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让砂岩型铀矿不再是“呆矿”

发布日期:2019-12-06 18:13 作者:im电竞

  通辽铀矿开采的地浸井场,仅手腕粗细的抽液管通过钻孔插入地中,只在地上小露半截弧度,又很快隐埋入地下进入集控室。整个井场完全看不出任何采挖痕迹,这大大超出了大家对矿山开采的惯性认识。

  二氧化碳(CO2)和氧气(O2) ,人们生活中接触最多的两种气体,在核工业北京化工冶金研究院(以下简称核化冶院)研究员苏学斌的字典里,变成了中性地浸采铀的利器,这一在国内尚属首创的技术,颠覆了传统的铀矿开采模式,拓展了砂岩型铀资源开采利用范围,盘活了数万吨复杂砂岩型铀资源。

  “没想到做出来了。”面对记者,苏学斌笑得有点腼腆,“当然如果那么容易,项目也不会一做就是十几年。”

  简单来说,通过注液孔将溶浸液注入地下矿层,溶浸液在矿层与矿石发生反应,形成含铀溶液,再通过抽液孔用潜水泵将含铀溶液提升至地表,然后用地表水冶设施进行处理,加工成铀的初级产品。

  “2012年,世界天然铀总产量56486吨,其中地浸开采以45%的份额居第一位,其次是地下开采28%,露天开采20%。”核化冶院院长郭忠德用一组数字描述了世界地浸行业的现状。

  但采用地浸技术如何“吃干榨净”地下矿层中的铀,让溶浸液只“榨”出铀,并最大限度地保护环境,是一个世界级难题。

  作为我国唯一从事地浸采铀技术研究和工程转化应用的科研机构,核化冶院对从矿层中“榨”出铀溶液有着丰富的经验,用硫酸做溶浸液让他们在新疆伊犁地浸采铀中名声大震,但新疆十红滩和内蒙古通辽钱家店铀矿矿床中碳酸盐含量高,酸法地浸造成了矿层堵塞。

  “我们改用碱法,堵塞问题得到有效缓解,但浸出速度相比酸法缓慢,液铀浓度相对较低,而且生产成本过高,铵盐会造成地下水污染。”苏学斌说,“我们被逼着做一些探索。”

  他回忆,当时一块暴露在空气中数月的矿芯,在没加酸没加碱,只和空气接触,经水浸泡后竟然有20—30%的浸出率。

  “我记得铀化学教科书上写的是,铀的溶解浸出条件pH值要么小于2,要么大于9,也就是说非酸即碱。”苏学斌说。

  核化冶院党委副书记简晓飞补充说,其实用CO2和O2地浸采铀,独联体国家有相关资料,原理是在地下水中加入二氧化碳后,形成的碳酸氢根离子与矿层中的铀发生反应,使铀溶解在溶液中,并可有效抑制钙离子沉淀的形成。

  “人潜入水中吐口气,水面能看到一个泡。”核化冶院副总工程师谭亚辉说,这个常见的生活现象,说明了一个最浅显的道理:气体在液体中容易逸出,要将气体加入液体,需要解决几个关键问题,首先要让气体溶于液体注入矿层,然后让液体选择性溶出矿层中的铀,回收的时候将铀分离。

  “我国从事CO2和O2原地浸出工艺研究尚属首次,研究过程中缺乏CO2和O2地浸采铀的气体加入技术、溶浸液配制及浸出机理等理论基础,缺少试验研究配套的仪器设备和可借鉴的工程应用经验,研究难度大,复杂程度高。”谭亚辉这样分析。

  此外很重要的一点,能借鉴的国外资料非常少,目前除我国外,美国是该技术唯一工业化应用的国家,但对该关键技术严加封锁和保密。

  2002年以来,在国防科工局的支持下,核化冶院联合多个单位先后开展了两个核能开发项目和一个国防预研项目研究,取得了CO2和O2原地浸出采铀和浸出液处理工艺等重大技术体系创新和理论突破:首次建立了低浓铀溶液化学行为数学模型;首次研发了CO2和O2地浸采铀溶液配制和使用技术;首次提出并实现了从浸出试剂根源上和工艺流程中控制污染源产生,更新了铀资源开发中的“先污染后治理”的传统环保理念等十项专利和技术创新……

  谭亚辉用一组数据来说明技术给环境带来的巨大利好。通辽铀矿的平均品位只有万分之二左右,换句线吨矿石中才能生产两吨天然铀产品,如果采用常规开采方法,需掘进足够的井巷工程,每吨天然铀产品将产生数万吨废石和矿渣,占用大量土地资源,造成地表污染。

  苏学斌算了一笔账,采用酸法地浸技术,每吨天然铀金属产品耗酸100—400吨,仅浸出试剂成本高达十几万元。采用CO2和O2地浸采铀技术,浸出试剂成本仅2—3万元,“生产成本大大降低了。”

  2013年11月和12月,该技术先后获得了中核集团科学技术奖特等奖、国家工业和信息化部国防科学技术进步奖一等奖。

  铀资源是国家战略资源和重要的能源资源,是核军工和核电的重要原料。我国铀资源的基本特点是小、散、贫:矿床规模小,矿体分散,矿石品位低。

  在我国已探明的铀资源中,砂岩型铀资源占总量的41.57%,其中低品位、低渗透、高碳酸盐、高矿化度等复杂砂岩型铀资源占其总量70%以上,采用酸法或碱法地浸均难以开采,成为了“呆矿”。

  如今,该研究成果已在十红滩铀矿床和钱家店铀矿床得到了成功应用,并在我国北方地区大规模工业应用,开创了砂岩型铀矿资源采冶的新模式,预计到2016年,应用这一技术生产的天然铀产品将占我国年生产量的50%。

  “该技术有针对性地解决了这类砂岩型铀矿地浸开采中耗酸量大、易堵塞的技术难题,使‘呆矿’变为经济可采的宝贵资源,从而大大提高了我国已查明砂岩型铀矿资源的利用率,有效解决了地下水污染治理难度较大的问题,形成并掌握了具有自主知识产权的地浸采铀新工艺。”郭忠德说,目前天然铀产能还不能满足核能快速发展的需要,盘活砂岩型铀资源,能为我国天然铀产品的供给提供重要的国内保障,预计到2016年,应用这一技术生产的天然铀产品将占我国年生产量的50%。(陈 瑜)

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