为什么说中国缺铀
地球知识局2023-06-10 13:09
本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），文字：伯玥
1905 年，爱因斯坦提出了质能方程式。
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。
1945 年 8 月
代号为“小男孩”的原子弹在广岛上空爆炸
广岛市马上沦为焦热的火海
（图：nationalmuseum.af.mil）▼
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。
日本柏崎刈羽核电站
曾是世界上最大的核电站
因多次核泄漏隐患而关停
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
可以找到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％。
横屏-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。
且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
而铀矿开采就复杂得多，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 年秦山核电站并网发电，开启了我国民用核电的历史，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。
地处浙江省海盐县的秦山核电站
自 1991 年建成以来，已安全运营 31 年
目前其服务年限已延长至 2041 年
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。截至到 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。
横屏-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。
横屏-全球核电站分布
与欧美等发达国家相比
我国核电站数量还较少 ▼
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。）
绿水青山就是金山银山
发展核电是实现可持续发展的必然趋势
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
真的是富得流“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
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