第1章 绪论
1.1 铀的性质、分布及毒性
1.1.1 铀的物理性质及分布情况
铀（uranium），元素符号为U，是天然放射性核素之一，在元素周期表中的序号为92，为IIIB 族的锕系元素。铀在常温下是延展性很好的银白色金属，其密度为（19.05±0.02）g/cm3，沸点为3818 ℃，熔点为1132 ℃。铀有234U、235U、238U 三种天然放射性同位素，自然界存在的铀是上述三种同位素的混合物，其相对丰度分别为0.006% 、0.71% 、99.28% ；其半衰期分别为2.475×105 a、7.13×108 a、4.507×109 a。
铀以化合态广泛分布于地壳和水中。在地壳中铀的质量分数约为3 mg/kg ，在地球表面铀的平均质量分数低于4 mg/kg ，海水中铀的质量浓度约为2×10.9 ～3×10.9 g/L 。
1.1.2 铀的化学性质
铀的化学性质很活泼，自然界不存在游离态的金属铀。铀有+3、+4、+5、+6 四种价态，其中以+4 价和+6 价的化合物*为稳定。金属铀在空气中易于氧化，生成一层发暗的氧化膜，主要氧化物为UO2 和U3O8 等，以U3O8 *为稳定。铀能和除稀有气体外的所有的非金属作用，能与多种金属形成合金。铀的亲氧性强而亲硫性弱，能在地壳上部形成花岗岩圈聚集。
铀在水环境中主要以四价离子和六价离子存在，以U4+、UO2+和UO22+ 三种离子形态为主，其中UO22+ 的溶解性较好、稳定性*高、不易分离。铀的存在形态随pH 的变化而变化，在酸性条件下易水解，在中性和碱性条件下会和碳酸根螯合，加入过氧化物能生成水溶性的过铀酸盐。
1. 四价铀
四价铀的离子半径为0.93×10.10 m，离子电位为4.3，在戈尔德施密特表中，位于阳离子区，靠近两性氧化物（离子电位为4.7～8.6）的边界，具有弱碱性，可生成UCl 型的盐。四价铀化合物中的UCl4 和U(SO4)2 易溶于水，在强酸性环境中*为稳定。
U(IV) 的溶解度很低，其矿物的硬度也较铀酰矿物大。四价铀在水中易氧化成铀酰离子，仅存在于强酸性环境中。当酸性降低时，它将水解并生成U(OH)3+和UO2+。广泛分布于自然界中的UO2 为难溶化合物，它*易溶于强酸性介质中，其次是溶于碳酸盐介质中。在低温条件下，UO2 的水合物逐渐变为U3O8。
2. 六价铀
六价铀具有化学两重性：容易与该系元素生成络合物，也可以生成铀酸盐；在酸性、中性和弱碱性介质中表现为弱碱性，在强碱性介质中则表现为弱酸性。
六价铀主要以铀酰离子(UO22 + )的形态存在。UO22 + 的离子半径较大，为3.20×10.8 cm，比自然界中的主要阳离子的半径大得多，因而易于溶解迁移。铀酰离子不仅存在于酸性介质中，在多数中性及碱性介质中都能快速迁移。铀酰离子体积很大，容易被硅酸盐胶体、黏土矿物等带负电荷的胶体吸附。铀酰具有阳离子的某些性质，其硫酸盐易溶于水，铀酰硫酸盐形成的所有复盐和络盐也均易溶于水。主要已知的铀酰碳酸盐络合物有UO2(CO3)22. 和UO2(CO3)34. ，多数铀酰碳酸盐络合物都易溶于水。
六价铀的盐是UO3 的衍生物，由于UO3 的两性性质，铀在碱性介质中生成阴离子。所有的铀酸盐，包括铀酸钠，均难溶于水。但铀酸盐极易溶解于酸，并形成铀酰盐类。当pH 为3.8～6.0 时，UO2(OH)2 沉淀。
1.1.3 铀的化学毒性与放射性
铀及其化合物均具有较大的毒性，人体对天然铀的放射性可溶性铀化合物允许剂量为7400 Bq，不溶性铀化合物为333 Bq。空气中可溶性铀化合物的允许浓度为0.05 mg/cm3 ，不溶性铀化合物的允许浓度为0.25 mg/cm3。
1. 铀的化学毒性
