編者按：

當(dāng)今世界，科技發(fā)展一日千里，每3到5年就會(huì)有一次大的技術(shù)更新。而一直被業(yè)界贊譽(yù)擁有廣闊前景的海水提鈾技術(shù)，計(jì)劃中卻要到30年之后才能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，問(wèn)題究竟“卡”在哪里？本篇文章帶領(lǐng)你一探究竟。

▲秦山核電站

“我國(guó)海水提鈾技術(shù)研發(fā)分‘三步走’，目標(biāo)是到2035年達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，2050年實(shí)現(xiàn)海水鈾資源工程化開(kāi)發(fā)與利用，建成規(guī)模化海水提鈾工廠，在這一領(lǐng)域領(lǐng)跑世界。”4月29日，海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“聯(lián)盟”）理事會(huì)成立大會(huì)上，首次明確提出我國(guó)海水提鈾“成長(zhǎng)路徑”。

碳達(dá)峰、碳中和背景下，今年全國(guó)“兩會(huì)”報(bào)告首次用“積極”這一字眼形容核電發(fā)展，與此同時(shí)，也對(duì)天然鈾提出了重大需求。“我國(guó)陸地鈾資源雖潛在資源量比較大，但探明量不大，而且鈾礦資源開(kāi)采呈‘規(guī)模小、品位低、較分散’的特點(diǎn)，目前天然鈾對(duì)外依存度超過(guò)70%。按照目前規(guī)劃的每年開(kāi)工6~8臺(tái)核電機(jī)組，預(yù)計(jì)到2035年，我國(guó)天然鈾需求量為3~3.5萬(wàn)噸，鈾資源供需矛盾將更加凸顯。”中國(guó)鈾業(yè)黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)，聯(lián)盟副理事長(zhǎng)陳軍利在接受記者采訪時(shí)表示。

未來(lái)，如能將海水中的鈾資源經(jīng)濟(jì)回收，將可以保障核電發(fā)展“無(wú)限”續(xù)航，然而其現(xiàn)實(shí)困境卻不是一朝可以解決的。

01

— 在大海里“撈金”，難度堪比“人造太陽(yáng)”的實(shí)現(xiàn) —

采訪中，多位專(zhuān)家表示，海水中含有豐富的鈾資源，儲(chǔ)量約為45億噸，這一數(shù)值相當(dāng)于陸地鈾礦儲(chǔ)量的1000倍。若能夠?qū)⒑Ｋ小叭≈槐M”的鈾資源有效利用起來(lái)，足以保證核電的可持續(xù)發(fā)展，滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)能源的需求。這使得國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家都將目標(biāo)鎖定在了海洋這一巨大的鈾資源上。

然而理想很豐滿(mǎn)，現(xiàn)實(shí)卻有些骨感。

盡管海水中含鈾總量巨大，但濃度卻極低。鈾在海水中主要是以三碳酸鈾酰離子的結(jié)構(gòu)存在，濃度僅為3.3μg/L，也就是說(shuō)，1噸海水中只有3.3毫克鈾，由于海水中其他雜質(zhì)的含量既濃且雜，把這一微弱比例的鈾從海水中“撈”出來(lái)，難度遠(yuǎn)超沙里淘金。“海水中有大量與鈾酰離子共存、且含量大大高于鈾酰離子的其它金屬離子，海水中組成復(fù)雜的生物系統(tǒng)，這些都會(huì)對(duì)提鈾造成很大干擾。”中國(guó)工程院院士、聯(lián)盟學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任石碧解釋道。

另外，海水提鈾需要處理大量海水，實(shí)施周期長(zhǎng)，還可能要面對(duì)海上的極端氣候，這些因素都導(dǎo)致了海水提鈾在具體實(shí)施上是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。“海水提鈾是世界性難題，堪比人類(lèi)能源的終極解決方案——‘人造太陽(yáng)’的實(shí)現(xiàn)。”中核礦業(yè)科技總工程師、聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)闕為民表示。

鑒于此，2014年中國(guó)工程院以重點(diǎn)咨詢(xún)項(xiàng)目“開(kāi)展從海水和鹽湖中提取鈾資源的戰(zhàn)略研究”，建議將海水等非常規(guī)鈾資源開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)納入國(guó)家科技規(guī)劃、計(jì)劃并給予必要支持。中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司將海水提鈾研究作為先導(dǎo)技術(shù)研究納入“創(chuàng)新2030”工程方案，明確在前瞻性、戰(zhàn)略性領(lǐng)域打好主動(dòng)仗，搶占事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

▲海水提鈾現(xiàn)場(chǎng)材料放置

02

— 幾十年，依然在材料這個(gè)“瓶頸”里“打轉(zhuǎn)” —

世界各國(guó)對(duì)于海水提鈾技術(shù)的研發(fā)，重點(diǎn)都集中在以吸附材料為核心的直接吸附提取方法的研究上。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)對(duì)此同樣投入了大量的人力、物力，不斷提升、突破吸附材料的吸附能力。目前國(guó)內(nèi)材料的吸附能力已獲得很大改善，普遍達(dá)到3 mgU/g以上的工作容量。

“但情況并不容樂(lè)觀，總體來(lái)說(shuō)我們依然還在材料的‘瓶頸’里‘打轉(zhuǎn)’。”石碧告訴記者。

“吸附材料是否優(yōu)異主要取決于吸附容量，目前，在實(shí)驗(yàn)室里，我國(guó)研發(fā)出的海水提鈾材料吸附容量高達(dá)幾十mgU/g以上，但一旦到了真實(shí)的海水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，普遍會(huì)‘?dāng)嘌率健碌?～7 mgU/g之間，國(guó)際上也差不多是這個(gè)水平。”中科院上海高等研究院副院長(zhǎng)、聯(lián)盟副理事長(zhǎng)姜標(biāo)告訴記者。

▲上海大學(xué)研發(fā)的納米纖維膜

“這一數(shù)據(jù)，即便是在真實(shí)的海洋環(huán)境下測(cè)試得出的，有可能也進(jìn)行了一定的人工干預(yù)，比如海水的純度等，完全無(wú)干預(yù)的試驗(yàn)下數(shù)據(jù)會(huì)更低，只能達(dá)到1～2 mgU/g。”闕為民對(duì)此問(wèn)題做了進(jìn)一步補(bǔ)充。

在聯(lián)盟制定的海水提鈾“三步走”戰(zhàn)略里，對(duì)于吸附材料的研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行了前瞻性的規(guī)劃：第一階段（到2025年），海水提鈾材料樣品，材料在海水中的有效吸附容量為6～10 mgU/g 材料；第二階段（到2035年），批量生產(chǎn)海水提鈾材料，材料在海水中的有效吸附容量為20～25mgU/g材料；第三階段（到2050年），突破制約海水提鈾工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)海水中提取鈾產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)能力。

“此外，海水提鈾材料的吸附速率和洗脫速率也至關(guān)重要，也就是不僅要飯量大，還要吃得快、消化得快。對(duì)此，要從材料的化學(xué)性能入手進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，對(duì)上述制約因素做進(jìn)一步突破。”石碧解釋道。

▲中科院上海高等研究院將靜電紡絲膜做成膜組件進(jìn)行海域試驗(yàn)

針對(duì)突破材料“瓶頸”，會(huì)上，石碧還給出了一個(gè)大膽的建議：“材料受限于本身化學(xué)性能的一些‘天花板’，吸附能力是有上限的。我們應(yīng)該勇于另辟新徑，在吸附提取方法之外找出一條新路，只有顛覆性創(chuàng)新才是真正意義上的創(chuàng)新。”

03

— 建立規(guī)模化的海水提鈾廠，卡在“經(jīng)濟(jì)”二字上 —

目前，國(guó)內(nèi)不止一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)從海水中提取出鈾并純化制備成黃餅，比如，中核礦業(yè)科技于2019年設(shè)計(jì)并合成出了多種功能高分子提鈾材料，該材料在西藏達(dá)則措鹽湖（鹽湖通常可看作古海水）中的吸附容量達(dá)到7.1mgU/g材料，并在鹽湖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得了300g“黃餅”。這充分證明了海水提鈾相關(guān)技術(shù)的可行性。

▲中核礦業(yè)科技利用從鹽湖中提取的鈾制成的黃餅

但迄今為止沒(méi)有一個(gè)國(guó)家真正建立起規(guī)模化的海水提鈾工廠，關(guān)鍵就卡在了“經(jīng)濟(jì)”二字上。“盡管不同研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用的吸附材料不盡相同，但普遍存在提鈾成本居高不下的現(xiàn)象，平均不低于200美元/磅，這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地采鈾的成本，海水提鈾要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，只有真正做到經(jīng)濟(jì)回收才行。”陳軍利表示。

為此，海水提鈾技術(shù)要想從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化，需要最大限度吸引、容納和聚集優(yōu)勢(shì)創(chuàng)新資源，取長(zhǎng)補(bǔ)短、集思廣益、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這也是聯(lián)盟當(dāng)初成立所秉承的宗旨和意義所在。

海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟由中核集團(tuán)牽頭發(fā)起、中國(guó)鈾業(yè)組織實(shí)施、中核礦業(yè)科技作為秘書(shū)單位，聯(lián)合國(guó)內(nèi)23家高校和科研院所于2019年11月成立。自成立以來(lái)，聯(lián)盟正充分發(fā)揮自身“鵲橋”的作用，加快推動(dòng)海水提鈾工程化進(jìn)程：整合科技資源，減少重復(fù)研究，在技術(shù)、設(shè)備、人才、資金等重要?jiǎng)?chuàng)新要素方面進(jìn)行有效配置，針對(duì)創(chuàng)新中的關(guān)鍵共性問(wèn)題組織集體攻關(guān)，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。此外，積極研究制定和完善海水提鈾技術(shù)經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確材料在海水中的吸附性能測(cè)試方法和要求，使數(shù)據(jù)具有可比性；立足國(guó)內(nèi)外海水提鈾“先導(dǎo)性”研究基礎(chǔ)，推動(dòng)在南海建立集合海上材料吸附試驗(yàn)研究、材料批量生產(chǎn)、材料淋洗-再生、國(guó)家交流中心等綜合試驗(yàn)研究的海水提鈾科研基地，以推動(dòng)海水提鈾技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

▲擬在南海建的海上試驗(yàn)平臺(tái)（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

“聯(lián)盟還提供了創(chuàng)新基金項(xiàng)目以便于大家開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，此外，中核集團(tuán)也提供了核技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合基金和葉企孫這兩個(gè)基金供研發(fā)單位申請(qǐng)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。”會(huì)上，中核集團(tuán)科信部主任、聯(lián)盟副理事長(zhǎng)錢(qián)天林說(shuō)。

（原標(biāo)題 海水提鈾“卡”在哪里？）