從“挖”鈾到“泡”鈾

季江云

說起開礦，很多人會聯想到深挖礦井，派人到暗無天日的井下釆挖礦石，再用礦車送到地面。但供給核電站所用燃料的鈾礦怎么開采呢？很多人都知道，鈾可是有放射性的，處理不慎會危及采礦工人的健康和環境安全。我國目前鈾礦開釆使用先進的地浸開采工藝，只需要向地下“注水”就能把鈾“泡”出來。

公開資料顯示，我國鈾礦冶工業始創于1956年，經過幾十年的發展，已經在十幾個省市自治區建起了幾十座鈾礦山、鈾水冶廠、鈾礦采冶聯合企業，為我國核軍工、核電事業的發展與核技術應用提供了可靠的鈾原料。可是，鈾是一種極為稀缺的放射性金屬元素，在整個地殼中的含量不到百萬分之二，且還會釋放（、、等射線以及與鈾伴生的放射性氣體氡。因此，把這寶貝疙瘩從地下數百米的礦層中安全高效地“請出來”，還真不容易。

傳統采鈾分地下和露天兩種

鈾礦石開采的方式跟其他礦石相似，主要有地下開采和露天開采兩種。露天開采，就是先剝離礦體上方的表土和覆蓋巖石，然后再采挖鈾礦。露天開采的基建設施少很多，因此，工期短、成本低，無需人員下井，安全性好。不過，這要針對埋藏較淺、剝采比適中的含鈾礦床才能使用露天開采。比如澳大利亞，作為世界上探明鈾礦儲量第二豐富的國家（僅次于加拿大），由于埋藏較淺、品味高、剝采比適中，絕大部分都可以實現露天開采。

地下開采，通過掘進地下井巷，從礦體中采出礦石。它的工藝比露天開采復雜，分三個步驟：開拓、采準和回采。開拓是從地面到礦床開掘巷道，使其間形成完整的運輸、通風、排水等必要的系統，以便在礦床內進行采礦準備;采準是在開拓好的礦床范圍內，根據礦體和圍巖的特點選擇采礦方法，對礦體掘進一系列井巷，如運輸井巷、通風井巷、人行井巷及放礦井巷等，以便采出礦石;回采是在采準好的采場內通過鑿巖爆破、裝運礦石、支護壁頂及空場處理等把礦石采下運走的過程。

然而，與其他大多數如煤炭、銅等礦產資源不同，鈾礦石難以靠肉眼鑒別，而且有放射性，不斷釋出、、射線及衰變的氡，這對采礦人員的身體健康和周邊環境都會產生巨大危害。因此，鈾礦開采必須借助放射性物探技術，還要采取嚴密的防護措施，盡量避免放射性物質泄漏。此外，鈾礦床普遍存在礦體小而分散、形態復雜、礦化不勻、連續性差等特點，因此，生產能力較低，礦山壽命周期也短，綜合因素累計，用礦井采挖鈾的成本較高。

還有，我國已探明的含鈾礦藏多在砂巖層，且埋藏較深，動輒三四百米以下，無法露天開采，地下開采又因為地質穩定性較差，安全隱患很大。因此，急需一種安全高效的方法把這核軍備和核電產業不可或缺的“鈾寶寶”“請”出地面。

美蘇兩國率先開始地浸采鈾法

在上世紀60年代，美蘇兩個核大國率先開發出地浸采鈾工藝。在天然埋藏條件下，通過向地下注入溶浸液與含鈾礦層發生化學反應有選擇性地溶解礦石中的鈾，將含鈾元素的水回抽地面再進行后續處理。這種方法不會使礦石產生位移，還集開采和礦冶為一體。到上世紀90年代，地浸采鈾法已占世界鈾礦開采量的50%。

由于冷戰時期，美蘇對中國的技術封鎖，我國鈾礦開采一直使用傳統方式，即露天開采和地下開采。但我國能供露天開采的鈾礦儲量極少，地下開采又有成本高、安全性低和礦坑處理難等瓶頸。我國核工業專家從上世紀80年代起一直探索新的鈾礦開采方法。

據中核集團內蒙古礦業公司提供給《環境與生活》雜志的資料顯示，經過30多年的探索，我國地浸采鈾工藝已經走在了世界前列，鈾礦資源的最低品位可達到0.01%，而美國則為0.05%;水冶回收率達到99.45%，比美國還高5到10個百分點。當然，美國的鈾礦探明儲量遠高于我國，“家大業大”，不在乎是另一回事。但這充分說明我國地浸采鈾工藝已經非常成熟。

用溶浸液把鈾“泡出來”

地浸采鈾法就是通過從地表鉆進含鈾礦層的鉆孔，將按一定比例配制的溶浸劑注入到礦層，溶浸劑與其中的有用成分發生化學反應，生成的可溶性化合物在擴散和對流作用不離開反應區，進入在沿礦層流動的溶液流中，再通過另外的鉆孔提升至地面，輸送到回收車間進行離子交換等工藝，最后得到鈾產品，俗稱“黃餅”?！包S餅”就是核電站所用“糧食”——核燃料的雛形。

這種采鈾方法根據溶浸劑的不同，可分為酸性浸出、堿性浸出和中性浸出。酸性浸出的溶浸劑一般是硫酸，堿性浸出的溶浸劑以碳酸鹽和碳酸氫鹽為主，中性浸出的溶浸劑則以二氧化碳加氧氣為主。具體使用哪種溶浸劑，要通過鉆探提取的含鈾礦芯進行分析，看哪種溶浸劑能更有效地與礦層中的有用成分發生化學反應。

