第二章溶浸采鈾的物理化學(xué)基本原理

1、第二章第二章 溶浸采鈾的物理化學(xué)基本原理溶浸采鈾的物理化學(xué)基本原理1 鈾的應(yīng)用鈾的應(yīng)用核能（原子能）核能（原子能） 1.1 核衰變核衰變 1.2 核裂變、原子彈、核電站核裂變、原子彈、核電站 1.3 核聚變和氫彈核聚變和氫彈2 溶浸采鈾工藝溶浸采鈾工藝 2.1 工藝流程工藝流程 2.2 鈾的特性鈾的特性 2.3鈾的浸出鈾的浸出 1 1 鈾的應(yīng)用鈾的應(yīng)用核能（原子能）核能（原子能） 原子由帶正電荷的原子核和核外帶負(fù)電荷的電子組成。普通化學(xué)原子由帶正電荷的原子核和核外帶負(fù)電荷的電子組成。普通化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)來源于外層電子重排時鍵能的變化，而原子核及內(nèi)層電反應(yīng)的熱效應(yīng)來源于外層電子重排時鍵能的變化，

2、而原子核及內(nèi)層電子并沒有變化。另外還有一類反應(yīng)的熱效應(yīng)卻來源于原子核的變化，子并沒有變化。另外還有一類反應(yīng)的熱效應(yīng)卻來源于原子核的變化，這類反應(yīng)叫這類反應(yīng)叫核反應(yīng)核反應(yīng)。 核反應(yīng)可分為核衰變、核裂變和核聚變?nèi)箢悺?g鈾(92235U)發(fā)生裂變時釋放能量為8X107kJ，相當(dāng)于2.7噸煤完全燃燒；1g氘(12H)發(fā)生聚變時釋放的能量是6X108 kJ，相當(dāng)于20噸煤完全燃燒。核反應(yīng)過程中由于原子核的變化，而伴隨著巨大的能量變化，所以核能也叫原子能。認(rèn)識核反應(yīng)和研究核能的利用就成為處理能源問題時必須考慮的一個方面。天然放射性輻射天然放射性輻射 裂裂 變變中子誘發(fā)中子誘發(fā)U-235U-235裂變形

3、成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裂變形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 1.1 1.1 核衰變核衰變 U，Po，Ra等元素的原子核不穩(wěn)定，能自發(fā)地放出輻射，而變成另一種原子核，這種過程叫核衰變。天然放射性元素鈾所放出的輻射，在電磁場作用下可以分為三個部分：輻射、輻射和輻射。 1896年法國科學(xué)家Becquerel H 發(fā)現(xiàn)了鈾鹽的天然放射性現(xiàn)象，他的同事Marie和Pierre Curie夫婦在1898年鈾礦中發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)，開創(chuàng)了天然放射性和放射化學(xué)研究的新領(lǐng)域。他們3人共同獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎。 為了表彰瑪麗發(fā)現(xiàn)釙和鐳，以及在鐳的應(yīng)用方面所作出的貢獻(xiàn)，1911年瑞典科學(xué)院授予她諾貝爾化學(xué)獎。至此

4、，她已兩次獲此殊榮，可見瑪麗科學(xué)造詣之深，貢獻(xiàn)之大?，旣惏岩簧I(xiàn)給了科學(xué)事業(yè)，對榮譽(yù)和報酬卻看得十分淡漠。世界杰出的科學(xué)家愛因斯坦曾這樣贊譽(yù)瑪麗“在所有的名人中，居里夫人是少有的不為榮譽(yù)所傾倒的人?！?1.2 1.2 核裂變、原子彈、核電站核裂變、原子彈、核電站1）核裂變核裂變 1938年Hahn O和Strassman F 研究中子轟擊U235的產(chǎn)物時，想發(fā)現(xiàn)新元素的愿望雖未實現(xiàn)，但卻發(fā)現(xiàn)了另一類核反應(yīng)裂變。235U原子核受高能中子轟擊時，分裂為質(zhì)量相差不多的兩種核素，同時又產(chǎn)生幾個中子，還放大量的能量，裂變產(chǎn)物的組成很復(fù)雜。 核素是指質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同的一類原子。凡質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同

