[科普中國(guó)]-天然金屬鈾

鈾元素和金屬鈾

1789年，由德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特（M.H.Klaproth）從瀝青鈾礦中分離出，就用1781年新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)行星——天王星命名它為uranium，元素符號(hào)定為U。1841年，佩利戈特（E.M.Peligot）指出，克拉普羅特分離出的“鈾”，實(shí)際上二氧化鈾。他用鉀還原四氯化鈾，成功地獲得了金屬鈾。1896年有人發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性衰變。1939年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）發(fā)現(xiàn)了鈾的核裂變現(xiàn)象。自此以后，鈾便變得身價(jià)百倍。2

金屬鈾指處于金屬狀態(tài)的鈾。 表面具有銀白色金屬光澤，熔點(diǎn)1130℃，100℃時(shí)的熱導(dǎo)率為0.25W/（cm·℃）。 金屬鈾多用作石墨或重水型生產(chǎn)堆棒狀燃料元件的燃料芯，用熱中子吸收截面較小的鋁、鎂及其合金作包殼材料。 鈾與鋯、鉬、鈮等許多金屬組成的合金，具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕和抗輻照性能。 金屬鈾的化學(xué)性質(zhì)很活潑，能自燃。 氧化性的酸，如硝酸可快速溶解鈾。 工業(yè)上金屬鈾系通過(guò)四氟化鈾（UF4）的鈣（鎂）金屬熱還原法來(lái)制備的。

自然界中的鈾元素鈾廣泛分布于地球的各種地質(zhì)體中，由于其化學(xué)性質(zhì)活潑，通常以+3、+4、+5、+6價(jià)態(tài)的化合物狀態(tài)存在，其中+4和+6價(jià)鈾化合物穩(wěn)定。四價(jià)態(tài)鈾通常以晶質(zhì)鈾礦（或?yàn)r青鈾礦）（UO2）形成于巖漿、熱液、沉積和變質(zhì)作用產(chǎn)物中，而六價(jià)態(tài)通常以鈾酰離子（UO22+）化合物溶于水體中或在沉積、蒸發(fā)和氧化的條件下形成硫酸鹽、碳酸鹽、釩酸鹽、磷酸鹽等各鹽類次生鈾礦物。因此，鈾在自然條件下被普遍認(rèn)為是以U4+和U6+價(jià)態(tài)的形式存在。

金屬鈾在地表或富含氧的環(huán)境中極易發(fā)生氧化，形成氧化物，由于鈾的這一特性，用常規(guī)的化學(xué)價(jià)態(tài)分析方法很難發(fā)現(xiàn)零價(jià)態(tài)金屬鈾，pH和溫度條件的變化都會(huì)造成鈾元素價(jià)態(tài)的改變。因此，自鈾元素發(fā)現(xiàn)200多年來(lái)， 科學(xué)界也形成了自然界中沒(méi)有金屬鈾的慣常認(rèn)識(shí)。

天然金屬鈾的首次發(fā)現(xiàn)鈾元素在地質(zhì)作用過(guò)程中的遷移形式和富集機(jī)理，是鈾礦地質(zhì)工作者一直以來(lái)深耕的領(lǐng)域，不可回避地反復(fù)討論鈾元素價(jià)態(tài)這一關(guān)鍵問(wèn)題。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院李子穎研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于鈾成礦理論及深部探測(cè)研究，在對(duì)熱液鈾礦成礦機(jī)理等多方面研究的基礎(chǔ)上，提出了熱點(diǎn)鈾成礦作用的理論認(rèn)識(shí)，認(rèn)為鈾是在巖漿－熱流體演化過(guò)程中的晚期流體中富集，鈾的來(lái)源具有深源性，成礦流體具有還原性，鈾是在成礦流體進(jìn)入近地表時(shí)，由于物理化學(xué)條件的改變而沉淀富集成礦的。在這一理論的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)對(duì)熱液成礦流體中是否以低價(jià)鈾的形式進(jìn)行遷移富集成礦進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的探索研究。

