2026年科普大赛优秀奖|一块铀矿石的“裂变”之旅：从深山矿石到大国重器

　　提起“铀”，很多人脑海中首先浮现的，或许是原子弹爆炸时腾起的巨大蘑菇云（图1），亦或是核辐射所带来的无形阴霾。这种略带神秘感的元素，其实就藏在我们脚下的岩石中。它既是令人敬畏的核能之源，也是支撑现代清洁能源转型的关键资源。那么，铀矿究竟是什么？它如何形成？让我们一同揭开其神秘的面纱。

图1. 1964年10月我国第一颗原子弹爆炸成功（图片来源于网络）

　　铀，最早由德国化学家克拉普罗特于1789年在沥青铀矿中发现，并以天王星（Uranus）命名。元素符号为U，原子序数92，属于锕系元素。天然同位素包括铀-234、铀-235和铀-238，其中铀-235可直接用于核裂变，是核能发电的核心原料。铀具有从+1到+6多种价态，但以+4和+6价最为常见。还原环境中呈+4价，以难溶氧化物（UO2）形式存在，而氧化环境中呈+6价，以铀酰离子（UO22+）形式存在且易溶于水，能随水体迁移。正因为铀丰富的价态，其化学性质非常活泼，几乎可以与除惰性气体外所有的元素发生化学反应。

　　作为一种天然放射性元素，铀广泛分布于地壳和海水中。地壳中铀的平均含量约为2.5×10－6，即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀，远高于金、银、钨、汞等元素的含量；但不同岩石中铀含量差异明显，通常酸性火成岩（如花岗岩）中含量较高，平均约3.5 ~ 4.75克/吨。而广阔的海水中，铀的浓度普遍较低，平均每吨海水仅约3.3毫克，但总量惊人。海水中总含铀量可达45亿吨，这也使海水提铀成为未来极具潜力的研究方向。虽然自然界中普遍存在铀，但全球铀的分布极不均匀，主要分布在澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、俄罗斯等国家。其中，澳大利亚资源最为丰富，占世界总量的28%。中国拥有广阔疆域，铀资源家底如何？其实，新中国的铀矿探索之路，正是从一次具体的发现开始的……

　　1954年10月，我国第一块铀矿石（图2）由花山工作队在广西富钟县花山区发现并采集。10月下旬，这块铀矿石被送进中南海，由此拉开了我国原子能事业的序幕。1955年，我国铀矿地质工作正式起步。历经65年发展，我国已建立起完整的铀矿地质科研与勘查技术体系，累计探明花岗岩型、火山岩型、砂岩型和碳硅泥岩型铀矿床350余处，这四大类型占全国铀资源总量的90%以上。从空间分布看，北方以砂岩型为主，主要分布于鄂尔多斯、伊犁、二连等盆地；南方则多为硬岩型，包括火山岩型、花岗岩型和碳硅泥岩型。20世纪90年代初，随着地浸采铀技术的引进，勘探重点从南方硬岩型转向可地浸砂岩型。在经济、环保等优势的地浸采铀技术推动下，砂岩型铀矿已成为我国铀矿勘探的主要类型。

图2. 我国第一块铀矿石（图片来源于网络）

　　这些砂岩型铀矿床多产出在盆地边缘，少数产于盆地内部隆起区。微观上，铀主要以铀矿物、吸附态的形式存在，常见铀矿物主要有沥青铀矿、铀石及含钛含铀矿物等，常与有机质、黄铁矿、黏土矿物等密切共生。宏观上，砂岩型铀矿与油气、煤等能源矿产同盆成藏。目前研究表明，其成矿受构造、沉积、古气候、流体及还原介质等多重因素控制。成矿过程可概括为一个“滚动式”的氧化-还原循环：来自蚀源区的含铀岩石，U6+以UO22+形式溶解于表生含氧流体中，被大气降水带入盆地内的氧化还原过渡带，U6+被还原介质（如炭屑、煤屑及油气等）还原为U4+，以氧化物（UO2）形式沉淀。随着含氧含铀流体的持续注入，U4+再次被氧化为U6+，与含氧含铀流体一起向盆内运移，耗散有机质，在新的氧化还原过渡带U6+再次被还原为U4+重新富集成矿。总结来说，砂岩型铀矿的成矿机制，本质上就是这两种价态在地下水中的转化——含铀的U6+（铀酰离子）随流体迁移，遇到还原带后变成U4+（UO2）沉淀富集，持续的成矿过程就像“雪球”一样滚动式前进（图3）。这一过程中表生流体越发育，铀源越充足，持续的时间越长，铀矿的规模也会越大。

图3. 砂岩型铀矿成矿模式图（据文献修改，仅供参考）

　　正是由于盆地边缘蚀源区的富铀岩体，经历了长达数百万年的暴露、风化与淋滤等地质过程，活泼的铀元素随大气降水渗入沉积地层，形成放射性异常。野外工作中，铀通常富集于浅灰色及灰绿色砂岩中（图4a、b），与普通围岩凭肉眼往往难以区分。此时，借助仪器进行放射性测量（图4c、d）便成为最直接有效的手段。通常，富铀岩石的辐射极低，但用手接触含铀岩石后，仍应及时洗手，以防手部沾染的放射性物质经口摄入。既然含铀岩石的天然辐射如此微弱，那么铀元素的“威力”究竟藏于何处？答案是：浓度与纯度。野外测量到的只是原生矿石的天然状态；只有将地层中呈分散状、低品位的铀矿石，通过化学转化、必要的同位素分离等手段加工后，才能制成天然铀、低浓铀、高浓铀等不同丰度的铀材料，广泛用于核电站发电、医用同位素生产、工业辐照及舰船核动力等多个领域。这一从“矿产资源”到“能源血液”的蜕变，不仅赋予铀矿经济价值，更关乎国家的能源安全与核战略地位。

图4. 野外露头与钻孔岩芯中含铀岩系及放射性测量

　　现今，在全球气候变化成为国际社会关注热点的背景下，主要碳排放国均提出减排计划，积极发展清洁能源。我国明确“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”，正在从能源、产业、技术等多个层面推进深度转型。核电作为出力稳定、碳排极低的基荷能源，是实现碳中和不可或缺的“压舱石”，也是应对气候变化、保障能源工业可持续发展的必然选择。天然铀作为一种稀有放射性金属，高度敏感、军民两用，是国家紧缺战略性资源和能源矿产，其核裂变释放的巨大能量被广泛应用于核能发电、国防科技等领域。而我国铀资源高度依赖进口，随着核电事业的持续发展，天然铀需求量逐年递增。因此，保障国内天然铀的稳定供给，是铀矿地质勘查工作的核心使命，更是筑牢国家能源安全、锻造“大国重器”的基石。

——本文由国家重点研发计划（2023YFC2906701）资助。