Parameter von Uranerzvorkommen und Uranerzlagerstätten in Hinblick auf die Aufbereitung

Gliederung, Inhaltsverzeichnis

0. Einleitung, Aufgabenstellung

1. Uranerzvorkommen/-lagerstätten der Lagerstättenart A. und B
1.1 Klassifikation von Uranerzlagerstätten
1.1.1 Der magmatische Typ
1.1.2 Sedimentäre Bildungsprozesse
1.1.2.1 Der gangförmige Typ
1.1.2.2 Der Konglomerat.-Typ
1.1.2.3 Der Sandstein-Typ
1.1.2.4 Die Sonderform ‚Calcrete‘
1.2 Auflistung von U-Vorkommen/-Lagerstätten als Grundlage der Untersuchungen
1.3 Die Standard-Aufbereitungsverfahren
1.3.1.1 Physikalische Vorbehandlung
1.3.1.1.1 Selektion
1.3.1.1.2 Vergleichmäßigung (Blending)
1.3.1.1.3 Zerkleinerung
1.3.1.1.4 Vorkonzentration
1.3.1.1.5 Röstung
1.3.1.2 Chemischer Aufschluss
1.3.1.2.1 Laugung
1.3.1.2.2 Saure Laugung
1.3.1.2.3 Alkalische Laugung
1.3.1.2.4 Waschung, Fest/Flüssigtrennung
1.3.1.3 Extraktion durch Ionenaustausch
1.3.1.3.1 Fest/Flüssig-Ionenaustausch (resin exchange)
1.3.1.3.2 Flüssig/Flüssig-Zonenaustausch (solvent extraction)
1.3.1.4 Endkonzentratherstellung
1.3.2 Weiterentwicklung der Standardprozesse
1.3.3 Kosten der Standard-Aufbereitungsverfahren
1.4. Übersicht über die aktiven Aufbereitungsanlagen
1.5 Die Beziehungen zwischen den Parametern der einzelnen Lagerstättentypen und den Standard-Aufbereitungsverfahren
1.5.1 Aufbereitung des magmatischen Typ
1.5.2 Der gangförmige Typ
1.5.3 Der Konglomerat-Typ
1.5.4 Der Sandstein-Typ
1.5.5 Die Sonderform ‚Calcrete‘
1.6 Neue Aufbereitungsverfahren
1.6.1 Der Bakterielle Laugungsprozess
1.6.2 Die Starksäure-Laugung (strong acid Ieaching)
1.6.3 Laugungsbergbau (solution mining)
1.6.3.1 In-situ-Verfahren
1.6.3.2 Gemischte Verfahren
1.6.4 Halden und Haufenlaugung
1.7 Übersicht über die Versuchsanlagen (Pilot Plant)
1.8 Die Parameter der Lagerstättenarten A und B in Hinblick auf die Aufbereitung
1.8.1 Das Parameterformular zur Beschreibung von Uranlager-stätten/-vorkommen in Hinblick auf Aufbereitungsverfahren

2. Uranvorkommen/-lagerstätten der Art C und D
2.1 Allgemeine Betrachtungen
2.2 Uran aus Lagerstätten der Art C
2.2.1 Uran als Nebenprodukt der Goldgewinnung
2.2.2 Uran als Nebenprodukt der Kupfergewinnung
2.2.3 Uran als Nebenprodukt der Wo/Sn-Gewinnung
2.2.4 Uran als Nebenprodukt der Phosphorsäuregewinnung
2.3 Uran aus Vorkommen der lagerstättenart D
2.4 Uran aus 'Sonstigen Typen' (Art C und/oder D)
2.4.1 Uran aus Ligniten
2.4.2 Uran aus Kohlen
2.4.3 Uran aus Schwarzschiefern
2.4.4 Uran aus asphaltischen Gesteinen
2.4.5 Uran aus Meerwasser
2.5 Abschließende Bemerkungen

3. Zusammenfassung und Ausblick -

Literaturverzeichnis

Anlagen:

Anlage 1 Uranminerale

Anlage 2 Uranvorkommen/-lagerstätten, geordnet nach Kontinenten und Ländern

Anlage 2.1 Sonderaufstellung des Sandsteintyps in den USA

Anlage 3 Die Mineralparagenesen von Uranerzvorkommen/-lagerstätten, geordnet nach Lagerstättentypen

Anlage 4 Übersicht über die aktiven Uran-Aufbereitungsanlagen

Anlage 4.1 Projektierte und im Bau befindliche Aufbereitungsanlagen

Anlage 5 Überblick über Versuchsanlagen (Pilot Plant)

Anlage 6 Ausgewählte Stammbäume von Aufbereitungsanlagen

0. Einleitung, Aufgabenstellung

In der vorliegenden Arbeit sollen anhand von Literatur­angaben die Parameter von Uranlagerstätten/-vorkommen erarbeitet, und, wenn möglich, qualitativ bestimmt werden, welche die Aufbereitung beeinflussen.

Es ist nicht Ziel der Arbeit, die wirtschaftliche Gewinn­barkeit von Uranvorkommen zu untersuchen, da diese noch von weiteren, teilweise übergeordneten, aufbereitungsfrem­den Parametern, welche die Nutzung eines wirtschaftlich aufbereitbaren Uranvorkommens unmöglich machen können, abhängig ist.

Die Bewertung eines Uranvorkommens als Lagerstätte hängt von folgenden Parametern ab (nach Siegers, 93)^[1] :

- Roherz Gehalt und Gesamtinhalt
- Gewinnbarkeit mit den Mitteln der Bergbautechnik
- Aufbereitbarkeit
- Infrastruktur, Umweltbeeinflussung
- sinnvolle politische und wirtschaftliche Bedingungen in dem Land, in dem das Vorkommen liegt
- Erzielung kostendeckender Erlöse für das erzeugte Kon­zentrat

Unter Berücksichtigung dieser Parameter auf die wirtschaft­liche Gewinnbarkeit der heute bekannten Uranvorkommen, müssen vier Arten von Lagerstätten unterschieden werden:

Kostendeckende Gewinnung von Urankonzentraten

A - allein durch Uraninhalt der Lagerstätte
B - allein durch Uraninhalt der Lagerstätte bei zusätzlichen Erlösen
durch erzeugte Nebenprodukte
C - als Nebenprodukt, der Kostenträger ist ein erzeugtes,
nichtradioaktives Konzentrat (z.B. Cu, Au o.ä.)
D - nur bei kostendeckender Gewinnung anderer vorhandener
Wertstoffe

Anhand der Literatur lassen sich die Lagerstättenarten A und B von C und D durch eine Urangehaltsschwelle abgren­zen, die heute bei 0,1 - 0,2 % U3O8 im Fördererz liegt. (siehe z.B. 38, 97)

Als Uranarmerzvorkommen/-lagerstätten werden in der Lite­ratur sowohl die Lagerstättenarten C und D, als auch die Arten A und B bezeichnet, wenn bei A und B die Urangehalte unter diesem Schwellwert liegen.

