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海水提铀:科学家向大海要“黄金”

作者:李惠钰    发布时间:2019-05-13    文章来源:中国科学报

 

相比于陆地,海水中的铀矿资源甚至可以用“取之不尽”来形容。海水中铀的储量约为45亿吨,相当于陆地铀矿储量的1000倍。随着海水提铀技术的不断进步,未来如果能够将海水中的铀资源有效利用起来,足以保证核电的可持续发展,满足人类对能源的需求。

最近几个月,关于海水提铀方面的研究进展不时见诸媒体。美国橡树岭国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的科研人员日前发现了一种新型海水提铀吸附剂,可在温和的碳酸盐溶液中再生并重复使用。

此前,海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室团队联合清华大学材料学院伍晖教授课题组也在《先进能源材料》上发表研究成果,他们开发的功能纳米纤维在铀掺杂的天然海水中的吸附容量是目前美国能源部开发的提铀纤维吸附容量的5倍左右,更是日本原子能机构开发提铀材料的25倍左右。

相比于陆地,海水中的铀矿资源甚至可以用“取之不尽”来形容。海水中铀的储量约为45亿吨,相当于陆地铀矿储量的1000倍,这也使得国内外都将目标锁定在了海洋这一巨大的铀矿上。

随着海水提铀技术的不断进步,未来如果能够将海水中的铀资源有效利用起来,足以保证核电的可持续发展,满足人类对能源的需求。

取之不尽的资源

核电作为一种高效的清洁能源,正逐渐成为我国调整能源结构、实现经济和环境协调发展、促进产业结构升级的重要保障。我国在“十三五”规划中就确定了一个目标——力争到2030年前,核电站在发电能力和运行数量方面超过日美,成为世界最大的“核能强国”。

而要想实现这一目标,作为最重要的核燃料资源,铀的储量就成为我国核电可持续发展的基石。但实际上,我国铀矿储备并不十分丰富,国内已探明陆地铀资源储量约20万吨,由于资源需求和能源消耗非常大,这些铀资源就显得有些贫乏。

“我国很多时候铀矿还需要从国外进口,随着经济建设的进一步发展,铀资源将成为制约我国核能发展的主要因素之一。”一位不愿具名的核技术专家告诉《中国科学报》,“海水中蕴藏着约45亿吨铀,河水每年还可以汇集补充约2.7万吨铀,如果能够将海水中的铀资源有效利用起来,铀将会是一种‘取之不尽’的资源。”

尽管海水中含铀总量巨大,但要想从海水中提取到铀矿,难度堪比沙里淘金。铀主要以三碳酸铀酰离子的稳定结构存在于海水中,但其浓度只有3.3mg/L,也就是说,1吨海水中只有3.3毫克铀,是钠含量的约三百万分之一。

除了铀浓度极低,海水中与铀竞争的干扰离子太多也是海水提铀面临的主要挑战。中国工程物理研究院核物理与化学研究所副研究员文君告诉《中国科学报》,海水中有大量与铀酰离子共存,且含量大大高于铀酰离子的其它金属离子,海水中组成复杂的生物系统也会对提铀造成很大干扰。另外,海水提铀需要处理大量海水,实施周期长,还可能要面对海上的极端气候,这些因素都导致了海水提铀在具体实施上存在巨大的技术难度。

不仅如此,提铀材料只有大面积接触海水,才能有效提取铀酰离子,最重要的是提铀材料在海水特定的pH值、离子强度下能稳定完成吸附工作,这也意味着提铀材料必须耐得住海水的腐蚀,力学强度、机械性能都要很强,这都对材料提出了更高的要求。

吸附材料的进步是核心要素

良好的铀吸附材料是海水提铀的关键。当前,美国、日本等多国都投入大量的人力、物力研究开发海水提铀材料,希望抢占未来海水提铀的制高点。我国也不甘落后,近年来在提铀吸附材料上不断取得突破。从近期公开发表的学术研究论文可发现,我国吸附材料的铀吸附性能目前已经超过了美国能源部牵头的海水提铀专项所报道的性能指标。

