中国现在，非常缺铀！

来源:中科院半导体所发布时间:2023-06-032495浏览

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文章来源：地球知识局作者：地球知识局

1905年，爱因斯坦提出了质能方程式。

其中c指的是光速，一个很大的数，而且是平方，即使小学生也能感觉到，这个公式揭示了一种极其巨大的能量，这就是核能。

质能方程的提出

为后来的核能研究打下了基础

（图：wiki）▼

人们相信核聚变将开启未来无限能源的时代，但我们目前还只能用核裂变来发电，核能发展至今不到70年，已经占到全球电力来源的10％。

利用核裂变能发电

犹如打开了发电领域新世界的大门▼

我国到2022年底，正在运行的核电站有55座，占全国发电量的4.98％，而且中国核电的在建容量已经多年世界第一，我们的核电还会越来越多。但与此同时，我们的铀，却完全不够用。

建了这么多核电站

铀都不够用了▼

用途广泛却储量稀少

铀是核裂变的关键原料，一公斤铀235完全裂变，会损失大约0.09%的质量，而释放的能量相当于燃烧2700吨优质煤，是全球核电的绝对主力“燃料”。
中国铀资源的进口量多年保持在较高水平▼

铀除了能发电，还广泛用于各种军事和民用领域。
比如，航母和潜艇的铀核反应堆、原子弹和氢弹都离不开铀。铀浓缩过程的副产品贫铀，还能用来生产贫铀弹和高强度装甲。
（图：nationalmuseum.af.mil）▼

用贫铀和少量钼等金属制成的穿甲弹是主要的反坦克武器之一（图：wired3）▼

再比如，农业辐照育种、生产人造元素、放射治疗、造影诊断都能用到铀。这都进一步放大了铀的消耗量。
自上世纪90年代以来铀资源便供不应求了▼

2019至2021年全球铀资源量变化铀资源正在慢慢被消耗▼

根据联合国国际原子能机构（IAEA）和核能局原子能委员会（NEA）2021年的估算，当年中国的铀需求量高达9500吨，但自主产量只有1800吨。
显然，光靠中国自己的铀是不够用的，2021年，我国进口了13000多吨（13613.9吨）的铀资源（U3O8，含铀84.8%），进口额13.1亿美元。这个数字之后还会继续扩大。
其实不光中国缺铀，世界上大部分工业国都缺铀，这种高度敏感的紧缺战略资源，勘查、开采、提纯，每个环节的难度都很大。
日本柏崎刈羽核电站曾是世界上最大的核电站因多次核泄漏隐患而关停（图：Flickr）▼

首先，铀在地球上的含量很低，平均每吨地壳物质中，只有2.7克铀，相当于0.00027％。按照我国现行规范，铀的最低工业品位是0.05%，也就是说，铀元素要富集185倍才能形成可供利用的铀矿。如果要形成品位≥0.3 %的富矿石，就要富集1110倍。
复习一下高中化学知识可以找到铀是元素周期表中的第92号元素位于IIIB族第七周期，锕系（f区）（图：shutterstock）▼

目前已知的含铀矿石主要有沥青铀矿（U3O8）、晶质铀矿（UO2）、铀石（铀的硅酸盐）和铀黑（铀和钍的氧化物），它们的分布极不均匀。
自然界的铀矿物其美丽的外表下隐藏着最致命的放射性物质（图：wiki mindat）▼

比如澳大利亚的储量占全世界的25%，中国只占4％。
横屏-世界查明铀矿分布（开采成本＜130＄/KgU）▼

但不同铀矿的成本差距很大，国际上会根据开采成本，把铀矿分为两类，每千克成本在80-260美元之间的属于高开采成本铀矿，澳大利亚的铀矿就以这种为主。
成本在40-80美元甚至更低的属于低开采成本铀矿，哈萨克斯坦（40.51%）、加拿大（17.16 %）、巴西（11.90 %）加起来占了三分之二。中国的铀资源也以这种为主。
上：全球代表国家可靠铀矿量下：全球代表国家推测铀矿量（截至2021年1月图：IAEA）▼

提纯困难却供不应求

无论是高成本还是低成本的铀矿，相比我们以前介绍过的铁、铜，成本都要高得多。
这一方面是因为储量稀少，一方面是提取困难。一般的金属矿石，比如铜矿，只要把矿石破碎，通过浮选就能提取其中的铜，得到可供冶炼的铜精粉。
且相比铜矿这类常见金属的开采铀矿大规模开采的历史较短提取铀矿的技术也相对没有那么成熟（铜矿浸出堆和贮水池图：shutterstock）▼

而铀矿开采就复杂得多，如果用类似其他金属矿产的传统方式，将开采出的铀矿石磨成细粉之后，还要通过化学或物理方法，如浸出或离子交换，从矿石里提取铀精矿。主要成分是八氧化三铀和重铀酸钠，这就是著名的“黄饼”。
目前，几乎所有开采铀矿的国家都生产“黄饼”但“黄饼”并不能直接用于核反应堆而一般用于提炼浓缩铀（图：Flickr@Nuclear Regulatory Commission）▼