铀与铅、铬、镉、汞等一样，都是重金属，具有重金属离子毒性，铀的化学毒性主要指其重金属毒性。铀元素积累在水及土壤中会对生态环境和人体健康构成极大威胁。铀可以通过呼吸道、皮肤组织或消化道进入人体，易与人体内无机酸或有机酸形成配合物，造成人体组织功能受损；其主要毒性是易导致人体肾小球细胞坏死与肾小管管壁萎缩，致使肾功能衰竭。铀还会引起人体呼吸疾病、皮肤疾病、免疫功能下降、神经功能紊乱、染色体损伤、遗传毒性和生殖发育障碍等健康危害，甚至诱发癌症。
已经证明，浓缩铀具有生殖毒性，它可引起遗传物质损伤，导致胎鼠畸形或显性突变死亡。动物实验和人体暴露实验表明，肾脏是受铀化学毒性损害*大的器官。短期急性摄入超过每克肾含1 μg 铀将导致轻微的肾功能紊乱。在英国皇家学会调查的参加海湾战争的老兵与维和人员中，*坏损伤估计值为每克肾含0.1～0.2 μg 铀，稍高浓度的铀可能在几天内导致肾衰竭；美国对战后退伍军人健康监察仍发现贫铀对靶器官的影响。
2. 铀的放射性
与含铅、铬、镉、汞等重金属废水相比，含铀等放射性废水还具有放射性。放射性是指一些核素由于其原子核不稳定而自发地衰变为其他核素，同时放出带电粒子（α 射线或β射线）和电磁波（γ射线）。铀的放射性源于自身衰变，主要指其对组织器官的内照射损伤。放射性是一种自发地释放原子内能量与粒子的方式，可以造成化学键的断裂及生物细胞的损伤，其影响与化学毒性类似。自然界中的234U、235U、238U 三种同位素在衰变的同时辐射出以α射线、β射线、γ射线为主的多种射线。其中，α射线对生物的伤害高出β射线和γ射线数倍，但由于α射线本质为高速运动的氦原子核的粒子束，较大的质量导致其穿透能力较弱，在空气中的射程只有几厘米，故在生物体外的威胁较小；但是其一旦被摄入生物体内，则会诱导相邻的器官组织细胞发生突变，造成不可恢复的伤害。表1.1 为铀衰变辐射出三种射线的危害及特点。
表1.1 铀衰变辐射射线的危害及特点
人类遭受辐射后的主要临床表现有脱发、白细胞和血小板减少，进而引发白血病等癌症。当辐射剂量超过生物体限值时，甚至可能导致死亡。由于铀一旦进入人体后会长期在体内富集，难以排出体外，对人体器官产生严重的毒害作用，许多国家及国际组织对此问题给予极大重视，制定了限制铀排放的严格标准，例如，世界卫生组织建议饮用水中铀的质量浓度不应高于50 μg/L，美国环境保护局的饮用水标准中要求铀质量浓度不高于20 μg/L。
近年来，放射性废水对人类健康和自然环境危害依然存在。日本的福岛核电站发生的核泄漏事故，导致核电站附近的居民受到核辐射的危害。在受污染地区中，成年人发病率比平均水平高出20%～30%，而儿童发病率比平均水平高出50%之多。
1.1.4 铀的生物毒性
铀元素不仅具有较强化学毒性和放射性，铀在生物的代谢及生物酶合成过程中可取代其他元素参与微生物代谢，生物毒性极强。
研究表明，铀对枯草杆菌的生长繁殖影响的*大无作用剂量小于1 mg/L ，致死剂量为500 mg/L 。0.063～0.500 mg/mL 的铀可引起肾上皮细胞活力降低，损伤细胞膜、线粒体、溶酶体等，使细胞抗氧化能力下降。贫铀可在大鼠体内长期蓄积，主要蓄积于肾脏、骨组织、睾丸等，其中睾丸器官对铀的敏感性较强。贫铀气管灌注对大鼠的机体损伤具有系统性、功能性及器质性损伤特点，对肺的损伤*为严重。进入人体后的铀主要蓄积于肝脏、肾脏和骨骼中，不同辐射剂量可引起不同程度的急性或慢性中毒，甚至诱发多种疾病。在较大的辐射剂量下，会对人体和生物体的组织和器官造成不同程度的损伤，如皮肤红斑、脱发、破坏白细胞和血小板、白血病、影响生殖机能、癌症等。
对战后伊拉克进行的居民健康调查表明，贫铀污染后因严重的免疫缺陷导致传染性疾病的发病率在当地人群中升高，如白血病、贫血和恶性肿瘤发病率和死亡率升高。
1.2 铀资源及其开发利用
1.2.1 我国铀资源概况
1. 我国铀资源的分布
