本文來自微信公眾號：地球知識局 （ID：diqiuzhishiju），文字：伯玥
1905 年，愛因斯坦提出了質(zhì)能方程式。
其中 c 指的是光速，一個很大的數(shù)，而且是平方，即使小學生也能感覺到，這個公式揭示了一種極其巨大的能量，這就是核能。
質(zhì)能方程的提出
為后來的核能研究打下了基礎
（圖：wiki）▼
人們相信核聚變將開啟未來無限能源的時代，但我們目前還只能用核裂變來發(fā)電，核能發(fā)展至今不到 70 年，已經(jīng)占到全球電力來源的 10％。
利用核裂變能發(fā)電
猶如打開了發(fā)電領域新世界的大門 ▼
我國到 2022 年底，正在運行的核電站有 55 座，占全國發(fā)電量的 4.98％，而且中國核電的在建容量已經(jīng)多年世界第一，我們的核電還會越來越多。但與此同時，我們的鈾，卻完全不夠用。
建了這么多核電站
鈾都不夠用了 ▼
用途廣泛卻儲量稀少
鈾是核裂變的關鍵原料，一公斤鈾 235 完全裂變，會損失大約 0.09% 的質(zhì)量，而釋放的能量相當于燃燒 2700 噸優(yōu)質(zhì)煤，是全球核電的絕對主力“燃料”。
中國鈾資源的進口量
多年保持在較高水平 ▼
鈾除了能發(fā)電，還廣泛用于各種軍事和民用領域。
比如，航母和潛艇的鈾核反應堆、原子彈和氫彈都離不開鈾。鈾濃縮過程的副產(chǎn)品貧鈾，還能用來生產(chǎn)貧鈾彈和高強度裝甲。
1945 年 8 月
代號為“小男孩”的原子彈在廣島上空爆炸
廣島市馬上淪為焦熱的火海
（圖：nationalmuseum.af.mil）▼
用貧鈾和少量鉬等金屬制成的穿甲彈
是主要的反坦克武器之一
（圖：wired3）▼
再比如，農(nóng)業(yè)輻照育種、生產(chǎn)人造元素、放射治療、造影診斷都能用到鈾。這都進一步放大了鈾的消耗量。
自上世紀 90 年代以來
鈾資源便供不應求了 ▼
2019 至 2021 年全球鈾資源量變化
鈾資源正在慢慢被消耗 ▼
根據(jù)聯(lián)合國國際原子能機構(gòu)（IAEA）和核能局原子能委員會（NEA）2021 年的估算，當年中國的鈾需求量高達 9500 噸，但自主產(chǎn)量只有 1800 噸。
顯然，光靠中國自己的鈾是不夠用的，2021 年，我國進口了 13000 多噸（13613.9 噸）的鈾資源（U3O8，含鈾 84.8%），進口額 13.1 億美元。這個數(shù)字之后還會繼續(xù)擴大。
其實不光中國缺鈾，世界上大部分工業(yè)國都缺鈾，這種高度敏感的緊缺戰(zhàn)略資源，勘查、開采、提純，每個環(huán)節(jié)的難度都很大。
日本柏崎刈羽核電站
曾是世界上最大的核電站
因多次核泄漏隱患而關停
首先，鈾在地球上的含量很低，平均每噸地殼物質(zhì)中，只有 2.7 克鈾，相當于 0.00027％。按照我國現(xiàn)行規(guī)范，鈾的最低工業(yè)品位是 0.05%，也就是說，鈾元素要富集 185 倍才能形成可供利用的鈾礦。如果要形成品位≥0.3 % 的富礦石，就要富集 1110 倍。
復習一下高中化學知識
可以找到鈾是元素周期表中的第 92 號元素
位于 IIIB 族第七周期，錒系（f 區(qū)）
目前已知的含鈾礦石主要有瀝青鈾礦（U3O8）、晶質(zhì)鈾礦（UO2）、鈾石（鈾的硅酸鹽）和鈾黑（鈾和釷的氧化物），它們的分布極不均勻。
自然界的鈾礦物
其美麗的外表下
隱藏著最致命的放射性物質(zhì)
（圖：wiki & mindat）▼
比如澳大利亞的儲量占全世界的 25%，中國只占 4％。
橫屏-世界查明鈾礦分布
（開采成本＜130＄/KgU）▼
但不同鈾礦的成本差距很大，國際上會根據(jù)開采成本，把鈾礦分為兩類，每千克成本在 80-260 美元之間的屬于高開采成本鈾礦，澳大利亞的鈾礦就以這種為主。
成本在 40-80 美元甚至更低的屬于低開采成本鈾礦，哈薩克斯坦（40.51%）、加拿大（17.16 %）、巴西（11.90 %）加起來占了三分之二。中國的鈾資源也以這種為主。
上：全球代表國家可靠鈾礦量
下：全球代表國家推測鈾礦量
（截至 2021 年 1 月 圖：IAEA）▼
