一望无际的玉米地,已经抽穗的玉米秆像一个个挺立着身躯的战士,守护着内蒙古通辽宝龙山地浸采铀科研创新基地。《中国能源报》记者了解到,不同于以前从地下开采矿物再运至地面冶炼的工艺,在这里,仅有成人手腕粗细的抽液管从地面插入地下,只在地面小露半截弧度。放眼整座铀矿山,看不到任何采挖痕迹,不影响玉米地每年的正常种植。
天然铀被称为“核电粮仓”。《中国能源报》记者日前走访中核矿业科技集团有限公司(以下简称“中核矿业科技”)时了解到,我国的铀矿资源具有品位偏低、规模偏小、条件复杂的特点。多年来,中核矿业科技集团有限公司不断创新,通过技术攻关引领我国铀矿冶技术跨越发展,推动天然铀产业转型升级。
摸石过河
地下数百米深处,矿灯闪烁着幽蓝色微光,耳边不时传来轰隆的机车声,厚厚的口罩也挡不住土腥味……把矿石从地下挖出来,运到地表,再利用多种物理和化学手段从中提取铀。在过去,这样的常规方法保障了我国核工业发展。但同时,这样的采铀方法开采成本高、安全本质度低,还会产生一定的废气、废水和废渣。我国原地浸出采铀创新团队开始思考:能否不挖矿,就在地表打孔,从小孔中加入含有化学试剂的水溶液,溶解矿石中的铀后再从另一个孔提上来?“这么一来,通过注水和抽水,宝贵的战略铀资源就拿到了,而且地表植被没有遭到破坏,矿石还待在原来的地方,既安全又环保,可谓一举多得。”中国铀业股份有限公司总工程师苏学斌说。
说干就干,一支地浸采铀技术攻关团队组建起来,开启了我国原地浸出采铀(即“地浸采铀”)历程。
地层深处的铀矿物看不见,摸不着,如何准确判断钻孔位置,使溶浸液与矿石有效接触?要从数千吨矿石里把一吨铀提取出来,如何选择和配置溶浸液以高效溶解铀?含铀溶液要沿着指定的路线走,应收尽收。流失一克铀,不光影响资源回收率,还可能对地下水造成污染,溶浸范围如何有效控制?一道道难题摆在了当时以苏学斌为代表的地浸采铀创新团队面前。“当时的我们摸着石头过河,地浸钻孔结构和施工工艺,全都要从零开始。”苏学斌说。
由于我国砂岩铀矿品位低、疏松富水,相关技术被国外长期封锁,我国的采铀产业研发起步较低,不具备相关的硬件装备,由于相关领域的标准、经验空白,一开始只能通过非标研制。“由于没有研制标准,相关设备无法从市场买到,需要科研人员从研制开始,自主研制,自主建造,自主实验和使用。通过一步步摸索经验,才生产出这些重大装备。因此,与国外相比,我国的技术非常独特,是目前国际上种类最齐全、能够面对最复杂情况的砂岩资源开发的工艺。”中核矿业科技集团有限公司总工程师阙为民向《中国能源报》记者讲述。
最终,经过整个团队夜以继日潜心钻研,一遍一遍筛选溶浸液,一次次通过模拟地下水的运动和流向进行精确计算,成功研发出了地浸采铀技术。
创新三十载
据阙为民介绍,我国的铀矿虽然资源丰富,但禀赋较差。“国外较为常见的一座矿可能就有20万吨以上的体量,而我国的铀矿资源不仅总体品位较低,且体量较小。”与此同时,矿床开发条件也不尽相同,我国探明铀资源量中约52%为砂岩铀矿,70%以上的砂岩铀资源矿体多层叠置、低渗透弱承压,资源利用率一直较低。“国外如哈萨克斯坦的砂岩铀矿不仅规模大,渗透性又好。”阙为民进一步介绍。
在此条件下,如何把不可采的铀矿转变为可采铀矿,如何尽可能提高已有矿的利用率并充分回收铀资源,成为长期以来我国采铀面临的紧迫难题。《中国能源报》记者了解到,30多年来,以苏学斌为代表的地浸创新团队不断创新,从滇越古道到天山大漠,从松辽草原到二连戈壁,引领着我国铀矿冶技术的跨越发展。
云南381地浸试验队在我国地浸采铀技术创始人王西文教授指导下,阙为民、苏学斌等人研究发现,砂岩铀矿氧化后易被酸或碱性溶液浸出,提出通过钻井注入浸出剂实现原位开采的技术路线,建立了含铀溶液化学-运移和吸附-沉淀理论模型。后来苏学斌又以新疆512铀矿为对象,开展试验,建立了超前酸化、高效抽注和富集方法;针对十红滩高碳酸盐、高矿化度铀矿堵塞难题,提出低酸氧和弱酸微试剂浸出方法,使铀资源采收率达80%以上,达到国际先进水平。
但酸法地浸溶蚀矿物多,试剂消耗大。“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。有一次,他偶然发现一块暴露在空气中数月的矿芯,在没加酸没加碱,只和空气接触的条件下,经水浸泡后竟然有20%-30%的浸出率。
于是,苏学斌带领团队在内蒙古钱家店铀矿主持开展了CO2+O2地浸系统研究,基于仿真科学装置构建了成矿逆过程浸出环境,提出水力切割微纳米溶氧、CO2浸出和带压离子交换、常温酸化加碱结晶沉淀等技术路线,建立了CO2和O2浸出剂科学配制和碳酸体系提铀方法。“CO2温室气体得到资源化利用,试剂消耗降低75%,地下水得到良好保护。与常规硬岩采矿比,地浸采铀省去矿石采选工序,本质安全度大幅提升,边界品位由0.03%降为0.01%,生产成本降低约50%,将以前认为不能开采的砂岩铀矿变成经济铀资源,铀资源量较过去提高1倍以上,推动了我国铀矿开发由硬岩向砂岩的重大转变。”苏学斌说,至此,我国成为全面掌握酸法和中性地浸采铀技术的少数国家。
技术突破是核心
苏学斌分析,一台运行60年全生命周期的一百万千瓦级核电机组所需铀资源为一万吨,最新的全国铀矿资源潜力评价预测,我国铀资源潜力超过280万吨。按照我国2040年核电装机预计将达到2亿千瓦来测算,需要约200万吨天然铀。“从资源总量来看,我国的铀资源需求基本是有保障的。但如何将资源量变为产量,仍需取得技术、装备和材料突破,提高铀资源利用率。”
有中核矿业科技研发课题技术人员指出,我国矿石性质复杂,资源伴生情况严重。“伊犁盆地、鄂尔多斯盆地铀矿都是与煤矿伴生,这导致矿产资源协同开发难度大,勘探权问题待明晰。比如在开采煤、石油等资源过程中发现了铀,如何协同开发?有时候矿产的采矿权在他方,联合开采受阻,是否有可参考的法规、制度以确定矿产资源开采的优先权?”
阙为民指出,随着天然铀资源需求和开发难度逐年加大,在开发陆地铀资源的同时,探寻和开拓非常规铀资源将是一项重要的战略性选择。“比如海水提铀。海水中铀的浓度虽然较低但体量巨大,预估有45亿吨的铀资源量。目前海水提铀的关键核心技术亟待突破,中核矿业科技也一直在做前沿研发,并联合多家单位形成创新联盟,期望2050年能够突破制约海水提铀工业化的关键技术瓶颈,实现海水提铀的连续生产。”