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三十年,中国铀业“地浸之剑”从淬炼到起舞

2023-08-15 来源:《中国核工业报》2023年第32期
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地下数百米深处,头顶的矿灯闪烁着幽蓝,耳边不时传来轰隆的机车声,厚厚的口罩似乎挡不住空气中的土腥味,冒顶、涌水、突水事故时有发生,看着眼前这一切,我国原地浸出采铀技术创始人王西文突发奇想:疏松富水型铀矿能否不挖矿,就在地表施工钻孔,从一个孔加入含有化学试剂的水溶液,溶解矿石中的铀后从另一个孔提上来,通过抽注拿到宝贵的战略铀资源,而且矿石还待在原来的地方,地表植被没有破坏,既安全又环保,可谓一举多得。
说干就干,于是一支由苏学斌、阙为民、姚益轩、谭亚辉等为骨干的地浸采铀技术攻关团队组建起来,开启了我国原地浸出采铀(简称地浸采铀)的光辉历程。
原地浸出采铀创新团队
天然铀是保障国家安全的重要战略资源和能源矿产。30多年来,地浸团队先后在王西文、苏学斌等人的带领下,由十余人发展到近百人。他们一路筚路蓝缕,一茬接着一茬,不断探寻创新,从滇越古道到天山大漠,从松辽草原到二连戈壁,引领了我国铀矿冶技术的跨越发展,推动天然铀产业的重大转型升级。
截至当前,地浸采铀产量已占全国天然铀总产量90%以上,经济效益和社会效益显著,为落实习近平总书记关于天然铀批示精神、保障国家战略需求做出了突出贡献。
淬火·滇越古道
铀广泛存在于地壳中。把矿石从地下挖出来,运到地表,然后采取物理-化学手段从中提取铀,这种常规方法保障了我国“两弹一艇”的原料供应,但是开采成本高、安全本质度低,还会产生一定的放射性废气、废水和废渣破坏地表生态。地浸采铀技术则是通过钻孔将浸出剂注入地下矿层,使其沿着矿石孔隙渗透,溶解出矿石中的铀,形成含铀溶液后提升至地表,浓缩加工得到铀的初级产品“黄饼”。这种方法安全高效,颠覆了传统的采矿工艺,但是技术难度大。
难点之一是浸出剂能否与矿石有效接触?地层深处的铀矿物看不见,摸不着,就像百万军中取上将军首级,需要准确判断“上将军”在哪里,胯下有赤兔马能直奔“上将军”大帐。现任中国铀业股份有限公司总工程师、地浸采铀创新团队主要负责人苏学斌一语道破问题关键:“解决该问题的突破点应立足于钻孔。”是啊,钻孔这个通道蕴含多种信息,肩负着构建溶浸液和矿层通道的重要使命,就是地浸的“赤兔马”。矿层深埋在数百米的地下,自身只有几米甚至不足一米,换言之,几百米的钻孔需要“通”的是矿层所在的几米,其余部分是不能“通”的。地浸工艺钻孔结构和钻成井工艺,都要从零开始,这耗费了地浸采铀创新团队大量心血。
难点之二是浸出剂如何高效溶解铀?要从数千吨矿石里把一吨铀提取出来,浸出剂就是关公的青龙偃月刀。青龙偃月刀需要千锤百炼,浸出剂的选择和科学配方亦如此。云南腾冲,汉时属乘象国“滇越”,现在是旅游热线,30年前却是遥远的边陲之地,阙为民、姚益轩、苏学斌、刘乃忠、李建华等一批骨干大学刚毕业就奔赴云南腾冲381试验现场,苏学斌后任381试验队队长,几度寒暑,与寂寞为伴,与试验基地为家,一遍一遍筛选浸出剂,潜心打磨那把青龙偃月刀。
难点之三是溶浸范围如何有效控制?即含铀溶液沿着指定的路线走,应收尽收。否则,哪怕一克铀的流失,不光影响资源回收率,还可能对地下水环境造成不利影响。地浸采铀创新团队自此主攻钻研溶质运移和地下水流向控制30载,驯服了地下水,使地下溶浸范围控制在距采区边界100米以内,优于国际(小于150米)标准,实现了地浸采铀绿色发展。
西南边陲,地域虽小却铸就了地浸之剑。地浸采铀创新团队构建了以可地浸铀资源评价、钻孔结构与施工工艺、浸出剂的选择与使用、地下水模拟与控制等为核心的地浸采铀技术体系,成功实现了我国地浸采铀技术零的突破,并获得原核工业部科技进步一等奖。苏学斌、阙为民等一大批地浸人也在此完成了自身的淬炼。
仗剑·天山大漠
新疆,地域辽阔。从上世纪60年代初,核工业人就一直用脚步丈量着天山南北的山山水水,探寻宝贵的铀资源。在伊犁盆地,发现了大量的铀矿化点,但是品位太低,按照过去的勘查技术规范,这些含铀的砂岩只是含放射性的砂粒,够不上“铀矿”的标准,不但没有任何开发价值,而且还存在潜在的环境污染。
上世纪90年代,地浸人踏上了新疆这块神奇的土地,此时的苏学斌已成为我国地浸采铀创新团队的中坚。针对复杂不均质的地质和水文地质环境,地浸人创建了多组分多场耦合的稳定场模型,丰富和发展了砂岩铀矿浸出理论。疏干铀矿床,即矿床抽不出水或水量太少。团队成员开发了渗流场人工再造技术,实现水文地质条件的再造,铀矿浸出率达86%以上。还有一些矿床,铀矿体在垂向分为多层,类似于三明治。为此,团队研发了分层分液控制系统,实现了多层矿体协同开采,资源利用率达到国际先进水平。
宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。原地浸出采铀技术在新疆得到了规模化工业应用,撑起了中国铀矿冶的半壁江山。地浸采铀技术的突破,使砂岩铀矿的边界品位从0.03%降至0.01%,使原来无用的“砂粒”变成了宝贵的“铀矿”。因此,新疆、内蒙等地区砂岩铀矿一跃成为具有经济价值的优质铀资源,新增可利用砂岩型铀资源数十万吨。此举,实现了砂岩铀矿从低品质资源到高价值储量、从储量到产量的重大跨越,为我国核电发展奠定了充实的铀资源保障。在创新团队的支持下,新疆伊犁盆地512矿床建成了我国首个酸法地浸采铀矿山,相应的技术成果获得国家科技进步二等奖。
起舞·松辽草原
浸出剂,原来的主要组分之一是硫酸,腐蚀性强,选择性差,特别是开发高碳酸盐、高矿化度等复杂矿物组成砂岩铀资源,极易产生化学沉淀堵塞矿层。青龙偃月刀1.0版既取上将军首级,也斩无名小卒。苏学斌带领团队开展了技术攻关,经过无数次失败—试验—再失败,最终研发出一种新的浸出剂。二氧化碳(CO2)+(O2)氧气,人们生活中接触最多的两种气体,对铀的选择性好,变成了只取上将军首级的利器。这种溶有CO2+O2的水溶液,绿色安全环保,对环境影响小,极大提高了地浸采铀的本质安全度,成功盘活了国际专家论证无法利用的“呆矿”资源,还使温室气体得到了资源化利用。
苏学斌回忆道:“当时一块暴露在空气中数月的矿芯,没加酸碱,只和空气接触,经水浸泡后竟然有20~30%的浸出率。”他还算了一笔账,采用酸法地浸技术,每吨天然铀金属产品耗酸100~400吨,仅浸出试剂成本高达十几万元。采用CO2+O2地浸技术,浸出试剂成本仅2~3万元,大大降低了生产成本。
携2.0版青龙偃月刀,地浸采铀创新团队移师松辽。位于松辽草原腹地的科尔沁,是我国优质奶牛——西门塔尔牛的繁育基地。“天苍苍,野茫茫,风吹草低现牛羊”,曾是对科尔沁草原的真实写照。没有露天矿山的巨大采坑的重型运输汽车,也看不到井下矿山的竖井和天轮。如果不是四个白色储气罐上“中国铀业”的标志,很难想象这是一座铀矿山。玉米地里,隔二三十米,一根约手腕粗细的软管通过钻孔把溶有CO2+O2的水溶液注入地下,只在地上露出尺许的弧度。就是这些玉米地里若隐若现的、或白色或黑色软管,连通地上和地下,把铀从数百米地下提取出来,进而成为核电发展的宝贵原料。
CO2+O2地浸采铀,把温室气体CO2注入地下,封存CO2的同时提取了铀,这项国际最先进的铀提取技术,获得了国家科技进步二等奖,也吸引了国际原子能机构和众多铀资源大国的目光,国际同行纷至沓来。苏学斌团队先后承办地浸采铀国际学术会议多次,培训30多个国家和专业机构技术人员200多人次。
以CO2+O2地浸采铀技术为主,我国首个千吨级铀矿大基地——新疆伊犁铀矿大基地建成投产,接连荣获自然资源部“矿产资源综合利用示范基地”和“绿色矿山”称号。而通辽千吨级铀矿大基地的建成,树立了我国铀矿冶新标杆。
沉淀·鄂尔多斯“新铀都”
鄂尔多斯,我国煤炭储量较多的地方之一,其自然地理环境的显著特点是起伏不平,西北高东南低,地形复杂,东北西三面被黄河环绕,南与黄土高原相连。地貌类型多样,有芳草如茵的草原和开阔坦荡的波状高原,核工业人在此发现了超大型铀矿床。“铀”和“煤”两种国家重要战略资源,如何实现叠置条件下的高效开发是苏学斌团队面临的新问题。
针对铀煤叠置资源,苏学斌带领地浸采铀创新团队潜心钻研,揭示了铀煤同采多相多场耦合机理,明确了铀煤分区错时开采工艺,建立了水力帷幕施工工艺,突破了单体千吨级铀矿山快建、快采、快退关键技术。该矿山的建成,将成为国内单体生产能力最大的铀矿山,保障了“强核基石”的战略地位,并赋予了鄂尔多斯“新铀都”的称号。
矢志不渝守初心,薪火赓续育人才。在开展科技攻关的同时,苏学斌等人不断为地浸采铀创新团队注入“新鲜血液”,补充“新生力量”,原渊、杜志明、陈梅芳、李召坤、赵利信、王亚安等一批“八零、九零后”的青年骨干已逐渐从前辈手中接过了接力棒,他们“心中有火、眼里有光”,扛起了我国地浸采铀技术创新发展的大旗,为国家天然铀保障贡献了青年的责任与担当。
凡是过往,皆为序章。我国原地浸出采铀创新团队从基础研究、关键技术攻关、工程设计与应用协同,到产学研用强强联合,铸就了“求实 创新 开放进取”的团队精神,实现了我国地浸采铀技术从“0到1”的突破。他们先后获国家科技进步二等奖2项,国防科技进步特等奖1项、一等奖2项,中国工业大奖提名奖1项、国家优秀工程设计银奖1项,其他省部级等科技奖项30余项,授权发明专利80余项、出版专著10部、发表论文近300篇。

主办:中华人民共和国生态环境部

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