鈾大傢都聽說過,無論是令人聞風喪膽的核武器,還是能持續發電的核電站,支撐其背後運轉的都是鈾。
在民用核能領域,隨著不可再生的化石能源逐步枯竭,未來核能的利用還將更上一個臺階。但是核能雖然好,可鈾也不是豐富到能隨便用。
(海上提鈾試驗平臺)
整個地球上,天然的鈾礦資源也是不可再生的,而且陸地上的可開采數量也不多。根據目前的探測,世界各地的鈾礦,最多再開采幾十年也要用完瞭。
怎麼辦,科學傢就把目光從陸地轉向瞭海上。海洋裡的鈾資源相當豐富,估計其儲量達到瞭45億噸,是陸地鈾礦資源的上千倍。
然而,科學界雖說早就知道海裡有鈾,但是多年來一直沒有技術。2016年時,美國佐治亞理工學院發表瞭一篇文章,其中提到未來從海水裡提取鈾,將會是改變世界的幾大進程之一。可見,各國對鈾提取的重視程度很高。
在實際研究領域,還在上世紀50年代,英國的科學傢就進行過相關的研究,多年來許多國傢也都在這方面持續發力。研究成果雖然不少,但都還沒有達到應用化水平。
英國當年推動“牡蠣計劃”,研究出瞭提取鈾的有機和無機吸附材料。隨後,德國方面通過進一步研究改進型材料,也能對海水裡的鈾進行吸附。
在上世紀60年代,我國成立瞭“671課題組”,經過研究也從海洋裡提取瞭30克鈾。此後在20世紀末,日本方面的科研人員,進一步改進吸附裝置,在研究中從海水裡提取瞭1公斤的鈾。
目前真正的困難還是提取難度,一噸也就是兩千公斤的海水中,鈾的含量隻有3.3毫克。而在實際的提取中,能不能將這點含量全部提取出來還是未知數。
海水提鈾的辦法和材料
海水中的鈾,是以碳酸鈾酰的形式存在的。多年來研究的提取方法包括瞭吸附法、溶劑萃取法、膜分離法、離子交換法、化學沉淀法。
目前研究最多的是吸附法,各國都在研究和尋找更高效的吸附材料和裝置。這些材料包括瞭有機功能材料、多孔碳材料、金屬有機框架材料、共價有機框架材料、介孔二氧化矽、金屬氧化物等等。
具體到研究領域,不同的材料又有哪些特性呢?
高分子有機吸附材料,有望將成本降低到80美元
這類材料是以高分子聚合物為基底,材料中的核心是功能基團和聚合物骨架,它直接決定瞭材料本身的吸附能力如何。目前,各國研究最廣泛的是偕胺肟基團。
德國的研究人員,在上世紀率先發現瞭這一材料的吸附優勢。進入21世紀後,美國橡樹嶺國傢實驗室繼續深入研究,研究人員采用瞭輻照接枝技術,通過技術上的誘導聚合再經過相關處理,借此合成瞭吸附材料。經過試驗,對鈾的吸附量可以達到每克3.9毫克。
我國的科研人員,同樣在這一領域有研究發現。通過輻射誘導接枝聚合,再加上其他技術,可以構築一種具有高比表面積的三維分層多孔H-ABP纖維。
這種纖維力學強度高,結構以及化學穩定性強,在後來的試驗中,該材料的吸附量,突破瞭個位數量級,達到瞭每克11.5毫克。
該提取方式,每公斤的提取成本在170美元到206美元。而且提取出來並非直接能使用的鈾,還需要進一步通過鹽酸淋洗,而處理過後的鈾含量為1%,每公斤材料中真正能獲取的鈾為2到3克。
此後,研究人員經過進一步改進材料,能從天然海水中每克直接提取17.57毫克的量。同樣,提取出來的成分需要做進一步處理。相比於此前的提取成本,價格進一步下降到瞭每公斤80.7美元到86.2美元。隻有成本的進一步下降,才能有利於技術盡快推廣。
仿生膜材料吸附方法
2020年,中科院理化技術研究所,又開發出瞭一種新的吸附材料。研究人員受哺乳動物循環系統的啟發,研究出瞭一種具有多種孔隙的仿生膜吸附材料。
這種材料的結構和性能,類似於哺乳動物體內血管和器官之間的分級多孔結構。在吸附試驗中,海水流過材料膜,其中的鈾成分能快速通過20微米的孔洞。之後會進入300納米到500納米更小的孔洞,最終因為速度慢瞭下來,可以讓鈾與偕胺肟基團結合,從而就將其提取出來瞭。
新的仿生材料,擴大瞭吸附的表面積,比隻有固有微孔的膜材料高出瞭20倍。在長達4周的吸附試驗中,該材料的吸附量達到瞭每克9.03毫克。
