鈾礦提取{浸取}工藝

【專家解說】：最重的天然元素鈾已經(jīng)成為新能源的主角，那么鈾又是怎樣提煉出來的呢？ 在居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳以后，由于鐳具有治療癌癥的特殊功效，鐳的需要量不斷增加，因此許多國家開始從瀝青鈾礦中提煉擂，而提煉過鐳的含鈾礦渣就堆在一邊，成了“廢料”。 然而，鈾核裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，鈾變成了最重要的元素之一。這些“廢料”也就成了“寶貝”。從此，鈾的開采工業(yè)大大地發(fā)展起來，并迅速地建立起了獨立完整的原子能工業(yè)體系。 鈾是一種帶有銀白色光澤的金屬，比銅稍軟，具有很好的延展性，很純的鈾能拉成直徑0.35毫米的細(xì)絲或展成厚度0.1毫米的薄箔。鈾的比重很大，與黃金差不多，每立方厘米約重19克，象接力棒那樣的一根鈾棒，竟有十來公斤重。 鈾的化學(xué)性質(zhì)很活潑，易與大多數(shù)非金屬元素發(fā)生反應(yīng)。塊狀的金屬鈾暴露在空氣中時，表面被氧化層覆蓋而失去光澤。粉末狀鈾于室溫下，在空氣中，甚至在水中就會自燃。美國用貧化鈾制造的一種高效的燃燒穿甲彈—“貧鈾彈”，能燒穿30厘米厚的裝甲錒板，“貧鈾彈”利用的就是鈾極重而又易燃這兩種性質(zhì)。 鈾元素在自然界的分布相當(dāng)廣泛，地殼中鈾的平均含量約為百萬分之2.5，即平均每噸地殼物質(zhì)中約含2.5克鈾，這比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高。鈾在各種巖石中的含量很不均勻。例如在花崗巖中的含量就要高些，平均每噸含3.5克鈾。依此推算，一立方公里的花崗巖就會含有約一萬噸鈾。海水中鈾的濃度相當(dāng)?shù)?，每噸海水平均只?.3毫克鈾，但由于海水總量極大，且從水中提取有其方便之處，所以目前不少國家，特別是那些缺少鈾礦資源的國家，正在探索海水提鈾的方法。 由于鈾的化學(xué)性質(zhì)很活潑，所以自然界不存在游離的金屬鈾，它總是以化合狀態(tài)存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種，但具有工業(yè)開采價值的鈾礦只有二、三十種，其中最重要的有瀝青鈾礦(主要成分為八氧化三鈾)、品質(zhì)鈾礦(二氧化鈾)、鈾石和鈾黑等。很多的鈾礦物都呈黃色、綠色或黃綠色。有些鈾礦物在紫外線下能發(fā)出強烈的熒光，我們還記得，正是鈾礦物(鈾化合物)這種發(fā)熒光的特性，才導(dǎo)致了放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。 雖然鈾元素的分布相當(dāng)廣，但鈾礦床的分布卻很有限。國外鈾資源主要分布在美國、加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區(qū)。據(jù)估計，國外已探明的工業(yè)儲量到1972年已超過一百萬噸。隨著勘探活動的廣泛和深入，鈾儲量今后肯定還會增加。我國鈾礦資源也十分豐富。 鈾礦是怎樣尋找的呢？鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標(biāo)志。人的肉眼雖然看不見放射性，但是借助于專門的儀器卻可以方便地把它探測出來。因此，鈾礦資源的普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射性這一特點：若發(fā)現(xiàn)某個地區(qū)巖石、土壤、水、甚至植物內(nèi)放射性特別強，就說明那個地區(qū)可能有鈾礦存在。 鈾礦的開采與其它金屬礦床的開采并無多大的區(qū)別。但由于鈾礦石的品位一般很低(約千分之一)，而用作核燃料的最終產(chǎn)品的純度又要求很高(金屬鈾的純度要求在99．9％以上，雜質(zhì)增多，會吸收中子而妨礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行)，所以鈾的冶煉不象普通金屬那樣簡單，而首先要采用“水冶工藝”，把礦石加工成含鈾60～70％的化學(xué)濃縮物（重鈾酸銨)，再作進(jìn)一步的加工精制。 