李子穎帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)以我國(guó)南方諸廣地區(qū)和貴東地區(qū)典型熱液鈾礦床中的瀝青鈾礦為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地將X射線光電子能譜方法應(yīng)用于天然鈾礦物元素價(jià)態(tài)的研究，原位分析了天然瀝青鈾礦中元素組成、價(jià)態(tài)及含量，并開展了與人工制造的金屬鈾和不同種類的鈾礦物的對(duì)比分析工作。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)致譜學(xué)分析和反復(fù)重現(xiàn)性測(cè)試，在自然界瀝青鈾礦中除四價(jià)鈾、六價(jià)鈾之外，首次發(fā)現(xiàn)了零價(jià)態(tài)金屬鈾的存在，并確定了不同價(jià)態(tài)的比例關(guān)系，不同礦石樣品中鈾元素價(jià)態(tài)比例是有變化的。這一發(fā)現(xiàn)為揭示熱液型鈾礦成礦作用機(jī)理和控礦要素提供了關(guān)鍵性判據(jù)，證明成礦物質(zhì)鈾來(lái)自深部，成礦流體具還原性，鈾的沉淀富集是成礦流體物理化學(xué)條件變化所致，為我國(guó)鈾資源的深部突破提供理論依據(jù)。同時(shí)不同價(jià)態(tài)鈾元素的比例，可用于判別礦石形成的深度，為鈾成礦深度的定量預(yù)測(cè)提供依據(jù)，具有重要的實(shí)際價(jià)值。由于鈾在自然界中是一種非?；顫姷脑兀彩且环N放射性衰變?cè)?，?duì)不同地質(zhì)作用過(guò)程是敏感的且具有時(shí)間追溯性。因此，金屬鈾的發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究追溯地質(zhì)作用過(guò)程和地球演化也具有重要意義。該研究成果是我國(guó)鈾礦地質(zhì)及基礎(chǔ)地質(zhì)研究領(lǐng)域的原創(chuàng)性成果，突破了人們認(rèn)為鈾在自然界僅以價(jià)態(tài)的形式存在的慣常認(rèn)識(shí)，為地質(zhì)工作者開展成礦理論和成礦機(jī)理研究打開了新視角，在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的反響。

此次研究以我國(guó)粵北南方典型熱液鈾礦床中瀝青鈾礦為研究對(duì)象，采用了地學(xué)界尚不多用的光電子能譜研究方法。我們用一臺(tái)半個(gè)會(huì)議室那么大的光電子能譜儀讓樣品中以不同價(jià)態(tài)存在的元素現(xiàn)身。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是能在不破壞樣品的情況下，原位精細(xì)地探測(cè)物質(zhì)表面的化學(xué)元素組成、元素化學(xué)價(jià)態(tài)和含量。

天然金屬鈾分布從空間上看，我國(guó)的鈾礦床分布在南、北兩個(gè)大區(qū)，北方以伊犁地區(qū)和鄂爾多斯地區(qū)的砂巖型礦床為代表；南方則以廣東、江西的花崗巖型礦床為典型。據(jù)了解，粵北有下莊、諸廣兩個(gè)鈾礦大基地，有翁源鈾礦、郴州鈾礦等多個(gè)廠礦。

影響天然鈾生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的因素1、鈾礦床稟賦地質(zhì)特征

（1）鈾礦床品位高低是影響采冶經(jīng)濟(jì)效益的重要因素；

（2）鈾礦體埋藏的深度；

（3）鈾礦體規(guī)模大小和分布；

（4）鈾礦床開采技術(shù)條件；

（5）鈾礦石成分復(fù)雜程度。

2、鈾礦開采方式

（1）開采方式；

（2）礦床開拓方式。

3、鈾礦石加工工藝

鈾礦石因水冶工藝不同，可分為酸性礦石和堿性礦石，若用酸法浸出要比堿法浸出其成本低得多。

4、采礦方法

由于礦床地質(zhì)條件限制，地下開采中有75%采用充填法，技術(shù)裝備差，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，采礦成本高。

5、礦山和水冶廠設(shè)置

某些礦山所采出的礦石未能就地處理，礦石跨省區(qū)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)礦費(fèi)高直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

提高天然鈾經(jīng)濟(jì)效益的途徑1、溶浸采鈾是提高天然鈾生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑

（1）原地浸出采鈾技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)；

（2）潛在鈾礦資源的利用，包含了較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性；

（3）原地浸出采鈾和常規(guī)采冶比較有許多優(yōu)勢(shì)。

2、提供更多的低成本鈾礦資源是提高天然鈾經(jīng)濟(jì)效益的物質(zhì)基礎(chǔ)

（1）加強(qiáng)我國(guó)砂巖型鈾礦床地質(zhì)研究和勘察，提供更多的適宜地浸采鈾的鈾礦資源；

（2）加強(qiáng)大而富的堅(jiān)硬鈾礦床勘察力度；

（3）重視與國(guó)外合作或獨(dú)立勘探和采冶國(guó)外鈾資源。

3、加強(qiáng)溶浸采鈾技術(shù)管理和創(chuàng)新是提高天然鈾經(jīng)濟(jì)效益的重要平臺(tái)

（1）加強(qiáng)溶浸采鈾礦床的地質(zhì)研究和試驗(yàn)工作；

（2）提高堆浸技術(shù)水平

4、注重礦山和水冶廠合理布局

礦冶系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)革新和創(chuàng)新，除砂巖型鈾礦床，采用原地浸出采鈾外，其他生產(chǎn)堅(jiān)硬礦石的礦山已形成堆浸采鈾的生產(chǎn)線。鈾礦石不再外運(yùn)至水冶廠，而是就礦山附近設(shè)置堆浸場(chǎng)和水冶廠生產(chǎn)天然鈾產(chǎn)品。