從“挖”鈾到“泡”鈾

季江云

說起開礦，很多人會聯(lián)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(huán)境安全。我國目前鈾礦開釆使用先進(jìn)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(yè)始創(chuàng)于1956年，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在十幾個省市自治區(qū)建起了幾十座鈾礦山、鈾水冶廠、鈾礦采冶聯(lián)合企業(yè)，為我國核軍工、核電事業(yè)的發(fā)展與核技術(shù)應(yīng)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(shù)百米的礦層中安全高效地“請出來”，還真不容易。

傳統(tǒng)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(shè)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(shí)現(xiàn)露天開采。

地下開采，通過掘進(jìn)地下井巷，從礦體中采出礦石。它的工藝比露天開采復(fù)雜，分三個步驟：開拓、采準(zhǔn)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(yùn)輸、通風(fēng)、排水等必要的系統(tǒng)，以便在礦床內(nèi)進(jìn)行采礦準(zhǔn)備;采準(zhǔn)是在開拓好的礦床范圍內(nèi)，根據(jù)礦體和圍巖的特點(diǎn)選擇采礦方法，對礦體掘進(jìn)一系列井巷，如運(yùn)輸井巷、通風(fēng)井巷、人行井巷及放礦井巷等，以便采出礦石;回采是在采準(zhǔn)好的采場內(nèi)通過鑿巖爆破、裝運(yùn)礦石、支護(hù)壁頂及空場處理等把礦石采下運(yùn)走的過程。

然而，與其他大多數(shù)如煤炭、銅等礦產(chǎn)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(huán)境都會產(chǎn)生巨大危害。因此，鈾礦開采必須借助放射性物探技術(shù)，還要采取嚴(yán)密的防護(hù)措施，盡量避免放射性物質(zhì)泄漏。此外，鈾礦床普遍存在礦體小而分散、形態(tài)復(fù)雜、礦化不勻、連續(xù)性差等特點(diǎn)，因此，生產(chǎn)能力較低，礦山壽命周期也短，綜合因素累計(jì)，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?yàn)榈刭|(zhì)穩(wěn)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(chǎn)業(yè)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(jì)60年代，美蘇兩個核大國率先開發(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行后續(xù)處理。這種方法不會使礦石產(chǎn)生位移，還集開采和礦冶為一體。到上世紀(jì)90年代，地浸采鈾法已占世界鈾礦開采量的50%。

由于冷戰(zhàn)時期，美蘇對中國的技術(shù)封鎖，我國鈾礦開采一直使用傳統(tǒng)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(yè)專家從上世紀(jì)80年代起一直探索新的鈾礦開采方法。

據(jù)中核集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)公司提供給《環(huán)境與生活》雜志的資料顯示，經(jīng)過30多年的探索，我國地浸采鈾工藝已經(jīng)走在了世界前列，鈾礦資源的最低品位可達(dá)到0.01%，而美國則為0.05%;水冶回收率達(dá)到99.45%，比美國還高5到10個百分點(diǎn)。當(dāng)然，美國的鈾礦探明儲量遠(yuǎn)高于我國，“家大業(yè)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(jīng)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(jìn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的可溶性化合物在擴(kuò)散和對流作用不離開反應(yīng)區(qū)，進(jìn)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(jìn)行離子交換等工藝，最后得到鈾產(chǎn)品，俗稱“黃餅”。“黃餅”就是核電站所用“糧食”——核燃料的雛形。

這種采鈾方法根據(jù)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(jìn)行分析，看哪種溶浸劑能更有效地與礦層中的有用成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

巧妙鉆孔至關(guān)重要

地浸采鈾是由注液井和抽液井來實(shí)現(xiàn)鈾的提取。從水文地質(zhì)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(qū)，抽液井和注液井的數(shù)量、位置、深度以及注入量和抽取量，都需要專門的技術(shù)人員根據(jù)含鈾礦層的多種要素予以“量身定制”。

