約500萬(wàn)噸和45億噸，僅從這兩個(gè)相差近千倍的數(shù)字，我國(guó)鈾困境與出路可見(jiàn)一斑。

前者是已探明的陸地鈾礦儲(chǔ)量，但只夠用100年;后者是海洋中鈾資源儲(chǔ)量，成為各工業(yè)國(guó)發(fā)展核能的“藍(lán)海”。

“我國(guó)是時(shí)候加強(qiáng)這方面的戰(zhàn)略儲(chǔ)備了!”中科院上海高等研究院(簡(jiǎn)稱上海高研院)綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心研究員姜標(biāo)對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，隨著我國(guó)將核電政策由“適度發(fā)展”調(diào)整為“積極發(fā)展”，鈾資源缺口變得越來(lái)越大，嚴(yán)重依賴進(jìn)口并不可取，而海水提鈾技術(shù)突破或?qū)榫徑膺@一困境提供一條新路徑。

近期，山東大學(xué)、上海大學(xué)、上海高研院、中科院上海應(yīng)用物理研究所及中核集團(tuán)等高校院所和企業(yè)紛紛傳來(lái)好消息，或取得重要科研成果，或向產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步。

海水提鈾前景廣闊

在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，我國(guó)能源電力系統(tǒng)清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型進(jìn)程進(jìn)一步加快。核能作為近零排放的清潔能源，被認(rèn)為具有更加廣闊的發(fā)展空間，并將保持較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

鈾作為核反應(yīng)的主要燃料，是核能發(fā)展的重要因素。“為了保證核電的可持續(xù)發(fā)展，滿足人類對(duì)能源的需求，將海水中的鈾資源有效利用起來(lái)是未來(lái)趨勢(shì)。”山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員王志寧告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

此外，核廢水泄漏排放到海洋中，也是促進(jìn)海水提鈾研究發(fā)展的一個(gè)重要因素。

“從環(huán)境意義上看，相比陸地鈾礦開(kāi)采，海水提鈾對(duì)環(huán)境造成的污染小;目前水體系的重金屬污染較嚴(yán)重，如果能從海水中把極低濃度的鈾高效提取出來(lái)，那么這一技術(shù)對(duì)重金屬污染水源凈化和修復(fù)意義較大。”上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院教授馬紅娟補(bǔ)充道。

1984年，日本建成年產(chǎn)10公斤鈾的海水提鈾模擬廠，這是世界上第一個(gè)海水提鈾工廠。此后，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等20多個(gè)國(guó)家，都相繼進(jìn)行了海水提鈾的研發(fā)工作。

我國(guó)海水提鈾研究始于20世紀(jì)70年代。中科院海洋研究所、山東海洋學(xué)院等單位進(jìn)行了一系列研究工作，先后篩選和研制天然礦物、海洋生物、難溶氫氧化物系列復(fù)合富集劑等多種類型的幾百種提鈾富集劑。然而，相關(guān)工作在80年代終止。

近幾年，無(wú)論是學(xué)界還是產(chǎn)業(yè)界，海水提鈾相關(guān)工作又開(kāi)始活躍起來(lái)。

馬紅娟對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，受核電發(fā)展規(guī)劃影響，我國(guó)核電發(fā)展較快，但鈾資源對(duì)外依存度過(guò)高，近80%依靠進(jìn)口，到2035年將達(dá)到90%以上。受海洋資源綜合利用發(fā)展戰(zhàn)略的影響，要想穩(wěn)定安全地發(fā)展核事業(yè)，“卡脖子”技術(shù)必須掌握在自己手中。

提鈾性能有較大提高

從大海“撈”鈾并不是一件容易事。上海高研院副研究員李繼香告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一是海水中鹽分很高，且成分非常復(fù)雜;二是海水中鈾濃度非常低，相當(dāng)于30萬(wàn)噸海水蘊(yùn)含約1公斤鈾元素，使得海水提鈾成為極具挑戰(zhàn)性的科技難題。

溶劑法、共沉淀法、離子交換法和吸附法是海水提鈾的主要方法，其中吸附法被認(rèn)為是最具產(chǎn)業(yè)化潛力的方法，也是目前研究最為廣泛的海水提鈾技術(shù)。而偕胺肟基聚合物又是最具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的海水提鈾材料。

“近年來(lái)，吸附材料設(shè)計(jì)涌現(xiàn)出很多獨(dú)具特色和創(chuàng)新的方法，所以材料的提鈾性能較前幾十年有了很大提高。”馬紅娟說(shuō)。

王志寧團(tuán)隊(duì)在前期工作中研制出一種琥珀酰—β—環(huán)糊精復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)β—環(huán)糊精對(duì)六價(jià)鈾具有較好的吸附能力。為了進(jìn)一步提高吸附劑的吸鈾能力，他們將基底材料由二維膜材料轉(zhuǎn)換成三維石墨烯氣凝膠，石墨烯氣凝膠具有豐富的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以增加活性吸附位點(diǎn)。相關(guān)論文已發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》。

“我們選用偕胺肟化的二氨基馬來(lái)腈，將β—環(huán)糊精引入到石墨烯氣凝膠骨架上。偕胺肟基和β—環(huán)糊精協(xié)同增強(qiáng)吸附劑的吸鈾能力及選擇性，同時(shí)賦予吸附劑抗油污性能。”王志寧介紹，制備過(guò)程采用的是一步水熱合成方法。

王志寧表示，該氣凝膠已制備成吸附組件，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小規(guī)模放大實(shí)驗(yàn)，但還未進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

馬紅娟進(jìn)一步向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，目前，新材料的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)或微觀形貌兩個(gè)方面。而后者是他們團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所等單位研發(fā)的海水提鈾技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)。

“我們把偕胺肟基基團(tuán)在材料上的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓接枝在基材上的功能團(tuán)的高分子鏈不再密實(shí)地分布在纖維表面和內(nèi)部，而是自組裝在表面形成納米顆粒和間隙，同時(shí)高分子鏈在基材內(nèi)部的生長(zhǎng)形成幾百納米的孔道。”馬紅娟表示，這樣不僅提高基材的比表面積，更有利于目標(biāo)離子在材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而提高材料捕獲鈾的效率。

商業(yè)應(yīng)用已現(xiàn)曙光

事實(shí)上，目前國(guó)內(nèi)外吸附材料研究非常廣泛，尤其偕氨肟類吸附材料已展示出較強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，但大規(guī)模海洋工程研究還較少。

今年4月，馬紅娟聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在我國(guó)東海、南海近海海域陸續(xù)投放約30公斤纖維和薄膜吸附材料，開(kāi)展大規(guī)模海洋吸附試驗(yàn)。據(jù)悉，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已獲得約1公斤的含鈾混合物，提鈾量達(dá)到百克量級(jí)。

“經(jīng)濟(jì)性評(píng)估顯示，采用聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)的吸附材料和方法，提鈾成本已經(jīng)降低到與國(guó)際水平相當(dāng)。”馬紅娟說(shuō)。

在馬紅娟看來(lái)，不同海洋環(huán)境和材料布置形式對(duì)吸附性能的影響很大。她介紹，實(shí)驗(yàn)室可以較穩(wěn)定地控制或調(diào)整海水的狀態(tài)，如海水流速、純凈度、溫度等，但真正進(jìn)行海試試驗(yàn)時(shí)，“是沒(méi)有辦法控制的”。

除此之外，海域的選擇、時(shí)間都會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生較大影響。

“在目前試驗(yàn)范圍內(nèi)，材料放置的深度越深，海水越純凈，對(duì)提鈾越有利;夏季因溫度較高，有利于提鈾效率;海水流速越高，物質(zhì)交換越充分，對(duì)提鈾效率越有利。”馬紅娟總結(jié)道。

在姜標(biāo)看來(lái)，目前海水提鈾離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，但已看到商業(yè)應(yīng)用的曙光。

2019年11月，中核集團(tuán)牽頭成立中國(guó)海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)盟)。今年4月，該聯(lián)盟成立海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟理事會(huì)，并提出海水提鈾技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線：到2025年，具備實(shí)現(xiàn)海水中提取公斤級(jí)能發(fā)電的核產(chǎn)品能力;到2035年，用10年時(shí)間建成海水提鈾噸級(jí)示范工程;到2050年，用15年時(shí)間實(shí)現(xiàn)海水提鈾的連續(xù)生產(chǎn)。作為聯(lián)盟副理事長(zhǎng)，姜標(biāo)認(rèn)為，該技術(shù)路線將助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“向大海要鈾”的鈾礦開(kāi)采目標(biāo)。

值得一提的是，中核集團(tuán)已將海水提鈾列入其先導(dǎo)技術(shù)，并將在“十四五”期間聯(lián)合聯(lián)盟各單位，編制吸附材料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)海水提鈾海試平臺(tái)，推動(dòng)海水提鈾技術(shù)的工程化進(jìn)程。