地球科学面临的十大挑战之四

这是法国地质调查。总局（BRGM）最新出版的《地球科学面临的十大挑战》中的第四大挑战，即铀矿资源。铀在未来能源供应中居于重要地位。确保铀矿资源安全供应是地质学家面临的重大挑战之一。目前全球范围内共有440座核电站正在运行，铀年消费量是6.5万吨，其中铀矿矿山产量保证了65%的需求，剩余部分由库存提供，特别是军用储备。预计至2020年代铀的需求量将达8万吨/年，这相当于目前铀矿山产量的两倍。这种资源形势表明，需要实行积极的勘探政策，同时，必须在铀采矿、选矿及回收技术方面加强研究和创新。

一、全球能源格局中的核能

从20世纪60年代，最早的民用反应堆逐步投入使用，中间经历了大发展时期,停滞时期和平稳发展时期，到进入21世纪,除澳大利亚之外的各大洲内，共有440座核反应堆正在30个国家运营，铀年消费量是6.5万吨，发电量占全球总发电量的16%。其中法国总发电量中78%来自核电，平均约每100万居民拥有一个核反应堆。

核能再次成为能源政策讨论的中心问题, 是在国际社会就核能一系列因素达成一致意见后出现的。这些意见包括无温室气体排放、核工业在应用安全性方面获得了杰出的经验，生产率和核反应堆功率都在持续提高，通过再循环技术进行核能循环的闭环作业等。

当前争论的首要问题是确定全球范围内的“能源结构”。对能源价格长期施压的因素有：影响油气主产区的冲突和政治问题（中东和俄罗斯）；中国能源消费量的快速增长以及印度能源消费量增长预期。二氧化碳产生的温室效应以及化石燃料使用产生的其它物质（油膜、灰分和硫分、城市雾霾）产生了深远影响，并将改变未来能源结构。因此，对电力和能源的巨大需求，新兴经济体的强劲增长以及对温室气体排放总量的限制，都支持核能将在能源结构中占更大比重这一判断。根据经济合作与开发组织（OECD）核能署的资料（OECD，2008），全球范围内核能发电在能源结构中的比重将在2050年达到22%，核反应堆将达到1400座。

二、世界铀矿产量

目前全球铀矿矿山产量仅能满足需求量的65%，近20多年来的需求量缺口一直依靠20世纪70年代（当时核反应堆刚刚投入使用）积累的库存来补充，也来自军用储备的转化（美国/前苏联“从百万吨至百万千瓦”项目）。在下一个十年初，这些库存将不能再供应市场，届时将不得不增加开采量以补充库存以及核能发电机组所需燃料的迅猛增长（2008年7月有219座正在建设、规划或正在设计的新反应堆）。预计21世纪20年代的需求量将达8万吨铀/年（图1），是目前矿山产量的近两倍（2007年铀产量是4.2万吨/年）。

图1 2006～2030年间预测的铀产量（单位：吨/年） 数据源自：世界核协会，2007

图2 世界铀矿产量分布（数据源自经合组织核能署，2008）

2007年，加拿大卡梅克公司和阿海珐集团在阿萨巴斯卡盆地内富铀矿床（U3O8品位为1%～30%）开采保证了铀产量，该矿床产量占世界铀矿产量的25%，达1万吨/年（图2）。加拿大未来十年内将投入开发的新矿床包括：阿萨巴斯卡盆地内的Cigar Lake、Millenium矿床（卡梅克公司）和中西矿床（阿海珐集团），以及努纳武特地区的基加维克矿床（阿海珐集团）。

其他地区开采的铀矿品位低（

图3 加拿大和澳大利亚主要类别的铀矿床及其类型、品位（y轴）和吨位（x轴）

四、勘探和研发问题

从目前至2020年全球铀矿产量必须翻倍的预测，证实了实施积极性的勘探策略的合理性。遵循目前已成为标准的模式正在实施多层次勘探政策。关于铀矿显示和矿床的历史信息，最初在目标地质区或国家尺度上进行整合，然后将这些信息叠加各国地质调查局形成的地理信息系统（GIS）格式的地质和地球物理数据。因此，需要将大部分的历史地质资料开展地质信息数字化、协调化和标准化工作，这对地质学家的经验和知识提出了特别要求。第一阶段工作中形成的不同矿床模式的勘探指南，来自于各个公司的技术专长，取决于各项参数的综合（例如潜在围岩岩性、不同尺度的构造和不连续性、成矿时间间隔、地球物理异常特别是放射性测量异常等）。由于勘探的必要条件是获得探矿权，而探矿权获取程序非常复杂，因此在这一阶段还需考虑经济、政治、社会和环境因素。

