Công nghệ khai thác và chế biến quặng urani

Nội dung text: Công nghệ khai thác và chế biến quặng urani

1. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ CHẾ BIẾN QUẶNG URANI Lê Quang Thái, Nguyễn Văn Tùng Trung tâm Công nghệ Urani, Viện Công nghệ xạ hiếm Urani được khai thác chủ yếu phục vụ cho nhu cầu phát triển điện hạt nhân. Ngoài ra, một lượng nhỏ urani được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong y tế, nghiên cứu khoa học và một số lĩnh vực khác. Các phương pháp khai thác urani hiện nay bao gồm khai thác lộ thiên, khai thác hầm lò và khai thác tại chỗ (in-situ). Một phần nhỏ urani được thu hồi như một sản phẩm phụ của quá trình chế biến các loại khoáng sản khác. Nguồn cung cấp urani chủ yếu đến từ các hoạt động khai thác mỏ, ngoài ra còn một phần từ các nguồn thứ cấp khác. Sản phẩm của quá trình khai thác và chế biến urani là yellowcake với hàm lượng từ 75 - 85% U3O8. Sản phẩm này sẽ được chuyển tới các nhà máy chế tạo nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân, phục vụ cho ngành năng lượng nguyên tử trên thế giới. Với sự phát triển của công nghệ điện hạt nhân và nhu cầu năng lượng sạch ngày càng cao, việc khai thác và chế biến urani vẫn đang tiếp tục được phát triển trên thế giới với nhiều triển vọng trong tương lai. 1. NGUỒN TÀI NGUYÊN URANI Hiện nay, tổng trữ lượng urani đã được thăm dò Bảng 1. Nguồn tài nguyên urani theo quốc gia, trên thế giới khoảng 6,15 triệu tấn, trong đó chủ năm 2019 yếu ở 15 quốc gia (chiếm đến 95% trữ lượng thế giới). Úc là nước có nguồn tài nguyên urani lớn nhất thế giới, chiếm đến 28%, tiếp theo là Kazakhstan với 15%, Canada, Nga và Namibia lần lượt là 9%, 8% và 7% và một số nước khác. Bảng 1 cho thấy các nguồn tài nguyên urani có thể khai thác được hiện nay ở các quốc gia. Ngoài ra, mỗi năm có khoảng 12.000 tấn urani được cung cấp từ một số hoạt động bao gồm việc Hoa Kỳ và Nga ngừng hoạt động các đầu đạn hạt nhân, giải trừ vũ khí hạt nhân, quá trình pha trộn nguồn urani độ giàu cao trước đây. Các nguồn urani khác như kho dự trữ của chính phủ và các công ty, đặc biệt là một lượng rất lớn urani nghèo còn lại từ quá trình làm giàu trước đây, có thể được làm giàu lại bằng các quy trình hiệu quả hơn. Một phần nhỏ đến từ urani thu được từ việc 46 Số 68 - Tháng 9/2021
2. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng. Nhu cầu urani 20 quốc gia, trong đó Kazakhstan là nước có sản toàn cầu hiện nay là khoảng 67.000 tU/năm. Do lượng lớn nhất (chiếm khoảng 42% nguồn cung đó, nguồn tài nguyên urani hiện tại trên thế giới thế giới vào năm 2019), tiếp theo là Canada (13%) có thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại khoảng 90 và Úc (12%) (xem bảng 2). năm nữa. Sản lượng urani toàn cầu trong giai đoạn dự báo (2021-2025) dự kiến sẽ tăng với tốc độ CAGR là 2. SẢN LƯỢNG KHAI THÁC URANI 6,2% để đạt 65,2 kt vào năm 2025. Kazakhstan, Hầu hết các mỏ quặng urani đang khai thác hiện quốc gia nắm giữ một số mỏ urani lớn nhất thế tại có hàm lượng trung bình lớn hơn 0,10% ura- giới, dự kiến sẽ vẫn là nhà cung cấp lớn nhất thế ni. Một số mỏ ở Canada có lượng quặng khổng giới trong vài năm tới. Với các mỏ urani lộ thiên lồ với hàm lượng trung bình lên tới 20% urani. tiềm năng, Namibia cũng được kỳ vọng sẽ là nhà Tuy nhiên, cũng có một số mỏ có thể khai thác cung cấp urani nổi bật cho thị trường toàn cầu. với lượng quặng rất thấp, dưới 0,02% urani. Hiện Hơn nữa, việc khởi động lại mỏ Cigar Lake vào nay, các mỏ urani đang được khai thác ở khoảng tháng 4 năm 2021 cũng sẽ đảm bảo nguồn cung cấp urani từ Canada. Bảng 2. Sản lượng khai thác urani trên thế giới (tấn) Số 68 - Tháng 9/2021 47
3. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 3. CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ CHẾ BIẾN Urani được thu hồi từ các nguồn quặng bằng các URANI phương pháp khác nhau như khai thác lộ thiên, Công nghệ khai thác và chế biến urani được thể khai thác hầm lò, hòa tách đống và khai thác tại hiện trong hình 1. Sản phẩm của quá trình khai chỗ. Các đặc trưng cơ bản của từng phương pháp thác và chế biến quặng urani là yellowcake có khai thác được tổng hợp trong bảng 3. hàm lượng urani khoảng 75 - 85%. Hình 1. Công nghệ khai thác và chế biến urani trên thế giới 48 Số 68 - Tháng 9/2021
4. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Bảng 3. Các phương pháp khai thác urani Các kỹ thuật khai thác đều có ưu nhược điểm giới. khác nhau. Năm 2019, tổng sản lượng khai thác Sản phẩm từ các quá trình khai thác mỏ là dung bằng kỹ thuật khai thác tại chỗ chiếm đến 57%, dịch urani có hàm lượng urani khoảng 2 - 3 g/l. trong khi khai thác hầm lò và khai thác lộ thiên là Dung dịch urani được làm giàu lên với hàm lượng 36%. Ngoài ra, urani còn được thu hồi như một urani khoảng 10 - 12 g/l bằng phương pháp trao sản phẩm phụ của các quá trình khai thác khoáng đổi ion hoặc chiết dung môi. Đối với quá trình sản khác như khai thác vàng ở Nam Phi, khai thác trao đổi ion, nhựa trao đổi ion được sử dụng để đồng ở mỏ Olympic Dam tại Úc, khai thác các thu hồi urani từ dung dịch hòa tách, sau đó nhựa mỏ phốt phát ở Maroc và Florida. Lượng urani trao đổi ion được rửa giải bằng dung dịch Na2SO4 này chiếm khoảng 7% tổng sản lượng urani thế và Na2CO3 để thu được dung dịch có nồng độ Số 68 - Tháng 9/2021 49
5. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN urani cao. được sử dụng để hoàn thổ lại khu vực mỏ sau khi Đối với phương pháp chiết dung môi, một dung kết thúc khai thác đối với các phương pháp khai thác lộ thiên, khai thác hầm lò và hòa tách đống. môi chứa tác nhân chiết là một amin bậc 3 (R3N) pha loãng trong kerosel được sử dụng để thu hồi Các loại chất thải rắn phát sinh từ quá trình xử lý quặng sẽ được lưu giữ tập trung trong một hồ urani từ dung dịch hòa tách, dung dịch (NH4)2SO4 được sử dụng để giải chiết urani từ dung môi để chứa thải dưới dạng bùn thải. Trong hồ chứa bùn thu được dung dịch có nồng độ urani cao hơn. sẽ có một lượng nước bao phủ bề mặt bùn thải Các phản ứng xảy ra như sau: để giảm thiểu tối đa sự phát thải của khí radon. Nước thải từ quá trình xử lý quặng và chế biến Quá trình chiết urani: urani cũng được thu gom xử lý tập trung và tái 2R3N + H2SO4 → (R3NH)2SO4 tuần hoàn lại để giảm thiểu lượng nước cần sử 4- dụng trong cả quá trình. 