2021年01月20日 星期三
中国矿业报订阅

“铀”表及里 “核”立鸡群

——铀资源与核能的开发利用现状

2020-12-8 8:22:08 来源:中国矿业报 作者:王佳营 曾威

有种金属,它是自然界能够找到的最重的金属;这种金属,发现之初主要用作玻璃和陶瓷的着色剂,用量很少,可以说一文不值;这种金属元素,会发生放射性衰变放出粒子,放射源进入我们体内,会造成“α射线”的内照射,严重威胁我们的身体健康;这种金属元素,首次引起举世瞩目,是它能发生核裂变的属性被发现后,才研制出了原子弹;这种金属元素,再次引起举世瞩目,是其开始广泛应用于核能发电,甚至一度让人们觉得能源是用之不竭的;这种金属就是铀。

“铀”表及里:铀的发现及其属性

铀的原子序数为92。相对原子质量为238.03,是原子序数和相对原子质量最大的天然元素。铀金属呈银白色,几乎与钢一样硬,密度高(相对密度约18.95),熔点1135摄氏度,沸点4134摄氏度,具有可延展、有放射性等特征。1789年,德国化学家M.H.克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)首先从沥青铀矿中发现了“铀”,就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium,元素符号定为U。

1896年,法国物理学家贝克勒尔(Henri Becquerel)发现铀会使感光底片曝光,从而发现了铀的放射性现象。1898年,法国物理学家、化学家玛丽·居里(Marie Curie),世称居里夫人,发现了新的放射性元素钋;1902年,居里夫妇又发现了新的元素镭。1908年,英国著名物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)和他的助手英国物理学家、化学家索迪(Frederick Soddy)研究发现了铀的衰变。原来铀具有不稳定的原子核,原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定,而衰变后的铀就会变成其他元素。这些放射出的粒子或能量称为辐射,辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。铀系由铀-238开始,经过一次α衰变,可以变成钍-234,钍-234再经过一次β衰变又变成了镤-234,居里夫人发现的镭就是铀的第六代子同位素,就这样,铀-238会经过14次连续衰变最终变成稳定核素铅-206,铅则没有放射性,不会变成任何元素。

1915年,德国物理学家爱因斯坦(M Albert Einstein)创立了狭义相对论,推演出了最著名的质能方程(E=mc2),该质能方程表示小小的质量可以转换成很大的能量。1933年,匈牙利核物理学家利奥·西拉德发现了核裂变。铀-235核素受热中子轰击,吸收一个中子后就会发生裂变。一个铀-235在裂变时放出的总能量为195MeV,同时放出2~3(平均2.5)个中子。只要其中一个中子引起另一个铀-235核发生裂变,链式核裂变就会持续进行下去,同时释放出巨大的热量。人们利用铀能发生核裂变的特性发明了令人闻风丧胆的原子弹和清洁安全的核能发电。原子弹爆炸时释放的能量,比只装化学炸药的常规武器要大得多。

“铀”然而生:铀资源的分布与开发

铀在地壳中的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀。铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离态的金属铀,它总是以化合状态存在着,其中铀矿物是铀在自然界中很重要的一种存在形式。目前,自然界已发现的铀矿物有180多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种,其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀)、晶质铀矿(主要成分为二氧化铀)、铀石和铀黑等。铀矿物是矿石家族的“玫瑰花”,色彩艳丽,很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。

全球已发现的铀资源量为481.5万吨。铀资源量排名前5的国家分别是澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦、纳米比亚和尼日尔,其资源量之和占全球总资源量的65%。我国也是铀资源较为丰富的国家之一,占全球铀资源量的2.8%。我国铀矿床类型主要有花岗岩型、火山岩型、砂岩型、碳硅泥岩型铀矿床等4种。与铀资源禀赋条件优越的澳大利亚、加拿大等国的大型、超大型铀矿床相比,我国的铀矿床具有“小而多、贫而可用、散而相对集中”特点。随着 20 世纪60年代地浸技术开采砂岩型铀矿获得成功,由于其开采经济、环保,砂岩型铀矿逐渐成为了世界上最重要的铀矿床类型之一和许多国家首选的找矿目标类型。

