Современные методы определения содержании урана в рудных интервалах гидрогенных месторождении.

В настоящее время основу минерально-сырьевой базы для добычи урана в Казахстане составляют экзогенные инфильтрационные месторождения урана, связанные с региональными зонами пластового окисления. Образование пластово-инфильтрационных урановых месторождений возможно только в условиях достаточно свободной миграции растворенного кислорода в проницаемые части земной коры. Главным условием возможности глубокого проникновения кислорода является отсутствие в приповерхностных условиях активных восстановителей, что возможно только в районах с аридным или субаридным климатом. Важнейшим рудоконтролирующим фактором на инфильтрационных месторождениях являются зоны пластового окисления (ЗПО), причем оруденение связано с ними не только пространственно, но и генетически. На границе выклинивания ЗПО образуется восстановительный барьер, на котором и происходит осаждение урана и формирование рудных залежей.   

Месторождения пластово-инфильтрационного типа в настоящее время обеспечивают более трети мировой добычи урана. Начало разработки серии крупнейших рудных объектов данного типа в Чу-Сарысуйской провинции в 2000-х годах позволило Республике Казахстан прочно занять позицию мирового лидера по производству урана. Однако эксплуатация этих месторождений сопряжена с рядом специфических проблем, существенно влияющих на эффективность процесса добычи. К их числу относится крайне непостоянное значение отношения содержаний радия и урана — коэффициента радиоактивного равновесия (КРР). Оно обусловлено миграционной способностью этих элементов в ситуации подвижной, открытой системы, каковой является ураново-рудное тело относительно молодых и всё ещё формирующихся инфильтрационных месторождений Чу-Сарысу.

Вариации КРР здесь достигают более порядка даже в пределах одного рудного пересечения, что самым критичным образом влияет на кондиции руд. Следовательно, они должны учитываться при оценке и отработке месторождения. Метод гамма-каротажа (ГК), традиционно используемый при разведке и эксплуатации урановых месторождений, не позволяет достоверно распознать элемент-источник гамма-аномалии, поскольку определяет общий уровень гамма-активности без разделения на изотопы. Сопутствующий анализ кернового материала хоть и обеспечивает получение достаточно точной оценки содержания полезного компонента, но, в свою очередь, тоже имеет ограничения, связанные с неизбежными потерями образцов керна, а также высокой стоимостью кернового бурения и аналитических работ. Применение нейтронных методов исследования скважин позволяет повысить достоверность геофизических заключений и, как следствие, сократить сроки и затраты на поиски и разведку, применять более прогрессивные и экономичные системы разработки месторождений, повысить коэффициент извлечения запасов. Использование нейтронных методов дает возможность значительно уменьшить ошибки при подсчете запасов и повысить удельную эффективность затрат на разведку. Отсюда вытекает высокая перспективность научных, опытно-методических и производственных работ по совершенствованию существующих и созданию новых нейтронных методов исследования горных пород.

Внедрение метода достоверного определения содержания урана непосредственно в буровых скважинах является оптимальным решением задачи повышения эффективности поисково-оценочных и разведочных работ на пластово-инфильтрационных месторождениях урана. Такими методами являются:

1. Спектрометрический гамма-каротаж по линиям 185,7 кэВ (АсU) и 1001 кэВ (UX₂);

2. Рентгенорадиометрический каротаж по линии К₁ урана (РРК);

3. Каротаж природных нейтронов (КПН);

4. Каротаж запаздывающих нейтронов (КЗН);

5. Каротаж мгновенных нейтронов деления (КНД-М);

Ниже изложу основные принципы каждого метода и дам их сравнительные характеристики.

1. Спектрометрический гамма-каротаж по линиям 185,7 кэВ (АсU) и 1001 кэВ (UX₂)

Фрагмент типичного аппаратурного спектра естественного гамма-излучения урановой руды с ненарушенным радиоактивным равновесием представлен на рисунке 6.1. Этот спектр измерен Ge(Li) детектором объёмом 27 см³ с энергетическим разрешением 2,5 кэВ (по линии 1,33 МэВ) на модели равновесной урановой руды в 4-π геометрии. Площадь полезного сигнала в области 186 кэВ составляет 114 мин ^-1 на 0,01% U. При этом вклад гамма-излучения ²²⁶Ra с линией 186,1 кэВ в эту область составляет примерно 70%, а фон, обусловленный рассеянным гамма-излучением, равен 204 мин ^-1. По линии 1001 кэВ получены следующие значения скоростей счета полезного сигнала и фона - соответственно 4,2 и 6,3 ^мин-1. Из приведенного спектра видно, что с помощью полупроводниковых детекторов, обладающих высоким энергетическим разрешением, в принципе можно выделить относительно слабое гамма-излучение AcU или UX₂ на фоне рассеянногогамма-поля.

