从独居石(Monazite)矿石和稀土(REE)尾矿中回收钍(Thorium)的技术经济评估(TEA)：全球证据及对中亚地区的启示

《Processes》：Techno-Economic Assessment for Thorium Recovery from Monazite Ores and REE Tailings: Global Evidence and Implications for Central Asia

　　

摘要：钍(Thorium, Th)作为一种可转换生成裂变核素 233U 的增殖(fertile)材料，日益被视为可持续核能的潜在资源，且常作为稀土元素(Rare Earth Elements, REE)加工的副产物产出。研究人员建立了一个参数化技术经济评估(Techno-Economic Assessment, TEA)框架，综合了中国、俄罗斯、美国、印度及欧洲已发表数据，旨在为中亚条件下评估从独居石(monazite)矿石(含4–12% ThO2)和REE尾矿(含0.1–3% ThO2)中回收钍的经济性奠定方法论基础。该框架特别关注与铀尾矿的协同处理及纳米复合吸附剂、碳基电极等先进材料的应用。文献报道ThO2生产成本约为50–500 USD/kg，取决于工艺规模、原料品位及REE联产情况；研究一致表明钍回收与REE加工耦合可提升经济可行性，混合技术及电吸附(electrosorption)系统有望降低操作成本并提高工艺效率。尽管面临资本投入高、市场不确定性和放射性废物管理等挑战，钍作为未来核燃料循环及包括小型模块化反应堆(Small Modular Reactor, SMR)在内的先进堆系统的潜在组成部分仍受关注。据研究人员所知，这是首个针对中亚条件构建的参数化TEA框架，将文献区域数据、情景化工艺经济学及蒙特卡洛(Monte Carlo)敏感性分析整合于单一折现现金流(Discounted Cash Flow, DCF)结构中。

论文解读：从独居石矿石和稀土尾矿中回收钍(Thorium)的技术经济评估(TEA)——全球证据及对中亚地区的启示

一、研究背景与立题依据

钍(²³²Th)本身不是裂变(fissile)材料，但在反应堆内经中子俘获可转化为裂变核素 ²³³U，因而是一种重要的增殖(fertile)材料，全球钍资源估算约620–720万吨，可供长期核能利用。目前钍主要从独居石(monazite, (Ce,La,Th)PO₄，含4–12% ThO₂)及稀土元素(Rare Earth Elements, REE)加工尾矿(含0.1–3% ThO₂)中作为副产品回收，与REE联产可提高资源利用率并降低环境风险。然而，钍回收面临缺乏成熟市场与燃料循环基础设施、初投资(CAPEX)高、低浓度分离技术复杂、放射性材料监管导致操作成本(OPEX)增加等问题，经济可行性尚存争议。既往研究多聚焦单一国家或单一工艺路线，缺乏结合多区域数据并适配中亚地质与产业条件的参数化技术经济评估(Techno-Economic Assessment, TEA)。哈萨克斯坦作为全球最大铀生产国，铀尾矿中含可观钍资源但未回收利用，且规划发展小型模块化反应堆(Small Modular Reactor, SMR)，亟需适合本区域的评估方法。本文即在综述全球主要国家钍回收技术与经济数据基础上，首次构建面向中亚（以哈萨克斯坦为参数化对象）的参数化TEA框架，采用折现现金流(Discounted Cash Flow, DCF)模型与蒙特卡洛敏感性分析，为后续实地可行性研究提供可复制的方法论基础。该文发表于《Processes》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用系统性文献综述法，检索Scopus、Web of Science、Google Scholar（2005–2025）及IAEA技术文件、各国核计划报告，初检约340篇，最终筛选47篇与工艺经济学、提取效率及区域适用性相关的文献。在此基础上构建参数化TEA模型：假定厂规模10 t ThO₂/年，折现率10%，项目寿命20年，ThO₂基准价200 USD/kg，REE联产收益来自La₂O₃（2 USD/kg）和CeO₂（1.5 USD/kg），CAPEX 15–20 M USD，OPEX 5–10 M USD/年，关键变量±30%波动进行敏感性分析，并进行1000次蒙特卡洛模拟；所有货币值为2024 USD。工艺路线综述涵盖物理富集、酸法/碱法浸出、生物浸出、NH₄HF₂氟化、液液萃取（TBP, D2EHPA等）及电吸附(electrosorption)、纳米复合吸附剂等。

