約500萬噸和45億噸，僅從這兩個相差近千倍的數(shù)字，我國鈾困境與出路可見一斑。

前者是已探明的陸地鈾礦儲量，但只夠用100年;后者是海洋中鈾資源儲量，成為各工業(yè)國發(fā)展核能的“藍海”。

“我國是時候加強這方面的戰(zhàn)略儲備了!”中科院上海高等研究院(簡稱上海高研院)綠色化學工程技術(shù)研究與發(fā)展中心研究員姜標對《中國科學報》說，隨著我國將核電政策由“適度發(fā)展”調(diào)整為“積極發(fā)展”，鈾資源缺口變得越來越大，嚴重依賴進口并不可取，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、上海大學、上海高研院、中科院上海應用物理研究所及中核集團等高校院所和企業(yè)紛紛傳來好消息，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

在碳達峰、碳中和的背景下，我國能源電力系統(tǒng)清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型進程進一步加快。核能作為近零排放的清潔能源，被認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。

鈾作為核反應的主要燃料，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，滿足人類對能源的需求，將海水中的鈾資源有效利用起來是未來趨勢。”山東大學環(huán)境科學與工程學院研究員王志寧告訴《中國科學報》。

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

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

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

我國海水提鈾研究始于20世紀70年代。中科院海洋研究所、山東海洋學院等單位進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，無論是學界還是產(chǎn)業(yè)界，海水提鈾相關(guān)工作又開始活躍起來。

馬紅娟對《中國科學報》說，受核電發(fā)展規(guī)劃影響，我國核電發(fā)展較快，但鈾資源對外依存度過高，近80%依靠進口，到2035年將達到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《中國科學報》，一是海水中鹽分很高，且成分非常復雜;二是海水中鈾濃度非常低，相當于30萬噸海水蘊含約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)化應用前景的海水提鈾材料。

“近年來，吸附材料設計涌現(xiàn)出很多獨具特色和創(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。

王志寧團隊在前期工作中研制出一種琥珀酰—β—環(huán)糊精復合膜，發(fā)現(xiàn)β—環(huán)糊精對六價鈾具有較好的吸附能力。為了進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)絡結(jié)構(gòu)，可以增加活性吸附位點。相關(guān)論文已發(fā)表于《環(huán)境科學與技術(shù)》。

“我們選用偕胺肟化的二氨基馬來腈，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)同增強吸附劑的吸鈾能力及選擇性，同時賦予吸附劑抗油污性能。”王志寧介紹，制備過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，并在實驗室中進行小規(guī)模放大實驗，但還未進行大規(guī)模應用。

馬紅娟進一步向《中國科學報》介紹，目前，新材料的設計主要體現(xiàn)在化學結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)或微觀形貌兩個方面。而后者是他們團隊聯(lián)合中國科學技術(shù)大學、中科院上海應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。

“我們把偕胺肟基基團在材料上的分布進行設計，讓接枝在基材上的功能團的高分子鏈不再密實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，同時高分子鏈在基材內(nèi)部的生長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，更有利于目標離子在材料內(nèi)部擴散，從而提高材料捕獲鈾的效率。

商業(yè)應用已現(xiàn)曙光

事實上，目前國內(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產(chǎn)業(yè)化應用前景，但大規(guī)模海洋工程研究還較少。

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

“經(jīng)濟性評估顯示，采用聯(lián)合團隊研發(fā)的吸附材料和方法，提鈾成本已經(jīng)降低到與國際水平相當。”馬紅娟說。

在馬紅娟看來，不同海洋環(huán)境和材料布置形式對吸附性能的影響很大。她介紹，實驗室可以較穩(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，但真正進行海試試驗時，“是沒有辦法控制的”。

除此之外，海域的選擇、時間都會對材料性能產(chǎn)生較大影響。

“在目前試驗范圍內(nèi)，材料放置的深度越深，海水越純凈，對提鈾越有利;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，對提鈾效率越有利。”馬紅娟總結(jié)道。

在姜標看來，目前海水提鈾離實際應用還有一定距離，但已看到商業(yè)應用的曙光。

2019年11月，中核集團牽頭成立中國海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟(以下簡稱聯(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，并提出海水提鈾技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線：到2025年，具備實現(xiàn)海水中提取公斤級能發(fā)電的核產(chǎn)品能力;到2035年，用10年時間建成海水提鈾噸級示范工程;到2050年，用15年時間實現(xiàn)海水提鈾的連續(xù)生產(chǎn)。作為聯(lián)盟副理事長，姜標認為，該技術(shù)路線將助力我國實現(xiàn)“向大海要鈾”的鈾礦開采目標。

值得一提的是，中核集團已將海水提鈾列入其先導技術(shù)，并將在“十四五”期間聯(lián)合聯(lián)盟各單位，編制吸附材料評價標準，建設海水提鈾海試平臺，推動海水提鈾技術(shù)的工程化進程。