鈾水冶得到的化學(xué)濃縮物(重鈾酸氨)呈黃色，俗稱黃餅子，但它仍含有大量的雜質(zhì)，不能直接應(yīng)用，需要作進(jìn)一步的純化。為此先用硝酸將重鈾酸銨溶解，得到硝酸鈾酰溶液。再用溶劑萃取法純化(一般用磷酸三丁酯作萃取劑)，以達(dá)到所要求的純度標(biāo)準(zhǔn)。 純化后的硝酸鈾酰溶液需經(jīng)加熱脫硝，轉(zhuǎn)變成三氧化鈾，再還原成二氧化鈾。二氧化鈾是一種棕黑色粉末，很純的二氧化鈾本身就可以用作反應(yīng)堆的核燃料。 為制取金屬鈾，需要先將二氧化鈾與無水氟化氫反應(yīng)，得到四氟化鈾；最后用金屬鈣(或鎂)還原四氟化鈾，即得到最終產(chǎn)品金屬鈾。如欲制取六氟化鈾以進(jìn)行鈾同位素分離，則可用氟氣與四氟化鈾反應(yīng)。 至此，能作核燃料使用的金屬鈾和二氧化鈾都生產(chǎn)出來了，只要按要求制成一定尺寸和形狀的燃料棒或燃料塊(即燃料元件)，就可以投入反應(yīng)堆使用了。但是對于鈾處理工藝來說，這還只是一半。 我們知道，核燃料鈾在反應(yīng)堆中雖然要比化學(xué)燃料煤在鍋爐中使用的時間長得多，但是用過一段時間以后，總還是要把用過的核燃料從反應(yīng)堆中卸出來，再換上一批新的核燃料。從反應(yīng)維中卸出來的核燃料一般叫輻照燃料或“廢燃料”。燒剩下的煤渣一般都丟棄不要了，可這種不能再使用的廢燃料卻還大有用處呢！ 廢燃料之所以要從反應(yīng)堆中卸出來，并不是因為里面的裂變物質(zhì)(鈾235)已全部耗盡，而是因為能大量吸收中子的裂變產(chǎn)物積累得太多，致使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不能正常進(jìn)行了。所以，廢燃料雖“廢”，但里面仍有相當(dāng)可觀的裂變物質(zhì)沒有用掉，這是不能丟棄的，必須加以回收。而且在反應(yīng)堆中，鈾238吸收中子，生成钚239。钚239是原子彈的重要裝藥，它就含在廢燃料中，這就使得用過的廢燃料甚至比沒有用過的燃料還寶貴。除此而外，反應(yīng)堆運行期間，還生成其它很多種有用的放射性同位素，它們也含在廢燃料中，也需要加以回收。 從原理上講，廢燃料的處理與天然鈾的生產(chǎn)并無多大差別。一般先把廢燃料溶解，再用溶劑萃取法把鈾、钚和裂變產(chǎn)物相互分開，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)募兓娃D(zhuǎn)化。但實際上，廢燃料的處理是十分困難的。世界上很多國家都能生產(chǎn)天然鈾，很多國家都有反應(yīng)堆，但是能處理廢燃料的國家卻并不多。 廢燃料的處理有三個特點：一是廢燃料具有極強的放射性，它們的處理必須有嚴(yán)密的防護(hù)設(shè)施，并實行遠(yuǎn)距離操作；二是廢燃料中钚含量很低而钚又極貴重，所以要求處理過程的分離系數(shù)和回收率都很高；三是钚能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此必須采取嚴(yán)格的措施，防止臨界事故的發(fā)生。目前，廢燃料的處理大都采用自動化程度很高的磷酸三丁酯萃取流程。 我們看到，在鈾處理的工藝鏈中，相對于反應(yīng)堆而言，鈾水冶工藝在反應(yīng)堆之前進(jìn)行，所以通常叫做前處理，廢燃料處理在反應(yīng)堆之后進(jìn)行，所以通常叫做后處理。而從鈾礦石加工開始的整個工藝過程，包括鈾同位素分離以及核燃料在反應(yīng)堆中使用在內(nèi)，一般總稱為核燃料循環(huán)。 從以上極為簡單的介紹就可以看出，鈾和钚確是得之不易的。原子能工業(yè)猶如一條長長的巨龍，要最重的天然元素鈾做出轟轟烈烈的事業(yè)，得經(jīng)過多少次加工和處理、分析和測量、計算和核對啊！原子能工業(yè)又猶如一座高高的金字塔，要制造一顆原子彈，就要使用一、二十公斤鈾235或钚239；要生產(chǎn)一、二十公斤鈾235或钚239，就要消耗十來噸天然鈾；要生產(chǎn)十來噸天然鈾就要加工近萬噸鈾礦石。我們贊賞核電站的雄姿，驚嘆原子彈的威力，可千萬不能忽視支撐這座金字塔塔尖的無數(shù)塊磚石啊！