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想封锁是锁不住的 中国这项重大技术能力超美国8倍

  2021年的冬季还未到,能源市场的寒冬却早一步笼罩了北半球。从欧洲到亚洲,从生产供应到物流运输,从超市货架到工业园区……全球能源金属价格近期接连上涨,能源危机的幽灵无处不在。铀价追踪机构TradeTech9月发布的数据显示,仅一个月,铀现货价格就上涨了12%,铀价指数上涨幅度高达39%。

  此外,在全球“碳中和”的蓝图下,核电也成为了不可或缺的低碳电力,这将快速推高全球对铀的需求。能源转型的当口上,将铀资源开发、利用技术牢牢掌握在自己手中,显得尤为重要。

  今年以来,我国铀资源研究领域不断传出好消息:

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  南海海域公斤级海试试验平台 图片来源:中科院上海高等研究院

  我国首次基于纳米膜的最大规模海水提铀海试试验成功开展,标志着我国海水提铀技术将从“实验室”走向“海洋”;

  具有铀酰配位和海水提铀双重功能的聚合肽水凝胶吸附剂材料PPH-OP成功开发,为新型海水提铀吸附剂的研究开辟了新的方向;

  中国科研团队研制出的铀吸附剂,其模拟溶液中的吸附能力是美国橡树岭国家实验室研发的新型吸附材料的近8.8倍。。。。。。

  从“军工基础”到“核电粮仓”,铀资源和我们的生活紧密相连。我国碳达峰、碳中和目标确定后,核电迎来新一轮发展机遇,对天然铀的需求也将大大增加。

  么,我们的天然铀还够用吗?中国离“铀自由”还有多远?

  文 | 丁贵梓 瞭望智库观察员  万星月(实习生)

  本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

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  铀,神秘的宝藏

  铀是自然界中的一种稀有元素,主要以各种氧化物和含氧化合物的形式存在,平均每吨地壳物质中仅含约2.5克铀。

  1789年,德国化学家M.H。克拉普罗特在提炼沥青铀矿时发现了铀,并将其命名为Uranium。一个世纪后,居里夫人提出了“放射性”的概念,证明了含铀元素的化合物都具有放射性,并在铀矿石中提炼出镭和钋。

  这种放射性是否危险,取决于铀含量的大小。日常生活中接触到的铀很难达到危害人体健康的水平,研究表明,一个人在衣服兜里放块一斤左右的铀矿石,每天所受辐射量也就和一块夜光手表差不多。根据中国标准,每人每年接受放射剂量的正常值为20毫西弗。核电站燃料中铀含量需达3%左右,但核电站周围的辐射水平只有0.01毫西弗/年。

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  我国技术人员在研究从含铀废渣中提取铀的方法。|图|新华社

  可见,虽然铀具有放射性,但我们不必谈“铀”色变。正因其具有放射性,铀得以应用于国防、发电、医疗、能源等诸多领域,成为宝贵的战略资源。

  但是,铀资源开发利用并非易事,最基本的步骤就是生产铀材料。

  铀有三个天然同位素,分别是铀-235、铀-238和铀-234。其中,铀-235是唯一的易裂变核素,可用作核武器和核电站的主要燃料。铀-235吸收低能中子后,就会发生裂变、释放巨大能量,同时再释放出2个中子;这2个中子又会被其他铀-235吸收、进一步裂变,产生链式反应。理论上讲,一克铀-235完全裂变所释放的能量,相当于2.7吨标准煤或1.78吨汽油燃烧所释放的热量。

  只不过,铀-235在自然界中的含量极低,仅有0.71%(相对地,铀-238可达99.2%以上)。生产铀材料,就是要把其他同位素分离出去,得到真正能为人们所用的提纯铀-235。这是铀资源开发利用绕不开的难题,整个过程包括:最初的铀矿地质勘探、矿石开采,到提纯化学浓缩物(重铀酸铵或重铀酸钠,俗称“黄饼”),再到制备二氧化铀、四氟化铀、六氟化铀等化学反应过程,最终分离出高浓度的铀-235。

  根据国际原子能机构定义,铀-235纯度高于3%的铀材料可用于核电站发电,纯度大于90%的即为武器级高浓缩铀,可用于制造核武器。制备1公斤武器级高浓缩铀,至少需要200吨铀矿石;制造一枚原子弹,至少需要3000吨高品质铀矿石。