Рисунок 6.1 – Аппаратурный спектр естественногогамма–излучения урановой руды с ненарушенным радиоактивны равновесием между ураном и радием.

Если обозначить через N_c скорость счета oт «полезного» сигнала, мин^-1, то время измерения, обеспечивающее статистическую погрешность менее 10%, можно оценить по формуле:

, мин.

Если воспользоваться приведенными выше результатами измерений, то нетрудно подсчитать, что время измерения, обеспечивающее выделение полезного сигнала с погрешностью 10%, равно примерно 38 мин для измерений по энергетическому пику 186 кэВ, а по пику 1001 кэВ - 95 мин.

Столь низкая производительность, а также необходимость охлаждения детекторов, свидетельствуют о том, что метод спектрометрического гамма-каротажа является, в настоящее время мало перспективным для определения содержаний урана в рудах [10].

2.  Рентгенорадиометрический каротаж (РРК)

В спектре характеристического излучения урана имеется интенсивная линия Ка₁  с энергией 98,43 кэВ. Ее оптимальное возбуждение обеспечивается источником ⁵⁷Со, испускающим гамма-кванты с энергией 122 (88,2%) и 135 (11,8%) кэВ. Применение полупроводниковых Ge(Li) детекторов большого объема с высоким энергетическим разрешением позволяет уверенно выделять К_а1-линию урана на фоне гамма-изучения урановой руды. При этомм как отмечают зарубежные источники, можно обеспечить порог обнаружения урана 0,005%. Аппаратурный спектр, измеренный на модели урановой руды, имитирующей измерение в скважине, приведен на рисунки 6.2.

Известная трудность на пути использования рентгенорадиометрического метода состоит в необходимости учета глинистой корки, которая существенно ослабляет полезный сигнал. К недостаткам метода можно также отнести необходимость использования криогенной техники для обеспечения работы полупроводниковых детекторов н использование источников ионизирующего излучения - для возбуждения характеристического излучения.

Рисунок 6.2 – Аппаратурные спектры гамма-излучения урановой руды и рентгеновского К-излучения.

3. Каротаж природных нейтронов (КПН)

Метод КПН основан на регистрации нейтронов, возникающих в урановых рудах в результате спонтанного деления ядер урана и в результате ядерных реакций (а, п), с породообразующими элементами - в основном на бериллии, боре, кислороде, углероде, фторе, алюминии, кремнии и натрии. Среднее число мгновенных нейтронов деления, испускаемых на один акт спонтанного деления ядер урана, составляет в среднем 2 - 3. Средняя энергия спектра - 1.87 МэВ. Доля нейтронов, появляющаяся за счет реакций (а, п), при содержании урана (~5*10^-4%) составляет 80% от общего числа природных нейтронов; при содержаниях урана более 0,01% эта доля (в зависимости от элементного состава руды) снижается до 30-70%.

Выход нейтронов при спонтанном делении ядер тория на единицу массы примерно в 150 раз меньше выхода при делении ядер урана и потому содержание тория практически не влияет на характер нейтронного поля.  

В простейшем варианте для реализации метода КПН кроме регистрации потока нейтронов необходимо измерять дополнительно мощность экспозиционной дозы гамма-излучения ЕРН - для учета доли нейтронов в (а, п) реакциях на породообразующих элементов, и проводить нейтрон- нейтронный каротаж - для учета влияния поглощающих свойств нейтронов рудного материала, поскольку результирующий поток нейтронов существенно зависит от нейтронных параметров среды.

Экспериментально установлено, что на различных урановых месторождениях пересчетный коэффициент при работе с гелиевым счетчиком типа СНМ-18 составляет в среднем 0,4 имп/мин на 0,01% урана, а значение фоновых сигналов, вызванных (а, п)-реакциями - 0,15 имп/мин. Низкая чувствительность метода, а также необходимость проведения гамма-каротажа и нейтрон-нейтронного каротажа с плутоний-бериллиевым источником, затрудняют внедрение метода в производство. Метод может найти ограниченное применение для контроля над ходом процессов подземного выщелачивания.

4. Каротаж запаздывающих нейтронов (КЗН)

Метод КЗН базируется на регистрации запаздывающих нейтронов, возникающих при делении ядер ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th под действием нейтронного излучения генератора или ампульного калифорниевого источника. Вклад запаздывающих нейтронов деления составляет примерно 1% от общего числа нейтронов деления урана. Спектральные характеристики запаздывающих нейтронов даны в таблице 6.1

Таблица 6.1 – Спектральные характеристики запаздывающих нейтронов

Процесс измерения при работе с нейтронным генератором заключается в регистрации нейтронов в промежутке между следующими друг за другом нейтронными импульсами генератора с задержкой после импульса не менее 3 мс - время, необходимое для полного поглощения тепловых нейтронов, образующихся при замедлении первичных нейтронов генератора.

