[科普中国]-天然金属铀

铀元素和金属铀

1789年，由德国化学家克拉普罗特（M.H.Klaproth）从沥青铀矿中分离出，就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium，元素符号定为U。1841年，佩利戈特（E.M.Peligot）指出，克拉普罗特分离出的“铀”，实际上二氧化铀。他用钾还原四氯化铀，成功地获得了金属铀。1896年有人发现了铀的放射性衰变。1939年，哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann）发现了铀的核裂变现象。自此以后，铀便变得身价百倍。2

金属铀指处于金属状态的铀。 表面具有银白色金属光泽，熔点1130℃，100℃时的热导率为0.25W/（cm·℃）。 金属铀多用作石墨或重水型生产堆棒状燃料元件的燃料芯，用热中子吸收截面较小的铝、镁及其合金作包壳材料。 铀与锆、钼、铌等许多金属组成的合金，具有良好的机械性能、耐腐蚀和抗辐照性能。 金属铀的化学性质很活泼，能自燃。 氧化性的酸，如硝酸可快速溶解铀。 工业上金属铀系通过四氟化铀（UF4）的钙（镁）金属热还原法来制备的。

自然界中的铀元素铀广泛分布于地球的各种地质体中，由于其化学性质活泼，通常以+3、+4、+5、+6价态的化合物状态存在，其中+4和+6价铀化合物稳定。四价态铀通常以晶质铀矿（或沥青铀矿）（UO2）形成于岩浆、热液、沉积和变质作用产物中，而六价态通常以铀酰离子（UO22+）化合物溶于水体中或在沉积、蒸发和氧化的条件下形成硫酸盐、碳酸盐、钒酸盐、磷酸盐等各盐类次生铀矿物。因此，铀在自然条件下被普遍认为是以U4+和U6+价态的形式存在。

金属铀在地表或富含氧的环境中极易发生氧化，形成氧化物，由于铀的这一特性，用常规的化学价态分析方法很难发现零价态金属铀，pH和温度条件的变化都会造成铀元素价态的改变。因此，自铀元素发现200多年来， 科学界也形成了自然界中没有金属铀的惯常认识。

天然金属铀的首次发现铀元素在地质作用过程中的迁移形式和富集机理，是铀矿地质工作者一直以来深耕的领域，不可回避地反复讨论铀元素价态这一关键问题。核工业北京地质研究院李子颖研究团队长期致力于铀成矿理论及深部探测研究，在对热液铀矿成矿机理等多方面研究的基础上，提出了热点铀成矿作用的理论认识，认为铀是在岩浆－热流体演化过程中的晚期流体中富集，铀的来源具有深源性，成矿流体具有还原性，铀是在成矿流体进入近地表时，由于物理化学条件的改变而沉淀富集成矿的。在这一理论的指导下，该团队对热液成矿流体中是否以低价铀的形式进行迁移富集成矿进行了较长时间的探索研究。

李子颖带领的研究团队以我国南方诸广地区和贵东地区典型热液铀矿床中的沥青铀矿为研究对象，创新性地将X射线光电子能谱方法应用于天然铀矿物元素价态的研究，原位分析了天然沥青铀矿中元素组成、价态及含量，并开展了与人工制造的金属铀和不同种类的铀矿物的对比分析工作。该团队通过细致谱学分析和反复重现性测试，在自然界沥青铀矿中除四价铀、六价铀之外，首次发现了零价态金属铀的存在，并确定了不同价态的比例关系，不同矿石样品中铀元素价态比例是有变化的。这一发现为揭示热液型铀矿成矿作用机理和控矿要素提供了关键性判据，证明成矿物质铀来自深部，成矿流体具还原性，铀的沉淀富集是成矿流体物理化学条件变化所致，为我国铀资源的深部突破提供理论依据。同时不同价态铀元素的比例，可用于判别矿石形成的深度，为铀成矿深度的定量预测提供依据，具有重要的实际价值。由于铀在自然界中是一种非常活泼的元素，也是一种放射性衰变元素，对不同地质作用过程是敏感的且具有时间追溯性。因此，金属铀的发现对于研究追溯地质作用过程和地球演化也具有重要意义。该研究成果是我国铀矿地质及基础地质研究领域的原创性成果，突破了人们认为铀在自然界仅以价态的形式存在的惯常认识，为地质工作者开展成矿理论和成矿机理研究打开了新视角，在国内外引起了广泛的反响。

此次研究以我国粤北南方典型热液铀矿床中沥青铀矿为研究对象，采用了地学界尚不多用的光电子能谱研究方法。我们用一台半个会议室那么大的光电子能谱仪让样品中以不同价态存在的元素现身。这个方法的优点是能在不破坏样品的情况下，原位精细地探测物质表面的化学元素组成、元素化学价态和含量。

天然金属铀分布从空间上看，我国的铀矿床分布在南、北两个大区，北方以伊犁地区和鄂尔多斯地区的砂岩型矿床为代表；南方则以广东、江西的花岗岩型矿床为典型。据了解，粤北有下庄、诸广两个铀矿大基地，有翁源铀矿、郴州铀矿等多个厂矿。

影响天然铀生产经济效益的因素1、铀矿床禀赋地质特征

（1）铀矿床品位高低是影响采冶经济效益的重要因素；

（2）铀矿体埋藏的深度；

（3）铀矿体规模大小和分布；

（4）铀矿床开采技术条件；

（5）铀矿石成分复杂程度。

2、铀矿开采方式

（1）开采方式；

（2）矿床开拓方式。

3、铀矿石加工工艺

铀矿石因水冶工艺不同，可分为酸性矿石和碱性矿石，若用酸法浸出要比碱法浸出其成本低得多。

4、采矿方法

由于矿床地质条件限制，地下开采中有75%采用充填法，技术装备差，劳动生产率低，采矿成本高。

5、矿山和水冶厂设置

某些矿山所采出的矿石未能就地处理，矿石跨省区长距离运输，运矿费高直接影响到企业的经济效益。

提高天然铀经济效益的途径1、溶浸采铀是提高天然铀生产经济效益的重要途径

（1）原地浸出采铀技术发展优势；

（2）潜在铀矿资源的利用，包含了较强的经济性；

（3）原地浸出采铀和常规采冶比较有许多优势。

2、提供更多的低成本铀矿资源是提高天然铀经济效益的物质基础

（1）加强我国砂岩型铀矿床地质研究和勘察，提供更多的适宜地浸采铀的铀矿资源；

（2）加强大而富的坚硬铀矿床勘察力度；

（3）重视与国外合作或独立勘探和采冶国外铀资源。

3、加强溶浸采铀技术管理和创新是提高天然铀经济效益的重要平台

（1）加强溶浸采铀矿床的地质研究和试验工作；

（2）提高堆浸技术水平

4、注重矿山和水冶厂合理布局

矿冶系统经过多年的技术革新和创新，除砂岩型铀矿床，采用原地浸出采铀外，其他生产坚硬矿石的矿山已形成堆浸采铀的生产线。铀矿石不再外运至水冶厂，而是就矿山附近设置堆浸场和水冶厂生产天然铀产品。