核燃料铀的提取—浸出(一)

核能是目前最清洁的能源。在它的发展过程中，我们必须从矿石中提取铀，这是一种可以经历核裂变并产生核能积累的金属。矿石中的铀含量很低。地球上铀的平均含量相对较低且分散，这就要求我们不像火法冶金那样直接从矿石中提取铀，而是进行湿法冶金，包括浸出、分离、提纯、浓缩、沉淀和其他过程，以制备核能开发所需的铀制剂。因此，首先，必须根据矿石的特性进行浸出，以分离大多数无用的杂质。浸出是使用化学试剂将铀(与许多矿物相关的矿石中的一种有用成分)转化为可溶化合物并选择性地将其溶解出来以获得含有金属铀的溶液的过程，从而实现铀成分与杂质成分的分离。

随着核能的发展，越来越多的铀被用作核反应堆的核燃料。因此，我们需要通过浸出从各种铀矿石中提取铀，以获得我们需要的铀产品。这也是准备核燃料的第一步。然后通过离子交换或萃取制备铀化合物，通过沉淀制备铀浓缩物，通过纯化和氧化还原制备铀氧化物，通过冶金制备铀金属，最后制备我们需要的核燃料。

这里所说的浸出是直接搅拌混合含溶剂的水溶液，如酸溶液或碱溶液等。与矿石按一定比例混合，使矿石中的铀选择性地溶解在含有酸和碱的水溶液中，并与其他不溶性矿物分离，得到含有大部分铀而只有少量溶解的其他矿物成分的水溶液，从而实现铀与其他矿物的分离。

浸出技术经历了长期的发展，特别是中国核工业几十年的发展，产生了许多不同的浸出方法和手段。浸出过程根据固液接触的方式和形式而变化。

浸出效率的高低取决于许多因素，其中最重要的是对我们常说的六个浸出因素的研究:

1)矿石的粒度；2)渗滤液的固体比例；3)浸出剂的浓度；4)浸出温度；5)浸出时间的长短；6)氧化剂的用量。

浸出机理主要是当含浸出剂(如硫酸或碱)的溶液与含铀矿物接触时，溶液中的溶剂通过矿石中的孔隙不断扩散到铀矿石表面。当溶液中的溶剂与待获得的铀矿石接触时，铀矿石不断扩散到溶液中，与溶剂结合形成新的化合物。同时，含有溶解铀的溶剂也不断扩散到矿物外的溶液中。这时，进入溶液的铀矿石就是我们想要获得的铀化合物。

目前，无论按浸出工艺还是按浸出过程分类，我们经常采用的方法有搅拌浸出、堆浸、原地浸出(包括爆破浸出)、渗滤浸出、流态化浸出和薄层浸出。但目前从核燃料中回收铀的主要方法有搅拌浸出、堆浸和原地浸出。其他方法的应用范围相对较窄，如爆破浸出仅适用于硬岩铀矿和矿石储量相对较小的矿床。

1搅拌浸出

顾名思义，搅拌浸出是指磨碎的矿石和浸出剂在罐中充分搅拌和混合。铀矿石的搅拌浸出是指将矿石粉碎并研磨成粉末的浸出方法，通常将矿石粉碎至约-100目至-200目，并在搅拌槽中与浸出剂混合，在强化浸出条件下进行搅拌(如提高温度、提高浸出剂浓度、选择合适的浸出剂类型、延长搅拌浸出时间、提高搅拌速度等)。)。搅拌方法有两种:机械搅拌(如机械搅拌罐)和空气搅拌(如红小豆搅拌罐)。

搅拌浸出原理:搅拌浸出也是一个固液传质过程。通过研磨细料增加固相接触表面，使包裹的铀矿石充分暴露，从而增加铀与浸出剂的接触概率。同时，在搅拌条件下，固相表面的铀浸出剂的更新概率增强，固相表面的浸出剂持续保持较高的浓度，保证了固液表面浸出剂的浓度差异较大，从而达到提高浸出率的目的。