為了精準(zhǔn)發(fā)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(jiān)控和調(diào)控的壓力表和流量計(jì)，同時在專門的集中控制室安裝壓力計(jì)和流量計(jì)（如電磁流量計(jì)），以便精準(zhǔn)計(jì)量每個采區(qū)和單孔的抽液量和注液量，并根據(jù)抽液孔的分析結(jié)果、抽注量、注液壓力等信息進(jìn)行實(shí)時分析，及時調(diào)整抽注鉆孔及其流量，確保實(shí)現(xiàn)最佳抽注比例。

嚴(yán)防上下含水層連通

在礦區(qū)開采前，務(wù)必通過詳細(xì)的地質(zhì)資料，確定設(shè)計(jì)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(chǔ)上才能進(jìn)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(dǎo)致抽取無效，還會形成擴(kuò)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(jì)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(huán)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(qiáng)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(qū)周邊擴(kuò)散，需要在地浸場周圍含鈾水層的上游、下游和兩側(cè)預(yù)留觀測孔，尤其以下游為監(jiān)控重點(diǎn)，及時對溶浸液和浸出液在地下水中的遷移和擴(kuò)散情況進(jìn)行監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時調(diào)整抽注液分配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效控制。

把放射性三廢降到最低

地浸法采鈾所產(chǎn)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(chǎn)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(huán)體系中進(jìn)行，只在產(chǎn)品壓濾和廢水蒸發(fā)等環(huán)節(jié)有釋放口，使得氡的釋放量大為降低。內(nèi)蒙古礦業(yè)公司提供的資料顯示，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在地表加工車間中的極少量氡由通風(fēng)設(shè)備排出，并經(jīng)空氣自然擴(kuò)散后，氡的濃度完全符合人體健康標(biāo)準(zhǔn)，對周邊大氣環(huán)境也無明顯影響。而在傳統(tǒng)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(kuò)散到采區(qū)以外的地下水中，采區(qū)抽液量略大于注液量，一般控制在0.03%以內(nèi)，多抽出的這部分溶液經(jīng)水冶廠配置溶液后成為廢水。為了不向環(huán)境排放廢水，地浸礦區(qū)充分利用自然蒸發(fā)條件，根據(jù)廢水產(chǎn)生量和當(dāng)?shù)卣舭l(fā)情況，建設(shè)一定容積和表面積的蒸發(fā)池對廢水進(jìn)行蒸發(fā)處理。蒸發(fā)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(qiáng)防滲處理，在底部還鋪設(shè)檢漏電網(wǎng)，一旦泄露能在第一時間發(fā)現(xiàn)并采取有效應(yīng)對措施。當(dāng)?shù)亟髽I(yè)采礦終結(jié)要關(guān)閉時，蒸發(fā)池的蒸干物必須經(jīng)過放射性測試，符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)行處理并退役。

地浸采鈾因?yàn)闊o需采出礦石，所以不會產(chǎn)生廢石和尾礦。在開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物主要是損壞的儀器、儀表、設(shè)備和管網(wǎng)等，這些固體廢棄物在生產(chǎn)過程中集中存放在專門處置庫中，累計(jì)到一定數(shù)量后運(yùn)到專業(yè)處理廠進(jìn)行最后處置。

地浸采鈾讓我國鈾礦資源大增

地浸采鈾法實(shí)現(xiàn)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(fā)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(yè)的鈾需求提供了有力保障。

中核集團(tuán)的資料顯示，由于地浸采鈾法省去了常規(guī)采礦法的井巷基建和大量的剝離過程，以及礦石回采和運(yùn)輸、通風(fēng)、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(shè)破碎、磨礦、攪拌浸出設(shè)施，因此，這種“泡出鈾”來的方法，建設(shè)投資僅為常規(guī)采鈾的一半;生產(chǎn)能耗約為30%，生產(chǎn)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(yè)，實(shí)現(xiàn)了采礦的“化學(xué)化”“工廠化”和“自動化”，大幅降低勞動強(qiáng)度，基本杜絕了礦井危害因素和安全隱患，投資費(fèi)效比卻大幅増加。

當(dāng)然，地浸采鈾法與露天和地下采鈾相比，最大的優(yōu)勢還是對地表環(huán)境污染少，基本不用破壞農(nóng)田、林地和草場，采鈾完成礦區(qū)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(chǎn)生采空區(qū)，能有效排除塌陷、地表沉降等隱患。