巧妙鉆孔至關重要

地浸采鈾是由注液井和抽液井來實現鈾的提取。從水文地質角度看，地下水的流動取決于水壓差，無論是注液井還是抽液井，都有一定的影響半徑，要保持注液井附近水位較高，抽液井附近水位較低，讓含鈾溶液以天然流速向抽液井位置流動。為控制這種流動，并減少注液井的影響半徑，必須讓抽液量略高于注液量，以維持總體上流向井場中心的降落漏斗（即水壓差）。在每一個使用地浸采鈾法的礦區，抽液井和注液井的數量、位置、深度以及注入量和抽取量，都需要專門的技術人員根據含鈾礦層的多種要素予以“量身定制”。

為了精準發揮抽液和注液的能力，還要在抽液和注液管道上安裝自動監控和調控的壓力表和流量計，同時在專門的集中控制室安裝壓力計和流量計（如電磁流量計），以便精準計量每個采區和單孔的抽液量和注液量，并根據抽液孔的分析結果、抽注量、注液壓力等信息進行實時分析，及時調整抽注鉆孔及其流量，確保實現最佳抽注比例。

嚴防上下含水層連通

在礦區開采前，務必通過詳細的地質資料，確定設計需鉆孔含鈾礦水層的上下隔水層的位置和厚度等，以及礦體的埋深和厚度，在這個基礎上才能進行鉆孔施工方案的編制。

在鉆孔施工過程中，尤其注意不要鉆透含礦水層的隔水底層，防止含鈾溶液滲入更深的地下水，不僅導致抽取無效，還會形成擴散污染。在成井過程中，要通過物探綜合測試，確定含鈾水層的頂板和底板的位置和厚度，確定套管和過濾管的投放位置以及是否存在破損等情況，還有水泥固井等是否符額計方案要求。

鉆孔必須采用抗震、抗壓的專用井瞀材，在井管和管壁之間的環狀間隙中，在含鈾礦的那一段要用過濾管和石英砂濾料充填，上部采用無孔套管和防滲、抗震的混凝土充填和密封，讓含鈾水層與上面的水層完全隔離。鉆孔的井管之間采用緊密度高的方形扣連接，連接處還要有密封膠，以增強井管的密封性和牢固性。

為了防止溶浸液和浸出液向采鈾區周邊擴散，需要在地浸場周圍含鈾水層的上游、下游和兩側預留觀測孔，尤其以下游為監控重點，及時對溶浸液和浸出液在地下水中的遷移和擴散情況進行監控。一旦發現異常，及時調整抽注液分配系統，實現有效控制。

把放射性三廢降到最低

地浸法采鈾所產生的放射性廢氣主要是氡氣。氡是礦石中與鈾伴生的鐳在衰變過程中所產生的，地浸采鈾僅有極少量的鐳被浸出，而地浸過程基本在閉路循環體系中進行，只在產品壓濾和廢水蒸發等環節有釋放口，使得氡的釋放量大為降低。內蒙古礦業公司提供的資料顯示，監測數據表明，在地表加工車間中的極少量氡由通風設備排出，并經空氣自然擴散后，氡的濃度完全符合人體健康標準，對周邊大氣環境也無明顯影響。而在傳統的地下采挖鈾礦過程中，氡的安全處置一直是個老大難。

在地浸采鈾過程中，為了保證溶浸液不擴散到采區以外的地下水中，采區抽液量略大于注液量，一般控制在0.03%以內，多抽出的這部分溶液經水冶廠配置溶液后成為廢水。為了不向環境排放廢水，地浸礦區充分利用自然蒸發條件，根據廢水產生量和當地蒸發情況，建設一定容積和表面積的蒸發池對廢水進行蒸發處理。蒸發池底采用隔水性能好且有一定自愈功能的粘土做墊層，并做加強防滲處理，在底部還鋪設檢漏電網，一旦泄露能在第一時間發現并采取有效應對措施。當地浸企業采礦終結要關閉時，蒸發池的蒸干物必須經過放射性測試，符合國家相關標準才能進行處理并退役。

地浸采鈾因為無需采出礦石，所以不會產生廢石和尾礦。在開采過程中產生的固體廢棄物主要是損壞的儀器、儀表、設備和管網等，這些固體廢棄物在生產過程中集中存放在專門處置庫中，累計到一定數量后運到專業處理廠進行最后處置。

地浸采鈾讓我國鈾礦資源大增

地浸采鈾法實現了一場資源革命，把我國儲量相對較多的低品位砂巖型鈾礦從不可利用升級為可開發利用的資源，讓我國鈾礦資源儲量大幅増加，為日益增加的國防以及核工業的鈾需求提供了有力保障。

中核集團的資料顯示，由于地浸采鈾法省去了常規采礦法的井巷基建和大量的剝離過程，以及礦石回采和運輸、通風、排水等一系列配套過程，地表還無需建造廢石場、尾礦庫，在提取和回收時也不用建設破碎、磨礦、攪拌浸出設施，因此，這種“泡出鈾”來的方法，建設投資僅為常規采鈾的一半;生產能耗約為30%，生產成本約為40%。

地浸采鈾讓我國的鈾礦開采徹底擺脫了繁重的井下作業，實現了采礦的“化學化”“工廠化”和“自動化”，大幅降低勞動強度，基本杜絕了礦井危害因素和安全隱患，投資費效比卻大幅増加。

當然，地浸采鈾法與露天和地下采鈾相比，最大的優勢還是對地表環境污染少，基本不用破壞農田、林地和草場，采鈾完成礦區退役時，會對所有抽注液井的管道做永久密封處理。地下也不會產生采空區，能有效排除塌陷、地表沉降等隱患。