本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),文字:伯玥,校稿:朝乾,编辑:苦果,题图来自:视觉中国(建设中的漳州核电站)


1905年,爱因斯坦提出了质能方程式:E=mc2


其中c指的是光速,一个很大的数,而且是平方,即使小学生也能感觉到,这个公式揭示了一种极其巨大的能量,这就是核能。


质能方程的提出,为后来的核能研究打下了基础(图:wiki)▼


人们相信核聚变将开启未来无限能源的时代,但我们目前还只能用核裂变来发电,核能发展至今不到70年,已经占到全球电力来源的10%。


利用核裂变能发电犹如打开了发电领域新世界的大门▼


我国到2022年底,正在运行的核电站有55座,占全国发电量的4.98%,而且中国核电的在建容量已经多年世界第一,我们的核电还会越来越多。但与此同时,我们的铀,却完全不够用。


建了这么多核电站,铀都不够用了▼


用途广泛却储量稀少


铀是核裂变的关键原料,一公斤铀235完全裂变,会损失大约0.09%的质量,而释放的能量相当于燃烧2700吨优质煤,是全球核电的绝对主力“燃料”。


中国铀资源的进口量多年保持在较高水平▼


铀除了能发电,还广泛用于各种军事和民用领域。


比如,航母和潜艇的铀核反应堆、原子弹和氢弹都离不开铀。铀浓缩过程的副产品贫铀,还能用来生产贫铀弹和高强度装甲。


用贫铀和少量钼等金属制成的穿甲弹是主要的反坦克武器之一(图:wired3)▼


再比如,农业辐照育种、生产人造元素、放射治疗、造影诊断都能用到铀。这都进一步放大了铀的消耗量。


自上世纪90年代以来,铀资源便供不应求了▼


2019至2021年全球铀资源量变化,铀资源正在慢慢被消耗▼


根据联合国国际原子能机构(IAEA)和核能局原子能委员会(NEA)2021年的估算,当年中国的铀需求量高达9500吨,但自主产量只有1800吨。


显然,光靠中国自己的铀是不够用的,2021年,我国进口了13000多吨(13613.9吨)的铀资源(U3O8,含铀84.8%),进口额13.1亿美元。这个数字之后还会继续扩大。


其实不光中国缺铀,世界上大部分工业国都缺铀,这种高度敏感的紧缺战略资源,勘查、开采、提纯,每个环节的难度都很大。


首先,铀在地球上的含量很低,平均每吨地壳物质中,只有2.7克铀,相当于0.00027%。按照我国现行规范,铀的最低工业品位是0.05%,也就是说,铀元素要富集185倍才能形成可供利用的铀矿。如果要形成品位≥0.3 %的富矿石,就要富集1110倍。


复习一下高中化学知识:铀是元素周期表中的第92号元素,位于IIIB族第七周期,锕系(f区)


目前已知的含铀矿石主要有沥青铀矿(U3O8、晶质铀矿(UO2、铀石(铀的硅酸盐)和铀黑(铀和钍的氧化物)它们的分布极不均匀。


自然界的铀矿物,其美丽的外表下隐藏着最致命的放射性物质(图:wiki & mindat)▼


比如澳大利亚的储量占全世界的25%,中国只占4%。


世界查明铀矿分布(开采成本<130$/KgU)▼


但不同铀矿的成本差距很大,国际上会根据开采成本,把铀矿分为两类,每千克成本在80~260美元之间的属于高开采成本铀矿,澳大利亚的铀矿就以这种为主。


成本在40~80美元甚至更低的属于低开采成本铀矿,哈萨克斯坦(40.51%)、加拿大(17.16 %)、巴西(11.90 %)加起来占了三分之二。中国的铀资源也以这种为主。


上:全球代表国家可靠铀矿量;下:全球代表国家推测铀矿量(截至2021年1月 图:IAEA)▼



提纯困难却供不应求


无论是高成本还是低成本的铀矿,相比我们以前介绍过的铁、铜,成本都要高得多。


这一方面是因为储量稀少,一方面是提取困难。一般的金属矿石,比如铜矿,只要把矿石破碎,通过浮选就能提取其中的铜,得到可供冶炼的铜精粉。而相比铜矿这类常见金属的开采,铀矿大规模开采的历史较短,提取铀矿的技术也相对没有那么成熟。


铀矿开采方法要复杂得多,如果用类似其他金属矿产的传统方式,将开采出的铀矿石磨成细粉之后,还要通过化学或物理方法,如浸出或离子交换,从矿石里提取铀精矿。主要成分是八氧化三铀和重铀酸钠,这就是著名的“黄饼”


目前,几乎所有开采铀矿的国家都生产“黄饼”,但“黄饼”并不能直接用于核反应堆,而一般用于提炼浓缩铀。


另一种是近几年快速发展的原位铀淋滤法,从地表钻孔将化学药剂注入矿带,利用化学反应选择性地溶解矿石中的铀,并将浸出液提取出地表,成果同样是“黄饼”。


原位铀淋滤法模式图:用化学试剂溶解铀,提取出浸出液即可▼



《红海行动》中棕色的大桶里装的就是黄饼,主要是238U,辐射性远低于浓缩铀▼


到这里,铀,即将进入一个关键环节——分离。


铀精矿里的铀,其实包含了3个天然同位素,铀234、铀235和铀238,必须一一分离。


其中,只有铀235是地球上唯一天然存在的易裂变核素,是核电厂的绝对主力燃料,但它在铀资源中含量极低,只有0.71%。而不可裂变的铀238占比99.2%。所以铀精矿需要同位素分离,制成不同纯度比例的浓缩铀,才能用作核燃料。


