Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Н АЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ Т ОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ф ИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ К АФЕДРА ХТРЭ доцент каф. ХТРЭ, к.х.н., Оствальд Р.В.

Впервые торий выделен Й. Берцелиусом в 1828 году из минерала, позже получившего название торит Торий был назван его первооткрывателем по имени бога грома Тора в скандинавской мифологии.

Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд

Торий – радиоактивный металл, обладающий парамагнитными свойствами, серебристого цвета. В периодической таблице, он расположен между актинием и протактинием и ниже церия Торий мягкий металл сопоставимый с оловом и скандием. Твердость тория аналогична мягкой стали. Чистый торий может быть свернут в виде листов и вытянут в проволоку. Ниже температуры 1,40 K торий проявляет свойства сверхпроводника. Измеренные свойства тория широко варьируют в зависимости от количества примесей, как правило диоксида торий. Самые чистые образцы обычно содержат около десятой доли процента диоксида.

Среди актиноидов, торий имеет самую высокую температуру плавления и практически самую низкую плотность (уступает только актинию).

Природный торий радиоактивен, наряду с ураном тория является родоначальником собственного радиоактивного семейства (трансториевых элементов) Период полураспада природного тория составляет 1,39·10 10 лет В семействе тория имеются короткоживущие изотопы 83Bi212 и 81Tl208, обладающие жёстким β- и γ-излучением

Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд

Атомная энергетика Атомная энергетика Электровакуумная техника Электровакуумная техника Металлургия Металлургия Производство огнеупорных материалов Производство огнеупорных материалов

В атомной отрасли торий применяется как источник получения вторичного ядерного топлива, U Th n 1 (γ) 90 Th 233 (β) 91 Pa 233 (β) 92 U 233 Нейтроны, для реакции, образуются при расщеплении специально введённого обогащённого урана, либо плутония. После отделения U 233 и других продуктов реакции регенерированный торий возвращают в цикл

Стратегия развития ядерной энергетики как в России, так и за рубежом, предусматривает введение ядерного топливного цикла на основе тория (так называемого «смешанного топливного цикла») с использованием природных урана и тория, урана-235, искусственных плутония-239 и урана-233 в реакторах на тепловых и быстрых нейтронах. И если учесть, что запасы тория в земной коре значительно превосходят запасы урана, то открываются широкие перспективы использования его в атомной технике. К основным недостаткам металлического тория как реакторного материала относятся необходимость добавления к нему обогащённого ядерного горючего (U235, Рu239) и необходимость надёжной биологической защиты при работе с торием.

Ториевый ядерный двигатель Прототип автомобиля создан в 2009 году компанией Cadillac Компания Laser Power Systems разработала лазер высокой тепловой энергии на тории. Теплота лазера нагревает теплоноситель, который приводит в движение турбины Вес 230 кг, мощность 250 к Вт, 1 г Th эквивалентен 7500 литрам бензина 8 г Th хватает на км пробега

Вследствие высокой электронной эмиссии и сравнительно малой работы выхода электронов металлический торий используется как электродный материал в газоразрядных и некоторых других типов лампах, которые имеют хорошие электрические характеристики и большой срок службы В электровакуумной технике для некоторых типов магнетронов применяются ториевооксидные катоды, работающие при температурах ( ) °С Электроды из торированного вольфрама (ThO 2 0,8-1%) обладают меньшей работой выхода электронов и большей эффективностью по сравнению с чистым вольфрамом Ксеноновые дуговые лампы имеют торированные электроды

Металлический торий считается перспективной легирующей добавкой в жаропрочные сплавы Использование небольших добавок тория улучшает свойства железных, никелевых, алюминиево-магниевых и других сплавов Эти сплавы благодаря небольшой плотности, значительной прочности, высокой температуре плавления и хорошей пластичности широко применяются в авиационной промышленности

