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全球教科书或将改写——中国团队发现天然金属铀

2015-10-19 9:10:07点击:


  金属铀指处于金属状态的铀。引表面具有银白色金属光泽,熔点1130℃,100℃时的热导率为0.25W/(cm·℃)。 金属铀多用作石墨或重水型生产堆棒状燃料元件的燃料芯,用热中子吸收截面较小的铝、镁及其合金作包壳材料。 铀与锆、钼、铌等许多金属组成的合金,具有良好的机械性能、耐腐蚀和抗辐照性能。 金属铀的化学性质很活泼,能自燃。 氧化性的酸,如硝酸可快速溶解铀。 工业上金属铀系通过四氟化铀(UF4)的钙(镁)金属热还原法来制备的。


  南都讯由于在自然界中发现天然的金属铀,来自中国的科研团队将改写全球的化学教科书。此前,人们一直认为铀元素只能以化合物的状态存在,纯净的金属铀必须经人工提取。近日,中核集团核工业北京地质研究院以李子颖研究员为首的团队,向外界披露了关于金属铀的新发现。值得注意的是,首次检测出天然金属铀的矿石来自粤北。李子颖团队的研究文章,已在最新一期的地质学报(英文版)上发表。

▲李子颖团队野外照片——左三:李子颖,左四(前):唯一女性研究者李秀珍,右三:黄志章。



研究人员黄志章在展示切片。



  全球首次发现金属铀存在


  铀元素是重要的核能原料,1789年被科学家首次发现,主要有3种同位素,被广泛应用于核工业的是其中的铀-235。浓度约2%- 5%的铀-235为低浓缩铀,可用以发电。它的特点是化学性质非常活泼,极易氧化,所以在自然界中通常以化合物的状态存在。由于铀的不稳定性,自然界的铀矿石如果在暴露地表或是含氧较多的环境中,很容易氧化。这也是分析发现自然界中存在金属铀的难点之一。


  此前,人们从没有在自然界中发现过天然的金属铀。据科研团队首席科学家李子颖介绍,此次研究是以我国南方典型热液铀矿床中的沥青铀矿为研究对象,采用光电子能谱方法,分析了天然沥青铀矿中元素组成、价态及含量,并开展了与人工金属铀和氧化还原铀的对比分析工作,于自然界沥青铀矿中首次发现了零价态金属铀的存在。


  2011年已发现金属铀的存在


  团队成员黄志章介绍,其实早在2011年,科研人员就开始用光电子能谱方法对沥青铀矿石进行分析,并发现了金属铀的存在。但在当时,这一发现没有经过完全的验证。在之后的4年多时间里,研究团队采集分析了各地的铀矿石,并把探测结果与人工金属铀和氧化还原铀进行反复对比,确认无误后,才于近期将研究成果发表在《地质学报》(英文版)上。


  值得注意的是,最初检测出金属铀的沥青铀矿样品,采自我国著名的贵东330铀矿床和诸广302铀矿床。两矿床位于广东省北部,属于南部重要的热液型铀矿床。不过,黄志章也强调,他们在各地铀矿中都发现了天然金属铀的存在,不仅仅是在粤北。“只不过,粤北两处矿床属于我国开发较早、规模较大的花岗岩矿床,早期媒体报道时将其当做了典型。”


  初衷只为验证


  已有铀成矿理论


  事实上,研究团队的初衷,只是为了验证已有的铀成矿理论。据李子颖介绍,团队长期致力于铀成矿理论及深部探测研究,相关工作早在上世纪90年代就已经展开。其中,黄志章、李秀珍两位研究人员都已年近80岁,退休后至今还在坚持工作。铀成矿理论对探矿、采矿有着重要的指导作用。此前,国内对于热液成矿流体迁移的认识,主要来源于国外。该理论认为,含矿热水溶液从地球深部将六价铀化合物带至近地表,其中的铀元素在与氧接触后,被还原为四价化合物。