铀235的核裂变示意:慢速(低能)中子将铀235的原子核分裂成两个新原子核,同时也产生了能量和中子,这些新产生的中子会撞击其他铀235原子,从而形成连锁反应(图中以氪和钡为例 图:Britannica)▼


具体来说,就是把黄饼转化为六氟化铀(UF6,将其送入高速旋转的离心机,把较轻的铀235和较重的铀238分离开。


经过浓缩的六氟化铀气体被转化回固体的氧化铀,就可以制造燃料棒,用于核反应堆。


浓缩工厂里用于生产浓缩铀的级联气体离心机(图:energy.gov)▼


这其中,铀235的含量非常重要,如果达到3%~5%,就属于低浓缩铀,可以用于核电;80%则是高浓缩铀,90%以上则是武器级高浓缩铀。


从美国工厂处理的废料中回收的高浓缩铀坯料(图:EM)▼


总之,铀的勘探、开采、提纯都有很多技术门槛、而且成本很高,咱们国家以前的起点很低,但为了国防和能源安全,也只能硬着头皮上。


在上世纪50年代,我国就开始勘查铀矿,当时专注于花岗岩型和火山岩型铀矿,勘查范围集中在江西、湖南、广东和广西。


1943年,地质学家南延宗到广西进行矿产地质调查,发现了铀矿物的存在(图:《了不起的核工业》)▼


1958年,位于湖南郴州的711矿开始建设,711矿是中国第一座大型铀矿,共开采出400多万吨铀矿石(图:《了不起的核工业》)▼


随着1991年浙江省海盐县的秦山核电站并网发电,开启了我国民用核电的历史,目前其已安全运营31年,服务年限已延长至2041年。此后国内对铀资源的需求迅速上涨,铀矿勘查投资也逐年增加。


这一时期勘查的矿床主要是砂岩型铀矿,主要发育在我国北方的盆地,如伊犁盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和松辽盆地。


从2000年到2018年,伊犁、鄂尔多斯、二连盆地和松辽盆地都探获了新的铀矿资源量。截至2021年1月,我国查明的铀资源量约33万吨,包含15万吨可信储量和18万吨推断储量,但对应到我们每年近万吨的需求,还是太少了。


中国北方砂岩型铀矿分布示意图,砂岩型铀矿为目前重要的铀矿类型▼


未来我国还需更多的铀


我国目前需求缺口主要在核电方面,核电站的总装机量从2015年到2022年增长了近一倍(3000万千瓦增长到接近5700万千瓦),2021年的铀消费量(9563吨)就占了全球的15%以上。


不断扩大的装机容量也对应着不断增加的铀需求量▼


但我们的基数毕竟太大,相比发达国家,我国的核电占比还非常低。


世界主要国家核电站建设情况,相比而言,我国核电站建设较晚,但建设速度和装载量却可圈可点▼


像是法国、斯洛伐克、乌克兰等10个国家,核电占本国发电量的30%以上。法国更是超过了70%,而我国才刚到5%,这个比例还远远不能改变现在煤电为主的能源结构。


核能的发展仍任重道远▼


相比于碳排放较高的煤电、以及稳定性较弱的可再生能源,核能兼具高效、清洁和稳定性,在如今的双碳目标下,核电作为一种清洁能源,其战略意义不言而喻。(以2021年为例,我国运行核电机组累计发电量为4071.41亿千瓦时,相当于减少燃烧标准煤11558.05万吨,减少排放二氧化碳30282.09万吨。)


今年3月下旬,国家发改委、国家能源局公布的《“十四五”现代能源体系规划》中就提到,到2025年,核电运行装机容量将达到7000万千瓦左右。


IAEA和NEA则预计,到2030年和2040年,我国对铀的需求量将高达22600吨和43400吨。


其实不仅是中国,一些发达国家也同样存在铀的需求量大而生产量小的问题▼


在这俩数字面前,我们1800吨的年产量简直杯水车薪,意味着还要加大力度进口,目前的主要进口来源国包括哈萨克斯坦、纳米比亚、乌兹别克斯坦和俄罗斯。


2019年,哈萨克斯坦一半以上的铀产量都卖到了中国,多达13000多吨,如果我们能稳住这几大来源,再开发些新的来源,未来的铀供应还是很有保障的。


我们的西北邻居哈萨克斯坦真是富得流“铀”啊▼


哈萨克斯坦是世界上最大的铀生产国,仅2022年,这个国家就开采了大约16000吨铀(哈萨克斯坦的Inkai铀矿 图:wiki)▼


当然,如果以后可控核聚变和钍基反应堆能大量用于发电,我们就可以摆脱对铀的依赖,但在这之前,铀的地位仍无可替代。


参考资料

1.https://cn.gii.tw/publisher/cri/

2.国家核安全局 (mee.gov.cn)

3. Army Again Turns to Depleted Uranium for New Weaponry | WIRED

4.Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Station, Japan (power-technology.com)

5. Mapped: The world's nuclear power plants - Carbon Brief

6. 李强,陈擎,王继斌,等.世界铀资源现状与我国核电发展资源保障的对策建议[J].中国矿业,2023,32(3):1-9.

7. Uranium 2022: Resources, Production and Demand

8.https://www.china-nea.cn/site/content/38474.html


本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),文字:伯玥,校稿:朝乾,编辑:苦果