Диоксид тория химически инертен, плавится при высокой температуре (3220 °С), имеет низкую упругость диссоциации Возможно его использование в производстве огнеупорных изделий, наиболее перспективно использование в вакууме и окислительной атмосфере Однако сравнительно высокий коэффициент термического расширения и малая теплопроводность диоксида обусловливают относительно невысокую механическую прочность изделий при изменении температуры, что ограничивает масштабы применения огнеупоров на его основе Возможно применение диоксида тория в качестве элемента сопротивления в высокотемпературных электропечах (до 2000 °С)

Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд

По распространенности торий занимает 35 место. Кларк тория составляет 0,8·10 -3, его содержание По распространенности торий занимает 35 место. Кларк тория составляет 0,8·10 -3, его содержание в земной коре больше, чем сурьмы, висмута, ртути, молибдена или серебра и примерно в пять раз больше, чем урана В связи с большой склонностью тория к изоморфизму, в большинстве его минералов присутствуют U, РЗЭ, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta и др. Торий концентрируется в верхних гранитных слоях литосферы. Кислые изверженные породы (граниты, базальты, диориты) содержат в среднем 1,810-3 % масс, тория (встречаются породы и со значительно меньшим содержанием - до (0,02- 0,03) 10-3 %). Содержание тория в осадочных породах оценивается величиной 0, % масс В свободном состоянии торий не встречается, образует соединения с другими элементами: оксиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и фториды.

Торий входит в состав около 100 минералов, большинство содержат и уран. Собственно ториевых минералов менее десяти Все они относятся к группе устойчивых в химическом отношении компонентов кислых и щелочных магматических горных пород и пегматитов Минералы тория в природе ассоциируют с минералами редких земель и урана, а также с минералами циркония, титана, ниобия и тантала, олова и других элементов Важнейшими промышленными минералами тория являются монацит, монацит, торит, торит, торианит (ураноторианит) торианит (ураноторианит)

(Се, La, Th)PO 4 содержит от 3,5 до 10 % ТhO 2 и от сотых долей до 1 % UO 2. Сумма оксидов РЗЭ в монаците в пределах от 55 до 68 % масс.; иттрий и элементы его подгруппы присутствуют до (3 - 5) %. Содержание фосфора в пересчёте на оксид изменяется от 18,4 до 31,5 % масс. Плотность монацита колеблется в пределах от 4,9 до 5,5 т/м 3, твёрдость - от 5 до 5,5 по шкале Мооса. Цвет минерала изменяется от светло-жёлтого до красно-бурого, но встречаются разновидности другой окраски (зеленоватые, коричневатые, чёрные) и почти бесцветные. Минерал умеренно парамагнитен. Это свойство монацита широко используется в обогатительной практике при электромагнитной сепарации тяжёлых минералов.

ThSiO 4 содержит до 77 % ТhO 2 Практически все ториты имеют в своем составе уран, железо, редкие земли и радиогенный свинец. В небольших количествах в торите присутствуют кальций, магний, фосфор, титан, тантал, цирконий, олово. Разновидность торита: уранторианит, содержащий от 5 до 20 % урана; ферриторит (железистая разновидность, содержащая до 14% Fе 2Oз); гидроторит ThSiO 4 4H 2 O и др. Твёрдость торита (4,5 - 5,5), Плотность (4 - 5,4) до 6,7 т/м 3. Цвет минерала от оранжево-жёлтого (оранжит) до чёрного. В промышленных количествах торит встречается главным образом в жильных месторождениях, генетически связанных со щелочными изверженными породами, а также как попутный компонент в некоторых россыпях, в частности - оловянных.

(Th,U)O 2 содержит от 45 до 93 % ТhO 2 и до 50 % UO 2. Изоморфен с уранинитом. К разновидностям торианита относятся ураноториацит, содержащий до 50 % UO 2 и алданит, в составе которого ( ) % UO 2. Клевеит и бреггерит, являющиеся разновидностями уранинита, содержат от 3 до 14 % ТhO 2. В состав торианита и его разновидностей, кроме тория и урана, входят редкоземельные элементы до (8-13)% и радиогенный свинец (до 13 %). Кроме того, в нём присутствуют примеси железа и циркония. Плотность торианита составляет (8,9 - 9,9) т/м 3, твердость - (6 - 7,5). Цвет торианита изменяется от тёмно-серого до коричнево-чёрного и чёрного. Распространён торианит значительно меньше, чем монацит и торит. Он встречается в пегматитах, связанных с гранитами и сиенитами, иногда в карбонатитах и россыпях.

