第二章 溶浸采铀的物理化学基本原理..

核素是指质子数和中子数都相同的一类原子。凡质子
数相同而中子数不同核素则互为同位素。 放射性核素寿命的长短，常用半衰期(t1／2)表示，即衰 减一半所需的时间。不同的放射性核素半衰期差别很大 。
2）原子弹
连续核裂变释放出巨大的核能，若人工控制使链式反应
在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电 机，这是建设核电站的基本原理；若让裂变释放的能量不断 积聚，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这是制造原子弹 的原理。
核反应堆
核反应堆结构图
•
核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投 资虽高，但运行时就没有运送煤炭、石油这样繁重的运输
工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前电力缺
口的一种重要选择。
据最新消息报道，随着经济的飞速发展，能源短缺日趋 严重，核电已列入我国的发展规划，计划到2010年我国核电
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核电站受到一定程度的破坏。
1986年4月26日在前苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺
贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛烈爆炸，反应 堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜 伤亡惨重。放射性伤害，轻者有白血球减少、恶心、呕吐、 脱发等症状，重者则有出血、溃疡、遗传失常、癌症等。
切尔诺贝利核电站
占到总发电量的4%，而目前仅为1%。但有两个问题总是令人
担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。
• 核电站事故
国际上曾发生过两次重大的核电事故。1979年3月28日 美国宾夕法尼亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵， 使堆心部分过热，致使部分放射性物质逸人大气。但事故 得到及时处理，没有引起爆炸，对人伤害不很严重，只是
核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。1g铀
(92235U)发生裂变时释放能量为8X107kJ，相当于2.7吨煤完
全燃烧；1g氘(12H)发生聚变时释放的能量是6X108 kJ，相当 于20吨煤完全燃烧。核反应过程中由于原子核的变化，而
伴随着巨大的能量变化，所以核能也叫原子能。认识核反
应和研究核能的利用就成为处理能源问题时必须考虑的一 个方面。
内扩散过程——溶浸液从颗粒的外表面通过颗粒的毛细孔
和裂隙以分子扩散到颗粒内表面；（溶浸液从固体颗粒外表面到
内表面）
化学反应过程——扩散到内表面上的溶浸液与铀发生化学
反应，同时生成反应生成物。此过程包括化学变化和相变化。
内扩散过程——生成物从颗粒的内表面扩散到外表面散过
程。（溶浸液从固体颗粒内表面到外表面）
切尔诺贝利核电站当时的泄漏事故
• 中国的核电
我国自1982起决定要稳妥而积极地发展核电，笫一座自
行设计的30万千瓦核电站，建在浙江省海盐县秦山脚下，地
质构造良好，靠山临海。1995年7月正式通过国家验收。第二 期工程两台60万千瓦机组将动工，第三期工程亦在计划中。 此外在广东大亚湾引进两台90万千瓦的核电站已经建成，岭 澳核电站已经通过验收，辽宁建新核电站也已开始筹建。到
在天然铀矿物中，铀多以四价形式存在，如沥青铀矿等。而在
浸出及转化工艺中，绝大部分工序又要利用六价铀的特性，故四价
和六价铀对堆浸生产和研究有着重要价值。
铀的主要化合物有： 硫酸铀酰[UO2 (SO4)2]2-、 硫酸铀酰[UO2SO4]、
碳酸铀酰[UO2（CO3）3]4重铀酸盐[U2O7]2-。
•3）铀的浸出
一般认为铀存在三价、四价、五价、六价四种价态。三价铀呈 紫红色，非常不稳定，极易氧化；五价铀只有学术上的意义，因为 它在水溶液中发生歧化反应；常见的只有四价和六价铀。四价铀呈 蓝绿色，较稳定，但也易氧化，只在还原性介质中才能稳定存在； 六价铀最稳定，呈黄绿色，除非有还原剂存在，否则六价铀能稳定 地存在于溶液、固相或气相中。
•电位、pH
溶浸液欲与铀氧化物发生化学反应，它必须具备两个条件：一是
要具有一定的氧化—还原电位，使低价铀氧化成高价铀；二是要具有一 定的酸度(当用酸法浸出时)，即溶液中反应物和生成物的浓度是随电极 电位和酸度而变化的。
• 浸出过程
外扩散过程——溶浸液从溶液主体(相对于矿石颗粒表面的液
膜而言)经过液膜外面对流扩散和通过液膜内的分子扩散抵达颗粒表 面；（溶浸液从液体到固体颗粒表面。）
• 1.3 核聚变和氢弹
由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核 聚变。每克氘聚变时所释放的能量为5.8X108kJ，大于每克U— 235裂变时所释放的能量(8.2X107kJ)。核聚变有几个方面比核
裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产 生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富， 在海水中氘和氢之比为1.5X10-4： 1，地球上海水总量约为1018 吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。遗憾的 是这个聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正电的氘核 之间的巨大排斥力(从理论计算，要克服这种库仑斥力需要 109℃的高温)。