我国砂岩型铀矿主要分布于北方含煤、油气盆地,包括鄂尔多斯盆地、伊犁盆地、二连盆地、松辽盆地等。铀矿的分布于煤、油、红色岩层密切相关。铀矿夹持于红色岩系与黑色岩系之间为灰色的过渡带,由于携带铀的含氧承压地下水沿渗透水向下方运移,在氧化带前锋处铀被还原而沉淀富集形成砂岩型铀矿。

全球铀资源的生产形式主要有原地地浸、井下开采、露天开采和从铜、金矿的副产品回收。目前,占主导地位的开采方式是地浸砂岩型铀矿开采,占全球铀产量的55%,主要分布在哈萨克斯坦和澳大利亚。地浸采铀法是在矿床天然产状条件下,其实就是往铀矿中注入一种特殊的液体,这种液体可以和铀矿石发生反应,溶解矿石中的铀,所形成的含铀溶液被抽取上来之后,送进回收车间进行离子交换、淋洗、沉淀、压滤、干燥,最终得到合格产品。而所使用的特殊液体也是安全环保的——水。不过,这水是经过特殊加工过的水,含有更高的二氧化碳和氧气,不但不会污染环境,也不会对地层结构产生破坏。

“核”立鸡群:核能的应用

铀是唯一的天然核燃料,核能工业必须依靠铀。核能的应用主要包括军事国防和核能发电两个方面。

“铀”备无患:军事国防

铀在军事方面的应用包括核弹、核动力航母、核潜艇、核动力巡洋舰等。人类曾两次在战争中使用核武器,第二次世界大战后期美国在日本的广岛市和长崎市投下两枚原子弹,原子弹的威力使这两个城市灰飞烟灭,30万人死于原子弹爆炸,不过这也导致了日本天皇及法西斯军国主义的投降。二战后再也没有发生大规模的世界性战争,最根本原因就是核威慑的作用。

铀在军事方面的另一个应用是核动力舰船。舰船的核动力,无论是水面的核动力航母、核动力巡洋舰、核动力破冰船,还是水下的核潜艇,过去和现在都是采取“反应堆-高压蒸汽循环系统-汽轮机-发电机或变速齿轮系统-大轴-螺旋桨”来完成推进。舰船核动力包相对于陆地核电站,最大的特点就是总体积大大压缩,核潜艇的反应堆尤其小巧玲珑,但相同体积的能量密度却比陆地核电站大的多,所用的核燃料的丰度也高的多。尼米兹级或福特级航母,每台反应堆的热功率在30万千瓦以上,装入的核燃料总量不超过4吨。“福特”级航母装备的是两座新型A1B核反应堆,总功率约700兆瓦,无需中途加注核燃料,号称可以保用50年,这意味着在福特级航母在整个服役期内都不需要更换核燃料了。

清洁能源:核电

用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。

核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存都很方便,1千克铀-235全部裂变放出的能量相当于270万千克标准煤燃烧放出的能量。核电站不但能提供大量电力,还会大大改善环境,因为它不向环境释放二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等物质,是比较清洁的能源。

2020年开年,一场突如其来的疫情迅速席卷全球,此外,南极气温首破20摄氏度,北极甲烷释放量增加,青藏高原冰川发现28种新病毒,东非爆发25年来最严重蝗灾……南北极作为地球的“温度计”,他们的异常状态都在释放一个危险的信号——全球变暖仍旧威胁着人类的生存。2020年1月8日,国际原子能机构(IAEA)发布了一部名为《核电:通往未来无碳之路》的短片,短片指出,当前核电为全球供应10%的电力,但要遏制气候变化,还需更多的清洁、可靠能源。到2050年,全球低碳电力在总发电量中的占比需达80%才能有效应对气候变化。

党的十八大以来,我国积极推动我国能源生产和消费革命,加快核电项目建设。截至2019年12月31日,我国运行核电机组共47台,装机容量为4875万千瓦,首次超过日本,上升至第三位,仅次于美国和法国。随着我国核电项目陆续完工投产,核电应用进一步推广,我国核电发电量保持增长的趋势,2019年,我国核能发电量为3481.31亿千瓦时,同比增长18.09%。虽然发电量持续增长,但核电在整个发电总量中的占比仍然较低,2019年发电量占比仅有4.88%的比重,距离全球平均水平仍有差距。

(作者单位:中国地质调查局天津地质调查中心)

网站编辑:宫莉

返回新闻