Горнорудная ториевая промышленность базируется примерно на 80 % на монацитовых рудах, добыча которых из россыпных месторождений сравнительно проста и производительна. Разведанные достоверные запасы монацита в прибрежно-морских и элювиальных россыпях составляют примерно 8 млн. т или в пересчёте на оксид тория около 670 тыс. т. Вероятные запасы оцениваются величиной 2250 тыс. т тория. Давно известны крупнейшие мировые провинции богатых монацит-содержащих комплексных прибрежно-морских месторождений Индии (Южное побережье) и Бразилии (штаты восточного побережья). Примерно до 1913 г. главным поставщиком монацита была Бразилия. Позже на первые роли вышла Индия. Затем роли Индии и Бразилии примерно выровнялись, но обе эти страны уступили первенство в добыче монацита США и ЮАР. Примерно такое положение сохраняется и до настоящего времени. В ЮАР, кроме прибрежно-морских россыпей, разрабатываются коренные руды, содержащие монацит.

Среднее содержание монацита в россыпях составляет около (0,5-1)%. Минимальное содержание в рудах разрабатываемых месторождений составляет 0,04 %, а максимальное - до ( ) %. При крупной механизированной добыче и обогащении, например, в штате Айдахо (США), разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего 0,004 %. При небольших масштабах добычи в США промышленными считаются россыпи с содержанием монацита не менее 0,6 %. В Бразилии разрабатывают элювиальные россыпи с содержанием монацита от 0,25 до 1,5 % и морские россыпи с содержанием от 0,2 до 2 %. В Нигерии добывают монацит из россыпей, в которых содержание его достигает 6 %. А на Цейлоне разрабатывают россыпи с содержанием монацита всего (0,3 - 0,4) %. В Индии промышленные россыпи содержат от 0,5 до 3 % монацита. Руды коренного месторождения Стинкемпс - Краал (ЮАР) содержат монацита до ( ) %, что составляет исключение и не характерно для монацитсодержащих месторождений.

Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд

Первоначальной черновой концентрат поступает на грохот, работающий в замкнутом цикле со стержневой мельницей. Подрешетный продукт крупностью – 1,6 мм направляется в реечный классификатор, в слив уходит кварц крупностью – 0,2 мм, направляемый в отвал. Мокрые пески классификатора подвергаются магнитной сепарации на электромагнитных сеператорах. Монацит, танталито-колумбит, эвксенит - среднепарамагнитные минералы, ильменит и магнетит Fe3O4 - сильнопарамагнитные, а циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы (топаз, полевой шпат, кварц) - немагнитные. При пропускании концентрата через сепараторы различной электромагнитной интенсивности происходит разделение его по магнитной восприимчивости на три вида: продукт слабого магнитного поля: магнетит, ильменит; продукт слабого магнитного поля: магнетит, ильменит; продукт сильного магнитного поля: монацит, танталито-колумбит, эвксенит; продукт сильного магнитного поля: монацит, танталито-колумбит, эвксенит; немагнитные продукты: циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы. немагнитные продукты: циркон, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы. Коллективный эвксенит-монацит-колумбитовый концентрат после сушки разделяется на монацитовую и эвксенит-колумбитовую фракции в электростатических сепараторах. Принцип электростатического разделения основан на различии электропроводности минералов. Различают две основные группы: проводящие: магнетит, гематит, танталито-колумбит, ильменит, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы; проводящие: магнетит, гематит, танталито-колумбит, ильменит, рутил, бадцелеит и минералы пустой породы; не проводящие: монацит, циркон. не проводящие: монацит, циркон.

Лекция 1. Физико-химические свойства тория, применение, нахождение в природе, обогащение ториевых руд Н АЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ Т ОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ф ИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ К АФЕДРА ХТРЭ доцент каф. ХТРЭ, к.х.н., Оствальд Р.В.