Редкометалльное сырье характеризуется высокой степенью радиоактивности, связанной с повышенным содержанием природных радионуклидов вследствие их геохимического сходства с редкими металлами. Кроме того, радионуклиды, присутствующие в рудах, горных и вскрышных породах, нерудном и энергетическом сырье в кларковых количествах, при процессах добычи и переработки могут концентрироваться вместе с ценными компонентами, создавая радиационно-опасные участки. Поэтому одной из важнейших проблем эксплуатации месторождений любых видов сырья является радиоэкологическая.
При среднем значении эффективной удельной активности редкометалльных руд 1000 Бк/кг наиболее часто встречающиеся значения этого параметра - 640 Бк/кг, а максимальные значения достигают величины 2035 Бк/кг, что в 3-5 раз больше предельно допустимых значений для I класса материалов с повышенным содержанием природных радионуклидов [2]. Основной вклад в эффективную удельную активность вносят уран-238(радий-226) и торий-232 (? 63 %).
При разведке и эксплуатации редкометалльных месторождений техногенное воздействие негативно сказывается как на геологической среде (недра, подземные воды), так и на сопредельных природных средах (поверхностные воды, атмосфера, почвы и растительность, ландшафт). Грунтовые и подземные воды, контактирующие с редкометалльными месторождениями, являются источником распространения радионуклидов на большие территории. В этих условиях природные радионуклиды способны накапливаться и длительное время циркулировать в экосистемах, являясь потенциальным источником радиационного загрязнения экосистем Севера - почвы, воды, флоры и фауны. Исследования, проведенные в районе действующего Ковдорского ГОКа, добывающего и перерабатывающего апатито-бадделеитовые руды, показали, что донные осадки, поверхностные и придонные слои воды в озерах, находящихся вблизи хвостохранилищ и карьеров добычи руды, содержат уран-238, радий-226, свинец-212, торий-232. Наибольшие концентрации их обнаружены в поверхностных слоях воды и донных осадков, что свидетельствует о миграции радионуклидов с редкометалльных месторождений. Эти данные подтверждают влияние геохимических факторов на распределение природных радионуклидов в экосистемах. Интенсивная эксплуатация месторождений, накопление отходов в хвостохранилищах и отвалах также могут стать причиной усиления миграции радионуклидов. Вследствие этого может быть нарастание дозы внутреннего облучения населения за счет поступления по пищевым цепочкам, а также увеличение радиационного фона местности. Поэтому радиационный мониторинг природных объектов (открытые водоемы, почва, растения и др.), находящихся в зоне влияния разрабатываемых и используемых месторождений, должен стать неотъемлемой частью хозяйственной деятельности.
При переработке редкометалльных руд на горнопромышленных и горно- металлургических предприятиях (ГПП и ГМП) в зависимости от технологического процесса радионуклиды концентрируются на отдельных переделах и частично попадают в отходы. Поэтому отходы ГПП И ГМП в виде хвостов обогащения, шлаков и шламов также имеют высокие значения эффективной удельной активности (до 4 кБк/кг и выше), соответствующие II-IV классам радиоактивности. В большинстве случаев существенный вклад в величину эффективной удельной активности таких отходов вносят уран-238 и торий-232 (92 %), остальная активность приходится на калий-40. Процессы обогащения редкометалльных руд чаще всего приводят к концентрированию природных радионуклидов и накоплению их в рудных минералах или концентратах. Так при флотационном обогащении нерадиоактивных апатито-нефелиновых руд Хибинского массива, перовскитовых руд Африкандского месторождения, ловозерских эвдиалитовых луявритов образуются концентраты с содержанием природных радионуклидов от 0.005 до 1.0 мас.% - сфеновый концентрат [3], перовскитовый концентрат [4], лопарит, эгирин, эвдиалит [5] соответственно. Суммарная удельная радиоактивность этих концентратов составляет 10-900 кБк/кг. Согласно нормативных документов они относятся к материалам с повышенным содержанием радионуклидов. Поэтому при проведении процессов обогащения также необходим радиационный контроль выпускаемой продукции, образующихся шлаков и шламов, сбросных вод.
В ИХТРЭМС КНЦ РАН были разработаны различные варианты гидрометаллургических технологий концентратов, полученных из редкометалльного сырья [3,6-10]. Наиболее проработанными и многообразными являются технологии лопарита и перовскита [6,7]. Суммарная удельная радиоактивность лопаритового и перовскитового концентратов находится на уровне 600 и 55 кБк/кг соответственно. Радиоактивность перовскита обусловлена, в основном, присутствием тория - 0.06-0.08 мас.% и урана - ? 0.015 мас.%, находящихся в равновесии с продуктами распада. В лопаритовом концентрате содержание тория-232 колеблется в пределах 0.6-1.6 мас.% в зависимости от месторождения, содержание урана-238 равно 0.020 мас.%. В последние годы интенсивно разрабатываются технологии получения тантала и ниобия из нетрадиционного сырья, колумбитов, плюмбо- микролита. Все они обладают высокой радиоактивностью за счет урана-238 и тория-232, находящихся в радиоактивном равновесии с дочерними продуктами. При этом соотношение U/Th значительно отличаются для разных концентратов и находятся в пределах 1-10, т.е. это преимущественно урансодержащее сырье, при переработке которого возможно выделение большого количества радона.
