Глубокие шахты или горные выработки под открытым небом — картина классического рудника. Работа на таких месторождениях может наносить вред окружающей природе и быть опасной для человека. Но этого можно избежать. Например, при добыче урана используется технология, которая сокращает сопутствующий ущерб до минимума, а при удачном расположении подземных пластов он и вовсе стремится к нулю.  

Уран — главный источник топлива для атомной энергетики, на которую эксперты возлагают надежду в будущем. Изначально его добывали в подземных шахтах, но в 50–60‑х годах прошлого века, с развитием атомной энергетики, потребность в уране выросла и месторождения пришлось разрабатывать открытым способом, то есть добывать ископаемые с поверхности Земли, предварительно проделав в ней полость. Это позволяло быстро развернуть и наладить производство, а самое главное — нарастить его объёмы. Но у такого способа добычи были серьёзные минусы. Во-первых, на поверхности скапливалась огромная гора выработанной породы, порой ядовитой для окружающей среды. Во-вторых, возникали дополнительные затраты по очистке и складированию руды — повышалась себестоимость продукции.

Решением стала серьёзная модернизация производства добычи, ключевым моментом которой была частичная обработка руды прямо под землёй. Зачем извлекать урановую руду с большой глубины для измельчения и извлечения ценного металла, если можно это делать прямо на месте?

Принцип подземного выщелачивания металла очень прост. Через специальную нагнетательную скважину в рудоносный слой закачивают раствор серной кислоты H₂SO₄. Под действием этого мощного окислителя соединения урана превращаются в растворимые соли, и уже их откачивают наружу через скважины — чем-то похоже на добычу нефти. Очевидно, что не требуется поднимать руду на поверхность, измельчать её и извлекать уран, а значит, новый способ обходится значительно дешевле — в среднем в 2–3 раза. Кроме того, окружающие месторождение ландшафты не засоряются горами пустой породы и зияющими кратерами карьеров.

Уранодобывающая отрасль Казахстана — мировой лидер в использовании подземного скважинного выщелачивания, данный метод применяется на всех действующих рудниках. Самый мощный из них — Инкай в Южно-Казахстанской области с запасом более чем 303 тысячи тонн урана. Всего в недрах Казахстана скрыто не менее 1700 тысяч тонн урана, а это более 20 % всех разведанных мировых запасов. Здесь Казахстан уступает только Австралии.

Бурение скважины для добычи урана

Технология подземного выщелачивания требует масштабной исследовательской работы для определения геологических особенностей месторождения. Нельзя просто закачать несколько сотен тонн кислоты под землю, даже если в недрах обнаружены обширные залежи урана. Во-первых, рудник должен быть ограничен водоупорными слоями (сланцами или глиной), чтобы не позволить химическому раствору растечься под землей. Важно, чтобы в рудном теле было достаточно воды — это ускорит процессы растворения. Во-вторых, добывать металлы подземным выщелачиванием можно, только если месторождение залегает под горизонтом грунтовых вод. Иначе это грозит катастрофой — тонны химического раствора легко просочатся в воду и отравят её. Кислотность воды в ближайших колодцах и водозаборах резко поднимется, и они станут непригодными для пользования. Третье условие: соседи уранового месторождения. Если поблизости будут ­минералы, способные сорбировать или впитывать в себя выщелачивающий раствор, то выкачивать из земли будет попросту нечего. В рудном теле также могут скапливаться вредные химические соединения, которые будут растворяться вместе с ураном и выкачиваться наружу. Например, наличие в месторождении отложений мела CaCO₃ вызовет при реакции с серной кислотой образование больших объёмов углекислого газа, что осложнит добычу. Важна и высокая проницаемость месторождения для выщелачивающего раствора. Идеальными в этом смысле будут песчаники с низким содержанием глины — в таких условиях раствор будет растекаться со скоростью от 5 до 10 метров в сутки. Но и это ещё не последнее условие для успеха. Соединения выщелачиваемого металла могут располагаться под землёй изолированно в трещинах и порах, что значительно упрощает добычу. Просто направляем туда нагнетательную скважину, пускаем кислотный раствор и выкачиваем богатую полезными соединениями жидкость. Но минералы могут прятаться между зёрнами других природных соединения, а это затруднит их выщелачивание. В самых неудобных случаях частицы руды вообще могут быть заключены в нерастворимые минералы. Здесь выщелачивание бессильно, и геологам приходится либо искать новые рудные тела, либо добывать по-старому, открытым способом.