5、核素則互為同位素。 放射性核素壽命的長短，常用半衰期(t12)表示，即衰減一半所需的時間。不同的放射性核素半衰期差別很大 。 2）原子彈 連續(xù)核裂變釋放出巨大的核能，若人工控制使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在一定程度上連續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生的能量加熱水蒸氣，推動發(fā)電機(jī)，這是建設(shè)核電站的基本原理；若讓裂變釋放的能量不斷積聚，最后則可以在瞬間釀成巨大的爆炸，這是制造原子彈的原理。 原子彈前蘇聯(lián)第一顆原子彈前蘇聯(lián)第一顆原子彈 1945年8月6日，美國向日本廣島投下第1顆原子彈 原子彈原子彈 原子彈里的U應(yīng)含93 U235 (天然鈾礦石中U235僅占0.75%，其余絕大部分為U238)。一顆原子彈中有兩塊U235，每塊質(zhì)量都不太

6、大，連續(xù)裂變時所釋放的能量不足以引起爆炸，但當(dāng)兩塊鈾合在一起時，便能在瞬間發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。所以在原子彈之中還用一個普通的小炸彈作為引爆裝置，它的爆炸使兩塊鈾擠壓在一起發(fā)生爆炸。 能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鈾塊的最小體積叫臨界體積，其質(zhì)量叫臨界質(zhì)量。臨界質(zhì)量與鈾塊的形狀和純度等多種因素有關(guān)。3 3）核電站）核電站 核電站的中心是核燃料和控制棒組成的反應(yīng)堆，其關(guān)鍵設(shè)計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)、鎘(Cd)、鉿(Hf)等是合適的材料。利用它們吸收中子的特性控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的程度，U235裂變時所釋放的能量可將循環(huán)水加熱至300，高溫水蒸氣推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。核反應(yīng)堆核反應(yīng)

7、堆核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)圖核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)圖 核電是一種清潔的能源，它沒有廢氣和煤灰，建設(shè)投資雖高，但運(yùn)行時就沒有運(yùn)送煤炭、石油這樣繁重的運(yùn)輸工作，因此還是經(jīng)濟(jì)的。所以發(fā)展核電是解決當(dāng)前電力缺口的一種重要選擇。 據(jù)最新消息報道，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺日趨嚴(yán)重，核電已列入我國的發(fā)展規(guī)劃，計劃到2010年我國核電占到總發(fā)電量的4%，而目前僅為1%。但有兩個問題總是令人擔(dān)憂，一是保證安全運(yùn)行，二是核廢料的處理。核電站事故核電站事故 國際上曾發(fā)生過兩次重大的核電事故。1979年3月28日美國賓夕法尼亞州三里島核電站，因反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)失靈，使堆心部分過熱，致使部分放射性物質(zhì)逸人大氣。但事故得到及時處理，沒有引起

8、爆炸，對人傷害不很嚴(yán)重，只是核電站受到一定程度的破壞。 1986年4月26日在前蘇聯(lián)烏克蘭基輔市北部的切爾諾貝利核電站，因人為差錯和違章操作發(fā)生猛烈爆炸，反應(yīng)堆內(nèi)放射性物質(zhì)大量外泄，造成大面積的環(huán)境污染，人畜傷亡慘重。放射性傷害，輕者有白血球減少、惡心、嘔吐、脫發(fā)等癥狀，重者則有出血、潰瘍、遺傳失常、癌癥等。 切爾諾貝利核電站 切爾諾貝利核電站當(dāng)時的泄漏事故切爾諾貝利核電站當(dāng)時的泄漏事故 中國的核電中國的核電 我國自1982起決定要穩(wěn)妥而積極地發(fā)展核電，笫一座自行設(shè)計的30萬千瓦核電站，建在浙江省海鹽縣秦山腳下，地質(zhì)構(gòu)造良好，靠山臨海。1995年7月正式通過國家驗收。第二期工程兩臺60萬千瓦機(jī)