В соответствии с Федеральными законами и действующими нормами и правилами по обеспечению радиационной безопасности [1,11] все разработки по технологическим схемам сопровождаются изучением распределения природных радионуклидов и радиационной оценкой технологических процессов. При разложении редкометалльных концентратов различными кислотами или их смесями наряду с основными реакциями протекают и сложные побочные реакции взаимодействия кислот с ураном, торием и их дочерними радионуклидами. Учитывая различную растворимость образующихся соединений, можно предположить, что радионуклиды будут содержаться во всех технологических продуктах в различных количествах в зависимости от условий проведения процессов и химического состава компонентов. Как показали исследования, при переработке перовскитового концентрата, имеющего состав (мас.%): TiO2 – 50; Nb2O5 + Ta2O5 – 1.16; Ln2O3 – 4.0; CaO – 34.2; SiO2 – 4.20, по типичной комплексной азотно- сернокислотной схеме [6,7], могут быть выделены товарные и промежуточные продукты, подлежащие обязательному радиационному контролю. Изучение распределения радиоактивности при переработке перовскитового концентрата в этих условиях показало, что основная часть радиоактивности выделяется с железистым кеком, а такие продукты как титановая соль (СТА) и редкометальный концентрат практически не содержат радионуклидов и могут поступать на дальнейшую переработку как нерадиоактивные. Сульфат кальция можно успешно использовать в производстве строительных материалов, сульфат аммония и нитрат натрия можно также использовать в различных целях, они не содержать радиоактивных веществ. Таким образом, разработанные технологии по короткой или комплексной схемам позволяют предложить рациональные методы получения товарных продуктов из редкометалльного сырья, обеспечивая их радиационную безопасность.
Одной из главных проблем реализации гидрометаллургических схем переработки редкометалльных концентратов является получение ценных компонентов, не содержащих радиоактивности. Второй по значимости проблемой является решение вопросов утилизации образующихся радиоактивных отходов. Внедрение новых гидрометаллургических технологий редкометалльного сырья на основе азотнокислотного, солянокислотного или гидрофторидного методов разложения концентратов, разрабатываемых в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяют извлекать все ценные компоненты и отвечают радиационно-гигиеническим требованиям, а также значительно снизить количество твердых отходов по сравнению с сернокислотной технологией до 0.5-1% от веса перерабатываемого концентрата.
Вторым способом решения проблемы утилизации радиоактивных отходов можно считать признание радионуклидов, содержащихся в рудах в количествах, сопоставимых с основными компонентами, полезными. Необходимо выделять их в отдельные концентраты при гидрометаллургической переработке. Исследования в этом направлении проводятся, но они оправданы только в том случае, если концентрации урана-238 или тория-232 будут на уровне 0.5-1.0 мас.% и более. Однако в настоящее время осуществление поиска масштабных потребителей таких продуктов в промышленности по данным исследований Всесоюзного института минерального сырья (ВИМС) и Минатома весьма затруднено. Современная ядерная энергетика ориентирована на природный и обогащенный уран, запасы которого обеспечивают потребности отрасли [12]. Для препаратов тория-232 рынка сбыта в ближайшее время не предвидится, т.к. ядерные реакторы, где он мог бы использоваться u1074 в качестве ядерного топлива, еще не разработаны и, по-видимому, не будут разработаны, т.к. в настоящее время найдены новые, более энергетические источники ядерного топлива. Выделение тория в отдельный продукт может создать только дополнительные трудности по обеспечению радиационной безопасности персонала и технологии. Поэтому выделение тория в отдельный продукт из перовскита и лопарита экономически нецелесообразно. С точки зрения радиационной безопасности более благоприятно выделение его с сульфатом кальция, который затем может быть использован в производстве строительных материалов, т.к. отвечает требованиям I класса по радиоактивности.
Таким образом, выбор оптимальных режимов переработки редкометалльного сырья будет определяться социально-экономическими условиями и спросом на редкометалльную продукцию. В настоящее время важно учитывать не только экономическую целесообразность и инженерную возможность, но и экологическую допустимость освоения редкометалльных месторождений. Она должна быть подтверждена радиоэкологической экспертизой на основе оценки воздействия на окружающую среду. Для решения радиационно-экологических вопросов, связанных с переработкой радиоактивного редкометалльного сырья, все гидрометаллургические технологии должны сопровождаться изучением распределения природных радионуклидов по технологическим переделам, изучением радиационно-экологических характеристик конечных и промежуточных продуктов, определением по радиационному фактору области их применения.