  天然铀总量少、易氧化,提取流程漫长艰难、技术要求高,并且其开发利用关系到工农业发展、科技进步甚至国家安全……足见铀资源战略地位之重要。

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  大国底气,从“核”而来

  新中国成立之初,“中国境内存在铀矿”成为亟待求证的问题。

  1954年2月,时任地质部部长李四光成立普查委员会第二办公室,筹备铀矿勘查工作。同年10月,“普委二办组织工作队赴广西探寻铀矿。中国第一块铀矿石“开业之石”就是在这里发现的。

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  某部基建工程兵在崇山峻岭中修建的空中索道用于铀矿运输。图|新华社

  有了铀矿,下一步就是建设铀浓缩厂。中国早期铀浓缩技术的研究是在苏联的援助支持下开展的,然而,1960年7月,苏联突然撤走全部在华专家,停止一切设备和技术供应。

  危机当前,当时统管我国原子能事业的二机部决定:优先抢建铀生产线。1964年1月14日中午,兰州铀浓缩厂生产出第一瓶合格的高浓铀-235,丰度达90%以上,为我国第一颗原子弹提供了核装料。

  到1964年中国第一颗原子弹试爆前,全国已建有湖南郴县711矿、湖南衡阳712矿、江西上饶713矿,以及衡阳铀水冶厂(272厂)、包头核燃料元件厂(202厂)、兰州铀浓缩厂(504厂)等多座国有大型厂矿,工人数量在10万人以上。

  从“零铀”到自主产铀,正是解决了上述铀资源开发利用的难题,我们才顺利研制了原子弹氢弹核潜艇,为早期的中国国防提供保障。

  经过60余年的发展,如今的中国铀矿建设有了翻天覆地的变化。

  *铀矿勘察成果丰硕

  核工业二〇八大队是我国铀矿勘查“国家队”和“主力军”。

  数年来,他们坚持“主攻北方地浸砂岩型铀矿,兼顾南方硬岩型铀矿”的铀资源勘查战略,在鄂尔多斯盆地发现了1个超大型、2 个特大型、1 个大型、1 个中型砂岩铀矿床和3处大中型砂岩铀矿产地。

  将鄂尔多斯盆地成功“圈定”为我国最大铀资源基地后,他们又在二连盆地以及巴音戈壁盆地先后取得重大突破,平均每年新增铀储量超过1万吨,打破了国际社会对我国“贫铀贫矿国家”的定义。

  *采铀与浓缩技术提升

  过去的采铀工艺主要是挖矿山、运矿石,打碎后用酸液浸泡、提取。这种方式破坏性强、费用高,难以回收低品位铀资源。技术条件限制了中国铀矿开采只能局限于南方的硬岩矿,北方数万吨砂岩铀矿都被判为“呆矿”。

  为了让砂岩铀矿变成高效可利用的资源,我们研究出了地浸技术。用一种特质的、带有小孔的管子注入地浸液,地浸液会与矿石中的铀进行化学反应,生成一种透明的含铀溶液。溶液从抽液孔中抽出,在地表工厂水冶后形成初级的铀原料——重铀酸钠。该技术可以使铀资源浸出率达75%以上,并且回收低品位铀资源将从0.05%降到0.01%。

  2016年,我国首个千吨级铀矿大基地——新疆维吾尔自治区蒙其古尔铀矿诞生,采用当时最新工艺工艺CO2+O2第三代地浸采铀技术,生产效率较上世纪末提高200倍以上。

  在铀浓缩技术方面,中国也在自主探索的道路上行稳致远。2018年3月,我国新一代铀浓缩离心机大型商用示范工程在中核陕西铀浓缩有限公司全面建成,形成了新一代离心机完整的铀浓缩研发和产业体系。

  需要特别提出的是,中国开发利用铀资源,是将其作为保护国家安全的工具,而非宣扬霸权的武器。早在1992年3月9日,中国就正式加入《不扩散核武器条约》,撑起了营造和谐核环境、拒绝核打击和核威胁的大国担当。

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  发展核电,没它不行!