影响浸出率的因素有:矿石粒度；浸出剂的浓度；渗滤液的固体比例；氧化剂；浸出温度；浸出时间等。

搅拌浸出适用于各种类型的铀矿石。根据矿石性质，可选择酸浸和碱浸。然而，搅拌浸出水冶装置建设周期长，投资大，生产成本高，尤其是研磨成本在搅拌浸出中占有很大比重，这也是一些矿石固液分离的一个比较困难的问题。因此，从20世纪80年代到90年代，为了简化工艺和节省投资，通常不使用搅拌浸出。目前，从节约国家资源的角度出发，为了充分利用有效资源，我们正在开展搅拌浸出的研究。通常，当矿石中铀含量较高时，通常采用搅拌浸出。虽然研磨成本和固液分离成本的比例相对较高，但搅拌浸出仍是浸出铀的首选方法，因为铀的回收率比其他浸出方法高近10%。

搅拌浸出的示意图如图1所示。

图1搅拌浸出示意图

堆摊浸出

堆浸是堆浸法的缩写，是指将稀释的化学溶剂喷洒到预先堆积的矿石堆上，以选择性地溶解(浸出)矿石中的目标成分铀，从而使铀形成离子或复合离子，并将其转化为溶液以供进一步提取或回收。堆浸矿石只需粗碎，一般情况下只需粉碎至-5-8毫米。如果浸出性能更好，有时只需将其压碎至约-10毫米，而溶液总是以不饱和流动状态在堆中流动。

堆浸法的原理是:借助喷在矿堆上的含化学溶剂的水溶液流过矿堆时，在不饱和流动状态下缓慢流动的溶液，易溶铀通过矿孔与矿面接触后会溶解在溶液中，从而保证溶剂在固液表面永远有较大的浓度差。

堆浸中常用的浸出剂是硫酸，适用于处理氧化条件好的二次矿石。对于硫化物和铁含量高的矿石，可以结合细菌浸出来减少浸出剂的用量。此外，堆浸需要很长时间，自然环境的氧化可以满足一定的要求。通常，不需要添加氧化剂或仅添加少量氧化剂。

矿石堆的建造一般为2000-4000吨矿石堆成一个堆，有时堆高达5000吨，高度一般为2.5-3米，喷洒强度一般为30-50升/米2小时，大部分每天24小时均匀喷洒，喷洒一个半月左右，达到完全浸出铀的目的。虽然矿渣等级通常高于搅拌浸出，但浸出率基本上可保持在70-75%左右。对于边缘品位矿石和其他品位相对较低的铀矿石，这足以实现目标。

与搅拌浸出相比，堆浸有许多优点:

1)投资少，成本低；

2)省去了高能耗的细磨和固液分离过程，简化了工艺流程；

3)灵活性，适合处理偏远地区的小型矿井；

4)矿堆可布置在地表或地下，尾矿可返回充填，减少环境污染。

5)堆浸仅适用于贫矿石、地表外矿石和不适于搅拌浸出的尾矿。

然而，堆浸浸出率低、浸出率低，难以达到水冶厂的浸出效果，更不适合处理难选矿石和非氧化矿石。此外，还需要合适的气候条件。一般来说，浸出率比搅拌浸出率低10%左右。如果堆浸用于含铀量较高的矿石，将是一种极大的资源浪费。因此，对于难选矿石不采用堆浸法，对于气候恶劣的地区和矿石较丰富的地区，只有那些边缘矿石、相对较差的矿石和废弃的尾矿得到适当处理，以回收有用的资源。

类似于堆浸法，有槽渗滤浸出。它把浸出剂和矿石放在一个罐里，在常温下浸泡几次，达到浸出铀的目的。较高浓度的浸出剂可用于罐式浸出，浸出时间比堆浸短。

图2堆浸示意图

图3罐渗滤浸出示意图