提純困難卻供不應求
無論是高成本還是低成本的鈾礦，相比我們以前介紹過的鐵、銅，成本都要高得多。
這一方面是因為儲量稀少，一方面是提取困難。一般的金屬礦石，比如銅礦，只要把礦石破碎，通過浮選就能提取其中的銅，得到可供冶煉的銅精粉。
且相比銅礦這類常見金屬的開采
鈾礦大規(guī)模開采的歷史較短
提取鈾礦的技術也相對沒有那么成熟
而鈾礦開采就復雜得多，如果用類似其他金屬礦產(chǎn)的傳統(tǒng)方式，將開采出的鈾礦石磨成細粉之后，還要通過化學或物理方法，如浸出或離子交換，從礦石里提取鈾精礦。主要成分是八氧化三鈾和重鈾酸鈉，這就是著名的“黃餅”。
目前，幾乎所有開采鈾礦的國家都生產(chǎn)“黃餅”
但“黃餅”并不能直接用于核反應堆
而一般用于提煉濃縮鈾
另一種是近幾年快速發(fā)展的原位鈾淋濾法，從地表鉆孔將化學藥劑注入礦帶，利用化學反應選擇性地溶解礦石中的鈾，并將浸出液提取出地表，成果同樣是“黃餅”。
原位鈾淋濾法模式圖
用化學試劑溶解鈾，提取出浸出液即可 ▼
“紅海行動”中棕色的大桶里裝的就是黃餅
主要是 238U，輻射性遠低于濃縮鈾 ▼
到這里，鈾，即將進入一個關鍵環(huán)節(jié) —— 分離。
鈾精礦里的鈾，其實包含了 3 個天然同位素，鈾 234、鈾 235 和鈾 238，必須一一分離。
其中，只有鈾 235 是地球上唯一天然存在的易裂變核素，是核電廠的絕對主力燃料，但它在鈾資源中含量極低，只有 0.71%。而不可裂變的鈾 238 占比 99.2%。所以鈾精礦需要同位素分離，制成不同純度比例的濃縮鈾，才能用作核燃料。
鈾 235 的核裂變示意
慢速 (低能) 中子將鈾 235 的原子核分裂成兩個新原子核
同時也產(chǎn)生了能量和中子
這些新產(chǎn)生的中子會撞擊其他鈾 235 原子
從而形成連鎖反應
（圖中以氪和鋇為例 圖：Britannica）▼
具體來說，就是把黃餅轉(zhuǎn)化為六氟化鈾（UF6），將其送入高速旋轉(zhuǎn)的離心機，把較輕的鈾 235 和較重的鈾 238 分離開。
經(jīng)過濃縮的六氟化鈾氣體被轉(zhuǎn)化回固體的氧化鈾，就可以制造燃料棒，用于核反應堆。
濃縮工廠里用于生產(chǎn)濃縮鈾的級聯(lián)氣體離心機
（圖：energy.gov）▼
這其中，鈾 235 的含量非常重要，如果達到 3%-5%，就屬于低濃縮鈾，可以用于核電，80% 則是高濃縮鈾，90% 以上則是武器級高濃縮鈾。
從美國工廠處理的廢料中回收的高濃縮鈾坯料
（圖：EM）▼
總之，鈾的勘探、開采、提純都有很多技術門檻、而且成本很高，咱們國家以前的起點很低，但為了國防和能源安全，也只能硬著頭皮上。
在上世紀 50 年代，我國就開始勘查鈾礦，當時專注于花崗巖型和火山巖型鈾礦，勘查范圍集中在江西、湖南、廣東和廣西。
1943 年，地質(zhì)學家南延宗到廣西進行礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查
發(fā)現(xiàn)了鈾礦物的存在
（圖：《了不起的核工業(yè)》）▼
1958 年，位于湖南郴州的 711 礦開始建設
711 礦是中國第一座大型鈾礦
共開采出 400 多萬噸鈾礦石
（圖：《了不起的核工業(yè)》）▼
隨著 1991 年秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電，開啟了我國民用核電的歷史，此后國內(nèi)對鈾資源的需求迅速上漲，鈾礦勘查投資也逐年增加。
地處浙江省海鹽縣的秦山核電站
自 1991 年建成以來，已安全運營 31 年
目前其服務年限已延長至 2041 年
這一時期勘查的礦床主要是砂巖型鈾礦，主要發(fā)育在我國北方的盆地，如伊犁盆地、準噶爾盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地。
從 2000 年到 2018 年，伊犁、鄂爾多斯、二連盆地和松遼盆地都探獲了新的鈾礦資源量。截至到 2021 年 1 月，我國查明的鈾資源量約 33 萬噸，包含 15 萬噸可信儲量和 18 萬噸推斷儲量，但對應到我們每年近萬噸的需求，還是太少了。
