Pengolahan uranium

Pemrosesan uranium, persiapan bijih untuk digunakan dalam berbagai produk.

Uranium (U), meskipun sangat padat (19,1 gram per sentimeter kubik), adalah logam yang relatif tidak mudah bereaksi. Memang, sifat logam uranium tampaknya antara antara perak dan logam sejati lainnya dan orang-orang dari unsur-unsur non-logam, sehingga tidak dihargai untuk aplikasi struktural. Nilai utama uranium adalah dalam sifat radioaktif dan fisi dari isotopnya. Di alam, hampir semua (99,27 persen) logam terdiri dari uranium-238; sisanya terdiri dari uranium-235 (0,72 persen) dan uranium-234 (0,006 persen). Dari isotop yang terbentuk secara alami ini, hanya uranium-235 yang secara langsung dapat difisiasi dengan iradiasi neutron. Namun, uranium-238, setelah menyerap neutron, membentuk uranium-239, dan isotop terakhir ini akhirnya meluruh menjadi plutonium-239 — bahan fisil yang sangat penting dalam tenaga nuklir dan senjata nuklir. Isotop fisil lainnya, uranium-233, dapat dibentuk dengan iradiasi neutron thorium-232.

Bahkan pada suhu kamar, logam uranium yang terbelah halus bereaksi dengan oksigen dan nitrogen. Pada suhu yang lebih tinggi ia bereaksi dengan berbagai logam campuran untuk membentuk senyawa intermetalik. Pembentukan larutan padat dengan logam lain jarang terjadi, karena struktur kristal tunggal yang dibentuk oleh atom uranium. Antara suhu kamar dan titik lelehnya 1.132 ° C (2.070 ° F), logam uranium ada dalam tiga bentuk kristal yang dikenal sebagai fase alfa (α), beta (β), dan gamma (γ). Transformasi dari fase alfa ke fase beta terjadi pada 668 ° C (1.234 ° F) dan dari fase beta ke fase gamma pada 775 ° C (1.427 ° F). Gamma uranium memiliki struktur kristal kubik berpusat-tubuh (bcc), sedangkan beta uranium memiliki struktur tetragonal. Namun, fase alfa terdiri dari lembaran atom bergelombang dalam struktur ortorombik yang sangat asimetris. Struktur anisotropik ini, atau terdistorsi, menyulitkan atom-atom logam paduan untuk menggantikan atom uranium atau menempati ruang antara atom uranium dalam kisi kristal. Hanya molibdenum dan niobium yang diamati membentuk paduan larutan padat dengan uranium.

Sejarah

Ahli kimia Jerman Martin Heinrich Klaproth dikreditkan dengan menemukan unsur uranium pada tahun 1789 dalam sampel bijih uranium. Klaproth menamai unsur baru itu dengan nama planet Uranus, yang telah ditemukan pada tahun 1781. Namun, baru pada tahun 1841, ahli kimia Prancis Eugène-Melchior Péligot menunjukkan bahwa zat logam hitam yang diperoleh Klaproth sebenarnya adalah senyawa uranium dioksida. Péligot menyiapkan logam uranium aktual dengan mengurangi uranium tetraklorida dengan logam kalium.

Sebelum penemuan dan penjelasan fisi nuklir, beberapa penggunaan praktis uranium (dan ini sangat kecil) ada dalam pewarnaan keramik dan sebagai katalis dalam aplikasi khusus tertentu. Saat ini, uranium sangat dihargai untuk aplikasi nuklir, baik militer maupun komersial, dan bahkan bijih kadar rendah memiliki nilai ekonomis yang besar. Logam uranium secara rutin diproduksi melalui proses Ames, yang dikembangkan oleh ahli kimia Amerika FH Spedding dan rekan-rekannya pada tahun 1942 di Iowa State University, Ames. Dalam proses ini, logam diperoleh dari uranium tetrafluoride dengan reduksi termal dengan magnesium.

Bijih

Kerak bumi mengandung sekitar dua bagian per juta uranium, yang mencerminkan distribusi yang luas di alam. Lautan diperkirakan mengandung 4,5 × 10 ⁹ ton elemen. Uranium terjadi sebagai konstituen yang signifikan dalam lebih dari 150 mineral berbeda dan sebagai komponen minor dari 50 mineral lainnya. Mineral uranium primer, ditemukan di vena hidrotermal magmatik dan di pegmatit, termasuk uraninit dan bijih uraninit (yang belakangan merupakan berbagai uraninit). Uranium dalam dua bijih ini terjadi dalam bentuk uranium dioksida, yang-karena oksidasi-dapat bervariasi dalam komposisi kimia yang tepat dari UO ₂ ke UO _2,67. Bijih uranium lain yang penting secara ekonomi adalah autunite, kalsium uranyl fosfat terhidrasi; tobernite, uranil fosfat tembaga terhidrasi; coffinite, silikat uranium terhidrasi hitam; dan carnotite, potassium uranyl vanadate yang terhidrasi kuning.

Diperkirakan lebih dari 90 persen cadangan uranium berbiaya rendah yang diketahui terjadi di Kanada, Afrika Selatan, Amerika Serikat, Australia, Niger, Namibia, Brasil, Aljazair, dan Prancis. Sekitar 50 hingga 60 persen dari cadangan ini berada dalam formasi batuan konglomerat Danau Elliot, yang terletak di utara Danau Huron di Ontario, Can., Dan di ladang emas Witwatersrand di Afrika Selatan. Formasi batu pasir di Dataran Tinggi Colorado dan Cekungan Wyoming di Amerika Serikat bagian barat juga mengandung cadangan uranium yang signifikan.

Menambang dan berkonsentrasi

Bijih uranium muncul dalam endapan yang dekat permukaan dan sangat dalam (mis. 300 hingga 1.200 meter, atau 1.000 hingga 4.000 kaki). Bijih dalam kadang-kadang terjadi pada lapisan setebal 30 meter. Seperti halnya dengan bijih logam lainnya, bijih uranium permukaan mudah ditambang dengan peralatan penggerak bumi yang besar, sementara endapan yang dalam ditambang dengan metode poros vertikal tradisional dan metode penyimpangan.

Bijih uranium biasanya hanya mengandung sejumlah kecil mineral yang mengandung uranium, dan ini tidak cocok untuk peleburan dengan metode pyrometalurgi langsung; sebagai gantinya, prosedur hidrometalurgi harus digunakan untuk mengekstraksi dan memurnikan nilai uranium. Konsentrasi fisik akan sangat mengurangi beban pada sirkuit pemrosesan hidrometalurgi, tetapi tidak ada metode manfaat konvensional yang biasanya digunakan dalam pemrosesan mineral — misalnya, gravitasi, flotasi, elektrostatik, dan bahkan penyortiran tangan — umumnya berlaku untuk bijih uranium. Dengan sedikit pengecualian, metode konsentrasi menghasilkan hilangnya uranium yang berlebihan akibat tailing.