Как восстанавливается химическое равновесие в недрах после добычи урана

Технологические растворы серной кислоты, используемые в добыче урана методом скважинного подземного выщелачивания, не представляют угрозы для артезианских бассейнов, в которых расположены месторождения. Директор программ инновационного и технологического развития АРМЗ Игорь Солодов доказал это на примере рудников в России и других странах. Приводим выводы эксперта, который много лет изучает химические процессы, происходящие во время и после СПВ.

Суть метода

Специфика СПВ заключается в отсутствии горных работ. Руда и пустая порода в естественном (твердом) виде не извлекаются, не образуются отвалы, карьеры, хвосты и хвостохранилища, переработка руды начинается прямо в недрах.

Слабый раствор серной кислоты (до 3 %, это безопасно для людей и окружающей среды) закачивают в скважины, она растворяет урановые минералы, через откачные скважины на поверхность поднимается раствор, насыщенный ураном. Персонал не контактирует с урановой рудой, а основная радиоактивность остается в недрах. СПВ существует 50 лет, и, по данным МАГАТЭ, на рудниках, где применяется этот метод, не было ни одного случая превышения допустимых пределов индивидуальных доз облучения, радиационный фон на месторождениях находится на том же уровне, что и за пределами промплощадки.

Эти преимущества делают СПВ самым выгодным (и экономически, и экологически) способом добычи по сравнению с открытым и подземным. Даже несмотря на то, что содержание урана в рудах месторождений, пригодных для СПВ, очень низкое — ​десятые и сотые доли процента. В мире за 15 лет использование СПВ выросло с 19 до 57 %, в России — ​с 7 до 61 %.

Измеряем площадь, скорость и минерализацию

В Курганской области в пределах Тобольского артезианского бассейна находятся три месторождения «Далура», компании АРМЗ. У всех одинаковый генезис и гидрогеологические параметры. Далматовское уже почти отработано, Хохловское в активной отработке, Добровольное готовится к эксплуатации.

Жители Звериноголовского района Курганской области беспокоились, что при отработке Добровольного кислота попадет в артезианский бассейн Тобола и загрязнит реку. Исследования показали, что это невозможно. Во-первых, месторождения небольшие по сравнению с бассейном. Площадь Добровольного, 32 км², — ​менее 0,009 % площади бассейна (370 тыс. км²). Во-вторых, скорость движения подземных вод в рудоносном горизонте — ​несколько сантиметров в год, поэтому за четверть века (срок отработки месторождения) они преодолеют считаные метры.

В-третьих, породы месторождения похожи на слоеный пирог: водопроницаемые слои чередуются с водоупорными. На Добровольном водопроницаемых горизонтов шесть, ураноносный — ​второй снизу. Анализы показали, что воды из разных водопроницаемых слоев не смешиваются между собой. У них разная минерализация — ​от 1 до 13 г/л. Чем дальше от поверхности, тем минерализация выше. У вод разная кислотность и химический состав: вверху щелочные гидрокарбонатно-­кальциевые, внизу — ​нейтральные хлоридно-натриевые. Сильно упрощая, наверху — ​минеральная (только не газированная), а внизу — ​вода древних морей. Если бы связь между горизонтами была, параметры минерализации на разных горизонтах были бы более близкими.

Отсутствие связи между горизонтами подтверждают и характеристики проницаемости водоупоров. На месторождениях «Далура» за 25 лет отработки воды из ураноносного горизонта поднялись под давлением на первые десятки сантиметров — ​при том, что толщина водоупоров составляет десятки метров. «Это не просто застойная зона, это очень застойная зона», — ​подытоживает Игорь Солодов.

Ресторан для бактерий

Подземные воды рудоносного горизонта непригодны для питья и хозяйственного использования из-за продуктов распада урана — ​изотопов свинца, полония, радия, актиния и тория. Не говоря уже о том, что скважины под воду для хозяйственной деятельности и питья не бурят до глубины 500–600 м, если есть более доступные горизонты.

Сернокислые металлосодержащие растворы, оставшиеся в недрах после отработки месторождения (их называют остаточными растворами), представляют собой линзу. Ее площадь на несколько десятков метров больше площади извлеченных урановых залежей. Химический состав пород вокруг линзы с течением времени меняется, происходит естественная очистка. Многолетние натурные наблюдения на разных месторождениях в России, Казахстане и Узбекистане показали, что алюмосиликатные и карбонатные минералы пород нейтрализуют серную кислоту с выпадением твердых компонентов — ​осадков. Более того, когда под действием силы тяжести сернокислотная линза на наклонном водоупоре смещается, происходит не только химическая нейтрализация, но и восстановление металлов.

Большую роль в восстановительных процессах играют бактерии. Для них техногенные растворы — ​шикарный ресторан. Одни с аппетитом поедают серосодержащие соединения, преобразуя сульфаты в сероводород. Тот, реагируя с породами, образует нерастворимые сульфиды. Другие питаются азотными соединениями, перерабатывая нитраты в азот.

Математический анализ

Моделирование позволяет спрогнозировать скорость распространения раствора серной кислоты при добыче и после. Математическая модель Добровольного показала, что на комплексном геохимическом барьере, где идет химическое восстановление, самоочистка горизонта от остатков продуктивного раствора произойдет за 50 лет. За это время линза сместится на 680 м — ​незначительное расстояние по сравнению с длиной самой линзы.

Исключено и загрязнение технологических скважин гамма-­излучающим радием (урановые месторождения, как правило, находят по гамма-­аномалиям, возникающим при распаде радия). Радий, вступая в реакцию с серной кислотой, образует твердый труднорастворимый сульфат радия. В таком виде он никуда не мигрирует. Анализы свидетельствуют, что значения гамма-аномалии до и после добычи практически не меняются. Это значит, что радий остался в недрах и не переносился на оборудование.

Наконец, несостоятельны предположения о проседании поверхности при добыче методом СПВ. Во-первых, прецедента не было ни на одном руднике в мире. Во-вторых, содержание урана в руде низкое. Сопоставление образцов до и после извлечения урана показывает, что происходит осветление пород, а их текстура, структура и объем не меняются.