Die Aufbereitbarkeit aller dieser Arten hängt von den Be­ziehungen bestimmter Parameter der Lagerstätte/ des Vor­kommens zu den prozeßimmantenen Faktoren der zur Verfügung stehenden Aufbereitungsverfahren ab. Für die sogenannten Standardprozesse der Uranerz Aufbereitung (nach Flöter, 24), die sich durch die geschichtliche Entwicklung der Uranaufbereitung vornehmlich in den USA herauskristallisiert haben, lassen sich einige lagerstättenbezogene Parameter angeben, die als Kriterien für die Gestaltung der Aufbe­reitungsprozesse herangezogen werden. Nach Merrit (49) sind dies:

- Mineralparagenese (Uranminerale, Begleitminerale, Ganggestein)
- Mengenverhältnisse der Mineralkomposition
- physikalische Eigenschaften (Mineralkorngrößen, Verwachsungsgrad, Härte)

Zu untersuchen ist, wie sich diese Parameter qualitativ auf die Aufbereitung auswirken und welche anderen Parameter zusätzlich für die neuen Aufbereitungsverfahren berücksich­tigt werden müssen.

Wie der Literatur zu entnehmen ist, wird die Auswahl des Aufbereitungsprozesses für ein Uranvorkommen heute noch vornehmlich durch Labortests sowie durch Tests im Technikums Maßstab vorgenommen, wobei solange mit dem vorliegen­den Erz experimentiert wird, bis sich eine wirtschaftliche Aufbereitbarkeit durch einen bestimmten Prozess abzeichnet (20. 21, 7, 24, 49). Dieser Prozess wird dann entweder sofort in einer Aufbereitungsanlage verwirklicht, oder vorsichtigerweise in einem Pilot-Plant in größerem Maßstab überprüft. Die Problematik der Übertragbarkeit von Versuchs Ergebnissen auf großtechnische Prozesse zeigt sich bei vielen Aufbereitungsanlagen darin, wie oft einzelne Teilprozesse geändert oder vollständig ausgewechselt werden mussten. Wenn es gelänge, das Roherz des Uranvorkommens ein­deutig und umfassend durch Parameter zu beschreiben, ließe sich eine wesentlich höhere Sicherheit der Auswahl des Aufbereitungsverfahrens erreichen.

Die vorliegende Arbeit ist in zwei Hauptteile aufgeteilt, wobei im ersten Hauptteil die Lagerstättenarten A und B, im zweiten die Lagerstättenarten C und D behandelt werden. Innerhalb dieser beiden Hauptteile soll untersucht werden, welche Lagerstättentypen bekannt sind, wie sie entstanden sind, durch welche Parameter sie sich auszeichnen, welche Aufbereitungsverfahren heute bekannt sind und durch welche qualitativen Beziehungen sich diese Aufbereitungsverfahren den Lagerstättentypen zuordnen lassen.

1. Uranerzlagerstätten/-vorkommen der Lagerstättenart A und B

1.1. Klassifikation von Uranerzlagerstätten

Im Folgenden wird eine Übersicht über die verschiedenen, heute bekannten Formen von Uranlagerstätten/-vorkommen gegeben, ihre Entstehung kurz beschrieben, sowie die ver­schiedenen Formen bestimmten Lagerstättentypen zugeordnet. Das Hauptproblem einer solchen Systematisierung liegt in der Klassifikation von Uranlagerstätten selbst begründet. Es existieren zahlreiche Vorschläge zur Einordnung ver­schiedenster Lagerstätten in Lagerstättenklassen. Sie berücksichtigen verschiedene geologische, mineralogische Gesichtspunkte, so z.B. Genese, Gastgesteine, Formationen, erdgeschichtliche Zeitabläufe, tektonische Begebenheiten, Mineralparagenese usw., wobei für die Einordnung zusätzlich zwei Fragestellungen ausschlaggebend sind:

- Wie, wann und wodurch ist es zur Urananreicherung gekommen?
(Epi-, Syngenese; exogene-endogene Vorgänge)
- Wie stellt sich die vorliegende Urananreicherung heute dar?

Die verschiedenen älteren Vorschläge zur Lagerstätten Klassifikation sind bei Maucher (103) gegenübergestellt, neuere Vorschläge liegen von Ruzicka (87), Little, Cornelius (9), Ziegler (101) und anderen vor.

All diese Vorschläge berücksichtigen den einen oder anderen Gesichtspunkt stärker und teilen die Uranlagerstätten in mehr oder minder umfangreiche Klassensysteme ein, wobei dann zusätzlich Schwierigkeiten bei der Einordnung von Lagerstätten. auftreten, deren Entstehung umstritten ist. (siehe z.B. 1, 42, 89).

Für diese Arbeit ist darüber hinaus eine Typisierung von Uranlagerstätten allein nach geologisch-mineralogischen Gesichtspunkten nicht ausreichend, auf der anderen Seite kann, solange die Parameter, die die Aufbereitung beein­flussen, nicht bekannt sind, keine sinnvolle Typisierung vorgenommen oder eine der vorgeschlagenen ausführlicheren Klassifikationen adaptiert werden.

