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原位置浸出法（ISL）は、原位置回収法（ISR）または溶液採掘法とも呼ばれ、鉱床に掘削したボーリング孔を通して銅やウランなどの鉱物を原位置で回収する採掘プロセスです。原位置浸出法は、固体状態で自然に存在する鉱物を人工的に溶解させることで機能します。
このプロセスでは、まず鉱床にボーリング孔を掘削します。爆破または水圧破砕法を用いて、溶液が浸透するための開口部を鉱床内に作ります。浸出液を鉱床に注入し、鉱石と接触させます。溶解した鉱石成分を含む溶液は、その後地表に汲み上げられ、処理されます。このプロセスにより、掘削・発破、露天掘り、地下採掘といった従来の採掘方法を必要とせずに、鉱床から金属や塩類を抽出することが可能になります。
原位置浸出採掘では、浸出液をボーリング孔を通して鉱石体内に注入し、それが多孔質の岩石内を循環して鉱石を溶解し、別のボーリング孔を通して抽出される。
浸出液は鉱床によって異なり、塩鉱床の場合は塩が容易に溶解する淡水が浸出液となる。銅鉱床の場合は、溶液中の鉱石鉱物の溶解度を高めるために酸が一般的に必要となる。ウラン鉱石の場合は、浸出液は酸または重炭酸ナトリウムとなる。[ 1 ]
原位置浸出法は、カリ（シルバイトとカーナライト）、岩塩（ハライト）、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどの水溶性塩の鉱床を抽出するために広く使用されています。米国コロラド州では、ナコライト（重炭酸ナトリウム）の抽出に使用されています。 [ 2 ]原位置浸出法は、従来の方法では採掘するには深すぎる鉱床や薄すぎる鉱床によく使用されます。
ウランの原位置浸出法は1990年代以降急速に拡大し、現在ではウラン採掘の主流の方法となっており、2012年には世界のウラン採掘量の45％を占めている。[ 3 ]
露天掘りや地下採掘とは異なり、原位置浸出法は埋設深度を基準とせず、ウラン鉱床の特性に基づいて行われます。原位置浸出法は、浸出液の主要成分に基づいて体系的に分類され、酸性浸出、アルカリ性浸出、中性浸出、バイオ浸出が含まれます。[ 4 ]
酸浸出は低炭酸塩ウラン鉱床に適用可能で、U(VI)は酸性溶液に溶解し、U(IV)は酸化剤を含む酸性溶液に溶解します。アルカリ浸出は高炭酸塩ウラン鉱床に有効ですが、高黄鉄鉱鉱床には不向きで、U(VI)はアルカリ性溶液に溶解し、U(IV)は酸化剤を含むアルカリ性溶液に溶解します。中性浸出（CO2-O2浸出および弱酸浸出を含む）は広く適用可能であり、バイオ浸出も広く適用可能で、特に黄鉄鉱を多く含むウラン鉱床に最適です。[ 4 ]
ウラン鉱石のISLは、 1960年代初頭に米国とソビエト連邦で始まった。米国で最初のウランISLは、ワイオミング州のシャーリー盆地で行われ、1961年から1970年まで硫酸を使用して操業した。1970年以降、米国の商業規模のISL鉱山はすべて炭酸塩溶液を使用している。[ 5 ] [ 6 ]
オーストラリアのISL採掘では酸性溶液が使用される。[ 7 ]
原位置回収では、ウラン含有水（ウラン濃度が0.05%、または500 ppm、U 3 O 8）を抽出します。抽出されたウラン溶液は、樹脂ビーズを通してろ過されます。[ 6 ]イオン交換プロセスにより、樹脂ビーズは溶液からウランを引き付けます。ウランを吸着した樹脂は処理工場に輸送され、そこでU 3 O 8が樹脂ビーズから分離され、イエローケーキが生成されます。その後、樹脂ビーズはイオン交換施設に戻され、再利用されます。
2008年末時点で、米国では4つの原位置浸出ウラン鉱山が稼働しており[ 8 ] 、いずれもCameco、Mestena 、Uranium Resources, Inc.が操業し、重炭酸ナトリウムを使用していた。ISLは米国で採掘されるウランの90%を生産している。2010年、Uranium Energy Corporationはテキサス州デュバル郡のPalanganaプロジェクトで原位置浸出操業を開始した。2012年7月、CamecoはU3O8が45.00ドルという厳しい経済性のため、Kintyreプロジェクトの開発を延期した。2009年時点では、1つのISR再生プロジェクトも稼働していた[ 9 ]。
カザフスタンとオーストラリアでは、大規模なISL鉱山が操業している。
原位置ウラン鉱山の例としては、以下のようなものがある。
中国では西暦907年までに銅の現地浸出が行われており、おそらく紀元前177年には既に行われていたと考えられます。[ 5 ]銅は通常、酸（硫酸または塩酸）を使用して浸出され、その後、溶媒抽出電解採取（SX-EW）または化学沈殿によって溶液から回収されます。
浸出処理に最も適した鉱石としては、炭酸銅鉱物の孔雀石と藍銅鉱、酸化銅鉱物のテノライト、珪酸塩鉱物のクリソコラなどが挙げられる。酸化銅鉱物のキュプライトや硫化銅鉱物の輝銅鉱などの他の銅鉱物は、溶解前に硫酸第二鉄や酸素などの酸化剤を浸出液に加える必要がある場合がある。硫化物含有量が最も高い鉱石、例えば斑銅鉱や黄銅鉱などは、より多くの酸化剤を必要とし、溶解速度も遅くなる。硫化物化合物を栄養源とする細菌であるThiobacillus ferrooxidansによって酸化が促進される場合もある。
銅のISL（内部浸出）は、多くの場合、採掘跡地浸出法によって行われます。これは、現在または過去に操業していた従来の地下鉱山で、砕かれた低品位鉱石を浸出させる方法です。浸出は、埋め戻された採掘跡地や崩落した場所で行われることがあります。1994年には、米国で16の鉱山において銅の採掘跡地浸出が報告されました。
