■本報記者 秦誌偉(wei)

編者按

我國“雙碳”目標的確定，使核電迎來快速發展的曆史機遇，對天然鈾資源也提出了重大需求。然而，由於(yu) 儲(chu) 量稀少，我國鈾資源一度處於(yu) “被壟斷”的局麵。

隨著海水提鈾技術不斷進步，這一局勢或將出現轉機。近期，我國在海水提鈾方麵取得一係列重要進展，如何通過科研的力量邁出實現“鈾”獨立的第一步？本報對此進行深入報道。

約500萬(wan) 噸和45億(yi) 噸，僅(jin) 從(cong) 這兩(liang) 個(ge) 相差近千倍的數字，我國鈾困境與(yu) 出路可見一斑。

前者是已探明的陸地鈾礦儲(chu) 量，但隻夠用100年；後者是海洋中鈾資源儲(chu) 量，成為(wei) 各工業(ye) 國發展核能的“藍海”。

“我國是時候加強這方麵的戰略儲(chu) 備了！”中科院上海高等研究院（簡稱上海高研院）綠色化學工程技術研究與(yu) 發展中心研究員薑標對《中國科學報》說，隨著我國將核電政策由“適度發展”調整為(wei) “積極發展”，鈾資源缺口變得越來越大，嚴(yan) 重依賴進口並不可取，而海水提鈾技術突破或將為(wei) 緩解這一困境提供一條新路徑。

近期，山東(dong) 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(ye) 紛紛傳(chuan) 來好消息，或取得重要科研成果，或向產(chan) 業(ye) 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，我國能源電力係統清潔化、低碳化轉型進程進一步加快。核能作為(wei) 近零排放的清潔能源，被認為(wei) 具有更加廣闊的發展空間，並將保持較快的發展態勢。

鈾作為(wei) 核反應的主要燃料，是核能發展的重要因素。“為(wei) 了保證核電的可持續發展，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(dong) 大學環境科學與(yu) 工程學院研究員王誌寧告訴《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展的一個(ge) 重要因素。

“從(cong) 環境意義(yi) 上看，相比陸地鈾礦開采，海水提鈾對環境造成的汙染小；目前水體(ti) 係的重金屬汙染較嚴(yan) 重，如果能從(cong) 海水中把極低濃度的鈾高效提取出來，那麽(me) 這一技術對重金屬汙染水源淨化和修複意義(yi) 較大。”上海大學環境與(yu) 化學工程學院教授馬紅娟補充道。

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

我國海水提鈾研究始於(yu) 20世紀70年代。中科院海洋研究所、山東(dong) 海洋學院等單位進行了一係列研究工作，先後篩選和研製天然礦物、海洋生物、難溶氫氧化物係列複合富集劑等多種類型的幾百種提鈾富集劑。然而，相關(guan) 工作在80年代終止。

近幾年，無論是學界還是產(chan) 業(ye) 界，海水提鈾相關(guan) 工作又開始活躍起來。

馬紅娟對《中國科學報》說，受核電發展規劃影響，我國核電發展較快，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展戰略的影響，要想穩定安全地發展核事業(ye) ，“卡脖子”技術必須掌握在自己手中。

提鈾性能有較大提高

從(cong) 大海“撈”鈾並不是一件容易事。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，且成分非常複雜；二是海水中鈾濃度非常低，相當於(yu) 30萬(wan) 噸海水蘊含約1公斤鈾元素，使得海水提鈾成為(wei) 極具挑戰性的科技難題。

溶劑法、共沉澱法、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(wei) 是最具產(chan) 業(ye) 化潛力的方法，也是目前研究最為(wei) 廣泛的海水提鈾技術。而偕胺肟基聚合物又是最具產(chan) 業(ye) 化應用前景的海水提鈾材料。

“近年來，吸附材料設計湧現出很多獨具特色和創新的方法，所以材料的提鈾性能較前幾十年有了很大提高。”馬紅娟說。

王誌寧團隊在前期工作中研製出一種琥珀酰—β—環糊精複合膜，發現β—環糊精對六價(jia) 鈾具有較好的吸附能力。為(wei) 了進一步提高吸附劑的吸鈾能力，他們(men) 將基底材料由二維膜材料轉換成三維石墨烯氣凝膠，石墨烯氣凝膠具有豐(feng) 富的網絡結構，可以增加活性吸附位點。相關(guan) 論文已發表於(yu) 《環境科學與(yu) 技術》。

“我們(men) 選用偕胺肟化的二氨基馬來腈，將β—環糊精引入到石墨烯氣凝膠骨架上。偕胺肟基和β—環糊精協同增強吸附劑的吸鈾能力及選擇性，同時賦予吸附劑抗油汙性能。”王誌寧介紹，製備過程采用的是一步水熱合成方法。

王誌寧表示，該氣凝膠已製備成吸附組件，並在實驗室中進行小規模放大實驗，但還未進行大規模應用。

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(ti) 現在化學結構和物理結構或微觀形貌兩(liang) 個(ge) 方麵。而後者是他們(men) 團隊聯合中國科學技術大學、中科院上海應用物理研究所等單位研發的海水提鈾技術的出發點。

“我們(men) 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麵和內(nei) 部，而是自組裝在表麵形成納米顆粒和間隙，同時高分子鏈在基材內(nei) 部的生長形成幾百納米的孔道。”馬紅娟表示，這樣不僅(jin) 提高基材的比表麵積，更有利於(yu) 目標離子在材料內(nei) 部擴散，從(cong) 而提高材料捕獲鈾的效率。

商業(ye) 應用已現曙光

事實上，目前國內(nei) 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(chan) 業(ye) 化應用前景，但大規模海洋工程研究還較少。

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

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

在馬紅娟看來，不同海洋環境和材料布置形式對吸附性能的影響很大。她介紹，實驗室可以較穩定地控製或調整海水的狀態，如海水流速、純淨度、溫度等，但真正進行海試試驗時，“是沒有辦法控製的”。

除此之外，海域的選擇、時間都會(hui) 對材料性能產(chan) 生較大影響。

“在目前試驗範圍內(nei) ，材料放置的深度越深，海水越純淨，對提鈾越有利；夏季因溫度較高，有利於(yu) 提鈾效率；海水流速越高，物質交換越充分，對提鈾效率越有利。”馬紅娟總結道。

在薑標看來，目前海水提鈾離實際應用還有一定距離，但已看到商業(ye) 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創新聯盟（以下簡稱聯盟）。今年4月，該聯盟成立海水提鈾技術創新聯盟理事會(hui) ，並提出海水提鈾技術發展技術路線：到2025年，具備實現海水中提取公斤級能發電的核產(chan) 品能力；到2035年，用10年時間建成海水提鈾噸級示範工程；到2050年，用15年時間實現海水提鈾的連續生產(chan) 。作為(wei) 聯盟副理事長，薑標認為(wei) ，該技術路線將助力我國實現“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，並將在“十四五”期間聯合聯盟各單位，編製吸附材料評價(jia) 標準，建設海水提鈾海試平台，推動海水提鈾技術的工程化進程。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.0c08743