Uraniumverwerking, bereiding van het erts voor gebruik in verschillende producten.
Uranium (U), hoewel zeer dicht (19,1 gram per kubieke centimeter), is een relatief zwak, niet-vuurvast metaal. De metallische eigenschappen van uranium lijken inderdaad tussen te liggen tussen die van zilver en andere echte metalen en die van de niet-metallische elementen, zodat het niet gewaardeerd wordt voor structurele toepassingen. De belangrijkste waarde van uranium zit in de radioactieve en splijtbare eigenschappen van zijn isotopen. In de natuur bestaat bijna al (99,27 procent) van het metaal uit uranium-238; de rest bestaat uit uranium-235 (0,72 procent) en uranium-234 (0,006 procent). Van deze van nature voorkomende isotopen is alleen uranium-235 direct splijtbaar door bestraling met neutronen. Uranium-238 vormt na absorptie van een neutron echter uranium-239, en dit laatste isotoop vervalt uiteindelijk tot plutonium-239 - een splijtbaar materiaal van groot belang in kernenergie en kernwapens. Een andere splijtbare isotoop, uranium-233, kan worden gevormd door neutronenbestraling van thorium-232.
Zelfs bij kamertemperatuur reageert fijn verdeeld uraniummetaal met zuurstof en stikstof. Bij hogere temperaturen reageert het met een grote verscheidenheid aan legeringsmetalen om intermetallische verbindingen te vormen. Vorming van vaste oplossingen met andere metalen komt slechts zelden voor vanwege de bijzondere kristallijne structuren gevormd door uraniumatomen. Tussen kamertemperatuur en het smeltpunt van 1132 ° C (2070 ° F), bestaat uraniummetaal in drie kristallijne vormen die bekend staan als de alfa (α), bèta (β) en gamma (γ) fasen. Transformatie van de alfa- naar de bètafase vindt plaats bij 668 ° C (1234 ° F) en van de bèta- naar de gammafase bij 775 ° C (1.427 ° F). Gamma-uranium heeft een lichaamsgerichte kubische (bcc) kristalstructuur, terwijl beta-uranium een tetragonale structuur heeft. De alfafase bestaat echter uit golfplaten van atomen in een zeer asymmetrische orthorhombische structuur. Deze anisotrope of vervormde structuur maakt het moeilijk voor de atomen van gelegeerde metalen om uraniumatomen te vervangen of om ruimtes tussen uraniumatomen in het kristalrooster in te nemen. Alleen molybdeen en niobium vormen met uranium vaste legeringen.
Geschiedenis
De Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth wordt gecrediteerd met het ontdekken van het element uranium in 1789 in een monster van pitchblende. Klaproth noemde het nieuwe element naar de planeet Uranus, die in 1781 was ontdekt. Het duurde echter tot 1841 voordat de Franse chemicus Eugène-Melchior Péligot aantoonde dat de door Klaproth verkregen zwartmetalen stof in feite de samengestelde uraniumdioxide was. Péligot bereidde werkelijk uraniummetaal voor door reductie van uraniumtetrachloride met kaliummetaal.
Voorafgaand aan de ontdekking en opheldering van kernsplijting waren de weinige praktische toepassingen van uranium (en deze waren zeer klein) in het kleuren van keramiek en als katalysator in bepaalde gespecialiseerde toepassingen. Tegenwoordig wordt uranium zeer gewaardeerd voor nucleaire toepassingen, zowel militair als commercieel, en zelfs laagwaardige ertsen hebben een grote economische waarde. Uraniummetaal wordt routinematig geproduceerd door middel van het Ames-proces, ontwikkeld door de Amerikaanse chemicus FH Spedding en zijn collega's in 1942 aan de Iowa State University, Ames. Hierbij wordt het metaal gewonnen uit uraniumtetrafluoride door thermische reductie met magnesium.
Ertsen
De aardkorst bevat ongeveer twee delen per miljoen uranium, wat een brede verspreiding in de natuur weerspiegelt. De oceanen bevatten naar schatting 4,5 x 109 ton van het element. Uranium komt voor als een belangrijk bestanddeel in meer dan 150 verschillende mineralen en als een klein onderdeel van nog eens 50 mineralen. Primaire uraniummineralen, die worden aangetroffen in magmatische hydrothermale aderen en in pegmatieten, omvatten uraniniet en pitchblende (de laatste een variëteit aan uraniniet). Het uranium in deze twee ertsen komt voor in de vorm van uraniumdioxide, dat door oxidatie in exacte chemische samenstelling kan variëren van UO 2 tot UO 2,67. Andere uraniumerts van economisch belang is autuniet, een gehydrateerd calciumuranylfosfaat; toberniet, een gehydrateerd koper-uranylfosfaat; coffinite, een zwart gehydrateerd uraniumsilicaat; en carnotiet, een geel gehydrateerd kalium-uranyl-vanadaat.
Naar schatting komt meer dan 90 procent van de bekende goedkope uraniumreserves voor in Canada, Zuid-Afrika, de Verenigde Staten, Australië, Niger, Namibië, Brazilië, Algerije en Frankrijk. Ongeveer 50 tot 60 procent van deze reserves bevinden zich in de conglomeraat rotsformaties van Elliot Lake, ten noorden van Lake Huron in Ontario, Can., En in de Witwatersrand-goudvelden van Zuid-Afrika. Zandsteenformaties in het Colorado Plateau en Wyoming Basin in het westen van de Verenigde Staten bevatten ook aanzienlijke uraniumreserves.
Mijnbouw en concentreren
Uraniumertsen komen voor in afzettingen die zowel dichtbij het oppervlak als zeer diep zijn (bijv. 300 tot 1.200 meter of 1.000 tot 4.000 voet). De diepe ertsen komen soms voor in naden van wel 30 meter dik. Zoals het geval is bij ertsen van andere metalen, worden oppervlakte-uraniumerts gemakkelijk gewonnen met grote grondverzetmachines, terwijl diepe afzettingen worden gewonnen door traditionele verticale as- en driftmethoden.
Uraniumertsen bevatten doorgaans slechts een kleine hoeveelheid uraniumhoudende mineralen en deze zijn niet vatbaar voor smelten met directe pyrometallurgische methoden; in plaats daarvan moeten hydrometallurgische procedures worden gebruikt om de uraniumwaarden te extraheren en te zuiveren. Fysieke concentratie zou de belasting van hydrometallurgische verwerkingsschakelingen sterk verminderen, maar geen van de conventionele heilzame methoden die typisch worden gebruikt bij de verwerking van mineralen - bv. Zwaartekracht, flotatie, elektrostatica en zelfs handmatig sorteren - is algemeen toepasbaar op uraniumertsen. Op enkele uitzonderingen na leiden concentratiemethoden tot overmatig verlies van uranium aan residuen.