米国アリゾナ州のサンマヌエル鉱山[ 12 ]では、当初ISLは地下で得られた溶液を収集する方式で使用されていましたが、1995年に井戸間回収方式に転換され、これが同方式の最初の大規模な実施となりました。この井戸間回収方式は、アリゾナ州の他の銅鉱床にも提案されています。
原位置浸出法は金採掘の商業規模では使用されていません。1970年代には、米国クリップルクリーク地区のアジャックス鉱山で塩化物とヨウ化物溶液を使用して金鉱石を原位置浸出する3年間のパイロットプログラムが実施されました。複雑なテルル化物鉱石のためか、結果が芳しくなかったため、試験は中止されました。[ 13 ]
世界原子力機関によると：
アメリカ合衆国では、採掘によって影響を受けた帯水層の水質を、採掘前の水質レベルまで回復させることが法律で義務付けられています。通常、これは飲料水または家畜用水（総溶解固形分濃度が500ppm未満）であり、すべての化学的特性を採掘前の状態に戻すことはできませんが、以前と同じ用途に使用できる水でなければなりません。多くの場合、逆浸透膜処理が必要となりますが、その際に発生する濃縮塩水の処理が問題となります。
ISLウラン採掘作業では、鉱床の放射能の大部分が地下深くに留まり、ラドン放出の増加が最小限で鉱石粉塵も発生しないにもかかわらず、通常の放射線防護措置が適用されています。従業員はアルファ線汚染の監視を受け、ガンマ線被ばくを測定するために個人線量計を装着します。空気、粉塵、表面汚染の定期的な監視も実施されています。[ 14 ]
この技術の利点は以下のとおりです。
原位置浸出処理が終了した後は、発生した廃液スラリーを安全に処分し、浸出処理によって汚染された帯水層を回復させなければならない。地下水回復は非常に骨の折れる作業であり、その全容はまだ十分に解明されていない。
最良の結果は、一連の異なるステップからなる以下の治療計画で得られています。[ 15 ] [ 16 ]
しかし、この治療法を用いても、様々な問題が未解決のまま残る。
報告されている修復実験のほとんどはアルカリ浸出方式に関するものであり、これは西側諸国の商業的な原位置処理で使用されている唯一の方式である。そのため、東欧でほとんどの場合に適用されている酸性原位置浸出後の地下水修復に関する経験はほとんどない。これまでに硫酸浸出後に修復された西側の原位置浸出サイトは、ワイオミング州キャスパー近郊のナインマイル湖（米国）にある小規模パイロットスケール施設のみである。したがって、その結果を生産規模の施設に単純に適用することはできない。適用された修復方式には、上述の最初の 2 つのステップが含まれていた。浸出ゾーンの孔隙容積の 20 倍以上の水量をポンプで汲み上げる必要があり、それでもいくつかのパラメータはバックグラウンドレベルに達しなかったことが判明した。さらに、修復には浸出期間とほぼ同じ時間が必要であった。 [ 17 ] [ 18 ]
米国では、テキサス州のポーニー、ランプレヒト、ザムゾウのISLサイトが、上記の処理計画のステップ1と2を使用して修復されました。[ 19 ] これらのサイトやその他のサイトでは、修復基準を満たすことができなかったため、緩和された地下水修復基準が認められています。
米国地質調査所が2009年に発表した研究では、「現在までに、米国におけるISR操業の修復で帯水層をベースラインの状態に戻すことに成功した例はない」と結論付けている。[ 20 ]
ベースライン条件には、商業量の放射性 U 3 O 8が含まれます。効率的な原位置回収により、帯水層のU 3 O 8値が低下します。2010 年 9 月 29 日にEPA Region 8 ワークショップで、ロスアラモス国立研究所(ニューメキシコ州ロスアラモス) の Ardyth Simmons 博士は、「ウラン原位置回収サイトにおけるベースラインの設定と復元値との比較」というテーマで、「これらの結果は、ISR 作業で帯水層を平均まで復元することは非現実的である可能性があることを示唆しています。なぜなら、場合によっては、これは採掘前よりもウランの存在量が少なくなければならないことを意味するからです。より保守的な濃度を追求すると、かなりの量の水を使用することになり、これらの帯水層の多くは、採掘開始前に飲料水として適していませんでした。」と述べました。[ 21 ]
米国環境保護庁（EPA）は、ウラン採掘に関する環境保護基準の改定の必要性を検討している。これは、1978年のウラン鉱滓放射線管理法に基づいて制定された現行規制が、地下鉱床からのウランの原位置浸出（ISL）という比較的新しいプロセスに対応していないためである。EPAは2012年2月の書簡で、「ISLプロセスは地下水の水質に影響を与えるため、EPAの放射線・室内空気局は、ISL採掘現場における地下水モニタリングの設計と実施に関する問題について、科学諮問委員会（SAB）に助言を求めた」と述べている。
SABは、採掘作業開始前のベースライン地下水質を特徴付けるためのモニタリング、採掘中の浸出液の変動を検出するためのモニタリング、および採掘作業完了後に地下水質が安定した時期を判断するためのモニタリングに関する勧告を行う。SABはまた、操業後の地下水質が採掘前の状態に近い状態に戻ったかどうか、および鉱山閉鎖承認後に鉱山操業が地下水質に悪影響を与えないと予測できるかどうかを判断するための代替統計手法の利点と欠点を検討する。 [ 22 ]