Jak wyglądają kopalnie uranu? Metody wydobycia i praca górnika

• Kopalnie konwencjonalne wciąż w użyciu przez największe firmy wydobywcze na świecie 
• Metoda ISL praktycznie nie ingeruje w grunt i nie produkuje odpadów skalnych
• Radon stanowi największe niebezpieczeństwo dla górników uranu

Najczęściej używanym paliwem w elektrowniach jądrowych jest uran.
Jego wyjątkowość objawia się w wysokiej uwalnianej energii podczas rozszczepienia jądra atomowego. 1 kg uranu wzbogaconego użytego do zasilania reaktora LWR produkuje równowartość energii, którą wyprodukowałaby elektrownia węglowa zużywając 14 ton węgla! Dodatkowo uran występuje dosyć obficie w skorupie ziemskiej tzn. częściej niż złoto i srebro oraz porównywalnie często jak cyna.

Jednakże to cenne paliwo, o którym mowa trzeba najpierw wydobyć oraz przetworzyć, aby było zdatne do użytku w większości elektrowni. W przypadku uranu istota jego efektywności kryje się w szczegółach chemicznych. Jedynie izotop uranu-235 jest odpowiednio stabilny, występuje w dostatecznej ilości w skorupie ziemskiej oraz może ulegać rozszczepieniu jądra atomowego, co czyni go idealnym kandydatem na paliwo jądrowe. W uranie naturalnym występuje tylko ok. 0.7% uranu-235, a ok. 99.3% to uran-238, który jest nierozszczepialny. W celu otrzymania większej ilości uranu-235, wydobyty uran naturalny poddaje się procesom przetwórczym takim jak rafinacja i wzbogacenie.

Kopalnie konwencjonalne

Pomimo nowoczesnych sposobów wydobywania uranu, które nie wymagają wielkiej ingerencji w grunt, konwencjonalne wydobywanie uranu poprzez górnictwo odkrywkowe lub podziemne dalej powszechnie występuje. Jest to związane z faktem, że w niektórych kopalniach konwencjonalnych nadal występują duże złoża uranu możliwego do wydobycia oraz nie wszystkie złoża uranu mogą być wydobyte nowoczesnymi technikami. Konwencjonalne sposoby wykorzystują główni producenci uranu na świecie tacy jak: Cameco, Orano, CNNC. Największa ilość kopalni tego typu znajduje się w Afryce, lecz również główne źródło uranu w Kanadzie, czyli kopalnia Cigar Lake, także należy do tego rodzaju kopalni. Wyróżniamy 2 rodzaje kopalni konwencjonalnych.

Kopalnie odkrywkowe

Kopalnie odkrywkowe są tworzone, gdy złoże uranu występuje bliżej powierzchni. Warstwa skał, ziemi i piachu znajdująca się nad rudą, jest usuwana za pomocą ładunków wybuchowych, wiercenia oraz kopania za pomocą ciężkich maszyn. Największym problemem w tego typu kopalniach są wody gruntowe. Jeżeli ruda znajduje się pod zbiornikiem wód gruntowych i nie ma możliwości ominięcia go, to wykorzystuje się pompy w celu usunięcia wody. Ze względu na ogromną eksploatację terenu podczas wydobywania surowca w takiej kopalni, przepisy prawne nakazują firmom górniczym założenie środków pieniężnych w postaci depozytu, który posłuży do finansowania regeneracji terenu po zakończeniu użytkowania kopalni.

Kopalnie podziemne

Kopalnie podziemne są tworzone, gdy złoża występują głęboko pod ziemią (nawet do 1 km pod ziemią). Jedną z technik wydobycia rudy uranu w takich kopalniach jest metoda „cięcia i napełniania”. Polega ona na nawierceniu otworów o niewielkiej średnicy w rudzie, a następnie wykruszenie rudy ze ściany skalnej używając do tego ładunku wybuchowego. Przestrzeń po odstrzale rudy wypełnia się skalnymi odpadami i cementem. W przypadku tego typu górnictwa wprowadzone zostały rygorystyczne przepisy dotyczące wentylacji w kopalni.
Jest to spowodowane rozpadem uranu do radonu, który w formie gazowej jest szkodliwy dla zdrowia i życia.

W przypadku obydwu typów kopalni konwencjonalnych, ruda po wydobyciu jest transportowana na powierzchnię, w celu przeprowadzenia procesu mielenia rudy, odseparowania uranu od odpadów skalnych i stworzenia tzw. „yellowcake” (dosł. "żółte ciasto"). „Yellowcake” jest w postaci żółtego proszku, który zawiera skoncentrowany uran, w postaci tlenków uranu. Następnie jest on poddawany procesowi wzbogacenia, gdzie w efekcie powstaje tzw. „uran wzbogacony”, w którym koncentracja użytecznego do reaktorów jądrowych uranu-235 rośnie z 0.7% do 3%-5%. Jako produkt uboczny powstaje uran zubożony, zawierający uran-238.

