海水提铀“卡”在哪里?

当今世界，科技发展一日千里，每3到5年就会有一次大的技术更新。而一直被业界赞誉拥有广阔前景的海水提铀技术，计划中却要到30年之后才能实现工程化应用，问题究竟“卡”在哪里?本篇文章带领你一探究竟。

▲秦山核电站

“我国海水提铀技术研发分‘三步走’，目标是到2035年达到国际先进水平，2050年实现海水铀资源工程化开发与利用，建成规模化海水提铀工厂，在这一领域领跑世界。”4月29日，海水提铀技术创新联盟(以下简称“联盟”)理事会成立大会上，首次明确提出我国海水提铀“成长路径”。

碳达峰、碳中和背景下，今年全国“两会”报告首次用“积极”这一字眼形容核电发展，与此同时，也对天然铀提出了重大需求。“我国陆地铀资源虽潜在资源量比较大，但探明量不大，而且铀矿资源开采呈‘规模小、品位低、较分散’的特点，目前天然铀对外依存度超过70%。按照目前规划的每年开工6~8台核电机组，预计到2035年，我国天然铀需求量为3~3.5万吨，铀资源供需矛盾将更加凸显。”中国铀业党委书记、董事长，联盟副理事长陈军利在接受记者采访时表示。

未来，如能将海水中的铀资源经济回收，将可以保障核电发展“无限”续航，然而其现实困境却不是一朝可以解决的。

01 — 在大海里“捞金”，难度堪比“人造太阳”的实现 —

采访中，多位专家表示，海水中含有丰富的铀资源，储量约为45亿吨，这一数值相当于陆地铀矿储量的1000倍。若能够将海水中“取之不尽”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。这使得国内外众多专家都将目标锁定在了海洋这一巨大的铀资源上。

然而理想很丰满，现实却有些骨感。

尽管海水中含铀总量巨大，但浓度却极低。铀在海水中主要是以三碳酸铀酰离子的结构存在，浓度仅为3.3μg/L，也就是说，1吨海水中只有3.3毫克铀，由于海水中其他杂质的含量既浓且杂，把这一微弱比例的铀从海水中“捞”出来，难度远超沙里淘金。“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，这些都会对提铀造成很大干扰。”中国工程院院士、联盟学术委员会副主任石碧解释道。

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是一个巨大的挑战。“海水提铀是世界性难题，堪比人类能源的终极解决方案——‘人造太阳’的实现。”中核矿业科技总工程师、联盟秘书长阙为民表示。

鉴于此，2014年中国工程院以重点咨询项目“开展从海水和盐湖中提取铀资源的战略研究”，建议将海水等非常规铀资源开发关键技术纳入国家科技规划、计划并给予必要支持。中国核工业集团有限公司将海水提铀研究作为先导技术研究纳入“创新2030”工程方案，明确在前瞻性、战略性领域打好主动仗，抢占事关长远和全局的科技战略制高点。

▲海水提铀现场材料放置

02 — 几十年，依然在材料这个“瓶颈”里“打转” —

世界各国对于海水提铀技术的研发，重点都集中在以吸附材料为核心的直接吸附提取方法的研究上。从上世纪60年代开始，我国对此同样投入了大量的人力、物力，不断提升、突破吸附材料的吸附能力。目前国内材料的吸附能力已获得很大改善，普遍达到3 mgU/g以上的工作容量。

“但情况并不容乐观，总体来说我们依然还在材料的‘瓶颈’里‘打转’。”石碧告诉记者。

“吸附材料是否优异主要取决于吸附容量，目前，在实验室里，我国研发出的海水提铀材料吸附容量高达几十mgU/g以上，但一旦到了真实的海水中进行实验，普遍会‘断崖式’下跌到3～7 mgU/g之间，国际上也差不多是这个水平。”中科院上海高等研究院副院长、联盟副理事长姜标告诉记者。

▲上海大学研发的纳米纤维膜

“这一数据，即便是在真实的海洋环境下测试得出的，有可能也进行了一定的人工干预，比如海水的纯度等，完全无干预的试验下数据会更低，只能达到1～2 mgU/g。”阙为民对此问题做了进一步补充。

在联盟制定的海水提铀“三步走”战略里，对于吸附材料的研发进展进行了前瞻性的规划：第一阶段(到2025年)，海水提铀材料样品，材料在海水中的有效吸附容量为6～10 mgU/g 材料;第二阶段(到2035年)，批量生产海水提铀材料，材料在海水中的有效吸附容量为20～25mgU/g材料;第三阶段(到2050年)，突破制约海水提铀工业化关键技术瓶颈，实现海水中提取铀产品连续生产能力。

“此外，海水提铀材料的吸附速率和洗脱速率也至关重要，也就是不仅要饭量大，还要吃得快、消化得快。对此，要从材料的化学性能入手进行创新研发，对上述制约因素做进一步突破。”石碧解释道。

▲中科院上海高等研究院将静电纺丝膜做成膜组件进行海域试验

针对突破材料“瓶颈”，会上，石碧还给出了一个大胆的建议：“材料受限于本身化学性能的一些‘天花板’，吸附能力是有上限的。我们应该勇于另辟新径，在吸附提取方法之外找出一条新路，只有颠覆性创新才是真正意义上的创新。”

03 — 建立规模化的海水提铀厂，卡在“经济”二字上 —

目前，国内不止一个研发团队从海水中提取出铀并纯化制备成黄饼，比如，中核矿业科技于2019年设计并合成出了多种功能高分子提铀材料，该材料在西藏达则措盐湖(盐湖通常可看作古海水)中的吸附容量达到7.1mgU/g材料，并在盐湖现场试验获得了300g“黄饼”。这充分证明了海水提铀相关技术的可行性。

▲中核矿业科技利用从盐湖中提取的铀制成的黄饼

但迄今为止没有一个国家真正建立起规模化的海水提铀工厂，关键就卡在了“经济”二字上。“尽管不同研发团队采用的吸附材料不尽相同，但普遍存在提铀成本居高不下的现象，平均不低于200美元/磅，这一数字远远高于陆地采铀的成本，海水提铀要想实现工业化，只有真正做到经济回收才行。”陈军利表示。

为此，海水提铀技术要想从实验室走向工业化，需要最大限度吸引、容纳和聚集优势创新资源，取长补短、集思广益、优势互补。这也是联盟当初成立所秉承的宗旨和意义所在。

海水提铀技术创新联盟由中核集团牵头发起、中国铀业组织实施、中核矿业科技作为秘书单位，联合国内23家高校和科研院所于2019年11月成立。自成立以来，联盟正充分发挥自身“鹊桥”的作用，加快推动海水提铀工程化进程：整合科技资源，减少重复研究，在技术、设备、人才、资金等重要创新要素方面进行有效配置，针对创新中的关键共性问题组织集体攻关，引领产业技术进步。此外，积极研究制定和完善海水提铀技术经济标准，明确材料在海水中的吸附性能测试方法和要求，使数据具有可比性;立足国内外海水提铀“先导性”研究基础，推动在南海建立集合海上材料吸附试验研究、材料批量生产、材料淋洗-再生、国家交流中心等综合试验研究的海水提铀科研基地，以推动海水提铀技术的高质量发展。

▲拟在南海建的海上试验平台(图片来源于网络)

“联盟还提供了创新基金项目以便于大家开展联合攻关，此外，中核集团也提供了核技术创新联合基金和叶企孙这两个基金供研发单位申请项目经费。”会上，中核集团科信部主任、联盟副理事长钱天林说。