Aus diesem Grund wird dieser Arbeit eine sehr einfache Klassifizierung zugrunde gelegt, die denen in der jüngeren Literatur oft verwendeten weitgehend entspricht (13, 25, 26, 76):

- Magmatischer Typ
- Gangförmiger Typ (vein- and similar-type dep.)
- Konglomerat-Typ
- Sandstein-Typ
- sonstige Typen

Diese Typisierung setzt sich über genetische und andere Gesichtspunkte hinweg, indem z.B. in dem gangförmigen Typ sowohl hydrothermale als auch Umlagerungsvorkommen zusam­mengefasst werden. Sie ist durch die gesonderte Aufführung des magmatischen Typs etwas ausführlicher als die Eintei­lung, die von Bowie (in 38) und von den Working-Groups des Symposiums über Uranlagerstätten (siehe 101) gewählt wurde, die den magmatischen Typ zu den 'Sonstigen Typen' rechnen. Diese Typisierung kommt auch der eingangs angeführten Unter­scheidung in Lagerstättenarten insofern entgegen, da die 'Sonstigen Typen' weitgehend identisch mit den Lagerstättenarten C und D sind. Sie werden daher erst im zweiten Ab­schnitt dieser Arbeit behandelt.

1.1.1 Der magmatische Typ

Zu diesem Typ sind alle durch magmatische Differentiation, pegmatitisch-pneumatolytisch sowie hochgradig metamorphe Vorgänge entstandenen Uranvorkommen zu zählen. In der mag­matischen Abfolge ist das Vorhandensein erhöhter Uran Konzentrationen an saure Magmen gebunden, in deren Erstarrungs­gesteinen z.B. Graniten diese erhöhten Urangehalte nachzuweisen sind, siehe dazu Tab. 1 (aus McMillan in 38). Zu wesentlich höheren Anreicherungen von Uran kommt es jedoch erst in den Restdifferenziaten dieser sauren Magmen; dies liegt an den hohen positiven Valenzen, dem Ionenradius, der elektrischen Ladung des Uranions, die einen diadochen Einbau anstelle des Kations in die Gitter von Feldspäten, Glimmern und anderen Granitbestandteilen im Magma selbst verhindern (Armstrong, in 101).

Je nach den Druck-, Temperatur- sowie tektonischen Bedin­gungen, denen diese Restschmelzen unterworfen sind, kommt es zur Ausbildung verschiedenster Gesteinsarten mit erhöhten Urangehalten. Bei Erstarrung in der Tiefe bilden sich Leuco­Granite, Biotit-Granite, Biotit-Quarz-Monzonite, Alkali-Granite. Bei Ausbildung von ungesättigten, peralkalischen Nephelin-Syeniten kommt es zur erhöhten Anreicherung von Uran (mehrere 100 ppm U). Extrusive Vorgänge mit diesen Restschmelzen führen zu uranreichem Rhyolithischen Tuffen, Phonolithen, Ignimbriten. Bei diesen ist das Uran in sauren Glasen enthalten, die schon durch natürliche Wässer gelöst werden können.

Bei entsprechenden P/T-Bedingungen kann sich das Uran auch in flüssiger oder gasförmiger Phase von diesen Restschmel­zen absondern und pegmatitisch-pneumatolytische Vorkommen bilden. Viele dieser Vorgänge sind strittig, so die Ent­stehung der uranführenden Carbonatite, entweder infolge pegmatitischer Vorgänge oder als Restderiverat der liquid­magmatischen Differentiation (Hybridmagmen).

Auch der hochmetasomatische Bereich bis hin zur Anatexis lässt sich schwer von pegmatitisch-pneumatolytischen Vor­gängen trennen. So werden die magmatischen Vorkommen des Bancroft-Gebietes, Kanada, teilweise als pegmatitisch, teilweise als hochmetamorphe Sedimente (Metasedimente) an­gesprochen. Ähnlich gelagert sind die Verhältnisse bei den Kontaktskarnen. Als Alaskite -werden granitoide Pegmatite bezeichnet, die bis 400 ppm U enthalten können, wobei hier jedoch. zusätzliche Verwitterungsvorgänge diese hohe Anrei­cherung bewirkt haben (Beispiel: Rössing, Namibia).

Tab. 1 Urangehalte magmatischer Gesteine (aus McMillan, 38)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.1.2 Sedimentäre Bildungsprozesse

Abgesehen von den echten hydrothermalen Gängen beim "gang­förmigen Typ" sind alle weiteren Typen von Uranvorkommen sedimentärer Natur.

Sie entstehen durch

- physikalische Prozesse
- chemische Prozesse
- organische Prozesse

und alle möglichen Überlagerungen dieser Prozesse.

Primäre Uranquelle der sedimentären Vorkommen sind in jedem Fall die sauren Erstarrungsgesteine der magmatischen Abfolge, die durch Verwitterungs- und/oder Lösungsvorgänge angegrif­fen werden. Das in Glasen enthaltene Uran saurer Vulkanite ist wasserlöslich und kann sofort abgeführt werden, während die Verwitterung von intramagmatischen Gesteinen zunächst das Uran nur freilegt. Je nach gerade herrschendem Klima kann es hier zu einer primären Anreicherung des Urans (und Kupfers) bei allitischer Verwitterung (reduzierendes Milieu) oder zu sofortiger Oxidation des 4-wertigen Urans (meist Uraninit) und Fortführung in Lösungen kommen (siallitische Verwitterung), nach (108). Während die Oxidation des Urans hauptsächlich vom Anstieg des Redoxpotentials abhängt, ist es anschließend vom herrschenden pH-Wert, sowie von Druck, Temperatur, anwesenden Kat- und Anionen abhängig, in wel­cher Form das Uran in Lösung geht. Im sauren Bereich liegt das Uran dann als Uranyl-Ion in den wässrigen Lösungen vor, im-alkalischen Bereich jedoch je nach Anwesenheit von CO2 und der Höhe des pH-Werts als Uranylkarbonat oder als Uranylkarbonat-Komplex. Es soll hier nicht weiter auf diese Lösungsvorgänge eingegangen werden, sondern es sei auf die entspre­chende Literatur verwiesen (29, 105).

Wichtig ist, dass das Uran so lange in Lösung bleibt und transportiert werden kann, solange diese Lösungen nicht in ein reduzierendes Milieu gelangen oder mit Uran adsorbie­renden oder ausfällenden Stoffen in Kontakt kommen.

