从铀矿石中提取铀直到制成核纯（见放射性核素纯度）铀化合物的工艺过程，是天然铀生产的重要步骤。主要产品有重铀酸铵（俗称黄饼）和三碳酸铀酰铵等。纯化（又称精制）后的铀化合物产品，必须达到核纯的要求。精制的产品进一步干燥、煅烧，加工成二氧化铀或八氧化三铀，供制作反应堆元件或六氟化铀（用于U－235的同位素分离）用。整个过程须经下述单元操作：铀矿石的破碎和磨细、铀矿石的浸取、矿浆的固液分离、离子交换和溶剂萃取法提取铀浓缩物、溶剂萃取法纯化铀浓缩物。可根据矿石种类、产品要求等不同情况，选择由上述单元操作所组成的适当流程。
1、破碎和磨细
破碎是将矿石经颚式破碎机、圆维破碎机或锤式破碎机粗碎、中碎和细碎以达到所要求的力度。然后进行细磨，以达到浸取工序所要求的粒度。
2、浸取
用溶剂将矿石中的铀选择性地溶解。铀矿石经浸取后，铀与大部分脉石分离，浸取液中铀与杂质的比例比原矿石中约提高10～30倍，因此，浸取过程也是铀与杂质初步分离的过程。
铀矿石浸取方法一般有酸法和碱法两种。多数铀水冶厂采用酸浸取法，少数厂用碱浸取法，只有个别厂同时采用酸、碱两种浸取流程。酸浸取法一般用硫酸作浸取剂，矿石中的铀和硫酸反应，生成可溶的铀酰离子UO2和硫酸铀酰离子[UO2(SO4)]；浸取时常加入氧化剂（常用二氧化锰、氯酸钠），以保持适宜的氧化还原电势（约450毫伏），使四价铀氧化成六价，以提高铀的浸出率。含碳酸盐的铀矿石主要用碱法浸取，常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液，在鼓入空气的条件下，矿石中的铀与碳酸钠生成碳酸铀酰钠Na4[UO2(CO3)3]，溶于浸取液。
3、矿浆的固液分离
矿石浸取后所得到的酸性或碱性矿浆（包括含铀溶液、部分杂质及固体矿渣）中的溶液和矿渣须经分离。根据需要也可进行粗矿分级，以除去＋200～40目的粗砂，得到细泥矿浆。常用的固液分离设备有过滤机、沉降槽（浓密机）；分级设备有螺旋分级机、水力旋流器。中国还采用流态化塔进行分级和洗涤。
分离出的溶液可用离子交换法分离铀，也可用溶剂萃取法分离和纯化铀，或将铀从含铀溶液中沉淀出来。
4、离子交换法提取铀
固液分离后的浸取液中八氧化三铀的含量大致为500～1000毫克/升。对于含铀浓度低的浸取液采用离子交换法提取铀较为合宜。离子交换法一般采用强碱性阴离子交换树脂吸附铀。按吸附液含固量的多少，吸附可分为清液吸附、混浊液吸附和矿浆吸附。当树脂吸咐饱和后，经水洗，再用淋洗剂（硫酸－氯化钠、硫酸－氯化铵、硝酸－硝酸钠、硝酸－硝酸铵、稀硫酸或稀硝酸）将铀从树脂上淋洗下来。
5、萃取法提取和精制铀
铀水冶厂处理的溶液是体积大、铀浓度低、杂质含量高的稀溶液，须将铀与杂质分离并初步使铀浓缩，而在精制工艺中，处理的是高浓度的含铀溶液，产品质量要求达到核纯。在铀的萃取工艺中常用的有机膦与烷基胺类萃取剂有磷酸三丁酯（TBP）、二（2－乙基己基）磷酸、三辛胺等。
在铀水冶厂，硫酸体系的萃取多采用磷类和胺类两种萃取工艺（碱性体系的萃取常用季铵盐萃取工艺），如烷基膦萃取工艺和胺类萃取工艺流程，后者在世界上应用较多。中国应用较多的是淋萃流程。吸附铀的饱和树脂，用1mol/L的硫酸淋洗，随后对此淋洗液进行萃取。例如淋萃流程所用的萃取剂是0.2mol/L的二（2－乙基己基）磷酸－0.1mol/L的三烷基氧膦体系。有机相的饱和度控制在85%以上，经水洗后，用碳酸铵结晶反萃取，可得核纯三碳酸铀酰。此流程中淋洗与萃取结合，使萃取所处理的液量减少，金属回收率高，节省试剂，产品纯度也高。
铀水冶厂生产的产品一般为工业铀浓缩物，仍含有硫酸盐、硅、钙、镁等杂质，须进一步精制，才能得到核纯产品。精制过程中最常用的是TBP萃取工艺，TBP对铀饱和容量大，可处理含铀量高的溶液，在有机相接近饱和的条件下，对杂质元素有较高的净化能力。
6、从含铀溶液中沉淀铀
在浸取所得溶液中，也可将铀以不溶性化合物的状态分离出来；并可通过对沉淀物的多次溶解及再沉淀而进行纯化。主要有碱中和法和过氧化氢沉淀法：
（1）碱中和法
将碱性沉淀剂如氨水、氧化镁、气态氨等加入到酸性含铀溶液中，并控制最终pH值为6.5～8.0，铀以重铀酸盐形式完全沉淀出来。对碱性浸取液主要采用氢氧化钠沉淀剂，得铀酸钠或重铀酸钠沉淀。如果从纯化过的酸性溶液中沉淀铀，则其沉淀物重铀酸铵的纯度较高。
（2）过氧化氢沉淀法
将含铀溶液的pH调至2.5～4.0，缓慢加入比化学计算量过量的30%过氧化氢，再加入适量的氨水，以中和反应过程生成的酸，使最终pH值达2.8，生成铀的过氧化物(UO4×H2O)沉淀。过氧化氢沉淀法对铀选择性高，并可获得晶状、易处理的产品，也具有工业意义。
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