橫屏-中國北方砂巖型鈾礦分布示意圖
砂巖型鈾礦為目前重要的鈾礦類型 ▼
未來我國還需更多的鈾
我國目前需求缺口主要在核電方面，核電站的總裝機量從 2015 年到 2022 年增長了近一倍（3000 萬千瓦增長到接近 5700 萬千瓦），2021 年的鈾消費量（9563 噸）就占了全球的 15% 以上。
不斷擴大的裝機容量
也對應著不斷增加的鈾需求量 ▼
但我們的基數(shù)畢竟太大，相比發(fā)達國家，我國的核電占比還非常低。
橫屏-全球核電站分布
與歐美等發(fā)達國家相比
我國核電站數(shù)量還較少 ▼
世界主要國家核電站建設情況
相比而言，我國核電站建設較晚
但建設速度和裝載量卻可圈可點 ▼
像是法國、斯洛伐克、烏克蘭等 10 個國家，核電占本國發(fā)電量的 30% 以上。法國更是超過了 70%，而我國才剛到 5%，這個比例還遠遠不能改變現(xiàn)在煤電為主的能源結(jié)構(gòu)。
核能的發(fā)展仍任重道遠 ▼
相比于碳排放較高的煤電、以及穩(wěn)定性較弱的可再生能源，核能兼具高效、清潔和穩(wěn)定性，在如今的雙碳目標下，核電作為一種清潔能源，其戰(zhàn)略意義不言而喻。（以 2021 年為例，我國運行核電機組累計發(fā)電量為 4071.41 億千瓦時，相當于減少燃燒標準煤 11558.05 萬噸，減少排放二氧化碳 30282.09 萬噸。）
綠水青山就是金山銀山
發(fā)展核電是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢
今年 3 月下旬，國家發(fā)改委、國家能源局公布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中就提到，到 2025 年，核電運行裝機容量將達到 7000 萬千瓦左右。
IAEA 和 NEA 則預計，到 2030 年和 2040 年，我國對鈾的需求量將高達 22600 噸和 43400 噸。
其實不僅是中國
一些發(fā)達國家也同樣存在
鈾的需求量大而生產(chǎn)量小的問題 ▼
在這倆數(shù)字面前，我們 1800 噸的年產(chǎn)量簡直杯水車薪，意味著還要加大力度進口，目前的主要進口來源國包括哈薩克斯坦、納米比亞、烏茲別克斯坦和俄羅斯。
2019 年，哈薩克斯坦一半以上的鈾產(chǎn)量都賣到了中國，多達 13000 多噸，如果我們能穩(wěn)住這幾大來源，再開發(fā)些新的來源，未來的鈾供應還是很有保障的。
我們的西北鄰居哈薩克斯坦
真的是富得流“鈾”啊 ▼
哈薩克斯坦是世界上最大的鈾生產(chǎn)國
僅 2022 年，這個國家就開采了大約 16000 噸鈾
（哈薩克斯坦的 Inkai 鈾礦 圖：wiki）▼
當然，如果以后可控核聚變和釷基反應堆能大量用于發(fā)電，我們就可以擺脫對鈾的依賴，但在這之前，鈾的地位仍無可替代。
參考資料：
1.https://cn.gii.tw/publisher/cri/
2.國家核安全局 (mee.gov.cn)
3. Army Again Turns to Depleted Uranium for New Weaponry | WIRED
4.Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Station， Japan (power-technology.com)
5. Mapped: The world's nuclear power plants - Carbon Brief
6. 李強，陳擎，王繼斌，等.世界鈾資源現(xiàn)狀與我國核電發(fā)展資源保障的對策建議 [J].中國礦業(yè)，2023，32 (3):1-9.
7. Uranium 2022: Resources， Production and Demand
8.https://www.china-nea.cn/site/content/38474.html
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