Выщелачивание — перевод одного или нескольких компонентов твёрдой смеси в жидкое состояние специальным растворителем и последующее извлечение.

Альтернативой активного вещества для подземного выщелачивания могут быть содовые растворы на основе карбонатов калия, натрия или аммония. Добыча так и называется — содовое или карбонатное выщелачивание.

Полезным соединением, которое следует выкачивать наружу, будет комплексная соль Na₄[UO₂(CO₃)₃] с длинным именем трикарбонатоуранилат натрия. Преимущества содового метода: щадящее воздействие на трубопроводы и скважинное оборудование (кислоты в таких условиях более разрушительны), а также возможность извлечь уран из карбонатных руд. Если кислотный раствор закачать в такое «содовое» месторождение, то реагировать будет не оксид урана, а залежи карбонатов, образуя тысячи литров углекислого газа. Но по сравнению с кислотным содовое выщелачивание протекает медленнее и отличается меньшей эффективностью извлечения урана — 60–70 % против 70–80 %.

Разведка урановых месторождений

А можно ли ещё больше увеличить эффективность добычи урана? Да, это возможно. Для этого в кислотные растворы вводятся соединения трёхвалентного железа (обычно хлорид FeCl₃), которые наиболее эффективно окисляют именно уран. Сильным окислителем, при этом абсолютно экологически безвредным, является пероксид водорода. Но его использование в смесях с кислотами имеет значительный минус — скважинное оборудование быстрее корродирует, а сам пероксид распадается в растворе в течение нескольких десятков минут. И тем не менее при правильном соблюдении условий применения можно добыть из месторождения почти весь уран.

Ну и, наконец, на помощь могут прий­ти бактерии, способные избирательно выщелачивать соединения урана и переводить их в растворимую форму. Главным ограничительным фактором работы с живыми микроорганизмами является строгое соблюдение уровня кислотности, давления и температуры.

Подземное скважинное выщелачивание — это универсальный приём добычи полезных ископаемых, и только урановыми рудами он не ограничен, хотя и распространён при их добыче больше всего. Золото, никель и медь можно добывать так же, особенно эффективно это работает на бедных или почти выработанных месторождениях.

Выщелачивание можно использовать даже на хвостохранилищах — там, где классические методы извлечения металлов уже не работают. За многовековую историю добычи полезных ископаемых накопились гигантские техногенные скоп­ления отработанной руды, содержащие множество полезных минералов. Зачем открывать новые золотоносные ­рудники, если можно выщелачивать золото из отходов молибденовых и полиметаллических месторождений? Большие надежды возлагаются на добычу глинозёма ( Al₂O₃), основного сырья алюминиевой промышленности. Выщелачиванием его можно извлекать практически везде — запасы низкокачественного сырья (к ­примеру, различные песчаные породы) для этого практически не ограничены. Алюминий под землей находится в составе сульфатов, поэтому для его растворения необходимы щелочные растворы.

Не стоит думать, что при выщелачивании урана на поверхность ­выкачивается раствор, содержащий исключительно соединения этого металла. На самом деле добывается ценнейший «химический коктейль»: в нём можно найти почти все лантаноиды, скандий, ванадий, селен, ­молибден, рений и иттрий. Под землей работает целая полиметаллическая ­фабрика, снабжающая нас ценным сырьем.

Откачная скважина