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助力核电“粮仓”持续充盈

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编者按

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”。

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)

内容支持:中国科协科普部、人民网科普频道

《人民日报》(2025年09月13日 第 06 版)

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