיר אנכי וסחף.
עפרות אורניום מכילות בדרך כלל רק כמות קטנה של מינרלים נושאי אורניום, ואלה אינם ניתנים להתכה בשיטות פירומט-אלורגיות ישירות; במקום זאת, יש להשתמש בהליכים הידרומטאלורגיים כדי לחלץ ולטהר את ערכי האורניום. ריכוז פיזי יפחית משמעותית את העומס על מעגלי עיבוד הידרומטאלורגיים, אך אף אחת משיטות התועלת המקובלות הנהוגות בדרך כלל בעיבוד מינרלים - למשל, כוח משיכה, הנפקה, אלקטרוסטטיקה ואפילו מיון ידיים - יושמות בדרך כלל על עפרות אורניום. עם מעט יוצאים מן הכלל, שיטות ריכוז גורמות לאובדן מוגזם של אורניום לפתח.
