基本介紹
- 中文名：天然金屬鈾
- 外文名：uranium metal natural
- 首次發現：中國
鈾元素和金屬鈾,自然界中的鈾元素,天然金屬鈾的首次發現,天然金屬鈾分布,影響天然鈾生產經濟效益的因素,提高天然鈾經濟效益的途徑,
鈾元素和金屬鈾
1789年，由德國化學家克拉普羅特（M.H.Klaproth）從瀝青鈾礦中分離出，就用1781年新發現的一個行星——天王星命名它為uranium，元素符號定為U。1841年，佩利戈特（E.M.Peligot）指出，克拉普羅特分離出的“鈾”，實際上二氧化鈾。他用鉀還原四氯化鈾，成功地獲得了金屬鈾。1896年有人發現了鈾的放射性衰變。1939年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）發現了鈾的核裂變現象。自此以後，鈾便變得身價百倍。
金屬鈾指處於金屬狀態的鈾。 表面具有銀白色金屬光澤，熔點1130℃，100℃時的熱導率為0.25W/（cm·℃）。 金屬鈾多用作石墨或重水型生產堆棒狀燃料元件的燃料芯，用熱中子吸收截面較小的鋁、鎂及其合金作包殼材料。 鈾與鋯、鉬、鈮等許多金屬組成的合金，具有良好的機械性能、耐腐蝕和抗輻照性能。 金屬鈾的化學性質很活潑，能自燃。 氧化性的酸，如硝酸可快速溶解鈾。 工業上金屬鈾系通過四氟化鈾（UF4）的鈣（鎂）金屬熱還原法來製備的。
自然界中的鈾元素
鈾廣泛分布於地球的各種地質體中，由於其化學性質活潑，通常以+3、+4、+5、+6價態的化合物狀態存在，其中+4和+6價鈾化合物穩定。四價態鈾通常以晶質鈾礦（或瀝青鈾礦）（UO2）形成於岩漿、熱液、沉積和變質作用產物中，而六價態通常以鈾醯離子（UO2）化合物溶於水體中或在沉積、蒸發和氧化的條件下形成硫酸鹽、碳酸鹽、釩酸鹽、磷酸鹽等各鹽類次生鈾礦物。因此，鈾在自然條件下被普遍認為是以U和U價態的形式存在。
金屬鈾在地表或富含氧的環境中極易發生氧化，形成氧化物，由於鈾的這一特性，用常規的化學價態分析方法很難發現零價態金屬鈾，pH和溫度條件的變化都會造成鈾元素價態的改變。因此，自鈾元素髮現200多年來， 科學界也形成了自然界中沒有金屬鈾的慣常認識。
天然金屬鈾的首次發現
鈾元素在地質作用過程中的遷移形式和富集機理，是鈾礦地質工作者一直以來深耕的領域，不可迴避地反覆討論鈾元素價態這一關鍵問題。核工業北京地質研究院李子穎研究團隊長期致力於鈾成礦理論及深部探測研究，在對熱液鈾礦成礦機理等多方面研究的基礎上，提出了熱點鈾成礦作用的理論認識，認為鈾是在岩漿－熱流體演化過程中的晚期流體中富集，鈾的來源具有深源性，成礦流體具有還原性，鈾是在成礦流體進入近地表時，由於物理化學條件的改變而沉澱富集成礦的。在這一理論的指導下，該團隊對熱液成礦流體中是否以低價鈾的形式進行遷移富集成礦進行了較長時間的探索研究。
天然黑色瀝青鈾礦照片