以纤维类吸附材料为核心的直接吸附提取方法,被认为是目前最具工业化潜力的海水提铀方法。海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海水提铀研究团队与伍晖团队联合开发,实现了此类新型功能纳米纤维的低成本、宏量化制造以及实验室级别的海试研究,功能纳米纤维在天然海水中铀的吸附捕捉能力为目前纤维类吸附材料的最高水平。

“一个优异的提铀材料需要具有高选择性、高吸附容量、快速的吸附和洗脱速率、低萃取剂损伤和低成本。”在文君看来,对于海水提铀而言,由于提铀材料在海水环境下需要较好的稳定性,以便可以长期稳定地进行铀吸附,同时便于材料的回收,因此使用固相萃取剂更适合海水提铀。

除了吸附材料的进步,《中国科学报》了解到,由中国工程物理研究院核物理与化学研究所牵头,联合海南大学、清华大学和中科院上海应用物理研究所组建的海水提铀研究团队,已自主研发完成了海水提铀测试系统的搭建,使其成为我国首个真实海水提铀性能测试平台,同时正在设计提出我国海水提铀测试的国家标准。此外,该团队还从海水中提取出克量级铀并纯化制备成为黄饼,充分证明了海水提铀的技术可行性。

实现工业化任重道远

与陆地开采铀矿不同的是,海水提铀的过程对于环境非常友好,可以实现经济发展与环境保护兼顾,这也使得国内外十分看好海水提铀的市场前景和社会价值。

海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室副研究员王东对《中国科学报》表示,基于目前纤维吸附材料提铀技术的能源投资回报值约为22(单位质量回收铀生产的能源/海水提铀消耗的能源),从能源投资回报值和生态影响来看,海水提铀已经优于陆地铀开采。

但他也同时指出,海水提铀研发的终极目标是开发出从成本、规模和效率方面都能够与陆地铀矿提铀相当(或替代)的工程化技术方案,但从目前研究进展来看,海水提铀要实现工业化依然任重道远。

“成本是海水提铀开发的一个核心要素。”王东表示,海水提铀开发的成本主要包括吸附材料的制造成本,以及在实际使用过程中涉及的如运输、固定、回收、洗脱等方面的成本。考虑到吸附材料需要大规模、持续数十天地在天然海水中进行使用,其使用过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。

不仅如此,王东指出,目前国内的海水提铀还主要在实验室阶段,其吸附材料在真实海水中的吸附性能考查也主要是以室内天然海水中的吸附实验为主,几乎没有研究团队进行持续的、一定规模的野外海试研究,更没有工业化的海水提铀被报道。

诸多业内专家的共识是,海水提铀是一个实际应用目的非常强的研究方向,因此,研究者必须遵从“实用+经济”的基本原则,在这个原则的基础上进行科学创新和技术攻关。

“海试试验是海水提铀工业化的关键,是海水提铀能否成功的试金石。”上述不愿具名的核技术专家表示,海试试验能够发现很多项目运行的实际问题,因此,海试也是海水提铀必须开展的研究项目。另外,海水提铀海试联用技术也是以后一个重要的发展方向,在已有的设备平台上结合海水提铀可以降低成本,提高设备利用率,加快海水提铀工业化进程。

在提铀材料性能不断提升的今天,海水提铀工程化技术储备不足的问题日益突出。对此,文君表示,要提升我国海水提铀工程化技术就需要以海水提铀的工程需求为牵引,大力发展海水提铀海试试验,综合性地研究海水提铀规模化海试过程中的科学、技术和工程问题,为工业化提供足够的技术支持。

文君还建议,海水提铀技术需要进一步推广,通过选择性控制以实现对海洋中多种有价值的金属资源提取,同时海水提铀的技术研发要重视与海水淡化、海盐提取等成熟工业的结合,实现海洋资源的综合利用。

他还希望沿海地方重视海水提铀项目,并在实验海域与政策经费上给予支持;社会相关企业能够积极参与并投入到海水提铀项目的研发。此外,海水提铀的研究必须建立国家测试标准和实验平台,全国开放,加强合作,共同推动中国海水提铀的基础研究与工程化进程。


 

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