Геохимия ядерного сырья изучает закономерности распределения, миграции, концентрации и преобразования радиоактивных элементов в земной коре и литосфере. Основное внимание уделяется урану, торию и калию — элементам, определяющим радиоактивное тепло Земли и служащим основными источниками для производства ядерного топлива.
Уран и торий относятся к литофильным элементам и обладают высокой атомной массой. Уран представлен двумя основными изотопами — (^{238}) и (^{235}), где первый составляет около 99,27%, а второй — 0,72% природного состава. Торий встречается преимущественно в виде изотопа (^{232}). Эти элементы характеризуются устойчивыми окислительно-восстановительными свойствами, что определяет их поведение в геохимических процессах.
Уран — элемент переменной валентности (U⁴⁺ и U⁶⁺). Восстановленная форма U⁴⁺ малоподвижна и концентрируется в редуцирующих условиях, образуя уранинит (UO₂) и настуран. Окисленная форма U⁶⁺ более подвижна, растворима в воде и склонна к миграции, образуя уранил-ионы и сложные уранил-карбонатные комплексы.
Торий преимущественно четырёхвалентен (Th⁴⁺) и значительно менее подвижен, чем уран. Он концентрируется в устойчивых к выветриванию минералах — монаците, торите, ксенотиме. Благодаря низкой растворимости торий слабо вовлекается в гидротермальные и осадочные процессы, что делает его распространение более консервативным.
Основными урановыми минералами являются уранинит, настуран, кофинит, карнотит, торбернит и автунит. Уранинит — главная руда, в которой содержание урана может достигать 70–80%. Вторичные минералы урана образуются при выветривании и миграции, часто в виде желтовато-зелёных налётов на трещинах пород.
Торий встречается в монаците (Ce,Th)PO₄, торите ThSiO₄, а также в цирконе и ксенотиме. Эти минералы формируются преимущественно в гранитоидных и метаморфических породах, что определяет их связь с кислородными геохимическими барьерами и устойчивыми к выветриванию системами.
Концентрация радиоактивных элементов в земной коре обусловлена дифференциацией вещества при кристаллизации магмы и последующими процессами метасоматоза и гидротермальной активности. Уран и торий — несовместимые элементы, склонные к накоплению в остаточных магматических расплавах.
Наиболее высокие концентрации урана характерны для кислых гранитов, пегматитов и щелочных пород. В процессе магматической дифференциации уран накапливается в поздних фазах кристаллизации, формируя жильные тела и гидротермальные урановые руды. Торий концентрируется в аналогичных условиях, но в большей степени фиксируется в кристаллических решётках устойчивых минералов.
В осадочных бассейнах уран мигрирует в виде уранил-карбонатных и уранил-фосфатных комплексов, осаждаясь при переходе к восстановительным условиям. Типичными геохимическими барьерами служат зоны накопления органического вещества, сероводородные слои и участки с восстановленным железом.
В гидротермальных системах уран переносится фторидными, сульфатными и карбонатными комплексами при температурах 100–400 °C. При изменении Eh–pH условий растворов происходит восстановление уранила до U⁴⁺ и осаждение минералов. Такие процессы формируют гидротермальные урановые месторождения в гранитах, метасоматитах и вулканитах.
Во вторичных осадочных и инфильтрационных месторождениях ключевую роль играют процессы выщелачивания урана из вмещающих пород и его осаждения в зонах восстановления. Эти процессы активизируются при наличии органического вещества, сернистых соединений и Fe²⁺.
Инфильтрационные месторождения урана связаны с пористыми песчаниками, где циркулирующие подземные воды выщелачивают уран из гранитоидных источников и осаждают его в редуцирующих линзах. Геохимические барьеры при этом имеют зональную структуру: окислительная зона, зона восстановления и зона накопления урана.
Распад урана, тория и калия является главным источником внутреннего тепла Земли. Радиогенные изотопы (^{206}), (^{207}), (^{208}), образующиеся в результате альфа-распада, служат важными индикаторами возраста пород и источниками информации о геохимической эволюции литосферы.
Изотопные системы U–Pb и Th–Pb широко применяются в геохронологии, позволяя определять время кристаллизации минералов и термические события в истории земной коры. Соотношение ({234}/{238}) используется для изучения миграции урана в гидросфере и формирования урановых провинций.
Месторождения уранового и ториевого сырья подразделяются по геохимическим типам:
Каждый тип характеризуется собственными геохимическими механизмами концентрации: от кристаллизационного обогащения до миграции в растворах и осаждения в геохимических ловушках.
Миграция урана и тория в биосфере имеет экологическое значение. Уран может переходить в биогенные растворы, аккумулироваться в донных осадках и растительных организмах. Геохимические методы контроля радиоактивного загрязнения основаны на анализе распределения урана и его дочерних изотопов в природных средах.
При эксплуатации ядерного сырья особое внимание уделяется геохимическому мониторингу подземных вод, устойчивости урановых минералов и формированию техногенных барьеров, предотвращающих миграцию радионуклидов.
Геохимические методы разведки основаны на анализе элементных и изотопных аномалий в породах, водах и осадках. Индикаторами урановых минерализаций служат сопутствующие элементы — молибден, ванадий, редкоземельные элементы, селен. Изучение геохимических ореолов рассеяния позволяет выявлять скрытые рудные тела и оценивать их промышленную значимость.
Геохимия ядерного сырья объединяет фундаментальные принципы элементной миграции, изотопных взаимодействий и минералообразования, формируя научную основу для поиска, освоения и экологически безопасного использования радиоактивных ресурсов Земли.