海水提鈾：科學(xué)家向大海要“黃金”

　　相比于陸地，海水中的鈾礦資源甚至可以用“取之不盡”來(lái)形容。海水中鈾的儲(chǔ)量約為45億噸，相當(dāng)于陸地鈾礦儲(chǔ)量的1000倍。隨著海水提鈾技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)如果能夠?qū)⒑Ｋ械拟欃Y源有效利用起來(lái)，足以保證核電的可持續(xù)發(fā)展，滿足人類對(duì)能源的需求。

　　最近幾個(gè)月，關(guān)于海水提鈾方面的研究進(jìn)展不時(shí)見(jiàn)諸媒體。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研人員日前發(fā)現(xiàn)了一種新型海水提鈾吸附劑，可在溫和的碳酸鹽溶液中再生并重復(fù)使用。

　　此前，海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授課題組也在《先進(jìn)能源材料》上發(fā)表研究成果，他們開(kāi)發(fā)的功能納米纖維在鈾摻雜的天然海水中的吸附容量是目前美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)的提鈾纖維吸附容量的5倍左右，更是日本原子能機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)提鈾材料的25倍左右。

　　相比于陸地，海水中的鈾礦資源甚至可以用“取之不盡”來(lái)形容。海水中鈾的儲(chǔ)量約為45億噸，相當(dāng)于陸地鈾礦儲(chǔ)量的1000倍，這也使得國(guó)內(nèi)外都將目標(biāo)鎖定在了海洋這一巨大的鈾礦上。

　　隨著海水提鈾技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)如果能夠?qū)⒑Ｋ械拟欃Y源有效利用起來(lái)，足以保證核電的可持續(xù)發(fā)展，滿足人類對(duì)能源的需求。

　　取之不盡的資源

　　核電作為一種高效的清潔能源，正逐漸成為我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要保障。我國(guó)在“十三五”規(guī)劃中就確定了一個(gè)目標(biāo)——力爭(zhēng)到2030年前，核電站在發(fā)電能力和運(yùn)行數(shù)量方面超過(guò)日美，成為世界最大的“核能強(qiáng)國(guó)”。

　　而要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作為最重要的核燃料資源，鈾的儲(chǔ)量就成為我國(guó)核電可持續(xù)發(fā)展的基石。但實(shí)際上，我國(guó)鈾礦儲(chǔ)備并不十分豐富，國(guó)內(nèi)已探明陸地鈾資源儲(chǔ)量約20萬(wàn)噸，由于資源需求和能源消耗非常大，這些鈾資源就顯得有些貧乏。

　　“我國(guó)很多時(shí)候鈾礦還需要從國(guó)外進(jìn)口，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，鈾資源將成為制約我國(guó)核能發(fā)展的主要因素之一。”一位不愿具名的核技術(shù)專家告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“海水中蘊(yùn)藏著約45億噸鈾，河水每年還可以匯集補(bǔ)充約2.7萬(wàn)噸鈾，如果能夠?qū)⒑Ｋ械拟欃Y源有效利用起來(lái)，鈾將會(huì)是一種‘取之不盡’的資源。”

　　盡管海水中含鈾總量巨大，但要想從海水中提取到鈾礦，難度堪比沙里淘金。鈾主要以三碳酸鈾酰離子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)存在于海水中，但其濃度只有3.3mg/L，也就是說(shuō)，1噸海水中只有3.3毫克鈾，是鈉含量的約三百萬(wàn)分之一。

　　除了鈾濃度極低，海水中與鈾競(jìng)爭(zhēng)的干擾離子太多也是海水提鈾面臨的主要挑戰(zhàn)。中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所副研究員文君告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，海水中有大量與鈾酰離子共存，且含量大大高于鈾酰離子的其它金屬離子，海水中組成復(fù)雜的生物系統(tǒng)也會(huì)對(duì)提鈾造成很大干擾。另外，海水提鈾需要處理大量海水，實(shí)施周期長(zhǎng)，還可能要面對(duì)海上的極端氣候，這些因素都導(dǎo)致了海水提鈾在具體實(shí)施上存在巨大的技術(shù)難度。

　　不僅如此，提鈾材料只有大面積接觸海水，才能有效提取鈾酰離子，最重要的是提鈾材料在海水特定的pH值、離子強(qiáng)度下能穩(wěn)定完成吸附工作，這也意味著提鈾材料必須耐得住海水的腐蝕，力學(xué)強(qiáng)度、機(jī)械性能都要很強(qiáng)，這都對(duì)材料提出了更高的要求。

　　吸附材料的進(jìn)步是核心要素

　　良好的鈾吸附材料是海水提鈾的關(guān)鍵。當(dāng)前，美國(guó)、日本等多國(guó)都投入大量的人力、物力研究開(kāi)發(fā)海水提鈾材料，希望搶占未來(lái)海水提鈾的制高點(diǎn)。我國(guó)也不甘落后，近年來(lái)在提鈾吸附材料上不斷取得突破。從近期公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)研究論文可發(fā)現(xiàn)，我國(guó)吸附材料的鈾吸附性能目前已經(jīng)超過(guò)了美國(guó)能源部牽頭的海水提鈾專項(xiàng)所報(bào)道的性能指標(biāo)。

　　以纖維類吸附材料為核心的直接吸附提取方法，被認(rèn)為是目前最具工業(yè)化潛力的海水提鈾方法。海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海水提鈾研究團(tuán)隊(duì)與伍暉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了此類新型功能納米纖維的低成本、宏量化制造以及實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的海試研究，功能納米纖維在天然海水中鈾的吸附捕捉能力為目前纖維類吸附材料的最高水平。

　　“一個(gè)優(yōu)異的提鈾材料需要具有高選擇性、高吸附容量、快速的吸附和洗脫速率、低萃取劑損傷和低成本。”在文君看來(lái)，對(duì)于海水提鈾而言，由于提鈾材料在海水環(huán)境下需要較好的穩(wěn)定性，以便可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行鈾吸附，同時(shí)便于材料的回收，因此使用固相萃取劑更適合海水提鈾。

　　除了吸附材料的進(jìn)步，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》了解到，由中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所牽頭，聯(lián)合海南大學(xué)、清華大學(xué)和中科院上海應(yīng)用物理研究所組建的海水提鈾研究團(tuán)隊(duì)，已自主研發(fā)完成了海水提鈾測(cè)試系統(tǒng)的搭建，使其成為我國(guó)首個(gè)真實(shí)海水提鈾性能測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)正在設(shè)計(jì)提出我國(guó)海水提鈾測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，該團(tuán)隊(duì)還從海水中提取出克量級(jí)鈾并純化制備成為黃餅，充分證明了海水提鈾的技術(shù)可行性。

　　實(shí)現(xiàn)工業(yè)化任重道遠(yuǎn)

　　與陸地開(kāi)采鈾礦不同的是，海水提鈾的過(guò)程對(duì)于環(huán)境非常友好，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)兼顧，這也使得國(guó)內(nèi)外十分看好海水提鈾的市場(chǎng)前景和社會(huì)價(jià)值。

　　海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員王東對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，基于目前纖維吸附材料提鈾技術(shù)的能源投資回報(bào)值約為22（單位質(zhì)量回收鈾生產(chǎn)的能源/海水提鈾消耗的能源），從能源投資回報(bào)值和生態(tài)影響來(lái)看，海水提鈾已經(jīng)優(yōu)于陸地鈾開(kāi)采。

　　但他也同時(shí)指出，海水提鈾研發(fā)的終極目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出從成本、規(guī)模和效率方面都能夠與陸地鈾礦提鈾相當(dāng)（或替代）的工程化技術(shù)方案，但從目前研究進(jìn)展來(lái)看，海水提鈾要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化依然任重道遠(yuǎn)。

　　“成本是海水提鈾開(kāi)發(fā)的一個(gè)核心要素。”王東表示，海水提鈾開(kāi)發(fā)的成本主要包括吸附材料的制造成本，以及在實(shí)際使用過(guò)程中涉及的如運(yùn)輸、固定、回收、洗脫等方面的成本?？紤]到吸附材料需要大規(guī)模、持續(xù)數(shù)十天地在天然海水中進(jìn)行使用，其使用過(guò)程中涉及的成本往往比吸附材料本身的制造成本要高得多。

　　不僅如此，王東指出，目前國(guó)內(nèi)的海水提鈾還主要在實(shí)驗(yàn)室階段，其吸附材料在真實(shí)海水中的吸附性能考查也主要是以室內(nèi)天然海水中的吸附實(shí)驗(yàn)為主，幾乎沒(méi)有研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行持續(xù)的、一定規(guī)模的野外海試研究，更沒(méi)有工業(yè)化的海水提鈾被報(bào)道。

　　諸多業(yè)內(nèi)專家的共識(shí)是，海水提鈾是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用目的非常強(qiáng)的研究方向，因此，研究者必須遵從“實(shí)用+經(jīng)濟(jì)”的基本原則，在這個(gè)原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)。

　　“海試試驗(yàn)是海水提鈾工業(yè)化的關(guān)鍵，是海水提鈾能否成功的試金石。”上述不愿具名的核技術(shù)專家表示，海試試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)很多項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際問(wèn)題，因此，海試也是海水提鈾必須開(kāi)展的研究項(xiàng)目。另外，海水提鈾海試聯(lián)用技術(shù)也是以后一個(gè)重要的發(fā)展方向，在已有的設(shè)備平臺(tái)上結(jié)合海水提鈾可以降低成本，提高設(shè)備利用率，加快海水提鈾工業(yè)化進(jìn)程。

　　在提鈾材料性能不斷提升的今天，海水提鈾工程化技術(shù)儲(chǔ)備不足的問(wèn)題日益突出。對(duì)此，文君表示，要提升我國(guó)海水提鈾工程化技術(shù)就需要以海水提鈾的工程需求為牽引，大力發(fā)展海水提鈾海試試驗(yàn)，綜合性地研究海水提鈾規(guī)?；Ｔ囘^(guò)程中的科學(xué)、技術(shù)和工程問(wèn)題，為工業(yè)化提供足夠的技術(shù)支持。

　　文君還建議，海水提鈾技術(shù)需要進(jìn)一步推廣，通過(guò)選擇性控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋中多種有價(jià)值的金屬資源提取，同時(shí)海水提鈾的技術(shù)研發(fā)要重視與海水淡化、海鹽提取等成熟工業(yè)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)海洋資源的綜合利用。

　　他還希望沿海地方重視海水提鈾項(xiàng)目，并在實(shí)驗(yàn)海域與政策經(jīng)費(fèi)上給予支持；社會(huì)相關(guān)企業(yè)能夠積極參與并投入到海水提鈾項(xiàng)目的研發(fā)。此外，海水提鈾的研究必須建立國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，全國(guó)開(kāi)放，加強(qiáng)合作，共同推動(dòng)中國(guó)海水提鈾的基礎(chǔ)研究與工程化進(jìn)程。（■本報(bào)記者 李惠鈺）