Processament d’urani

Processament d’urani, preparació del mineral per a ús en diversos productes.

L’urani (U), tot i que molt dens (19,1 grams per centímetre cúbic), és un metall relativament feble i no refractari. De fet, les propietats metàl·liques de l’urani semblen estar intermig entre les de la plata i altres metalls veritables i les dels elements no metàl·lics, de manera que no es valora per a aplicacions estructurals. El valor principal de l’urani es troba en les propietats radioactives i fissionables dels seus isòtops. A la natura, gairebé la totalitat (99,27 per cent) del metall consta d’urani-238; la resta es compon d'urani-235 (0,72 per cent) i urani-234 (0,006 per cent). D’aquests isòtops de naturalesa, només l’urani-235 és fissionable directament per irradiació de neutrons. No obstant això, l’urani-238, en absorbir un neutró, forma urani-239, i aquest últim isòtop decau eventualment en plutoni-239: un material fissil de gran importància en l’energia nuclear i les armes nuclears. Un altre isòtop fissil, l’urani-233, es pot formar per irradiació de neutrons del tori-232.

Fins i tot a temperatura ambient, el metall d’urani finament dividit reacciona amb l’oxigen i el nitrogen. A temperatures més altes, reacciona amb una gran varietat de metalls d’aliatge per formar compostos intermetàl·lics. La formació de solució sòlida amb altres metalls es produeix rarament a causa de les singulars estructures cristal·lines formades per àtoms d'urani. Entre la temperatura ambient i el seu punt de fusió de 1.132 ° C (2.070 ° F), hi ha metall d'urani en tres formes cristal·lines conegudes com a fases alfa (α), beta (β) i gamma (γ). La transformació de la fase alfa a la beta es produeix a 668 ° C (1.234 ° F) i de la fase beta a la gamma gamma a 775 ° C (1.427 ° F). L'urani Gamma té una estructura de cristall cúbic (ccc) centrat en el cos, mentre que l'urani beta té una estructura tetragonal. La fase alfa, però, consisteix en làmines ondulades d’àtoms en una estructura ortoròmica altament asimètrica. Aquesta estructura anisotròpica o distorsionada dificulta que els àtoms dels metalls d'aliatge substitueixen els àtoms d'urani o ocupin espais entre àtoms d'urani en la gelosia de cristall. Només s'ha observat molibdè i niobi que formen aliatges de solució sòlida amb urani.

Història

El químic alemany Martin Heinrich Klaproth està atribuït a descobrir l'element d'urani el 1789 en una mostra de pitchblende. Klaproth va nomenar el nou element després del planeta Urà, descobert el 1781. No va ser fins al 1841, però, el químic francès Eugène-Melchior Péligot va mostrar que la substància metàl·lica negra obtinguda per Klaproth era realment el diòxid d'urani compost. Péligot va preparar metall real d’urani reduint el tetraclorur d’urani amb potassi metall.

Abans del descobriment i l’elucidació de la fissió nuclear, els pocs usos pràctics de l’urani (i eren molt reduïts) es trobaven en la coloració de la ceràmica i com a catalitzador en determinades aplicacions especialitzades. Avui en dia, l’urani és molt valorat per a aplicacions nuclears, tant militars com comercials, i fins i tot els minerals de baix grau tenen una gran vàlua econòmica. El metall d'urani es produeix rutinàriament mitjançant el procés Ames, desenvolupat pel químic nord-americà FH Spedding i els seus col·legues el 1942 a la Universitat Estatal d'Iowa, Ames. En aquest procés, el metall s’obté del tetrafluorur d’urani mitjançant reducció tèrmica amb magnesi.

Minerals

L’escorça terrestre conté aproximadament dues parts per milió d’urani, que reflecteixen una àmplia distribució a la natura. S'estima que els oceans per contenir 4,5 × 10 ⁹ tones de l'element. L’urani es presenta com a constituent significatiu en més de 150 minerals diferents i com a component menor d’altres 50 minerals. Els minerals primaris d’urani, que es troben en venes hidrotermals magmàtiques i en pegmatites, inclouen uraninit i pitchblende (aquesta última varietat d’uraninita). L’urani d’aquests dos minerals es produeix en forma de diòxid d’urani, que –a causa de l’oxidació– pot variar en la composició química exacta des de la UO ₂ fins a la UO _2.67. Altres minerals d’urani d’importància econòmica són l’autunita, un fosfat d’uranil de calci hidratat; tobernita, un fosfat d’uanil de coure hidratat; taüt, un silicat d'urani negre hidratat; i carnotita, un uranil vanadat de potassi hidratat groc.

Es calcula que més del 90% de les reserves conegudes d’urani de baix cost es produeixen a Canadà, Sud-àfrica, Estats Units, Austràlia, Níger, Namíbia, Brasil, Algèria i França. Aproximadament entre el 50 i el 60% d’aquestes reserves es troben a les formacions de roques de conglomerat del llac Elliot, situat al nord del llac Huron a Ontario, Can., I als camps d’or de Witwatersrand de Sud-àfrica. Les formacions de gres a l’altiplà de Colorado i a la conca del Wyoming de l’oest dels Estats Units també contenen importants reserves d’urani.

Mineria i concentració

Els minerals d’urani es produeixen en dipòsits tant a la superfície com a molt profunds (per exemple, de 300 a 1.200 metres, de 1.000 a 4.000 peus). De vegades, els minerals profunds es produeixen en costures de 30 metres. Com succeeix amb els minerals d’altres metalls, els minerals d’urani superficial es poden extreure fàcilment amb grans equips mòbils de terra, mentre que els dipòsits profunds es poden extreure mitjançant mètodes tradicionals d’eix vertical i de deriva.

Els minerals d'urani normalment contenen només una petita quantitat de minerals que porten urani i no es poden fondre mitjançant mètodes pirometalúrgics directes; en canvi, s’han d’utilitzar procediments hidrometalúrgics per extreure i purificar els valors d’urani. La concentració física reduiria considerablement la càrrega en circuits de processament hidrometalúrgics, però cap dels mètodes convencionals de benefici utilitzats normalment en el processament de minerals (per exemple, la gravetat, la flotació, els electrostàtics i fins i tot la selecció manual) són generalment aplicables als minerals d’urani. Amb algunes excepcions, els mètodes de concentració produeixen una pèrdua excessiva d’urani a la sanejament.