自主研发的“国铀一号”成套采铀技术让“呆矿”变“宝藏”

　　助力核电“粮仓”持续充盈（瞰前沿）

　　苏学斌

　　9月10日，国务院新闻办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会。“十四五”期间，我国油气与铀矿实现重大找矿突破，探获两个特大型铀矿，夯实5个大型铀矿基地资源基础，为我国铀矿资源安全奠定了重要基础。

　　近期，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市的中核集团“国铀一号”示范工程生产出“第一桶铀”，这标志着我国铀资源开发迈入绿色安全、智能高效的新阶段。铀资源为何重要？如何唤醒“沉睡”的铀矿？科研人员在此过程中攻克了哪些科技难关？本期“瞰前沿”揭秘铀矿采冶背后的“黑科技”。

　　——编 者

　　天然铀，是从铀矿石中直接提取的混合物，是重要的战略资源和能源矿产。铀资源被誉为核电“粮仓”，铀矿采冶位于核燃料循环体系的前端，是核工业发展的重要基础。掌握先进的铀矿采冶技术，建设绿色、智能、高效的千吨级铀矿山，对保障国家能源安全具有重要战略意义。

　　进入新世纪，我国铀资源勘查重心由南方硬岩转向北方砂岩，在北方盆地陆续发现和落实了一批超大型、特大型和大型铀矿床。其中，鄂尔多斯盆地已成为我国铀资源最丰富的基地。但是，矿体地质与水文地质条件差、矿石性质复杂、矿层与煤层叠置等特点，使得采冶难度极大。

　　经过数十年科技攻关，我国自主研发了“国铀一号”成套采铀技术，建成了国内首座单体千吨级铀矿大基地，盘活了国内数十万吨铀资源，让“呆矿”变“宝藏”，实现了国内铀资源开发的突破性进展。

　　唤醒“沉睡”的铀矿，挑战极大

　　传统的采铀方法是在露天工作面或地下巷道施工，打开含铀矿层，从地下采出铀矿石运至地表，经破磨处理、化学浸出实现铀的提取。这种方法安全度和生产效率低，尤其不适用于疏松含水的砂岩型铀矿。

　　“国铀一号”采用了原地浸出采铀工艺：在地表施工钻孔，向地下注入化学试剂，沿矿石孔隙渗透使铀溶解，再将含铀溶液提升至地表，经水冶处理得到铀产品。面对鄂尔多斯盆地复杂砂岩铀矿，要想建立这一颠覆性的铀矿开采模式，挑战前所未有。

　　如何高效地溶解铀？铀矿石具有高钙、高铁的特点，采用常规高酸、高碱浸出时，极易发生硫酸钙、氢氧化铁等化学沉淀反应，将矿石孔隙堵死，不仅化学试剂无法与矿石接触，还会污染地下水。因此，寻找科学的溶浸剂配方成为关键。

　　如何快速精准地开采铀？铀矿含水层厚度大、矿体分散不连续，就像厚厚的蛋糕里镶嵌着很小的铀矿“坚果”，注入的化学试剂被严重稀释。此外，地层深处看不见、摸不着，想靠有限的钻孔准确开采铀矿，难度极大。

　　如何从溶液中高效提取铀？含铀溶液浓度极低，从溶液中回收铀犹如大海捞针。要想解决这一问题，需要处理能力大并且能够快速富集铀的水冶装备，这在当时尚属国际空白。

　　如何确保铀矿山稳定运行？煤矿开采排水使铀矿层水位下降，破坏了原地浸出所依赖的水力条件。此外，煤层采掘导致铀矿层底板坍塌，引发放射性核素迁移，污染煤层并造成严重的环境影响。实现铀煤协同开采，是一个世界性难题。

　　采冶“黑科技”，更绿色、智慧、高效

　　在近20项国家重点科研与工程示范项目的支持下，我国科研人员在原地浸出采铀理论方法、关键技术、装备材料等方面取得系统性、原创性成果，成功破解了复杂铀矿开发的世界性难题，使我国铀矿采冶迈入绿色安全、智能高效的新阶段。