Die "IAEA Working Group. 1" (101) gibt zu, dass die physi­kalischen, chemischen und organischen Prozesse, die zur Fällung und Anreicherung des Urans führen, auch heute noch nicht vollständig geklärt sind. Welche Uranminerale wann aus den Lösungen ausfallen, ist ja von einer Vielzahl von Faktoren abhängig; in Veröffentlichungen werden jedoch meist nur ein oder zwei Faktoren und eine resultierende Wirkung auf das Uran untersucht, Es wird hier deshalb nur aufgezählt, welche Bedingungen zur Fällung des Urans führen können, wobei 3 Hauptmechanismen zu unterscheiden sind:

- Reduktion des Urans in der Lösung und anschließende Fällung
- chemische Fällung
- Adsorption, Ionenaustausch

Die Reduktion des Urans wird durch Sulfide und/oder H2S bewirkt und ist vom Redoxpotential des Milieus abhängig. Bei diesem Vorgang werden die Sulfide (z.B. Pyrit) zu Li­monit und Hämatit oxidiert und das Uran reduziert, wobei es gleichgültig ist, ob das Uran als Uranyl-lon, oder Karbonat-, Sulfat-, Pyrophosphat-Urankomplex vorliegt. Die Ausfällung des reduzierten Urans aus der Lösung hängt dann vom pH-Wert des Milieus sowie Druck, Temperatur usw. ab. So bleiben bei einem pH-Wert < 4,5 die U-Ionon in Lösung, bei höheren pH-Werten fallen sie aus (105). Diese pH-Wert-Erhöhung kann z.B. durch Eindringen der Lösungen in Karbonat haltige Gesteine oder Kontakt mit Karbonat haltigen Wässern bewirkt sein, es wird dann von einer "geo­chemischen Barriere" gesprochen (4).

Der zweite Mechanismus ist die direkte Ausfällung von Uran durch anwesende Vanadat-, Phosphat-, Arsenat-Anionen. Diese Ausfällung ist vom Ph-, Eh-Wert, von den Konzentrationen dieser Anionen in der Lösung sowie von der Urankonzentration der Lösung abhängig (Dall'Aglio u.a. in 101). Organische Be­standteile und Kalke sollen hierbei die Rolle eines Kata­lysators spielen. Insbesondere Vanadium-Ionen sind ein her­vorzuhebendes U-Fällungsmittel, sie können sogar aus Kal­zium-Bikarbonat-haltigen Lösungen Uran sofort in Form von Carnotit und Tjujamunit fällen. Allgemein ist über die Zirkulationswege des Vanadiums und die nötigen Uran- Vanadium-­Gleichgewichte bisher nichts bekannt. Auch die Bedingungen, die zur Ausfällung von Uran durch Phosphat Ionen zu Autunit führen, sind noch ungeklärt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die angetroffenen Bedingungen der untersuchten Vorkommen nicht den Bedingungen entsprechen müssen, bei denen die Fällung stattgefunden hat.

Der dritte Mechanismus ist an die Anwesenheit von organi­schen Materialien sowie Tonen gebunden. Huminsäuren fixie­ren Uran und andere Kationen (z.B. V, Mo) sehr fest durch Kationenaustausch (102), Es entstehen Uranyl-Humate mit einem U-Anreicherungsfaktor bis 1•104, wobei dieser Prozess je nach pH-Wert reversibel ist; bei Ph < 3 geht das Uran wieder in Lösung (105). Uranadsorption ist an Tone, insbesondere Bentonite, sowie Kohlesubstanzen als Deriverate organischen Pflanzenmaterials gebunden, wobei das Ergebnis des Adsorptionsprozesses unabhängig von der Konzentration der Lösungen ist, sondern von der durch den Querschnitt des Adsorbanden hindurchgefilterten Lösungsmenge abhängt. Die Anwesenheit von Pflanzenresten ist von besonderer Be­deutung für bakterielle Prozesse, da diese Reste einen hervorragenden Nährboden für Bakterien abgeben. Durch Zerset­zung des organischen Materials und Reduktion von Sulfaten erzeugen diese Bakterien (z.B. Desulfovibrio desulfuricans) freies H2S, durch das Uran anschließend reduziert wird (49). Als Beweis für diese bakteriologischen Vorgänge wird das S32/S34-Verhältnis angeführt (105). Freies H2S kann auch von Erdöl/Erdgaslagerstätten abstammen, das bei Diffusion mit uranhaltigen Lösungen in geeigneten Formationen in Kon­takt kommen kann.

Diese 3 Mechanismen können sich nun auf engem Raum über­lagern, sodass die Einzelvorgänge kaum voneinander zu tren­nen sind. Wo und in welcher Form diese Mechanismen zu Uran Vorkommen führen, hängt zusätzlich von physikalischen Gege­benheiten wie Permeabilitäten von Formationen, Störungen, sogenannten geologischen Fallen usw. ab, durch die die beteiligten Stoffe zugeführt, festgehalten oder abgeführt werden.

Nach der Deposition des Urans in irgendeiner Form kann es durch weitere tektonische Veränderungen, aber auch Verände­rungen des physikalisch-chemischen Milieus zur Remobilisa­tion des Urans, Umwandlung in andere Minerale (z.B. Uraninit in Pechblende) usw. kommen. Diese Vorgänge können entweder zur weiteren Anreicherung oder auch zur Auflösung des vorhandenen Vorkommens führen. Für die Existenz des Uran Vorkommens ist deshalb ein Schutz vor der Wiederauflösung nötig. Dieser kann sowohl statisch als auch dynamisch sein. Als Beispiele für statischen Schutz sei die Überlagerung durch nicht-permeable Schichten, Absinken des Grundwasser­spiegels oder Abschluss von wasserführenden Formationen durch tektonische Bewegungen genannt. Als Beispiel für dynamischen Schutz können permanente Lösungs-/Fällungsvor­gänge innerhalb eines begrenzten Raumes angeführt werden, wobei hier das Uran keine Möglichkeit zur Abwanderung durch Vorhandensein entsprechender physikalisch-chemischer Bedin­gungen haben darf.

Infolge ähnlichen Verhaltens kann es bei allen diesen Vor­gängen neben der Uranmineralisation auch zur Ausbildung von V, Se, Mo, Be, As, Co, Ni, Pb, Zn, Cd u.a.-Mineralien kommen.