  除了军工领域,铀还是核能发电的主要燃料。

  核能发电,就是利用铀燃料核裂变反应所产生的热,形成高温高压、产生水蒸气,推动蒸汽轮机并带动发电机。铀创造的能量是常规能源所无法比拟的。形象来说,设计一座百万千瓦级核电站,每天能满足240万家庭用电,发电一年相当于造林6200个鸟巢所占的面积。

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  1998年11月,秦山核电站二期工程1号反应堆安全壳封顶。图|新华社

  中国核电站起步于西方国家的核封锁下,缺钱、缺技术,核电设计工作在1970年代就已经开始。1991年12月,在攻克控制棒驱动机构的落棒实验、安全壳和质量问题难关后,我国自主研究设计、自主建造运营的第一座原型堆核电站秦山核电站并网发电。

  如今,中国具有完全自主知识产权的三代压水堆核电创新成果“华龙一号”已投入商业运行。华龙一号是新一代核电设计理念的代表,其双层安全壳结构具有双重防御功能,内层用来抵御核岛内反应堆的泄漏,而外层则用来抵挡自然灾害和人为攻击。这个独特的设计理念会增加两倍的施工量,需要克服的技术难关也要成倍增加。

  但是,我们不仅克服了种种困难,还打破了首堆必拖延的怪圈。2021年1月30日,全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行。每台机组每年发电近100亿度,能够满足中等发达国家100万人口的年度生产和生活用电需求,相当于每年减少二氧化碳排放816万吨。

  截至目前,我国商运核电机组49台,总装机容量5102.7万千瓦,居全球第三,仅次于美国和法国。核准及在建核电机组19台,总装机约2099万千瓦,居全球第一。预计到2035年,我国核电在运和在建装机容量将达到2亿千瓦左右,发电量约占全国发电量的10%左右。

  结束“无核电”的境况后,中国的核电技术也不断提升,加大对核燃料的循环利用,即乏燃料处理。

  乏燃料,是指反应达到一定程度便无法维持而需要替换掉的核燃料,本身具有大量放射性元素(钚和次锕系元素),难以处理。各国对于乏燃料定位差别大,由于处理技术价格昂贵,乏燃料被许多国家视为废料。根据国际原子能机构2019年的推测,全球乏燃料总量已达44.5万吨。

  但客观来说,若能从乏燃料中回收有用的铀和钚,制成UO2或MOX燃料,返回热堆或快堆使用,将大大提高铀资源利用率。据估算,在压水反应堆中使用经过后处理的铀和钚,可节省约三分之一的天然铀。

  此外,利用快堆发电也是中国核电技术的一大进步。快堆即快中子反应堆,常用的核燃料是钚-239。钚-239发生裂变时放出的快中子会被装在反应区周围的铀-238吸收,又变成钚-239,从而使堆中核燃料变多,反应开始循环持续下去。这样一来,原本用处较小的铀-238也能摆脱“废料”的命运。

  快堆是世界上第四代先进核能系统的主力堆型,可使铀资源利用率从目前的1% 提高到60% 左右,还可使长衰变周期核废料产生量得到最大程度的降低,实现放射性废物最小化。

  我国的快堆研究起步于上世纪60年代中期,1987年被列入国家高技术发展计划;1995年中国实验快堆项目正式立项……经过多年努力,我国已建成一座实验快堆,并在2011 年通过国家验收、实现并网发电。

  4

  探索未来能源的密钥

  当前核能发电的原理是链式裂变反应,这一过程的最大难点在于如何抑制裂变过快反应,避免因出现故障而失控。实际上,除了核裂变,核聚变同样也能释放巨大能量。

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  2019年4月12日,深圳大亚湾核电站2号机组核心区,技术人员查看水下燃料组件。图|新华社

  核聚变是太阳的反应原理,相比核裂变,核聚变没有放射性、对环境无害,反应所需的原料氘、氚储量丰富,是目前认识到的、可最终解决全球能源问题的重要途径。一旦掌握了核聚变,就相当于拥有了“人造太阳”,提供可使用上百亿年的清洁能源。因此,如何利用和维持聚变反应,成为我国核能探索的下一个关键点。

  按照现有的技术路径,核聚变必须在高温高压环境中才能进行,即“热核聚变”。核聚变的首要条件是使燃料处于物质第四态,即等离子体态。当等离子体温度达到几千万摄氏度甚至数亿摄氏度时,原子核就能克服斥力进行聚合反应。再加上足够的密度和热能约束时间,核聚变反应才可以稳定地持续进行。原料(氢的同位素氘和氚)、温度和等离子体稳定长时间的约束控制,三者缺一不可。

  目前,可能实现聚变的方法有两种——惯性约束核聚变和磁约束核聚变。惯性约束聚变是通过激光产生巨大压强,核燃料在极短时间内体积变小、密度变大,从而让原子核发生聚变、释放能量。磁约束核聚变则是利用磁场,约束温度极高的等离子体,使其发生聚变反应。 

