Pemprosesan uranium

Pemprosesan uranium, penyediaan bijih untuk digunakan dalam pelbagai produk.

Uranium (U), walaupun sangat padat (19.1 gram per sentimeter padu), adalah logam yang tidak lemah dan tidak tahan api. Sesungguhnya, sifat logam uranium nampaknya menjadi antara antara perak dan logam sejati lain dengan unsur bukan logam, sehingga tidak dinilai untuk aplikasi struktur. Nilai utama uranium adalah sifat radioaktif dan pembelahan isotopnya. Secara semula jadi, hampir semua (99.27 peratus) logam terdiri daripada uranium-238; selebihnya terdiri daripada uranium-235 (0.72 peratus) dan uranium-234 (0.006 peratus). Daripada isotop yang berlaku secara semula jadi ini, hanya uranium-235 yang dapat dipisahkan secara langsung oleh penyinaran neutron. Walau bagaimanapun, uranium-238, setelah menyerap neutron, membentuk uranium-239, dan isotop terakhir ini akhirnya merosot menjadi plutonium-239 - bahan fisil yang sangat penting dalam tenaga nuklear dan senjata nuklear. Isotop fisil lain, uranium-233, dapat terbentuk dengan penyinaran neutron thorium-232.

Walaupun pada suhu bilik, logam uranium yang dibahagi halus bertindak balas dengan oksigen dan nitrogen. Pada suhu yang lebih tinggi, ia bertindak balas dengan pelbagai logam paduan untuk membentuk sebatian antara logam. Pembentukan larutan pepejal dengan logam lain jarang berlaku, disebabkan oleh struktur kristal tunggal yang terbentuk oleh atom uranium. Di antara suhu bilik dan titik leburnya 1,132 ° C (2,070 ° F), logam uranium wujud dalam tiga bentuk kristal yang dikenali sebagai fasa alpha (α), beta (β), dan gamma (γ). Transformasi dari alpha ke fasa beta berlaku pada 668 ° C (1,234 ° F) dan dari beta ke fasa gamma pada 775 ° C (1,427 ° F). Gamma uranium mempunyai struktur kristal kubik (bcc) yang berpusat pada badan, sementara uranium beta memiliki struktur tetragonal. Walau bagaimanapun, fasa alpha terdiri daripada kepingan atom beralun dalam struktur ortorhombik yang sangat tidak simetri. Struktur anisotropik, atau terdistorsi ini menyukarkan atom logam paduan untuk menggantikan atom uranium atau menempati ruang antara atom uranium dalam kisi kristal. Hanya molibdenum dan niobium yang diperhatikan untuk membentuk aloi larutan pepejal dengan uranium.

Sejarah

Ahli kimia Jerman Martin Heinrich Klaproth dikreditkan kerana menemui unsur uranium pada tahun 1789 dalam sampel pitchblende. Klaproth menamakan elemen baru itu setelah planet Uranus, yang telah ditemukan pada tahun 1781. Namun, pada tahun 1841, ahli kimia Perancis Eugène-Melchior Péligot menunjukkan bahawa zat logam hitam yang diperoleh Klaproth benar-benar sebatian uranium dioksida. Péligot menyiapkan logam uranium sebenar dengan mengurangkan uranium tetraklorida dengan logam kalium.

Sebelum penemuan dan penjelasan pembelahan nuklear, beberapa penggunaan praktikal uranium (dan ini sangat kecil) menggunakan pewarna seramik dan sebagai pemangkin dalam aplikasi khusus tertentu. Hari ini, uranium sangat bernilai untuk aplikasi nuklear, baik tentera dan komersial, malah bijih kelas rendah mempunyai nilai ekonomi yang besar. Logam uranium dihasilkan secara rutin melalui proses Ames, yang dikembangkan oleh ahli kimia Amerika FH Spedding dan rakan-rakannya pada tahun 1942 di Iowa State University, Ames. Dalam proses ini, logam diperoleh dari tetrafluorida uranium dengan pengurangan haba dengan magnesium.

Bijih

Kerak bumi mengandungi kira-kira dua bahagian per juta uranium, mencerminkan taburan luas di alam. Lautan dianggarkan mengandungi 4.5 × 10 ⁹ tan unsur. Uranium berlaku sebagai unsur penting dalam lebih daripada 150 mineral yang berbeza dan sebagai komponen kecil dari 50 mineral lain. Mineral uranium primer, terdapat dalam urat hidrotermal magmatik dan pegmatit, termasuk uraninit dan pitchblende (yang terakhir adalah pelbagai uraninit). Uranium dalam dua bijih ini terjadi dalam bentuk uranium dioksida, yang - kerana pengoksidaan - dapat bervariasi dalam komposisi kimia yang tepat dari UO ₂ hingga UO _2.67. Bijih uranium lain yang penting ekonomi ialah autunite, kalsium uranyl fosfat terhidrat; tobernite, uranyl fosfat tembaga terhidrat; peti mati, silikat uranium terhidrat hitam; dan karnotit, kalium terhidrat berwarna kuning uranyl vanadate.

Dianggarkan lebih daripada 90 peratus rizab uranium kos rendah yang diketahui berlaku di Kanada, Afrika Selatan, Amerika Syarikat, Australia, Niger, Namibia, Brazil, Algeria, dan Perancis. Kira-kira 50 hingga 60 peratus rizab ini berada di formasi batuan konglomerat Tasik Elliot, yang terletak di utara Tasik Huron di Ontario, Can., Dan di ladang emas Witwatersrand Afrika Selatan. Formasi batu pasir di Dataran Tinggi Colorado dan Wyoming Basin Amerika barat juga mengandungi simpanan uranium yang ketara.

Perlombongan dan penumpuan

Bijih uranium berlaku pada endapan yang hampir permukaan dan sangat dalam (misalnya, 300 hingga 1.200 meter, atau 1.000 hingga 4.000 kaki). Bijih dalam kadang-kadang berlaku pada jahitan setebal 30 meter. Seperti halnya bijih logam lain, bijih uranium permukaan mudah ditambang dengan peralatan bergerak bumi yang besar, sementara deposit dalam dilombong dengan kaedah poros menegak dan drift tradisional.

Bijih uranium biasanya hanya mengandungi sejumlah kecil mineral yang mengandungi uranium, dan ini tidak boleh dileburkan dengan kaedah pirometallurgikal langsung; sebaliknya, prosedur hidrometurgi mesti digunakan untuk mengekstrak dan membersihkan nilai uranium. Kepekatan fizikal akan sangat mengurangkan beban pada rangkaian pemprosesan hidrometurgi, tetapi tidak ada kaedah pemanfaatan konvensional yang biasanya digunakan dalam pemprosesan mineral — misalnya, gravitasi, pengapungan, elektrostatik, dan bahkan penyortiran tangan — umumnya berlaku untuk bijih uranium. Dengan beberapa pengecualian, kaedah penumpuan mengakibatkan kehilangan uranium yang berlebihan pada tailing.