Metoda wydobywania ISL (In-situ leaching)

Najbardziej zdumiewającym aspektem tej metody jest fakt, że podczas jej zastosowania nie trzeba wydobyć rudy, dzięki czemu ingerencja w grunt jest bardzo niewielka oraz nie powstaje hałda kopalniana lub inne odpady skalne. Polega ona na przepuszczeniu rozpuszczalnika przez rudę, a następnie roztwór zawierający uran jest wypompowywany na powierzchnię, gdzie uran jest odzyskiwany poprzez reakcję chemiczną jako osad. Aby zastosować tę metodę złoże rudy musi być przenikalne dla rozpuszczalnika oraz w pobliżu rudy nie mogą występować wody gruntowe, ponieważ mogłyby ulec skażeniu. Największy producent uranu na świecie, czyli kazachstańska firma Kazatomprom, posiada w większości stacje wydobywcze stosujące tę metodę. Aktualnie metodą ISL jest wydobywane ok. 60% światowych zasobów uranu.

Mniej powszechne metody wydobywania uranu

• Heap leaching – na powierzchni ustawione w postaci 5-30 metrowego stosu rozłupane niskogatunkowe rudy uranu są przepłukiwane rozpuszczalnikiem. Stosy są ustawione na nieprzepuszczalnej podstawce, w celu zapobiegania kontaminacji środowiska. Polane stosy rudy stoją tak kilka tygodni, a następnie roztwór bogaty w uran jest zbierany i poddawany reakcjom wymiany jonowej w celu odzyskania uranu w czystej postaci.
• Odzyskiwanie uranu z wód morskich – stężenie uranu w wodach morskich jest niewielkie, lecz przez gigantyczne rozmiary tego źródła, ilość uzyskanego uranu może być ogromna. Ta metoda nie jest jeszcze na tyle rozpowszechniona i dobrze dopracowana, żeby konkurować z wcześniej wymienionymi metodami. W aktualnym roku wiodąca firma w Chinach CNNC zaaplikowała sposób na wydobywanie uranu z wód, który ma być konkurencyjny z tradycyjnymi sposobami. Czas pokaże czy uda im się całkowicie zastąpić stare sposoby.
• Co-product/by-product – uran występuje również jako produkt uboczny podczas wydobywania takich surowców jak: molibden, wanad, nikiel, cynk oraz produkty ropopochodne. Uran można wyizolować od tych surowców, lecz ta metoda nie jest aż tak efektywna, w porównaniu do tradycyjnych metod.

Warunki pracy górników

W takich miejscach pracy jak kopalnie z radioaktywnymi surowcami najważniejsze są regulacje prawne nałożone na firmy wydobywcze oraz odpowiedni sprzęt i warunki pracy zapewnione przez te firmy dla pracowników. Jednocześnie oczywistym jest, że zależnie od środowiska pracy skala niebezpieczeństwa będzie różna.

Najbardziej niebezpieczne są z pewnością kopalnie podziemne. Oprócz podstawowych zagrożeń kopalnianych takich jak zawalenie szybu kopalnianego lub pylica płuc, kopalnie uranu zawierają niebezpieczeństwa radiacyjne, spowodowane głównie obecnością radonu wydobywającego się ze skał lub z rozpadu uranu. Radon może być uwalniany w postaci bezpośrednio gazowej lub w zmieszanej formie z pyłem kopalnianym. Przez brak odpowiedniego zbioru regulacji prawnych oraz sprzętu najniebezpieczniejsze kopalnie mieszczą się w Afryce. Natomiast kopalnie w Australii czy Kanadzie są podporządkowane regulacjom prawnym, przez co są dobrze wentylowane, a pracownicy najbardziej narażeni na promieniowanie od mocno skondensowanych rud, są ciągle monitorowani przez urządzenia do pomiaru promieniowania.

Kopalnie odkrywkowe są bardzo dobrze wentylowane przez to, że nie są pod ziemią i dodatkowo pracownicy najczęściej pracują zamknięci w kabinach maszyn, co stanowi utrudnienie wobec promieniowania od wydobywanych rud oraz niweluje wdychanie radioaktywnego radonu i pyłu.

W przypadku wydobywania ISL większość placówek tego typu jest wyposażonych w nowoczesny sprzęt oraz profesjonalną aparaturę transportującą roztwór uranu, przez co promieniowanie jest zachowane poniżej granicy niebezpiecznej i jest z pewnością mniejsze w porównaniu z kopalniami tradycyjnymi. Większym zagrożeniem w tym przypadku jest posługiwanie się chemicznymi odczynnikami, lecz jeśli pracownik jest odpowiednio wyszkolony, to jest niska szansa, że ulegnie wypadkowi.

Źródła: euronuclear.org, world-nuclear.org, theupa.org, oecd-nea.org, acs.org, Modern Ghana, The Guardian, wikipedia.org

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Tobiasz Kobza