  2021年5月28日,中科院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变实验装置(中文名为东方超环,简称EAST)成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。未来,东方超环若能较长时间维持1亿摄氏度的高温、实现接近1000秒的放电时间,将是人类迈向核聚变商业化应用的一大步。

  此外,东方超环还是国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一。依托这一项目,我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目国际热核聚变实验堆计划(简称“ITER”)。作为聚变能实验堆,ITER将把上亿摄氏度高温等离子体约束在837立方米的磁笼中,产生50万千瓦聚变功率,持续时间达500秒,这相当于一个小型热电站的水平。

  目前,ITER已进入组装环节,计划通过4.5年完成安装,到2025年末实现首次等离子体放电,探索核聚变商业化应用。我国承担了ITER10%左右的采购包,其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。

  无论是从技术突破还是从学科发展来看,核聚变研究都将是寻求未来能源的密钥。实现核聚变商业化的征途漫漫,我国前行的脚步也越发坚决。

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  “核侦探”,助力癌症治疗

  在核产业链上,还有一个潜力巨大的民用市场——核医学。

  核医学是精准医疗的重要基石,在疾病诊断、治疗和医学药物研究等领域有着广泛应用。放射性药物则是核医学的核心和灵魂,在分子诊断和精准医学方面具有独特优势,在医学发展中发挥不可替代的作用。

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  2017年8月24日,日本名古屋,人们参观中国的医疗设备“联影96环PET-CT”。图|新华社

  目前,放射性医学应用主要用于治疗癌症的定量靶向。“查癌神器”肿瘤全身断层显像(PET-CT)就是其代表。引发低龄骨软化等疑难杂症的体内肿瘤小而隐秘,可能长在全身任何部位的骨头或软组织里,核磁、CT、普通X线和超声都找不到,要精确定位极其困难。对于这类无法确定病灶的肿瘤疾病,就可以采用加标的PET-CT,即搭载核素标记的葡萄糖来确定其具体位置。

  核素是放射性同位素的简称,指可以产生α、β 或 γ 放射线的金属或非金属元素。通过口服或注射,搭载核素标记的葡萄糖会到达病人脏器的各个部位。肿瘤细胞代谢异常旺盛,会拼命地吸收葡萄糖。核素作为标记,就能迅速准确地找到病灶,充当“肿瘤侦探”的角色。只需要微小剂量的核素,就能评估和筛查癌细胞,诊断准确性超过85%。

  PET-CT一次显像可获得全身各方位的断层图像,同时反映病灶的病理生理变化和形态结构,因此常用于恶性肿瘤分期及治疗后复发/转移的检测、原发灶不明转移性肿瘤原发灶的寻找、指导放疗计划靶区的设定等。

  不仅是疑难杂症,甲亢、甲状腺瘤这种常见疾病也可以利用核素治疗。碘131核素发射出的β射线可以有效清除病灶,已是国际上公认的最佳治疗方法。

  在核医学的带动下,国内最先进的放射性药物生产基地已在北京建成,为中核建成的8个核药配送中心提供放射性药物生产,核药物制备和配送服务将覆盖全国70%以上的地区。经过不断发展,保守估计目前国内核医药产值已超20亿。

  2019年11月,中国国内最大核医学诊断及放射治疗供应商中国同辐宣布。与德国生物技术及放射性药物集团ITM签署技术许可协议,将在中国生产68Ge-68Ga发生器和无载体Lu-177,并加入其全球供应网络。

  [注:Ga-68和无载体Lu-177是全球目前最具前景和市场活力的靶向放射性诊疗一体化核素,可用于制备具有肿瘤靶向功能的诊断和治疗用放射性药物。]

  这意味着,上述产品将在中国实现规模生产,将进一步降低成本,加快临床推广应用,为中国市场提供更好、更及时的新型放射性核素医疗技术,促进中国核医学和放射性药物产业的健康发展。

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  中国离“铀自由”还有多远?