李子穎帶領的研究團隊以我國南方諸廣地區和貴東地區典型熱液鈾礦床中的瀝青鈾礦為研究對象，創新性地將X射線光電子能譜方法套用於天然鈾礦物元素價態的研究，原位分析了天然瀝青鈾礦中元素組成、價態及含量，並開展了與人工製造的金屬鈾和不同種類的鈾礦物的對比分析工作。該團隊通過細緻譜學分析和反覆重現性測試，在自然界瀝青鈾礦中除四價鈾、六價鈾之外，首次發現了零價態金屬鈾的存在，並確定了不同價態的比例關係，不同礦石樣品中鈾元素價態比例是有變化的。這一發現為揭示熱液型鈾礦成礦作用機理和控礦要素提供了關鍵性判據，證明成礦物質鈾來自深部，成礦流體具還原性，鈾的沉澱富集是成礦流體物理化學條件變化所致，為我國鈾資源的深部突破提供理論依據。同時不同價態鈾元素的比例，可用於判別礦石形成的深度，為鈾成礦深度的定量預測提供依據，具有重要的實際價值。由於鈾在自然界中是一種非常活潑的元素，也是一种放射性衰變元素，對不同地質作用過程是敏感的且具有時間追溯性。因此，金屬鈾的發現對於研究追溯地質作用過程和地球演化也具有重要意義。該研究成果是我國鈾礦地質及基礎地質研究領域的原創性成果，突破了人們認為鈾在自然界僅以價態的形式存在的慣常認識，為地質工作者開展成礦理論和成礦機理研究打開了新視角，在國內外引起了廣泛的反響。
瀝青鈾礦切片
此次研究以我國粵北南方典型熱液鈾礦床中瀝青鈾礦為研究對象，採用了地學界尚不多用的光電子能譜研究方法。我們用一台半個會議室那么大的光電子能譜儀讓樣品中以不同價態存在的元素現身。這個方法的優點是能在不破壞樣品的情況下，原位精細地探測物質表面的化學元素組成、元素化學價態和含量。
天然金屬鈾分布
從空間上看，我國的鈾礦床分布在南、北兩個大區，北方以伊犁地區和鄂爾多斯地區的砂岩型礦床為代表；南方則以廣東、江西的花崗岩型礦床為典型。據了解，粵北有下莊、諸廣兩個鈾礦大基地，有翁源鈾礦、郴州鈾礦等多個廠礦。
影響天然鈾生產經濟效益的因素
1、鈾礦床稟賦地質特徵
（1）鈾礦床品位高低是影響采冶經濟效益的重要因素；
（2）鈾礦體埋藏的深度；
（3）鈾礦體規模大小和分布；
（4）鈾礦床開採技術條件；
（5）鈾礦石成分複雜程度。
2、鈾礦開採方式
（1）開採方式；
（2）礦床開拓方式。
3、鈾礦石加工工藝
鈾礦石因水冶工藝不同，可分為酸性礦石和鹼性礦石，若用酸法浸出要比鹼法浸出其成本低得多。
4、採礦方法
由於礦床地質條件限制，地下開採中有75%採用充填法，技術裝備差，勞動生產率低，採礦成本高。
5、礦山和水冶廠設定
某些礦山所采出的礦石未能就地處理，礦石跨省區長距離運輸，運礦費高直接影響到企業的經濟效益。
提高天然鈾經濟效益的途徑
1、溶浸采鈾是提高天然鈾生產經濟效益的重要途徑
（1）原地浸出采鈾技術發展優勢；
（2）潛在鈾礦資源的利用，包含了較強的經濟性；
（3）原地浸出采鈾和常規采冶比較有許多優勢。
2、提供更多的低成本鈾礦資源是提高天然鈾經濟效益的物質基礎
（1）加強我國砂岩型鈾礦床地質研究和勘察，提供更多的適宜地浸采鈾的鈾礦資源；
（2）加強大而富的堅硬鈾礦床勘察力度；
（3）重視與國外合作或獨立勘探和采冶國外鈾資源。
3、加強溶浸采鈾技術管理和創新是提高天然鈾經濟效益的重要平台
（1）加強溶浸采鈾礦床的地質研究和試驗工作；
（2）提高堆浸技術水平
4、注重礦山和水冶廠合理布局
礦冶系統經過多年的技術革新和創新，除砂岩型鈾礦床，採用原地浸出采鈾外，其他生產堅硬礦石的礦山已形成堆浸采鈾的生產線。鈾礦石不再外運至水冶廠，而是就礦山附近設定堆浸場和水冶廠生產天然鈾產品。