三、研究结果

3.1 全球钍(Thorium)资源

钍主要赋存于独居石(4–12% ThO₂)、方钍石(thorianite)、钍石(thorite)及铈磷灰石(cheralite)；REE尾矿中呈无定形磷酸盐或次生钍石(0.1–3% ThO₂)。重要矿床分布于印度Kerala海岸砂、巴西Minas Gerais、澳大利亚Mount Weld及中国白云鄂博(Bayan Obo)。IAEA分类：碳酸岩型29%、碱性岩型9%、热液脉型25%、变质型少量、砂矿型35%。从REE尾矿二次回收可降低提取成本20–30%。哈萨克斯坦钍资源伴生于Djezkazgan铜铀矿尾矿(0.05–0.12% ThO₂)及Moinkum、Inkai铀矿独居石砂(0.08–0.15% ThO₂)，铀尾矿中钍总量超15,000 t Th，现行铀水冶流程中未回收，技术上具备耦合回收可行性，边际成本可降至80–120 USD/kg ThO₂。

3.2 国别分析(Country-Specific Analysis)

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  3.2.1 中国：白云鄂博世界级REE矿床，独居石-氟碳铈矿含Th 0.03–0.12%，尾矿富集至3% ThO₂，磁化焙烧-(NH₄)₂SO₄活化浸出钍回收率77–83%；湿法浸出残渣年回收约106 t Th，电吸附可降本15–20%；白云鄂博钍储量估221 kt（品位0.038%），占中国钍资源约77%。
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  3.2.2 俄罗斯：Rosatom视独居石钍为闭式燃料循环关键，碱熔法工业规模(≥10 t ThO₂/年)成本55–200 USD/kg，胺类溶剂萃取达90%回收率且低于100 USD/kg；国家REE路线图目标2030年3000 t/年REE产量，NH₄HF₂氟化降本20–30%；燃烧问题研究所(Institute of Combustion Problems, ICP)碳基纳米复合材料理论增效最高25%（基于吸附性能外推，未直接钍验证）。
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  3.2.3 美国：DOE/ORNL研究独居石废料(Pea Ridge)及REE尾矿(0.01–0.15% Th)，Amex工艺钍回收>99%，成本约48–110 USD/kg ThO₂，尾矿来源可低于100 USD/kg；Lemhi Pass储量64 kt ThO₂在铀价>130 USD/kg时具经济性；Energy Fuels规划60 kt/年独居石处理能力；电吸附降本约20%。
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  3.2.4 印度：海岸砂独居石含9–10% ThO₂，钍储量约846 kt；BARC主导，10 t/年规模生产成本估501–553 USD/kg ThO₂，部分被REE收益抵消；独居石采矿成本~1 USD/kg，年产钍约184.5 t；ThO₂定价80 USD/kg时ROI>150%；混合工艺降本15–25%；AHWR(Advanced Heavy Water Reactor)项目推进闭式钍燃料循环。
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  3.2.5 欧盟：挪威Fen碳酸岩杂岩及瑞典Norra K?rr碱性岩REE尾矿回收钍，储量为~100 kt ThO₂；碱浸+电吸附回收率85–95%，成本100–200 USD/kg ThO₂，显著受REE收益抵消；ICP型碳基纳米复合吸附剂理论降OPEX 20–25%（待中试验证）。
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  3.2.6 哈萨克斯坦：钍伴生于铀尾矿及独居石砂，总资源>15,000 t Th；现产铀~21,000 t U/年产生含钍尾矿未回收；耦合入现有铀水冶回路边际成本估80–120 USD/kg ThO₂；国家SMR规划形成战略驱动力；ICP开发的碳基纳米材料及电吸附电极概念需中试验证。

3.3 回收方法与成本(Recovery Methods and Costs)

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  3.3.1 物理富集(Physical Concentration/Beneficiation)：重选、磁选、静电分选，OPEX 10–25 USD/t矿石，精矿ThO₂可达10–12%，回收率80–90%；REE尾矿中可将钍品位提3–5倍，降低后续化工段成本。
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  3.3.2 水法冶金—酸浸出(Hydrometallurgy—Acid Leaching)：硫酸焙烧-水浸钍回收率85–95%，需尾气脱硫致成本增15–25%，总处理成本150–350 USD/kg ThO₂；盐酸浸出回收率90–95%选择性更高但需耐腐设备增CAPEX 10–20%；硝酸单独使用浸出率低(<20%)多与TBP萃取联用；总体酸法回收率90–99%，成本50–500 USD/kg ThO₂（视规模与品位）。
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  3.3.3 碱浸出(Alkaline Leaching)：浓NaOH(30–50%) 130–180℃加压，Th转为不溶Th(OH)₄，REE溶出，直接浸出回收率15%，配合焙烧可达91%；NaOH占OPEX 20–30%需再生；废酸少但试剂贵，成本200–400 USD/kg ThO₂；适合高磷独居石精矿。
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  3.3.4 生物浸出(Bioleaching)：Aspergillus ficuum或Acidithiobacillus产有机酸溶解，钍回收率63–75%，能耗与试剂费为化学法1/2–1/3，但动力学慢需大体积反应器，适于低品位尾矿。
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  3.3.5 氟化(NH₄HF₂Method/Fluorination)：独居石与NH₄HF₂210℃加热1.5 h破坏晶格，部分再生试剂降本20–25%，难处理矿石适用且硫氮废物少。
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  3.3.6 萃取与吸附(Extraction and Sorption)：溶出后TBP、D2EHPA、Cyanex 272或PC-88A液液萃取钍回收率90–95%，产品纯度达99.6%，萃取剂占OPEX 15–25%；离子印迹聚合物固相吸附可高纯洗脱；碳电极(石墨烯、MoS₂@rGO、g-C₃N₄)电吸附(electrosorption)容量报道达4000 mg/g，施加电压选择性捕获Th⁴⁺，成本降25–30%且几无废液；稻壳衍生碳材料及TiO₂/MOF纳米复合材料在哈萨克斯坦实验室阶段显示良好前景。
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  3.3.7 其他创新(Other Innovations)：K₂Cr₂O₇结晶5分钟内单级纯化至99.998%；膜分离无试剂浓缩稀溶液中钍；焙烧-溶剂萃取-电吸附混合工艺在20 t ThO₂/年规模投资回收期3–4年。
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  3.3.8 成本概览(Cost Overview)：物理富集10–25 USD/t矿石；酸浸+溶剂萃取50–500 USD/kg ThO₂（大规模高品位低限，小试低品位高限）；碱浸200–400 USD/kg ThO₂；生物浸出及电吸附路线最经济，50–150 USD/kg ThO₂；尾矿原料OPEX通常50–100 USD/kg ThO₂，原生独居石加工200–300 USD/kg ThO₂；REE价格波动±20%引ROI变动10–15%。

3.4 技术经济评估(Techno-Economic Assessment, TEA)

参数化DCF-TEA模型（基准10 t ThO₂/年，CAPEX 15–20 M USD，OPEX 5–10 M USD/年，REE联产收益20–30 M USD/年）得出基准情景NPV 45–60 M USD，IRR 15–25%，PBP 4–6年；应用电吸附与纳米复合吸附剂可使三项指标改善20–25%。龙卷风图(tornado diagram)显示REE价格影响最大（NPV ±35–40 M USD），其次为回收率（±15–18 M USD）、OPEX（±15–20 M USD）、CAPEX（±10–12 M USD）。蒙特卡洛模拟（1000次，±30%）给出参数不确定性包络。研究指出局限性：输入参数源自文献未获哈萨克斯坦现场实测（需XRD/XANES物相、脉石矿物学及浸出动力学表征）；对REE价格敏感（±20%价格波动引NPV变30–40%，悲观情景近盈亏平衡）；电吸附与纳米材料处于实验室成熟度，需中试验证；未完全纳入IAEA及哈国放射废物法规变化与更严碳税影响（可能增OPEX 10–15%）。建议后续优先开展Djezkazgan与Moinkum原料表征及混合电吸附方案中试，长期开展全生命周期评价(LCA)、Aspen Plus/COMSOL工艺模拟及纳入国家可行性规划。

四、讨论与结论总结（翻译Conclusions部分浓缩）

研究人员得出结论：从独居石矿石和REE尾矿中回收钍在技术可行，且在与REE联产及有利市场条件下具经济吸引力；文献估算联产可使ThO₂生产成本低于500 USD/kg，电吸附及纳米复合吸附剂等现代方法进一步降本20–25%，情景分析显示ROI可达120–180%、投资回收期3–7年（依规模、原料及REE市场而异）。全球实践中，中国将钍回收耦合白云鄂博REE废料处理，俄罗斯发展闭式燃料循环目标2030年3000 t REE/年，美国侧重独居石矿床低本废渣再处理，印度通过BARC AHWR项目追求自主钍燃料循环，欧盟将钍相关项目对接绿色协议及关键原材料法案；钍日益被视为先进核燃料循环（尤与SMR及集成REE加工联用）的长期组分。对中亚而言，钍回收提供能源多元化、经济增长及核技术领域进阶路径，可依托铀尾矿与REE残渣实施试点并采纳碳基纳米材料及电吸附等先进技术；可能发展路径含试点厂(2027–2029)、工业厂及SMR集成(2029–2035)、区域/全球市场参与(2036–2050)（属指示性情景）。据研究人员所知，此为首个针对中亚条件开发、融汇全球比较数据、哈萨克斯坦区域参数及文献工艺经济学于统一DCF结构的参数化TEA框架；敏感性与情景分析表明项目在多REE价格假设下具潜在可行性，同时明确REE价格波动为最主要不确定性，需通过现场数据收集与长期承购协议缓释。结果可为具相似REE与铀工业基础国家提供可复制评估方法，支持将钍纳入长期可持续核能战略。