  当前,全球铀资源产出和消费两端极不平衡,这给中国铀资源安全带来新的挑战。

  在产出方面,世界铀资源分布不平衡,贫富差距很大。全球超2/3的铀矿来自哈萨克斯坦、加拿大和澳大利亚。

  作为世界上最大的内陆国,哈萨克斯坦拥有丰富的矿产资源,现已发现超55个铀矿,且水文地质条件优越,主要是低成本可地浸砂岩型铀资源,总储量约占全球的19%。哈萨克斯坦铀资源主要用于出口,2016年,其铀矿供应占全球供应总量的39%,为世界最大份额。

  在消费层面,美国是全球第一大核电装机国,也是全球第一大铀资源消费国,美国自身铀资源储量充足,是发现铀矿床最多的国家,各种类型的铀矿床达432个。但因其境内铀矿开发规定严格、不少矿床长期禁采,加之核电发展规模大,美国用铀仍要依靠国际资源市场。

  此外,法国、俄罗斯、中国、韩国、日本等国核电发达,铀需求量也比较大。据统计,2011年,铀需求量排序前10个国家的核电装机容量合计为312169兆瓦,占世界核电装机容量的84.28%,铀需求量合计为51615吨,占世界总需求量的82.51%。

  国际原子能机构和世界核协会预测,到2050年,全球核电产能将在目前基础上增长23%。据估计,如果不考虑二次铀供应和战略铀储备,世界平均铀资源供需缺口达5501吨,供需缺口超出1000吨的国家有9个。

  与铀资源丰富的国家相比,我国铀矿单个矿床规模小、分散,矿石品位贫,同样面临着国内产能有限、对外依存度高的问题——铀年需求量将超万吨,年产量仅千吨。

  2020年,我国碳达峰、碳中和目标确定,核电迎来新一轮发展机遇。《我国核电发展规划研究》预计,到2030年、2035年,我国核电发展规模将达到1.31太瓦时、1.69太瓦时,发电量占比将达10.0%、13.5%。这意味,我国天然铀需求还将大大增加。

  不过,我国铀矿数量多、类型多,相对集中在几个铀矿田或矿集区中。若在深挖现有铀矿山的产出潜力的同时探寻到更多的铀矿山,开源节流,就有可能打破铀资源瓶颈。

  除了前文提到的开采技术进步、资源利用效率提升,近些年来,我国在海外铀资源勘探开发已取得进展,助力铀资源供应稳定。

  [注:我国天然铀保障体系由国内生产、海外开发、国际铀贸易三渠道组成。其中,海外勘探开发既可减少国际铀市场价格风险,又能确保国内铀缺口及时供应。]

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  2019年7月25日,行驶在纳米比亚罗辛铀矿内的矿车。图|新华社

  2014年,中广核集团股权收购的非洲纳米比亚湖山铀矿项目正式开工。这是中国在非洲最大的单体投资项目,企业产值占纳米比亚国内生产总值的5%。湖山铀矿铀含量为万分之五,每年采矿一亿到一亿两千万吨、产出6500吨八氧化三铀;整个矿区已探明铀储量达29.3万吨,可满足20万台百万千瓦级核电机组40年天然铀需求,极大缓解我国铀资源紧张。

  与此同时,我们还将目光抛向大海,发展海水提铀技术。海水中赋存了约40亿吨铀,是陆地储量的近1000倍,可供1000台百万千瓦核电机组使用10万年,提铀过程对环境非常友好,开发潜力巨大。海水提铀工程化或将为缓解铀困境提供新途径。

  但海水提铀实际海试操作难、技术要求高、成本大,30万吨海水只含有1公斤的铀,要提取并非易事。国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院绿色化学工程技术研究与发展中心姜标研究团队长期致力于研究海水提铀关键技术——吸附材料。

  2018年,姜标团队同福建某地政府合作,首次在东海海域开展小规模海水提铀海试示范,在一个月内成功获得近20克天然铀。2019年11月,团队建设了纳米膜公斤级海水提铀海试试验平台,及配套改性和洗脱平台,完成10余吨提铀膜组件及平台的装配和加固改造。同时,建立完整的铀吸附/洗脱/活化技术体系,并进行了技术经济性评估。此后,团队在该海试平台上完成了100余支膜组件的海试投放和循环吸脱附试验,目前正联合中核集团旗下核电运行研究(上海)有限公司完善海洋工程实施技术。

  根据中国海水提铀战略路线,2021-2025年,我国将实现海水中提取公斤级铀产品能力;2026-2035年,建成海水提铀吨级示范工程;2036-2050年,实现海水中提取铀产品连续生产能力。

  如今,海水提铀已经迈出了从“实验室”走向“海洋”的重要一步,为工程化应用提供重要技术支持。

  “铀自由”,或许不再是遥远的幻想。

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