1.1.2.1 Der gangförmige Typ

Gangförmige Uran-Vorkommen findet man in allen möglichen Gastgesteinen. Sie füllen Störungen, Klüfte, Brüche, Scher­zonen, Brekzien, Hohlräume aus, und weisen Urangehalte bis zu mehreren Prozenten auf.

Die wässrigen Lösungen magmatogener Prozesse führen zur Ausbildung von hydrothermalen Ganglagerstätten, in denen Uran angereichert werden kann. Obwohl diese Prozesse zur magmatischen Abfolge gehören, sind diese Lagerstätten in die Klasse der gangförmigen Vorkommen eingeordnet worden. Dies spiegelt die Unsicherheit wider, viele als Gang aus­gebildete Lagerstätten eindeutig Vorgängen der magmatischen Abfolge (primär) oder sekundären Bildungsprozessen zuzuord­nen, bei denen sich die gangförmige Ausbildung durch-Umlage­rung des Urans ergeben hat.

Gänge, die Thoriumminerale enthalten, sind, da Thorium nur unter hypo- bis katathermalen Bedingungen löslich ist und deshalb sehr früh ausfällt, dahingehend unstrittig, dass magmatische Prozesse zu ihrer Entstehung geführt haben. Die Ausbildung von sog. Stockwerken, d.h. eine vertikale Aufteilung des Ganges in Bereiche verschiedener Mineral Paragenesen, ist neben der Erstreckung des Ganges in große Teufe ein sicheres Zeichen für "echte Gänge" (repräsentiert die hydrothermale Abfolge). Uranmineralisation hat stattgefunden, wenn in den Lösungen reduzierende Bedingungen vorgelegen ha­ben, die sich durch die Vergesellschaftung ausgefällter Pech­blende zusammen mit Sulfiden nachweisen lassen (53).

Es werden 3 Hauptformen unterschieden: (teilweise nach 53):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die angegebenen Temperaturbereiche, an die die Ausfällungen gebunden sein sollen, können natürlich durch Druck und Reak­tionen der Lösungen mit dem Gastgestein verschoben werden.

Sind keine Thorium Minerale sowie Stockwerke im Vorkommen festzustellen, setzt der Streit um die Genese des "Ganges" ein. In der Literatur ist dieser Streit allgegenwärtig und bei vielen Vorkommen nicht entschieden, ob hydrothermale Zufuhren oder Umlagerungsvorgänge oder auch beide zur Aus­bildung des Vorkommens geführt haben (siehe dazu z.B. (1)). Die Beobachtung von Geo-Thermometern (z.B. •←U3O8 = 135°) lassen ja alle Möglichkeiten zu (z.B. Key-Lake (11)).

Viele Geologen nehmen heute Remobilisation des Urans von einem Gastgestein durch. Lösungs-/Fällungsprozesse, Metamor­phose, sedimentäre Vorgänge zusammen oder nach tektonischen Bewegungen an. Die Bindung der meisten dieser gangförmigen Vorkommen an Störungen führen zur Annahme einer "tektonischen Falle", in der das Uran aus wässrigen Lösungen durch ent­sprechende Eh-/Ph-Bedingungen ausgefällt worden ist. Diese Annahme begründet auch die Teufenbegrenzung dieser Gänge (bis 120m, McMillan in 38). Als Beispiele für diese Vorkom­men seien Rabbit-Lake, Key-Lake, Cluff-Lake (alle in Kanada), Narbalek, Jabiluka, Ranger (alle Australien) angeführt.

Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch das Vorkommen Rabbit-Lake (aus 45).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 (nach 45) Schnitt durch das Vorkommen Rabbit-Lake

Erklärung: D = Dolomit, mineralisierte Zone

P = Pleistozän

UG = oberer Gneis

G = Gneis

FWD = „Foot Wall Dolomite“

ﬥ = Störung

Für das Gangvorkommen Key-Lake wird beispielsweise folgende Entstehungskette angenommen (nach 110):

- Verwitterung des alten granitischen Schildes und Bildung von uranhaltigen, quarzreichen Sedimenten
- Metamorphose, Uran-Mobilisation mit folgender Uran-Anrei­cherung in benachbarten Fe-reichen Metabasiten
- Umlagerung des Urans durch Lösung/Fällung in "tektonischer Falle"
- weitere Lösungs-/Fällungsvorgänge innerhalb der entstandenen Mineralisation

Es werden jedoch auch andere Entstehungsketten angeführt, z. B, für das Vorkommen Narbalek, Australien:

Entstehung der "tektonischen Falle" durch Erosion, Lösung des Urans aus Graniten und Fällung unter ariden klimatischen Bedingungen bei Kontrolle der Fällung durch anwesende Sulfide (nach 42).

Es soll im Weiteren darauf verzichtet werden, andere mögliche Bildungsvorgänge aufzuführen, da sehr viele einander wider­sprechende Modelle in der Literatur existieren. Als Überblick zu diesem Komplex sei auf die Veröffentlichung von Smith (in 101) verwiesen.

Besonderer Erwähnung bedarf jedoch das Bildungsmodell von Magne u.a. (101), die durch Versuche Lösungs-/Fällungspro­zesse, die durch Bakterien bewirkt werden, untersucht haben und es für möglich halten, dass gangförmige Vorkommen in Graniten durch solche Prozesse entstanden sein könnten. Sie nehmen dabei eine Lösung des Urans in verwitterten Oberflächen graniten. durch Bakterien, Wanderung dieser Lösung bis in Spalten und Risse und Fällung daselbst entweder durch ge­eignetes physikalisch-chemisches Milieu oder Bakterientätigkeit an. Diese Theorie wird durch einen Bericht von Jayaram u.a. (in 101) gestützt, die in einem noch in der Entstehung befindlichen indischen Vorkommen (Udaisagar, Udaipur District, Rajastan) lebhafte Bakterientätigkeit mit entsprechenden Uran-Fällungsvorgängen beobachtet haben.

Ein ganz besonderes Phänomen ist bei dem Vorkommen Oklo, Gabun zu beobachten. Das bisher als konstant angesehene Isotopen Verhältnis von 238U/235U ist hier gestört, es hat eine Abreicherung des in den z.Zt. gebräuchlichen Reaktoren spalt­baren 235U auf Ø = 0,62 % Anteil am Isotopengemisch stattge­funden (normal = 0,72 % 235U).