然后对选取的区域进行野外作业，验证所确定的勘探指南，并在战略勘探阶段圈定找矿目标靶区。在这一阶段，经常需要系统化的地球物理勘探。高分辨率航空测量（分辨率与飞行线间隔成反比，在飞行高度是80米时，200米间隔可获得50米的网格）得出放射性测量覆盖区，可直接用于确定“铀当量”异常。而其他类型的勘探如磁测、电磁测量和重力测量，则特别适合于作为成矿指示的构造和岩性组合。表生建造中圈闭的成矿作用，常采用地面电法测量。所有这些技术的重点是分辨率，也取决于多源数据（二维和三维建模、反演等）的集中处理。在区域尺度上，加拿大不整合型铀矿床和澳大利亚奥林匹克坝铀-金矿床的发现，均清晰地表明，将地质和地球物理方法相结合适用于获取地下信息以及勘探沉积覆盖层或表生覆盖层（灰质或硅质地壳、红土、沙漠砂或冰川）之下的不可见且隐伏的矿床。这一勘探阶段的主要挑战已不再是发现新的大矿床。

     矿床尺度上的勘探则面临另外一些科学和技术挑战。如 “低品位”矿床勘探则需要开发新的地球物理探测工具；考虑到同位素系统可能的不平衡，特别是最近研究的表生/表成矿床，由于铀在蚀变阶段溶解后可能发生再沉积，因此需要开发新的方法；难加工矿石的处理工艺取得突破等。

报告中还介绍了一些具体的研发工作。如南锡大学G2R实验室的铀矿成矿作用方面的研发活动。与任何其他资源不完全相同，国际上对铀成矿领域的科学研究历程与勘探预算和铀市场价格紧密相关。在法国，铀成矿作用的主要研究工作由南锡大学矿产与能源相关原材料地质研究中心（CREGU）负责。目前虽然研究在很大程度上仍依赖于野外研究、矿物相和伴生流体的岩相研究以及三维建模方法的开发，但对矿物相和流体包裹体内稀有元素、稳定和放射性同位素的点分析技术得出了最具创新性的成果。

在未来几年，需要开展新的研究，解决如下问题：了解与最近的硅质碎屑地层有关的铀矿床，可以采用原地浸出方法（ISL）开采的铀矿床，与表成钙结层建造相关的铀矿床之成因、分布和物理-矿物学特征，这些问题是铀矿行业面临的最新挑战。

核电燃料循环的后端工艺也是需要予以关注的问题。包括管理定期从核反应堆中卸出的耗尽核燃料棒以及这些核电站（370Gwe，439座核反应堆，260TWhe/年）作业过程中产生的废弃物。

这些组件的处理取决于各国确定的能源政策。虽然各国情况不同导致管理措施不同，但都必须遵循一些通用的规则。

放射性核废料管理的目标是保护人类及其环境。严格来说，管理包括技术层面和机构层面上的执行方式。大体确定了两种类型的核废料：短期存在的核废料和长期存在的核废料。短寿命核废料不会带来实质性问题。目前仍在寻找管理长寿命中放至高放射性核废料的确定性方案。

报告中还介绍了第四代核反应堆的技术进展。主要是为了处理气候变化风险和能源供应安全方面的问题，需要实质性的技术突破以保证核工业长期发电、饮用水供应、燃料运输和工业用热。第四代反应堆国际论坛和欧洲可持续核能技术平台倡议等国际合作框架成立于2007年，目的是分担研究费用以及建立核工业企业财团，合作促进核反应堆原型建设。国际合作还有助于协调将投放国际市场的新核反应堆之安全性、可靠性和设计规则的国际标准。