При использовании ампульного источника процесс измерения состоит из трех последовательно повторяющихся операций: облучение породы вблизи детектора нейтронов в течение 9-10 с, перемещение за 1-2 с источника в скважинном приборе на расстояние 2 м и регистрация запаздывающих нейтронов в течение 9-10 с.

Отличительная особенность метода КЗН заключается в необходимости применения нейтронного источника большой мощности. Так для обеспечения 10% погрешности определения урана в руде с содержанием 0,01% за время измерений 1 мин. необходимо использовать нейтронные генераторы (или ампульные калифорниевые источники) с потоком не менее 10⁹ нейтр/с. Столь высокие требования к нейтронным источникам осложняют промышленное внедрение метода КЗН. Кроме того, заметное влияние на нейтронное поле оказывает наличие в рудах тория. Так, например, при одинаковых значениях массовых долей урана и тория вклад тория в регистрируемый сигнал КЗН достигает 25%.

5. Каротаж мгновенных нейтронов деления (КНД-М)

Метод КНД-М оснөвана на регистраций мгновенных нейтронов деления (МНД), возникающих при делении ядер ²³⁵U под действием тепловых нейтронов, образующихся при замедлений быстрых нейтронов импульсного нейтронного генератора. Аппаратура на сегодня, типа АИНК (например, АИНК-60 и АИНК-49), реализующая метод КНД-М, позволяет проводить непрерывную съемку каротажа со скоростью до 60 м/ч. Достигнутый порог обнаружения урана 0,003%. Таким образом, из всех возможных методов определения содержаний урана in situ метод КНД-М обладает в сегодняшнее время наибольшей чувствительностью и производительностью. Принцип метода основан на следующем:

При облучении нейтронами природных образований, содержащих радионуклиды ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, происходит захватом нейтронов ядрами этих элементов которые приводит к расщеплению ядер на осколки. Каждый акт деления ядер сопровождает выделение двух трех нейтронов со средней энергией каждого нейтрона порядка 2 МэВ. При этом радионуклиды ²³⁸U, ²³²Th разделяются лишь быстрыми нейтронами (пороги их деления равны соответственно 1,4 и 1,5 МэВ), а радионуклиды ²³⁵U наиболее эффективно расщепляется тепловыми нейтронами, при чем сечение деления тепловыми нейтронами ²³⁵U на два-три порядка выше сечение деления нейтронами радионуклидов ²³⁸U и ²³²Th. Это означает, что последние практически не влияют на поле мгновенных нейтронов деления. А поскольку для урановых месторождений соотношение радионуклидов ²³⁸U, ²³⁵U строго постоянно и равно 0,072, то поле МНД является мерой содержания природного урана.

Именно это свойство интенсивного «мгновенного» выделения нейтронов сопровождающих делением ядер ²³⁵U под действием тепловых нейтронов, и лежит в основе «прямого метода» определения урана in sute. Таким образом, количество МНД зависит не только от мощности источника нейтронов и от содержания урана в рудах, но и от пространственного распределения тепловых нейтронов которое зависит от свойства среды. Также было сказано выше, основным фактором, определяющим замедляющую способность нейтронов, является водородосодержание – то от влажности руд. То есть, одновременно с измерением параметров, характеризующий мощность генератора нейтронов и поле МНД. необходимо измерять параметры, характеризующие водородосодержание, а именно – поле тепловых нейтронов или же определять влажность руд иным независимым источником.

Для реализации метода КНД-М в сегодняшнее время в качестве источника нейтронов используют нейтронные генераторы с отпаянными вакуумными трубками, которые работают в импульсном режиме частотами от 20 до 50 Гц и генерируют быстрые нейтроны с энергией 14 МэВ и выходом до 2*10⁸ нейтронов в секунду. В этих генераторах нейтроны образуются в результате ядерной реакции ³H(d,n)⁴He при бомбардировке ускоренными дейтронами тритиевых мишеней.

Из вышеизложенного материала следует можно сказать, что метод КНД-М на стадии геологоразведочных работ обладает в сегодняшнее время наибольшей чувствительностью и производительностью. Метод позволяет существенно сократить расходы за счет:

- сокращения затрат на транспортировку кернового материала до лаборатории;

- увеличения доли бескернового бурения до 85-90 % от общего объема буровых работ;

- сокращения лабораторно-аналитических работ;

- сокращения затрат на захоронение кернового материала;

- повышения достоверности подсчета запасов урана на гидрогенных месторождениях по промышленным категориям [9].

Таким образом, анализируя и сравнивая методы определения прямого содержания урана, можно сделать вывод о целесообразности и перспективности проведения метода КНД-М.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА

«ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ»

Студенту: