Sự chuyển dịch năng lượng toàn cầu hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không (Net Zero) đã thúc đẩy một sự hồi sinh mạnh mẽ của năng lượng hạt nhân và kéo theo đó là nhu cầu cấp thiết về uranium – nguyên liệu thô chiến lược của chu trình nhiên liệu hạt nhân. Uranium không đơn thuần là một loại khoáng sản công nghiệp; nó là nền tảng của an ninh năng lượng và là trọng tâm của các tính toán địa chính trị phức tạp. Trong giai đoạn 2024-2025, ngành khai thác uranium thế giới đang chứng kiến những bước ngoặt lịch sử về công nghệ, từ sự thống trị tuyệt đối của phương pháp khai thác tại chỗ (ISL) đến việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và chuyển đổi số trong quản trị mỏ.
Cơ sở địa chất và đặc tính khoáng vật của Uranium
Uranium là nguyên tố hóa học có tính phóng xạ tự nhiên, phân bố rộng rãi trong vỏ Trái Đất với nồng độ trung bình khoảng 2,8 ppm. Tuy nhiên, để tạo thành các mỏ có giá trị kinh tế, uranium phải trải qua các quá trình làm giàu địa chất phức tạp để tập trung vào các cấu trúc bẫy quặng. Việc hiểu rõ bản chất địa chất của các mỏ uranium là điều kiện tiên quyết để lựa chọn công nghệ khai thác và chế biến phù hợp. Các cơ quan quốc tế như NEA và IAEA phân loại các mỏ uranium dựa trên môi trường hình thành và đặc điểm cấu trúc đá vây. Các kiểu mỏ chính bao gồm:
- Mỏ liên quan đến bất chỉnh hợp (Unconformity-related deposits): đây là những mỏ có hàm lượng quặng cao nhất thế giới, thường nằm ở ranh giới giữa nền đá kết tinh cổ xưa và các lớp sa thạch phủ lên trên. Các mỏ tại bồn địa Athabasca, Canada, như Cigar Lake và McArthur River, có hàm lượng trung bình từ 1% đến hơn 20% U, cao hơn hàng chục lần so với mức trung bình toàn cầu.
- Mỏ sa thạch (Sandstone deposits): đây là nguồn cung cấp uranium lớn nhất hiện nay nhờ tính phù hợp với công nghệ khai thác tại chỗ. Các thân quặng thường hình thành theo kiểu “roll-front” (mặt cắt hình cuộn) tại ranh giới giữa vùng oxy hóa và vùng khử trong các tầng ngậm nước sa thạch. Kazakhstan và Uzbekistan sở hữu những trữ lượng khổng lồ thuộc loại này.
- Mỏ đá Breccia núi lửa và nội sinh: điển hình là siêu mỏ Olympic Dam tại Australia. Uranium ở đây tồn tại dưới dạng sản phẩm phụ trong một cấu trúc đa kim chứa đồng, vàng và bạc.
- Mỏ Calcrete và trầm tích bề mặt: uranium kết tủa trong các lớp trầm tích giàu cacbonat hoặc thạch cao ở vùng khí hậu khô hạn, như các mỏ tại Namibia.
Uranium trong tự nhiên chủ yếu tồn tại ở hai trạng thái oxy hóa là U(IV) và U(VI). Các khoáng vật phổ biến bao gồm uraninite (UO2), pitchblende (một dạng vô định hình của uraninite), coffinite (USiO4.nH2O) và brannerite. Trạng thái hóa trị ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hòa tan: trong khi U(VI) dễ hòa tan trong dung dịch axit hoặc kiềm, thì U(IV) đòi hỏi phải có sự hiện diện của chất oxy hóa mạnh để chuyển đổi trước khi có thể được chiết tách. Các nguyên tố đi kèm thường gặp bao gồm thorium, radium, chì, polonium và các kim loại nặng như sắt, nhôm, zirconi. Sự hiện diện của các khoáng vật tiêu tốn axit như cacbonat (đá vôi, thạch cao) trong đá vây sẽ quyết định việc lựa chọn hệ hòa tách axit hay kiềm.
Công nghệ khai thác Uranium hiện đại: Sự chuyển dịch sang ISL
Ngành khai thác uranium đã trải qua một cuộc cách mạng về phương pháp luận. Nếu như trong thập niên 1990, khai thác hầm lò chiếm ưu thế (55%), thì đến năm 2024, hơn 55% sản lượng toàn cầu đến từ công nghệ khai thác tại chỗ (In-Situ Leach – ISL), còn gọi là phục hồi tại chỗ (In-Situ Recovery – ISR).