除瞭上述幾種有機分子材料外,科研人員也在研究無機吸附材料。
無機吸附材料的優勢是低成本
無機吸附材料,是早期吸附技術中重點研究的方向。還在上世紀70年代末,公開報道中的各類材料和性能就達到瞭80多種。
研究最多的是水合二氧化鈦,近年來又有瞭二氧化矽、碳材料、氮化碳、水滑石等多種材料的研究方向。
2020年,哈爾濱工程大學的研究人員,又研究出瞭一種全新的無機吸附材料。這種材料利用瞭氫氧化鎂的內部孔隙結構,而且又具備親水性,鈾的吸附速度大大提升。
在成本上,該吸附材料每公斤的造價成本為0.21美元,而對鈾的吸附量則可以達到每克8.6毫克。不過,這一數據使用的並非天然海水。
2021年,清華大學的研究人員,也推出瞭新的吸附材料。其擁有更大的表面積,吸附性能和光催化活性能提高瞭10倍,借助於光催化的輔助萃取功能,鈾吸附能力也高出瞭10倍,吸附量可以達到每克1556毫克。在鈾濃度為每升330毫克的海水中,吸附量依然能達到每克1000毫克以上。
雖然無機吸附材料成本低,而且吸附的性能也不錯,但是它有選擇性差,以及材料本身是粉末狀,在海水中部署容易流失的問題。所以,選擇性好,實施起來更便捷的有機吸附材料才逐漸成為研究重點。
除瞭有機和無機兩種不同的材料之外,近年來也有科研人員在研究無機和有機融合化的吸附材料。在研究的同時,推進的步伐也在不斷邁進。
最大提鈾試驗平臺建成
此前國內各科研機構的研究雖然不少,但都是零散的,無法發揮聚合優勢。2019年,中核集團將國內14傢科研院所聯合瞭起來,組建瞭海水提鈾技術創新聯盟。
這意味著,未來的技術研究不再是零散的,聯盟創立的初衷,也是為瞭早日推動技術向實際應用階段邁進。
截止到2023年,該創新聯盟已經匯聚瞭國內31傢科研單位和機構,國內九成以上擁有海水提鈾技術的團隊都聚合在一起瞭。
此外,我國也在海南昌江海域,創立瞭最大的海水提鈾試驗平臺。該試驗平臺的總面積為670平方米,表面看起來就是一些正方形的浮動網箱組合在一起,不知道的還以為是養魚裝置。
在未來的應用步伐中,規模化試驗已成為主要趨勢,而海南的這個平臺,下一步將建成長期穩定的科研基地。突破技術瓶頸,將研究成果轉化應用,進而實現海水提鈾的產業化發展。
我國的三步走規劃
國內的海水提鈾戰略,規劃出瞭未來30年的發展路線。
2021年到2025年為第一階段,要實現的目標,是能夠從天然海水中提取出公斤級的鈾。
2026年到2035年為第二階段,在實際應用層面,逐步建立起提鈾的示范級工程,讓整個產業運作起來。
2036年到2050年為第三階段,海水提鈾要實現工業化和產能化,要具備連續生產的能力。
根據這三步走戰略,現在提取幾公斤的鈾,僅僅是小目標,未來能成為持續不斷的產業才是大目標。業內預估,我國到2035年前後,核電的裝機量將達到1.5億千瓦,屆時鈾的需求也會持續上升,需求量將達到3.5萬噸。
目前的研究是試驗規劃,都是按照此前提出的戰略在有條不紊推進。相關技術的研究有很多突破,將各項研究最大化的利用起來,未來在應用中會大范圍使用哪種技術,這都是下一步需要研究的方向。
結語
業內人士看來,雖然海水提鈾成為新的發展戰略,但並不意味著陸地常規鈾的開采就會終止。
未來,常規和非常規鈾的開采要一起推進,陸地和海洋的鈾資源要同時應用。技術瓶頸的突破,是下一個階段主攻方向。
此外,經濟成本,如何規模化連續性提取,也是未來需要解決的問題。要提高設備的利用性能,也要考慮與其他海洋資源利用技術進行耦合,這樣能夠最大化的分攤成本,進而提高經濟競爭力。
目前,國際上制定的相對合理的提鈾成本是每公斤130美元,達到這個水平或者是低於這一標準,在實際應用中才能全面鋪開。
國內此前的一些試驗,已經接近這一目標,一些試驗的成本也低於瞭這一標準。下一步在技術的繼續前進中,這些研究成果都會被融合和匯聚起來。
參考資料:
《海水提鈾技術最新研究進展》 核化學與放射化學 2022年《我國明確海水提鈾路線圖》 中國能源報 2021年5月10日