9、組將動工，第三期工程亦在計劃中。此外在廣東大亞灣引進(jìn)兩臺90萬千瓦的核電站已經(jīng)建成，嶺澳核電站已經(jīng)通過驗收，遼寧建新核電站也已開始籌建。到2000年我國有200多萬千瓦的核電能力。 到2020年，我國將新建20座左右的核電站，使我國的核電占總發(fā)電量的比例達(dá)到10%左右。 核廢料處理 核電站廢料的處理是非常棘手的事情。U235裂變產(chǎn)生的碎核都具有放射性。反應(yīng)堆工作一定時間后，必需更換新燃料，卸下的放射性廢料就存在著如何處理、運(yùn)輸、掩埋的問題。早期曾將廢料直接埋入地下，但即使掩埋較深，久而久之地下水總會使這些放射性物質(zhì)擴(kuò)散。后來又將廢料裝在金屬桶里，外面加一層混凝土或瀝青，棄于海底，在大西洋北部和

10、太平洋北部都有這些廢料的“墓地”。 經(jīng)多次國際會議商討，現(xiàn)在認(rèn)為對用過的核燃料中還有未燃盡的鈾，應(yīng)盡量回收，這樣既可提高資源的利用率又減少廢料的放射性。廢料中還有些有使用價值的放射性物質(zhì)和非放射性物質(zhì)，也應(yīng)提取分離，這些過程統(tǒng)稱為“后處理”。其他放射性廢料應(yīng)裝入特制容器，它具有防震、防腐、防泄漏等特性。然后將容器深埋在荒無人煙的巖石層里，使它長期與生物界隔離，其放射性禁錮于容器內(nèi)而不擴(kuò)散核污染。隨著核電的發(fā)展，核廢料的處理是必須認(rèn)真對待的重要問題。在反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中和核燃料的后處理過程中有許多化學(xué)問題值得深入研究。1.3 1.3 核聚變和氫彈核聚變和氫彈 由2個或多個輕原子核聚合成一個較重的

11、原子核的過程叫核聚變。每克氘聚變時所釋放的能量為5.8X108kJ，大于每克U235裂變時所釋放的能量(8.2X107kJ)。核聚變有幾個方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒有放射性污染產(chǎn)生，沒有難于處理的廢料；其二，聚變原料氘的資源比較豐富，在海水中氘和氫之比為1.5X10-4： 1，地球上海水總量約為1018噸，其中蘊(yùn)藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。遺憾的是這個聚變反應(yīng)需要非常高的溫度，以克服兩個帶正電的氘核之間的巨大排斥力(從理論計算，要克服這種庫侖斥力需要109的高溫)。 氫彈的制造原理，就是利用一個小的原子彈作為引爆裝置，產(chǎn)生瞬間高溫引發(fā)上述聚變反應(yīng)發(fā)生強(qiáng)烈爆炸。太

12、陽輻射出來的巨大能量就來源于這類核聚變，但我們目前尚沒有辦法在地球上利用這類核聚變發(fā)電。怎樣能取得這樣高的溫度?用什么材料制造反應(yīng)器?怎樣控制聚變過程等各種問題尚無答案。美國的第一顆氫彈 氫彈結(jié)構(gòu)圖氫彈結(jié)構(gòu)圖 核科學(xué)家并未放棄核聚變的研究，另外一個反應(yīng)溫度低些的聚核科學(xué)家并未放棄核聚變的研究，另外一個反應(yīng)溫度低些的聚變反應(yīng)已引起人們的關(guān)注。它以氘和鋰變反應(yīng)已引起人們的關(guān)注。它以氘和鋰(Li)(Li)為原料，在特定的強(qiáng)磁為原料，在特定的強(qiáng)磁場中，可以發(fā)生聚變反應(yīng)。至于是否能利用核聚變的能量發(fā)電，目場中，可以發(fā)生聚變反應(yīng)。至于是否能利用核聚變的能量發(fā)電，目前還處于實驗室的初探階段。前還處于實驗室的

