本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），文字：伯玥

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。

1945 年 8 月

代号为“小男孩”的原子弹在广岛上空爆炸

广岛市马上沦为焦热的火海

（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

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）

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

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

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，咱们国家以前的起点很低，但为了国防和能源安全，也只能硬着头皮上。

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

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

今年 3 月下旬，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 ▼

哈萨克斯坦是世界上最大的铀生产国

仅 2022 年，这个国家就开采了大约 16000 吨铀

（哈萨克斯坦的 Inkai 铀矿 图：wiki）▼

当然，如果以后可控核聚变和钍基反应堆能大量用于发电，我们就可以摆脱对铀的依赖，但在这之前，铀的地位仍无可替代。

参考资料：

• 1.https://cn.gii.tw/publisher/cri/

• 2.国家核安全局 (mee.gov.cn)

• 3. Army Again Turns to Depleted Uranium for New Weaponry | WIRED

• 4.Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Station， Japan (power-technology.com)

• 5. Mapped: The world’s nuclear power plants – Carbon Brief

• 6. 李强，陈擎，王继斌，等.世界铀资源现状与我国核电发展资源保障的对策建议 [J].中国矿业，2023，32 (3):1-9.

• 7. Uranium 2022: Resources， Production and Demand

• 8.https://www.china-nea.cn/site/content/38474.html