第二章 溶浸采铀的物理化学基本原理第二章 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。核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。 1g铀 — 235(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。
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(贝克勒尔 放射性活度 的 国际单位 符号 Bq)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。
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。 92235U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。
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。
原子弹里的 U应含 93％ U— 235 。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。
由此可见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 2006年我国核电占到总发电量的 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。
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 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人地下，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”。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。
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 )。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。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，也可与金属生成金属互化物。它也能与许多酸、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。
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。但在天然铀矿物中，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 [U(SO4)2]、硫酸铀酰 [UO2SO4]、
碳酸铀酰 [UO2（ CO3） 3]4-和重铀酸盐 [U2O7]2-。
3）铀的浸出
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。 ）
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。 （ 化学反应 ）
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 ）
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。
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。核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。 1g铀 — 235(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。
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(贝克勒尔 放射性活度 的 国际单位 符号 Bq)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。
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。 92235U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。
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。
原子弹里的 U应含 93％ U— 235 。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。
由此可见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 2006年我国核电占到总发电量的 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。
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 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人地下，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”。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。
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 )。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。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，也可与金属生成金属互化物。它也能与许多酸、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。
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。但在天然铀矿物中，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 [U(SO4)2]、硫酸铀酰 [UO2SO4]、
碳酸铀酰 [UO2（ CO3） 3]4-和重铀酸盐 [U2O7]2-。
3）铀的浸出
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。 ）
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。 （ 化学反应 ）
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 ）
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。