Khai thác tại chỗ (In-Situ Leach – ISL): Công nghệ ISL được coi là bước tiến quan trọng nhất trong việc giảm chi phí và tác động môi trường của ngành khai thác uranium. Thay vì đào đất đá lên bề mặt, ISL sử dụng các dung dịch hóa học để hòa tan uranium trực tiếp từ lòng đất. Một dự án ISL điển hình bắt đầu bằng việc thiết kế mạng lưới các giếng bơm và giếng hút. Dung dịch hòa tách (lixiviant) được bơm xuống các giếng bơm, đi xuyên qua tầng quặng sa thạch và hòa tan uranium. Dung dịch bão hòa (Pregnant Leach Solution – PLS) sau đó được thu hồi qua các giếng hút để đưa về nhà máy xử lý. Việc kiểm soát thủy văn là cực kỳ quan trọng; các kỹ sư thường duy trì một lưu lượng hút lớn hơn nhẹ so với lưu lượng bơm (bleed) để tạo ra độ dốc thủy lực hướng vào trong bãi khai thác, ngăn chặn sự phát tán dung dịch ra ngoài môi trường.
Việc lựa chọn hệ dung dịch phụ thuộc hoàn toàn vào đặc điểm địa hóa của mỏ:
| Thông số so sánh | Hòa tách Axit (Sulfuric Acid) | Hòa tách Kiềm (Carbonate/Bicarbonate) |
| Đối tượng áp dụng | Đá vây ít cacbonat (<2-8%) | Đá vây giàu cacbonat, thạch cao |
| Hiệu suất thu hồi | Cao (70-90%) | Trung bình (60-70%) |
| Chi phí vận hành | Thấp hơn khoảng 50% | Cao hơn do hóa chất đắt tiền |
| Tác động môi trường | Khó hoàn nguyên nước ngầm hơn | Dễ hoàn nguyên nước ngầm hơn |
| Các quốc gia điển hình | Kazakhstan, Australia, Uzbekistan | Hoa Kỳ |
Ở Kazakhstan, các mỏ ISL thường sử dụng axit sulfuric nồng độ cao mà không cần thêm chất oxy hóa nếu quặng đã ở trạng thái oxy hóa tự nhiên tốt. Ngược lại, tại Hoa Kỳ, do các quy định nghiêm ngặt về bảo vệ tầng ngậm nước, hệ kiềm sử dụng natri cacbonat kết hợp với oxy hoặc hydro peroxide là lựa chọn duy nhất.
Mặc dù tỷ trọng giảm, khai thác truyền thống vẫn không thể thay thế đối với các mỏ có hàm lượng quặng cực cao hoặc quặng nằm trong đá cứng:
- Khai thác lộ thiên: áp dụng cho các thân quặng nằm nông (thường <150m). Ví dụ điển hình là mỏ Husab và Rössing ở Namibia. Phương pháp này tạo ra khối lượng đất đá thải khổng lồ nhưng cho phép khai thác triệt để tài nguyên.
- Khai thác hầm lò: sử dụng cho các mỏ sâu hoặc mỏ có hàm lượng cao như McArthur River ở Canada. Do tính phóng xạ của quặng, các mỏ hầm lò hiện đại phải áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như “jet boring” (khoan tia áp lực cao) và điều khiển robot từ xa để giảm thiểu thời gian tiếp xúc của công nhân với bức xạ và khí radon.
Công nghệ Ablation: Đột phá trong làm giàu quặng sa thạch
Một xu hướng công nghệ mới nổi là Ablation (mài mòn cơ học), được thiết kế để xử lý quặng sa thạch khai thác theo cách truyền thống. Uranium trong sa thạch thường bao phủ bề mặt các hạt cát dưới dạng một lớp màng mỏng. Công nghệ Ablation sử dụng các tia dung dịch áp suất cao tạo ra các va chạm thủy động lực mạnh mẽ để “đánh bật” lớp màng chứa uranium ra khỏi hạt cát.
Hệ quả của công nghệ này là: loại bỏ 90-95% khối lượng đất đá (cát sạch) ngay tại mỏ; giảm chi phí vận chuyển và chi phí nghiền xuống 90%; tạo ra một dòng quặng tinh bột mịn có hàm lượng cao để đưa vào nhà máy thủy luyện; Ablation được đánh giá là một công nghệ “xanh” vì nó hoàn toàn cơ học, không sử dụng hóa chất bổ sung và giảm đáng kể diện tích bãi thải đuôi quặng.
Quy trình thủy luyện và sản xuất tinh quặng (Yellowcake)
Dù được khai thác bằng phương pháp nào, đích đến cuối cùng là quá trình thủy luyện để tách lọc và làm tinh khiết uranium.