  而李子颖及其团队对此提出了质疑:按理说,越进入地球深部,氧元素越少,为什么铀元素会以六价化合物形态存在?他们认为,热液应该以低价铀的形式进行迁移富集,地球深部的铀元素应当以零价态存在。在这样的理论假设基础上,团队对铀矿石中的铀元素价态展开了研究,而结果证明了之前的猜想。李子颖表示,金属铀的发现,不仅为揭示热液型铀成矿作用机理提供了关键性依据,而且对研究铀的来源、地球热的形成和演化均具有重大意义。


  部分研究人员


  曾长期待在粤北矿床


  值得注意的是,整个研究团队的成员不超过10个。对此黄志章笑称,相关研究涉及理论机密,不能牵涉过多人员,“我们都是偷偷进行的”。这位1961年就开始从事铀成矿理论研究的老人,曾长期待在粤北矿床,积累了大量的取样经验。以至于研究院的后辈拿来粤北的铀矿石样本时,他一眼就能看出这块样本取自哪个区域。


  这样丰富的经验,在发现金属铀的过程中也起到了很大作用。“铀矿石的成分、颜色、纹路都有讲究。”黄志章介绍,开展研究的重要保障,是选择合适的铀矿石样本。为此,研究团队常常要下到矿井里。由于铀矿石多少具有放射性,取出样本之后,还要将其仔细包好才能带回北京研究,以防转运中出现泄漏污染。而在黄志章看来,发现金属铀,只是为现有的铀成矿理论提供了一个新的支点,在理论研究方面,中国的地质学界还需要进一步的创新。“地质上有很多理论都是值得怀疑的。”他表示,地球就像一个大烧杯,金属铀的发现只是其中一个很小的化学反应 ,在 烧杯内,还有许多事情需要去探索和验证。


  释疑


  1.含金属铀的矿石只在粤北有吗?


  从空间上看,我国的铀矿床分布在南、北两个大区,北方以伊犁地区和鄂尔多斯地区的砂岩型矿床为代表;南方则以广东、江西的花岗岩型矿床为典型。据了解,粤北有下庄、诸广两个铀矿大基地,目前有翁源铀矿、郴州铀矿等多个厂矿。


  虽然首次被检测出金属铀的矿石来自粤北,但李子颖特别指出,各地采集的铀矿石中都有金属铀被发现。考虑到研究的信度问题,经过反复的取样、检测、对比分析,研究团队才确认铀矿石中确实有金属铀存在。


  2 .铀矿会不会被人盗挖?


  如第一个问题所说,从铀矿石到核燃料需要经过复杂的工艺流程,铀矿石的开采也是如此。据了解,铀矿可能在山上、地表,也可能在地下。目前中国最深的铀矿钻探已达到2800多米,而矿井深度也可深达500米。受地热影响,矿井内温度会随着深度而升高,外国甚至有这样的案例,下井时须携带冰块降温。


  即使是地表的铀矿石,没有专业的技术和工具,也难以进行大规模开采。此外,铀矿石也有不同的成色,需要开采者具备足够的经验去判断。最关键的是,铀矿床属于国家财产,受到严格管控,非工作人员禁止出入。想要盗挖,没那么容易。


  3 .以后可否大规模工用?


  需要注意的是,发现金属铀并不意味着能直接对其大规模工用。将铀转化为核燃料,仍然需要对铀矿石中的铀-235同位素进行提取和浓缩。也就是说,天然金属铀并不能取代现有的人工合成铀。相比之下,研究成果对铀矿理论的影响更为显著。据了解,金属铀的发现,不仅为揭示热液型铀成矿作用机理提供了关键性依据,而且具有重要实际价值,对研究铀的来源、地球热的形成和演化以及寻找深部富大铀矿等均具有重大意义。


  李子颖及其团队长期致力于铀成矿理论及深部探测研究。他表示,此次突破说明深部找矿具有较大的前景。近年来我国热液铀的找矿重点已经由表层转移到第二空间,即500-1500米,“将来可能发展到1500米-3000米的第三空间”。不过他也指出,深部空间的铀资源开发还需要考虑经济成本因素。



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