13、初探階段。 2 溶浸采鈾工藝溶浸采鈾工藝 1）工藝流程）工藝流程 溶浸采鈾溶浸采鈾(礦礦)過程包括浸出和回收。過程包括浸出和回收。 浸出過程就是靠加入某種溶浸液溶解礦物，使金屬離子穩(wěn)定在溶浸出過程就是靠加入某種溶浸液溶解礦物，使金屬離子穩(wěn)定在溶液中。其中的物理化學(xué)問題是很復(fù)雜的，主要是反應(yīng)平衡與反應(yīng)速液中。其中的物理化學(xué)問題是很復(fù)雜的，主要是反應(yīng)平衡與反應(yīng)速度問題，前者屬浸出過程的熱力學(xué)，后者屬浸出中的動力學(xué)。度問題，前者屬浸出過程的熱力學(xué)，后者屬浸出中的動力學(xué)。溶浸采鈾(礦)工藝流程2 2）鈾的特性）鈾的特性 鈾的化學(xué)活性高，是一種非?；顫姷脑?。它幾乎能與所有的非金屬作用，也能與許多酸、堿

14、、鹽起反應(yīng)。因此，鈾化合物化學(xué)的內(nèi)容非常豐富，已有許多專著。這里介紹的僅僅是與鈾堆浸工藝有關(guān)的一些鈾化合物化學(xué)的最基本的知識。 一般認(rèn)為鈾存在三價、四價、五價、六價四種價態(tài)。三價鈾呈紫紅色，非常不穩(wěn)定，極易氧化；五價鈾只有學(xué)術(shù)上的意義，因為它在水溶液中發(fā)生歧化反應(yīng)；常見的只有四價和六價鈾。四價鈾呈藍(lán)綠色，較穩(wěn)定，但也易氧化，只在還原性介質(zhì)中才能穩(wěn)定存在；六價鈾最穩(wěn)定，呈黃綠色，除非有還原劑存在，否則六價鈾能穩(wěn)定地存在于溶液、固相或氣相中。 在天然鈾礦物中，鈾多以四價形式存在，如瀝青鈾礦等。而在浸出及轉(zhuǎn)化工藝中，絕大部分工序又要利用六價鈾的特性，故四價和六價鈾對堆浸生產(chǎn)和研究有著重要價值。 鈾的

15、主要化合物有： 硫酸鈾酰UO2 (SO4)22-、 硫酸鈾酰UO2SO4、 碳酸鈾酰UO2（CO3）34- 重鈾酸鹽U2O72-。3 3）鈾的浸出）鈾的浸出電位、電位、pHpH 溶浸液欲與鈾氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它必須具備兩個條件：一是要具有一定的氧化還原電位，使低價鈾氧化成高價鈾；二是要具有一定的酸度(當(dāng)用酸法浸出時)，即溶液中反應(yīng)物和生成物的濃度是隨電極電位和酸度而變化的。 浸出過程浸出過程 外擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程溶浸液從溶液主體(相對于礦石顆粒表面的液膜而言)經(jīng)過液膜外面對流擴(kuò)散和通過液膜內(nèi)的分子擴(kuò)散抵達(dá)顆粒表面；（溶浸液從液體到固體顆粒表面。溶浸液從液體到固體顆粒表面。） 內(nèi)擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程溶浸液從顆粒的外表面通過顆粒的毛細(xì)孔和裂隙以分子擴(kuò)散到顆粒內(nèi)表面；（溶浸液從固