外扩散——生成物从颗粒外表面扩散到溶液主体。
•影响浸出速度的因素
物理因素——矿石块度、矿石内部结构（节理列隙）； 化学因素——酸（碱）浓度、氧化剂、温度。
核科学家并未放弃核聚变的研究，另外一个反应温度低些的聚 变反应已引起人们的关注。它以氘和锂(Li)为原料，在特定的强磁 场中，可以发生聚变反应。至于是否能利用核聚变的能量发电，目 前还处于实验室的初探阶段。
• 2 溶浸采铀工艺 • 1）工艺流程 溶浸采铀(矿)过程包括浸出和回收。
浸出过程就是靠加入某种溶浸液溶解矿物，使金属离子稳定在溶
经多次国际会议商讨，现在认为对用过的核燃料中还
有未燃尽的铀，应尽量回收，这样既可提高资源的利用率 又减少废料的放射性。废料中还有些有使用价值的放射性 物质和非放射性物质，也应提取分离，这些过程统称为 “后处理”。其他放射性废料应装入特制容器，它具有防 震、防腐、防泄漏等特性。然后将容器深埋在荒无人烟的 岩石层里，使它长期与生物界隔离，其放射性禁锢于容器 内而不扩散核污染。随着核电的发展，核废料的处理是必 须认真对待的重要问题。在反应堆的运行过程中和核燃料 的后处理过程中有许多化学问题值得深入研究。
2000年我国有200多万千瓦的核电能力。
到2020年，我国将新建20座左右的核电站，使我国的核
电占总发电量的比例达到10%左右。
• 核废料处理
核电站废料的处理是非常棘手的事情。U—235裂变产生 的碎核都具有放射性。反应堆工作一定时间后，必需更换新 燃料，卸下的放射性废料就存在着如何处理、运输、掩埋的 问题。早期曾将废料直接埋入地下，但即使掩埋较深，久而 久之地下水总会使这些放射性物质扩散。后来又将废料装在 金属桶里，外面加一层混凝土或沥青，弃于海底，在大西洋 北部和太平洋北部都有这些废料的“墓地”。
氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装 置，产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。太阳 辐射出来的巨大能量就来源于这类核聚变，但我们目前尚
没有办法在地球上利用这类核聚变发电。怎样能取得这样
高的温度?用什么材料制造反应器?怎样控制聚变过程等各 种问题尚无答案。
美国的第一颗氢弹
氢弹结构图
第二章
溶浸采铀的物理化学基本原理
• 1 铀的应用——核能（原子能） • 1.1 核衰变 • 1.2 核裂变、原子弹、核电站
• 1.3 核聚变和氢弹
• 2 溶浸采铀工艺 • 2.1 工艺流程 • 2.2 铀的特性 • 2.3铀的浸出
•1 铀的应用——核能（原子能）
原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。普通化学 反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电 子并没有变化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化， 这类反应叫核反应。
原子弹
前苏联第一颗原子弹
1945年8月6日，美国向日本广岛投下第1颗原子 弹
原子弹
原子弹里的U应含93％ U—235 (天然铀矿石中U—235 仅占0.75%，其余绝大部分为U—238)。一颗原子弹中有两
块U—235，每块质量都不太大，连续裂变时所释放的能量
不足以引起爆炸，但当两块铀合在一起时，便能在瞬间发 生强烈爆炸。所以在原子弹之中还用一个普通的小炸弹作 为引爆装置，它的爆炸使两块铀挤压在一起发生爆炸。
能维持链式反应铀块的最小体积叫临界体积，其质量 叫临界质量。临界质量与铀块的形状和纯度等多种因素有
关。
• 3）核电站
核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键
设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子
的材料制成的，如硼(B)、镉(Cd)、铪(Hf)等是合适的材料。
利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度，U—235 裂变时所释放的能量可将循环水加热至300℃，高温水蒸气推 动发电机发电。
液中。其中的物理化学问题是很复杂的，主要是反应平衡与反应速 度问题，前者属浸出过程的热力学，后者属浸出中的动力学。
溶浸采铀(矿)工艺流程
•2）铀的特性
铀的化学活性高，是一种非常活泼的元素。它几乎能与所有的非金
属作用，也能与许多酸、碱、盐起反应。因此，铀化合物化学的内容非
常丰富，已有许多专著。这里介绍的仅仅是与铀堆浸工艺有关的一些铀 化合物化学的最基本的知识。
放射性和放射化学研究的新领域。他们3人共同获得1903年
的诺贝尔物理学奖。
• 为了表彰玛丽发现钋和镭，以及在镭的应用方面所作出的
贡献，1911年瑞典科学院授予她诺贝尔化学奖。至此，她
已两次获此殊荣，可见玛丽科学造诣之深，贡献之大。玛 丽把一生献给了科学事业，对荣誉和报酬却看得十分淡漠。 世界杰出的科学家爱因斯坦曾这样赞誉玛丽“在所有的名 人中，居里夫人是少有的不为荣誉所倾倒的人。”
天然放射性辐射
裂 变
中子诱发U-235裂变形成链式反应
•1.1 核衰变
U，Po，Ra等元素的原子核不稳定，能自发地放出辐射， 而变成另一种原子核，这种过程叫核衰变。天然放射性元素铀 所放出的辐射，在电磁场作用下可以分为三个部分：α辐射、 β辐射和γ辐射。
1896年法国科学家Becquerel H 发现了铀盐的天然放 射性现象，他的同事Marie和Pierre Curie夫妇在1898年铀 矿中发现了新的放射性元素钋(Po)和镭(Ra)，开创了天然
•1.2 核裂变、原子弹、核电站
1）核裂变
1938年Hahn O和Strassman F 研究中子轰击U—235的产 物时，想发现新元素的愿望虽未实现，但却发现了另一类核 反应——裂变。235U原子核受高能中子轰击时，分裂为质量 相差不多的两种核素，同时又产生几个中子，还放大量的能 量，裂变产物的组成很复杂。