Der für die Jetztzeit normale Isotopenanteil des 235U ergibt sich aus den unterschiedlichen Halbwertzeiten der beiden Isotopen (238U, T = 4,51 • 109a; 235U, T = 6,96 • 108) unter der Hypothese, dass bei Entstehung unseres Sonnensystems eine gleichmäßige Isotopenhäufigkeit vorgelegen hat (= Methode der Altersbestimmung). Zur Zeit der Entstehung des Oklo-Vor­kommens (vor ca. 1740 ± 20 Millionen Jahren) hat folglich der 235U-Isotopenanteil über 3% betragen. Durch die lokal sehr hohe Konzentration des "angereicherten Urans" in diesem gang­förmigen Vorkommen, sowie die Anwesenheit von Wasser als Mo­derator ist offenbar ein natürlicher Kernreaktor entstanden, der über einige 100.000 Jahre eine Energie von etwa 10.000 MW geliefert haben dürfte (109).^[2]

Nach eigenen Überlegungen dürfte jedoch das Uran nicht in fester Form vorgelegen haben, da die Regelungsprozesse durch Anwesenheit von Neutronenabsorbern und Wasserbewegungen über so lange Zeiträume zu kompliziert scheinen. Wahrscheinlicher ist m.E. das Vorliegen eines "homogenen Reaktors", bei dem das Uran z.B. als Lösung von 235UO2 SO4 vorgelegen haben mag. Bei Überschreiten der Kritikalität kann der Spaltungsprozess durch Verdampfungsvorgänge kon­trolliert worden sein, da bei Verdampfen der Lösung sofort die kritische Masse unterschritten wird und die Kettenreaktion abbricht, bei Abkühlung und Verflüssigung der Lösung jedoch wieder einsetzt.

1.1.2.2 Der Konglomerat-Typ

Uranhaltige Konglomerat-Vorkommen sind an alte präkambrische Schilde gebunden, die die primäre Quelle des Urans waren (saure Granite) und nach Verwitterungs- und Transport Vorgängen mächtige Konglomerat Serien an ihrem Rand und in alten Becken abgelagert haben. Die Uranminerale, hauptsächlich Uraninit, die durch die Verwitterung freigelegt wurden, sind dabei durch mechanische Transportvorgänge in die Quarzgerölle eingelagert worden (Seifenbildung). Auch andere Schwermine­rale - Monazit, Zirkon, Gold - und Pyrit wurden mit eingela­gert. Der Transport hat höchstwahrscheinlich in sauerstoff­armer Atmosphäre stattgefunden, da sonst das Uraninit oxi­diert und gelöst worden wäre. Es sind deshalb auch keine U-Konglomerat Vorkommen jüngerer Entstehungszeit als aus dem Präkambrium bekannt (101).

Die Entstehung von Einlagerungen organischer Bestandteile und die daraus resultierenden Uranmineralisationen in Form von Tucholit waren lange umstritten; es wurde epigenetische Zufuhr dieser Materialien angenommen. Durch Isotopen Messungen konnte nachwiesen werden, dass dieses organische Material zusammen mit den Konglomeraten abgelagert wurde, was gleich­zeitig bedeutet, dass zur Zeit der Ablagerung (mittleres Prä­kambrium) bereits primitives Leben vorhanden gewesen ist (17). Besonders stark sind diese Einlagerungen in südafrikanischen Konglomeraten des Witwatersrand-Reefs in Form des "Carbon­Leaders" vertreten.

Man nimmt deshalb an, dass diese Konglomerate in Fluss Deltas entstanden sind, wobei in Perioden starken Wasseranfalls Quarzgerölle zusammen mit Uraninit abgelagert wurden, wäh­rend sich in Zeiten geringen Wasseranfalls in den dadurch seicht werdenden Deltas große Algenansammlungen bilden konnten, die Uran anreicherten (McMillan in 38).

1.1.2.3 Der Sandstein-Typ

Es werden anhand ihrer Morphologie 2 Formen von Sandstein-Vorkommen unterschieden, die "Penekonkordante" Form und die "Rollfront" Form. Beide Formen sind an das Vorhandensein von Sandsteinsedimenten, die entweder in alten Flussläufen (paleo-channels) oder in Seen und Flachmeeren entstanden sind, gebunden. Die Anreicherungen von Uran werden durch alle in 1.1.2 bereits angeführten Prozesse bewirkt, wobei der eine oder andere Vorgang stärker zum Tragen kommt. Adler (101) unterscheidet 4 Typen bei der "Rollfront-Form":

- Wyoming-Typ
- Plateau--Roll-Typ
- Entrada- oder Rifle-Typ
- Texas-Typ

Der Wyoming-Typ entsteht unter Ausbildung eines Redoxgefälles infolge Oxidation des in den Sandsteinen vorhandenen Pyrits durch oxidierende Grundwässer, siehe Abb.2

Der Plateau-Roll-Typ zeichnet sich durch Pyrit-haltigen Sandstein vor und hinter der Rollfront ans, wobei Repyriti­sierung angenommen wird; Die Vorgänge sind jedoch noch nicht geklärt.

Der Entrada- oder Rifle-Typ ist frei von organischen Pflanzenmaterialien und durch Diffusionsvorgänge zwischen H2S-halti­gen Wässern auf der einen Seite, sowie frischen Uran-haltigen Wässern auf der anderen Seite der Rollfront entstanden, siehe Abb. 3

Der. Texas-Typ ist, ebenfalls frei von organischen Materia­lien, infolge Eindringens von H2S aus tiefer liegenden Erd­öl/Erdgaslagern entlang von Störungen entstanden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Wyoming Rollfront-:Typ ( aus Adler, 101)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3 Entrada- oder Rifle-Typ (aus Adler, 101)

Die "Penekonkordante Form", siehe Abb. 4, kann ebenfalls nach ihrer Genese in zwei Typen unterteilt werden:

Beim ersten Typ sind organische Materialien zugleich mit den Sanden in den "paleo-channels" eingelagert worden und haben dann, nach Bildung von Huminsäuren oder von H2S durch Bak­terien, durch migrierende Wässer zugeführtes Uran reduziert.