另一种是近几年快速发展的原位铀淋滤法，从地表钻孔将化学药剂注入矿带，利用化学反应选择性地溶解矿石中的铀，并将浸出液提取出地表，成果同样是“黄饼”。
原位铀淋滤法模式图用化学试剂溶解铀，提取出浸出液即可▼

“红海行动”中棕色的大桶里装的就是黄饼主要是238U，辐射性远低于浓缩铀▼

到这里，铀，即将进入一个关键环节——分离。
铀精矿里的铀，其实包含了3个天然同位素，铀234、铀235和铀238，必须一一分离。
其中，只有铀235是地球上唯一天然存在的易裂变核素，是核电厂的绝对主力燃料，但它在铀资源中含量极低，只有0.71%。而不可裂变的铀238占比99.2%。所以铀精矿需要同位素分离，制成不同纯度比例的浓缩铀，才能用作核燃料。
铀235的核裂变示意慢速(低能)中子将铀235的原子核分裂成两个新原子核同时也产生了能量和中子这些新产生的中子会撞击其他铀235原子从而形成连锁反应（图中以氪和钡为例图：Britannica）▼

具体来说，就是把黄饼转化为六氟化铀（UF6），将其送入高速旋转的离心机，把较轻的铀235和较重的铀238分离开。
经过浓缩的六氟化铀气体被转化回固体的氧化铀，就可以制造燃料棒，用于核反应堆。
浓缩工厂里用于生产浓缩铀的级联气体离心机（图：energy.gov）▼

这其中，铀235的含量非常重要，如果达到3%-5%，就属于低浓缩铀，可以用于核电，80%则是高浓缩铀，90%以上则是武器级高浓缩铀。
从美国工厂处理的废料中回收的高浓缩铀坯料（图：EM）▼

总之，铀的勘探、开采、提纯都有很多技术门槛、而且成本很高。
在上世纪50年代，我国就开始勘查铀矿，当时专注于花岗岩型和火山岩型铀矿，勘查范围集中在江西、湖南、广东和广西。
1943年，地质学家南延宗到广西进行矿产地质调查发现了铀矿物的存在（图：《了不起的核工业》）▼

1958年，位于湖南郴州的711矿开始建设711矿是中国第一座大型铀矿共开采出400多万吨铀矿石（图：《了不起的核工业》）▼

随着1991年秦山核电站并网发电，开启了我国民用核电的历史，此后国内对铀资源的需求迅速上涨，铀矿勘查投资也逐年增加。
地处浙江省海盐县的秦山核电站自1991年建成以来，已安全运营31年目前其服务年限已延长至2041年（图：壹图网）▼

这一时期勘查的矿床主要是砂岩型铀矿，主要发育在我国北方的盆地，如伊犁盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地和松辽盆地。
从2000年到2018年，伊犁、鄂尔多斯、二连盆地和松辽盆地都探获了新的铀矿资源量。截至到2021年1月，我国查明的铀资源量约33万吨，包含15万吨可信储量和18万吨推断储量，但对应到我们每年近万吨的需求，还是太少了。
横屏-中国北方砂岩型铀矿分布示意图砂岩型铀矿为目前重要的铀矿类型▼

未来我国还需更多的铀

我国目前需求缺口主要在核电方面，核电站的总装机量从2015年到2022年增长了近一倍（3000万千瓦增长到接近5700万千瓦），2021年的铀消费量（9563吨）就占了全球的15%以上。
不断扩大的装机容量也对应着不断增加的铀需求量▼

但我们的基数毕竟太大，相比发达国家，我国的核电占比还非常低。
横屏-全球核电站分布与欧美等发达国家相比我国核电站数量还较少▼

世界主要国家核电站建设情况相比而言，我国核电站建设较晚但建设速度和装载量却可圈可点▼

像是法国、斯洛伐克、乌克兰等10个国家，核电占本国发电量的30%以上。法国更是超过了70%，而我国才刚到5%，这个比例还远远不能改变现在煤电为主的能源结构。
核能的发展仍任重道远▼

相比于碳排放较高的煤电、以及稳定性较弱的可再生能源，核能兼具高效、清洁和稳定性，在如今的双碳目标下，核电作为一种清洁能源，其战略意义不言而喻。（以2021年为例，我国运行核电机组累计发电量为4071.41亿千瓦时，相当于减少燃烧标准煤11558.05万吨，减少排放二氧化碳30282.09万吨。）
绿水青山就是金山银山发展核电是实现可持续发展的必然趋势
（深圳大亚湾核电厂图：图虫创意）▼

国家发改委、国家能源局公布的《“十四五”现代能源体系规划》中就提到，到2025年，核电运行装机容量将达到7000万千瓦左右。
IAEA和NEA则预计，到2030年和2040年，我国对铀的需求量将高达22600吨和43400吨。
其实不仅是中国一些发达国家也同样存在铀的需求量大而生产量小的问题▼

在这俩数字面前，我们1800吨的年产量简直杯水车薪，意味着还要加大力度进口，目前的主要进口来源国包括哈萨克斯坦、纳米比亚、乌兹别克斯坦和俄罗斯。
2019年，哈萨克斯坦一半以上的铀产量都卖到了中国，多达13000多吨，如果我们能稳住这几大来源，再开发些新的来源，未来的铀供应还是很有保障的。
我们的西北邻居哈萨克斯坦真的是富得流“铀”啊▼