2(R3NH)2SO4 + U O 2(SO4)3 → ( R 3NH)4UO2(SO4)3 2- + 2SO4 Tất cả các mỏ sau khi kết thúc khai thác đều được Quá trình giải chiết: hoàn thổ để đảm bảo không xảy ra môi trường. Các hồ chứa bùn thải được xử lý triệt để nước (R NH) UO (SO ) + 2(NH ) SO → 4R N + 3 4 2 4 3 4 2 4 3 thải. Hồ chứa bùn chứa chất thải rắn còn lại được (NH ) UO (SO ) + 2H SO 4 4 2 4 3 2 4 bao phủ bởi khoảng hai mét đất sét và lớp đất Sau đó, urani được thu hồi bằng cách kết tủa với mặt với đủ đá để chống xói mòn. Điều này là để NH3 để tạo thành yellowcake. Phản ứng kết tủa giảm cả mức bức xạ gamma và tốc độ phát xạ ra- như sau: don xuống mức gần như mức thường xảy ra trong vùng của thân quặng và cuối cùng là phủ một lớp 2NH + 2UO (SO ) 4- → (NH )2U O7 + 4SO 2- 3 2 4 3 4 2 4 thực vật trên cùng. Các hầm lò sau khi khai thác Sản phẩm được lọc, rửa loại tạp chất bằng dung được hoàn thổ bằng chính lượng chất thải rắn sau dịch axit HNO và nước, sấy khô và đóng gói 3 khi đã xử lý. Đối với khai thác tại chỗ, cần tiến trong các thùng thép. hành rửa trôi để phục hồi lại hiện trạng nguồn Sản phẩm cuối cùng là yellowcake có hàm lượng nước ngầm như ban đầu. Sau khi hoàn thổ, vẫn urani khoảng 75 - 85%. Yellowcake được chuyển cần tiếp tục giám sát bằng cách đo đạc chất lượng tới nhà máy chuyển hóa để chế tạo UF6 và làm môi trường trong khu vực trong một thời gian tùy giàu urani, chế tạo nhiên liệu cho các nhà máy theo quy định của từng quốc gia. điện hạt nhân và một số mục đích khác. 5. KẾT LUẬN 4. QUẢN LÝ CHẤT THẢI VÀ HOÀN THỔ Năng lượng hạt nhân vẫn là một lựa chọn cần MỎ SAU KHI KHAI THÁC thiết để đảm bao nhu cầu năng lượng trên thế giới Các chất thải rắn và lỏng phát sinh từ quá trình đang ngày càng tăng trong khi các nguồn năng khai thác và chế biến urani đều phải được quản lý lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Do vậy, việc chặt chẽ do chúng đều là các chất thải phóng xạ. thăm dò, khai thác và chế biến urani vẫn đang tiếp Tất cả các nguồn thải phát sinh đều được đánh giá tục được phát triển. Nguồn cung cấp urani trên mức độ phóng xạ để có biện pháp xử lý phù hợp. thế giới vẫn chủ yếu là từ khai thác mỏ, một phần nhỏ từ các nguồn khác và vẫn đáp ứng được nhu Các loại chất thải rắn không phải là quặng sẽ cầu thế giới. Công nghệ khai thác urani bao gồm 50 Số 68 - Tháng 9/2021
6. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN các phương pháp như khai thác lộ thiên, khai thác hầm lò, hòa tách đống và khai thác tại chỗ. Sản phẩm cuối cùng của quá trình khai thác và chế biến urani là yellowcake có hàm lượng urani từ 75 - 85%. Yellowcake được chuyển tới nhà máy chuyển hóa để chế tạo UF6 và làm giàu urani, chế tạo nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân và một số mục đích khác. Chất thải phát sinh từ quá trình khai thác và chế biến urani đều được xử lý và giám sát chặt chẽ theo quy định của từng quốc gia. Các khu vực mỏ sau khi khai thác được hoàn thổ và tiếp tục giám sát để đảm bảo an toàn môi trường trong một thời gian nhất định. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. OECD NEA & IAEA, Uranium 2020: Resources, Production and Demand (‘Red Book’) 2. clear-fuel-cycle/mining-of-uranium.aspx 3. PRODUCTION OF YELLOW CAKEIN CHEMI- CAL MILL- build-up and description of technologies, DIAMO state enterprise, branch plant GEAM Dolní Rožínka, plant Chemical mill 4. uranium-mining-and-milling 5. Primary Extraction, IAEA - INT2019 Interregional Workshop on Case Study of Conventional Uranium Production: from Exploration to Closure October 14 to 18th, 2019, Prague, Czech Republic Số 68 - Tháng 9/2021 51