Der zweite Typ ist durch nachträgliche Zufuhr von H2S oder Huminsäuren aus überlagernden Sümpfen etc. entstanden. Wegen der höheren Permeabilität ihrer Sandsteinfüllungen im Ver­gleich zur Umgebung haben die "channels" dabei die Lösungs­zirkulationen kanalisiert. Auch bei der Penekonkordanten Form wird eine Zufuhr von H2S aus Erdöl/Erdgaslagerstätten durch Störungen hindurch als möglich angesehen (Adler, 101). Verschiedenste Übergangsformen zwischen beiden (Rollfront und Penekonkordant) sind möglich. Diese werden als "stack ores" Vorkommen bezeichnet, die einst aus Penekonkordanten Vorkommen durch "Rollvorgänge" mobilisiert wurden, bis sie an einer Störung steckengeblieben sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Penekonkordant-Typ (aus Gärtner, 25)

1.1.2.4 Die Sonderform "Calcrete"

Die Sonderform "Calcrete" wird in der Literatur wegen ihrer besonderen Bildungsbedingungen entweder als eigener Lagerstätten typ bezeichnet, oder bei den "Sonstigen Typen" ein­geordnet. Da Calcrete ein monomineralisches Uranvorkommen ist, muss diese Sonderform innerhalb des Abschnittes über die Lagerstättenarten A und B behandelt werden.

Das Vorkommen ist an lateritische Verwitterungsprozesse in aridem Klima mit wenig Regenfall gebunden. Durch den geringen Wasseranfall kam es zur Ausbildung von Drainage-Systemen, in denen der Calcrete durch Verdunstung und Fällung abge­sondert wurde. Die Ausbildung ist sehr unterschiedlich und reicht von harten, porzellanähnlichen Krusten über krüme­lige bis zu Kalklehm-förmigen Ablagerungen. In diese so gefüllten Kanäle sind dann Uran-haltige und Vanadium-haltige Lösungen eingedrungen, die zur Ausbildung von Carnotit führten. Die Quelle des Urans und Vanadiums ist unbestritten der lateritisch verwitterte, archaische Granit-Komplex des "alten Plateaus". Für den Fällungsprozess, der zur Uran Anreicherung geführt hat, werden jedoch verschiedene Möglich­keiten angeboten, auf deren Aufzählung verzichtet werden soll (siehe dazu Ryan in. 38, 42, 82).

Als der wahrscheinlichste Prozess wird die Ausfällung des Carnotits durch Änderung des Redoxpotentials in neutralem bis leicht alkalischem Milieu angesehen, wie es beim Ein­dringen von sauren wässrigen Lösungen in kalkhaltige For­mationen zu erwarten ist.

Abb. 5 zeigt den Schnitt durch ein Gebiet mit Calcrete­-Vorkommen. Bisher ist nur ein als Lagerstätte klassifizierbares Vorkommen gefunden worden: Yellirree, Australien.

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Abb. 5 Schnitt durch ein Gebiet mit Calcrete-Vorkommen (aus Ryan,38)

1.2 Auflistung von U-Vorkommen/-Lagerstätten als Grundlage der Untersuchungen

Als Vorarbeit zur Bestimmung der Parameter von Uran Vorkommen bezüglich der Aufbereitung ist versucht worden, in Form einer Übersicht alle, in der als Grundlage für diese Arbeit verwendeten Literatur angegebenen, Uranlagerstätten und -vorkommen der Welt aufzulisten, wobei möglichst alle Parameter, die sich während der Untersuchung der Aufberei­tungsverfahren abzeichneten, erfasst werden sollten. Dies erschien umso nötiger, da

- entsprechende Informationen über Vorkommen, die aufgrund von Aufbereitungsschwierigkeiten nicht angegriffen werden, kaum vorliegen
- Berichte über Aufbereitungsverfahren in der Regel kaum Angaben über die Zusammensetzung der verwendeten Erze, geschweige die Parameter der Lagerstätte, aus der sie gewonnen wurden, enthalten
- eine Zuordnung von bestimmten Aufbereitungsanlagen zu be­stimmten Lagerstätten erst durch diese Auflistung möglich wird
- in der Literatur für ein und dieselbe Lagerstätte/Vorkom­men verschiedene Namen benutzt werden
- durch die unterschiedlichen Lagerstättenklassifikationen je nach Verfasser dasselbe Vorkommen verschiedenen Lagerstätten typen zugeordnet wird.

Die Auflistung ist geordnet nach Kontinenten und Ländern vorgenommen worden, siehe dazu die Anlage 2. Die Lagerstät­ten/Vorkommen, von denen Angaben über ihre Mineralparagenese usw. zu erfahren waren, sind in Anlage 3, geordnet nach Lagerstättentypen, aufgeführt.

Ins besonders in der älteren. Literatur (z.B. 33, 53) sind eine Unmenge von Uranvorkommen aufgeführt, deren Auflistung den Rahmen dieser Arbeit gesprengt hätte. Teilweise sind dies Vorkommen mit geringen Inhalten. Der Einwand, dass diese unwichtig, da nicht wirtschaftlich gewinnbar, seien, gilt insofern nicht, da bei. Anwendung neuer Gewinnungs- und Auf­bereitungsverfahren eine Gewinnbarkeit auch kleiner Vorkom­men möglich sein kann. Als Beispiel sei hier die Vorstellung eines "fliegenden Bergbaues" genannt, der solche Vorkommen durch mobile Bergwerks- und Aufbereitungsanlagen gewinnen könnte. Die Aufbereitung des Erzes könnte auch in Zentral Anlagen durchgeführt werden.

1.3 Die Standard-Aufbereitungsverfahren

Da das Uran nur in geringen Konzentrationen in den Erzen enthalten ist, führen physikalische Aufbereitungsprozesse nicht zu einem verkaufsfähigen Endkonzentrat; es kommen deshalb hydrometallurgische Aufbereitungsprozesse zur An­wendung. Die Standardverfahren lassen sich in folgende Hauptgruppen untergliedern:

- Physikalische Vorbehandlung
- Chemischer Aufschluss
- Extraktion durch Ionenaustausch
- Endkonzentratherstellung

Diese Hauptgruppen lassen sich in folgende Untergruppen zerlegen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ziel der Uranerz Aufbereitung ist die Erzeugung eines Verkaufs fähigen Endkonzentrates (Yellow Cake), das bestimmten, bisher nicht vereinheitlichten Anforderungen bzgl. Reinheit und Gehalt genügen muss. Als Beispiel ist Tab. 2 angeführt. Abb. 6 gibt einen Überblick über die mögliche Verknüpfung der Hauptgruppen untereinander.

Tabelle 2

Anforderungen an die Zusammensetzung von Uran-Konzentraten (aus Merrit, 49)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a Values listed are maximum without surcharge except for U3O8 which is minimum
b As percent of uranium content (U or U3O8 as listed). except moisture and organic
c As percent of uranium content except moisture which is on natural weight basis. (Ef­fective upon completion of process modification and plant expansion program Janu­ary 1. 1970.)
d It is usually assumed that concentrates must contain a natural distribution of U-238 and U-235 as in e
e 0.711% ± 0.001% U-
f Must be sufficiently free-flowing to be sampled by the falling-strearn method
g Amenable to refining by solvent extraction as determined by standard tests.

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1.3.1.1 Physikalische Vorbehandlung

1.3.1.1.1 Selektion

Selektion wird mit radiometrischer Vermessung der aus dem Bergwerk kommenden Lastwagenladungen und Speicherung dieser Ladungen nach den Meßergebnissen in Silos oder auf Halden verschiedentlich durchgeführt.

1.3.1.1.2. Vergleichmäßigung (Blending)

Um ein möglichst gleichmäßiges Aufgabegut zu erzielen, wird das Erz entweder sofort bei Anlieferung oder durch gezielte Mischung der Erzsorten aus den vorgenannten Silos in Mischhalden vergleichmäßigt. Ziel ist nicht allein die Vergleichmäßigung des Urangehaltes, sondern der Gangart und der Tongehalte.

1.3.1.1.3 Zerkleinerung

Die zu erreichende Kornfeinheit und Kornverteilung richtet sich nach der Mineralparagenese und den Mineralkorngrößen des Erzes; Erze mit hohem Karbonat Anteil müssen immer fein (< 100 µm) aufgemahlen werden, um in der Hauptstufe "Chemi­scher Aufschluss" ein akzeptables Laugungsergebnis zu errei­chen (28). Die Anzahl der Zerkleinerungsstufen sowie der verwendeten Reaktoren ist von der Härte, vom Verwachsungs­grad und von der Zusammensetzung des Erzes abhängig. Autogenmühlen sind vorteilhaft, da sie die Fe-Gehalte des Erzes sowie die Feuchtigkeit nicht erhöhen (44).

1.3.1.1.4 Vorkonzentration

Die Vorkonzentration des Erzes verfolgt zwei Ziele:

- Verringerung der durchzusetzenden Massen und Volumina in den nachfolgenden Prozessstufen
- Entfernung von prozessstörenden Begleitstoffen, wie z.B. Säureverbrauchern

Es sind verschiedene Verfahren zur Vorkonzentration diskutiert und erprobt worden:

a) Vorkonzentration mit radiometrischen Methoden kann entweder an Handlesetischen oder mit Sortierreakto­ren erfolgen. Sortiermaschinen sind in der Lage, in Ab­hängigkeit von der Korngröße der Aufgabe bis zu 40 t • h-1 Erz (bei ≥ 5 cm Korndurchmesser) zu sortieren (44).

Das Verfahren lässt sich nur bei massigen Erzen anwenden, bei denen Hältiges und Taubes innerhalb der groben Frak­tion bereits genügend getrennt vorliegt.

b) Klassieren

Es wird beobachtet, dass bei Klassierung des zerkleinerten Erzes eine Erhöhung des Urangehaltes in bestimmten Korn­fraktionen auftreten kann (8, 20, 44, 49, Josa u.a. in 38). Die Höhe der Anreicherung ist abhängig vom Zerkleinerungs­prozess und vom Rohstoff, hier insbesondere von der Härte und Größe der Uranminerale gegenüber der der übrigen Mineralkomponenten. So werden von Josa für ein spani­sches Sandsteinerz von Ø 0,1 % U3O8 nach Klassierung bei 0,1 mm Kornscheide 0,22 % U3O8 in der Fraktion ≤ 0,1 und 0,06 % U3O8 in der ≥ 0,1 angegeben. Auch für Konglomerate wird der Effekt berichtet (44).

c) Dichte-Sortierung

durch Schwimm-Sink-Verfahren lassen sich bei Konglome­raten und magmatischen Erzen anwenden (bis 1 mm Korn Größe), wobei die leichtere Gangart entfernt wird. Voraussetzung ist, dass die Uranminerale nicht fein im Erz verteilt sind, sondern massig neben den Begleit­mineralen vorliegen. Bei diesem Prozess‚ werden Pyrit, Magnetit u. ä. mitkonzentriert, die anschließend durch Flotation oder Magnetscheidung wieder entfernt werden müssen (7).

d) Flotation

Bewirkt eine Anreicherung des Urans, wenn es mit Pyrit oder anderen flotierbaren Mineralen eng verwachsen ist.

e) Magnetscheidung

kann bei schwachmagnetischen Uranhaltigen Mineralen wie Monazit, Davidit, Xenotim zu einer Anreicherung führen. Das Uranausbringen beträgt nach Merrit (49) nicht mehr als 60 %, sinkend bei über 2 % Feuchtigkeit des Erzes (keine Korngrößenangabe). Von einem neuen Reaktor, der Schlämme verarbeitet (Whim = wet high-intensity magnetic separator) werden in Abhängigkeit von der Korngröße Ausbringen von max. 72 % des gesamten Urangehaltes bei 50 % ≥ 75 µm genannt (39).

[...]

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^[1] Die Ziffern in Klammern beziehen sich auf das alphabetisch geordnete Literaturverzeichnis am Ende dieser Arbeit

^[2] Dies wurde offenbar aus der Abreicherung des 235U sowie des Gehalts und Gesamtinhalts des Vorkommens berechnet, wobei als Faustformel angesetzt werden kann: Spaltung von 1g 235U/d →Erzeugung von ca. 3 MWtherm./ d