我国铀矿床分为南、北两个大区，北方铀矿区以火山岩型为主，南方铀矿区则以花岗岩型为主，铀矿资源分布不均衡，已探明铀矿储量居世界第10 位。已经探明的大小铀矿床（田）有200 多个，集中分布在江西、广东、贵州、湖南、广西、新疆、辽宁、云南、河北、内蒙古、浙江、甘肃等23 省（自治区）。江西、湖南、广东、广西4 省（自治区）铀资源较为丰富，占探明工业储量的74%。主要铀矿床（田）包括江西相山铀矿田，湖南郴县铀矿床、下庄铀矿田、产子坪铀矿田，河北秦青龙铀矿田，云南腾冲铀矿床，黑龙江桃山铀矿床、小丘源铀矿床、黄村铀矿床，辽宁连山关铀矿床，陕西蓝田铀矿床，四川西北部若尔盖铀矿床、芨岭铀矿床，新疆伊犁铀矿床、白杨河铀矿床等。
已经建成或退役的铀矿有湖南衡阳铀矿、郴州铀矿、大浦街铀矿、澜河铀矿，江西上饶铀矿、抚州铀矿、乐安铀矿，广东韶关市翁源铀矿、仁化铀矿，浙江衢州铀矿，辽宁本溪铀矿，陕西蓝田铀矿，新疆伊犁铀矿等。
2. 我国铀矿资源的特点
我国铀矿资源分布不均衡，铀矿成矿时代跨度距今1 900 a～3 Ma，即古元古代到新生代，以中生代的侏罗纪和白垩纪成矿*为集中，主要集中在距今87～45 Ma。
铀矿床规模以中小型为主，占总储量的60%以上。已探明的铀矿体埋深多在地下500 m 以内。有些铀矿田内，矿床常成群出现，从几个到几十个，常存在1～2 个主体矿床。矿床主要有花岗岩型、火山岩型、砂岩型、碳硅泥岩型4 种类型，其储量分别占全国总储量的38% 、22%、19.5% 、16%。含煤地层中铀矿床（煤型铀矿）、碱性岩中铀矿床及其他类型铀矿床，在探明储量中所占比例很小，但具有找矿潜力。
根据矿床成因、赋矿围岩和成矿特征，我国主要铀矿床分为内生铀矿床、外生铀矿床和复成因铀矿床三种类型，其中内生铀矿床主要为岩浆型和热液型，外生铀矿床主要为成岩型和后生淋积型。成矿的先后顺序是：混合岩型、伟晶岩型、花岗岩型、火山岩型、碳硅泥岩型和砂岩型。根据铀矿床矿化类型、成矿时代和大地构造分布特征，可以划分为东部铀成矿省、天山-祁连山铀成矿省及滇西铀成矿区。
我国铀矿石品位偏低，品位在0.05%～0.3%的矿石量占总资源量的绝大部分，以中低品位铀矿石为主。矿石组分相对简单，主要为单铀型矿石，仅在极少数矿床中，含有磷、硫、有色金属、稀有金属及其他金属元素与之共生或伴生，形成铀-钼矿床、铀-汞矿床、铀-铜矿床、铀-多金属矿床、铀-钍-稀土矿床。
3. 我国铀矿勘查状况
全球铀矿床主要分布于两条跨大洲的巨型铀成矿带，即近东西向欧亚巨型铀成矿带及环太平洋巨型铀成矿带，这两条成矿带均横穿我国，对我国的铀成矿地质背景有利。
在鄂尔多斯地区，中国核工业集团208 大队创新了找矿理念和成矿理论，提出了“古层间氧化带铀成矿观点”。在前人宣布无铀矿的鄂尔多斯盆地等地区，探明了我国迄今为止*大的铀矿床——鄂尔多斯铀矿床，铀资源量达到数万吨。
截至2005 年，我国已探明铀储量为7 万t。北方地区存在大型－特大型铀矿基地，有一批潜力大的找矿新区；南方老矿田铀资源潜力挖掘效果明显。伊犁和鄂尔多斯地区，铀矿地质勘查成效尤为显著。我国实现了地浸砂岩型铀矿找矿的重大突破，发现了万吨级可地浸砂岩型铀矿床，在伊犁盆地南缘发现的第一个万吨级地浸砂岩型矿床，也是第一个地浸砂岩型铀矿资源大基地，推动了铀矿勘查从硬岩型向砂岩型的战略性转移。
我国还有十多个铀成矿带及大面积的勘查空白区尚待展开系统的勘查评价。预计我国潜在铀资源量超过数百万吨，基本可以满足核电发展与国防战略资源的需求。为了适应发展核电的需要，部分企业已经在海外勘探和开采铀矿，以满足核电日益增长的铀矿需求。
1.2.2 铀资源开采工艺
在我国铀矿冶创建初期，铀的提取加工一般采用常规的矿石破磨、搅拌浸出、固液分离、浓缩纯化的工艺
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