Đối với khai thác truyền thống, quặng được nghiền mịn thành bùn trước khi đi vào các bể hòa tách có khuấy trộn. Axit sulfuric là tác nhân phổ biến nhất vì nó hòa tan hiệu quả uranium sunfat. Phản ứng tổng quát cần có sự hiện diện của chất oxy hóa để chuyển U(IV) sang U(VI). Dung dịch sau hòa tách (PLS) chứa rất nhiều tạp chất kim loại. Để thu hồi uranium chọn lọc, hai phương pháp chính được sử dụng:
- Trao đổi ion (IX): thường dùng cho các dung dịch có hàm lượng uranium thấp (như trong ISL).
- Chiết dung môi (Solvent Extraction – SX): sử dụng các amin bậc ba (như Alamine-336) pha loãng trong dầu hỏa. Đây là quy trình “AMEX” kinh điển giúp đạt độ tinh khiết cực cao. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng nồng độ axit sulfuric và tỷ lệ pha hữu cơ/pha nước ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chiết, thường đạt trên 99,7% ở điều kiện tối ưu.
Uranium được giải hấp khỏi nhựa hoặc dung môi hữu cơ để tạo thành dung dịch đậm đặc. Quá trình kết tủa sau đó sẽ tạo ra sản phẩm trung gian:
| Phương pháp kết tủa | Tác nhân hóa học | Sản phẩm | Đặc điểm |
| Kết tủa Amoniac | NH3 hoặc NH4OH | Amoni Diuranate (ADU) | Phổ biến, nhưng hạt nhỏ, khó lắng |
| Kết tủa Peroxide | H2O3 | Uranyl Peroxide | Độ tinh khiết rất cao, hạt lớn, dễ xử lý |
| Kết tủa Magnesi | MgO | Magnesi Diuranate | Dùng khi cần tiết kiệm chi phí hóa chất |
Sau khi kết tủa, sản phẩm được sấy khô và nung ở nhiệt độ khoảng 400-800°C để tạo thành oxit uranium ổn định – bánh vàng. Bánh vàng này sau đó được đóng vào các thùng thép tiêu chuẩn để vận chuyển tới các cơ sở chuyển đổi và làm giàu.
Phân tích thị trường Uranium giai đoạn 2015-2024
Thị trường uranium thế giới hiện đang ở trong trạng thái thắt chặt nguồn cung, đẩy giá lên mức cao nhất trong hơn một thập kỷ qua. Dữ liệu sản xuất trong 10 năm qua cho thấy sự thống trị của một nhóm nhỏ các quốc gia sản xuất lớn, dẫn đầu bởi Kazakhstan.
| Quốc gia | 2015 | 2018 | 2021 | 2024 (Dự báo/Sơ bộ) |
| Kazakhstan | 23.607 | 21.705 | 21.819 | 23.270 |
| Canada | 13.325 | 7.001 | 4.693 | 14.309 |
| Namibia | 2.993 | 5.525 | 5.753 | 7.333 |
| Australia | 5.654 | 6.517 | 4.192 | 4.598 |
| Uzbekistan | 2.385 | 3.450 | 3.516 | 4.000 |
| Nga | 3.055 | 2.904 | 2.635 | 2.738 |
| Tổng thế giới (tU) | 60.342 | 54.154 | 47.805 | 60.213 |
Điểm đáng lưu ý là sản lượng của Canada đã phục hồi mạnh mẽ trong năm 2024 sau khi mỏ McArthur River được tái vận hành. Trong khi đó, Kazakhstan vẫn duy trì vị thế số 1 thế giới, chiếm khoảng 39% thị phần toàn cầu vào năm 2024. Ngành công nghiệp khai thác uranium có mức độ tập trung cao. 10 công ty hàng đầu đóng góp hơn 90% sản lượng thế giới vào năm 2022-2024.
| Công ty | Quốc gia gốc | Sản lượng 2024 (tU) | Thị phần (%) |
| Kazatomprom | Kazakhstan | 12.463 | 21% |
| Cameco | Canada | 10.193 | 17% |
| Orano | Pháp | 6.815 | 11% |
| Uranium One | Nga/Kazakhstan | 5.829 | 10% |
| CGN | Trung Quốc | 5.761 | 10% |
| Navoi Mining | Uzbekistan | 4.000 | 7% |
Sự gia tăng ảnh hưởng của các công ty Trung Quốc (CGN, CNNC) thông qua các thương vụ mua lại cổ phần tại Namibia và Kazakhstan cho thấy chiến lược dài hạn của Bắc Kinh trong việc đảm bảo nguồn cung nhiên liệu cho chương trình điện hạt nhân khổng lồ của mình.