　　更绿色——创新二氧化碳和氧气地浸采铀理论与方法。这两种人们生活中接触最多的气体，在特定的条件下对铀有较好的溶解效果。这种溶有二氧化碳和氧气的近中性水溶液，绿色、安全、环保，对环境影响小，既解决了堵塞问题，又极大提高了地浸采铀的本质安全度，还使温室气体得到了资源化利用。

　　更智慧——研发“数字建井”工艺。利用非均质地层建模和流场表征技术实现钻孔精准设计和施工，井网建造精度由米级提升至厘米级，打破了过去“闭着眼睛凭经验”的粗放建设模式，矿山建设周期由4年缩短至1年。创新高压水力定向切割技术，精准控制化学试剂流向，实现对铀矿物的溶解，解决了稀释问题，显著提高资源回收率，实现了铀矿山“快建快采”。

　　更高效——研发U型饱和再吸附铀富集工艺，将铀溶液中每升几毫克的铀富集至每升近百克。自主研制的高吸附量国产化铀提取材料，在打破国外垄断的同时实现重要指标超越，我国铀矿山生产能力由单体百吨级提升到单体千吨级。

　　更科学——针对铀煤协同开采相互影响的问题，我国科研人员提出“先铀后煤，时空错开”的科学开发方法，在此基础上研发了水力帷幕地浸流场再造与地下核素迁移控制技术，扫除铀煤同采技术障碍。此外，应用地浸采铀智能化分析控制系统，开启了我国铀矿山“千里之外、一键采铀、一屏掌控”的新格局，有效提升产能。

　　保障天然铀国家重大战略需求

　　当前，我国核电总体规模居世界第一。未来15年，国内天然铀需求量将增长3倍，达到目前全球天然铀总产量的一半以上。开发国内铀资源先进技术并进行推广，至关重要。

　　去年7月，“国铀一号”示范工程开工建设，仅一年时间，“第一桶铀”就成功生产下线。该工程产能规模大、建设标准高、技术先进，进一步提升了中国天然铀保障能力、天然铀产业自主创新能力和国际竞争力。

　　目前，“国铀一号”先进技术正加速推广至内蒙古二连盆地、东北松辽盆地和新疆伊犁盆地等铀矿资源开发，将支撑建成新一批天然铀生产基地，实现我国天然铀产能大幅增长。随着全球核能发展的提速，未来，“国铀一号”技术还将走出国门，推广到中亚、非洲等地，为世界复杂铀矿开发贡献智慧。

　　（作者为中核集团“国铀一号”示范工程总设计师）

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　　为什么要发展核电？

　　核工业是高科技战略产业，是国家安全的重要基石。我国核工业自20世纪50年代起步，从无到有，从弱到强，形成了完备的核工业体系，在维护国家安全、保障能源安全等方面作出了重要贡献。

　　结合我国能源发展需求与实现“双碳”目标的需要，有学者预测未来我国全年电力需求会增长到16万亿千瓦时，我国需要4亿至5亿千瓦的发电装机规模作为能源补充。在各类发电技术全生命周期单位碳排放量中，核电的碳排放量极低。此外，核电还有高效、稳定等特征。

　　以中核集团中国核电工程有限公司牵头研发的“华龙一号”为例，“华龙一号”是根据全球最新安全要求研发的百万千瓦级先进压水堆核电技术，具有完全自主知识产权，能够持续向社会稳定输送清洁电力。“华龙一号”单台机组年发电量达100亿千瓦时，相当于每年等效减排二氧化碳800多万吨。

　　核安全问题是核电发展的生命线。压水堆核电站有3道安全屏障：由燃料芯块和包壳组成第一道屏障，一回路压力边界构成第二道屏障，安全壳是最后一道放射性物质的包容屏障。

　　数字化、智能化技术将为我国核电行业带来新机遇。目前，我国核电厂已经部署了很多智能化应用，可以全面提升核电站的安全性和经济性。未来，借助人工智能等新技术，能进一步加强对核事故的预防。

　　（资料来源：中核集团）

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