Quản lý môi trường và an toàn bức xạ
Khai thác uranium là một ngành công nghiệp chịu sự giám sát nghiêm ngặt nhất thế giới về mặt môi trường và an toàn. Thách thức lớn nhất đối với các mỏ lộ thiên và hầm lò là quản lý đuôi quặng (tailings). Đuôi quặng chứa hầu hết các sản phẩm phân rã của uranium như Radium-226, vốn có thời gian bán rã dài và khả năng phát tán khí Radon. Các hồ chứa đuôi quặng hiện đại phải được thiết kế với:
- Lớp lót không thấm (Liners): Ngăn chặn sự rò rỉ kim loại nặng vào nước ngầm.
- Lớp phủ bề mặt (Capping): Sử dụng đất sét và đá để ngăn chặn sự phát tán khí Radon và bụi.
- Quản lý nước: Tái sử dụng tối đa nước trong quy trình để giảm thiểu lượng phát thải ra môi trường.
Đối với các mỏ ISL, vấn đề cốt lõi là phục hồi chất lượng nước ngầm sau khi kết thúc khai thác. Các phương pháp chính bao gồm “Groundwater Sweep” (bơm hút nước ô nhiễm và thay thế bằng nước sạch) và xử lý bằng thẩm thấu ngược (RO). Các nghiên cứu tại Kazakhstan chỉ ra rằng quá trình “tự phục hồi” (natural attenuation) có thể diễn ra nhờ các hàng rào địa hóa tự nhiên trong lòng đất, nhưng quá trình này thường kéo dài và cần sự giám sát chặt chẽ.
Công nhân khai thác uranium đối mặt với ba nguy cơ chính: chiếu xạ ngoài (từ quặng), hít phải bụi phóng xạ và hít phải khí Radon. Các biện pháp kiểm soát bao gồm:
- Hệ thống thông gió cưỡng bức cực mạnh trong mỏ hầm lò.
- Sử dụng robot và thiết bị điều khiển từ xa.
- Giám sát liều lượng cá nhân liên tục cho mọi nhân viên.
Xu hướng chuyển đổi số và AI trong ngành khai thác
Năm 2024-2025 đánh dấu sự bùng nổ của các sáng kiến kỹ thuật số nhằm tối ưu hóa hoạt động khai thác. Kazatomprom đã triển khai hệ thống quản trị mỏ thông minh, tích hợp dữ liệu từ hàng ngàn cảm biến tại các bãi giếng ISL. Các hệ thống AI giúp:
- Dự báo nồng độ: Tối ưu hóa lượng axit sulfuric bơm xuống dựa trên mô hình hóa địa chất 3D thời gian thực.
- Phát hiện sớm rò rỉ: Sử dụng các thuật toán phân tích áp suất và lưu lượng để phát hiện các sự cố tại giếng khoan ngay lập tức.
- Tự động hóa bãi giếng: Giảm thiểu sự hiện diện của con người tại các khu vực rủi ro.
Việt Nam sở hữu nguồn tài nguyên uranium đáng kể, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung, đặc biệt là Trũng Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam. Các nghiên cứu địa chất tại khu vực Pa Lừa – Pa Rông cho thấy uranium tồn tại trong các lớp sa thạch và cuội kết.
- Hàm lượng: trung bình từ 0,032% đến 0,054% U3O8, với một số khu vực cục bộ đạt hàm lượng cao hơn.
- Đặc điểm thân quặng: các thân quặng có dạng thấu kính, độ dày trung bình 2,3 – 2,35m, phân bố không ổn định.
- Khoáng vật: chủ yếu là pitchblende và coffinite đi kèm với các khoáng vật sulfide và sắt.
Việt Nam đã đạt được những bước tiến quan trọng trong việc làm chủ quy trình công nghệ chế biến quặng uranium cấp thấp:
- Hòa tách đống (Heap Leaching): Các thử nghiệm quy mô 500kg – 3 tấn quặng tại thực địa cho thấy hiệu suất thu hồi đạt khoảng 75% khi sử dụng nồng độ axit sulfuric 50-75 g/L và tác nhân oxy hóa.
- Làm sạch và kết tủa: Dung dịch hòa tách được xử lý qua cột trao đổi ion sử dụng nhựa GS300. Quá trình kết tủa sau đó tạo ra tinh quặng bánh vàng đạt hàm lượng trên 80% U3O8, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về nguyên liệu đầu vào cho chu trình nhiên liệu hạt nhân.
Từ khóa: uranium;
– CMD –
