“捞”铀为核电纾困海水提铀前景广阔

2021-08-03 11:36:43

我国“双碳”目标的确定,使核电迎来快速发展的历史机遇,对天然铀资源也提出了重大需求。然而,由于储量稀少,我国铀资源一度处于“被垄断”的局面。

随着海水提铀技术不断进步,这一局势或将出现转机。近期,我国在海水提铀方面取得一系列重要进展,如何通过科研的力量迈出实现“铀”独立的第一步?本报对此进行深入报道。

约500万吨和45亿吨,仅从这两个相差近千倍的数字,我国铀困境与出路可见一斑。

前者是已探明的陆地铀矿储量,但只够用100年;后者是海洋中铀资源储量,成为各工业国发展核能的“蓝海”。

“我国是时候加强这方面的战略储备了!”中科院上海高等研究院(简称上海高研院)绿色化学工程技术研究与发展中心研究员姜标对《中国科学报》说,随着我国将核电政策由“适度发展”调整为“积极发展”,铀资源缺口变得越来越大,严重依赖进口并不可取,而海水提铀技术突破或将为缓解这一困境提供一条新路径。

近期,山东大学、上海大学、上海高研院、中科院上海应用物理研究所及中核集团等高校院所和企业纷纷传来好消息,或取得重要科研成果,或向产业化迈出重要一步。

海水提铀前景广阔

在碳达峰、碳中和的背景下,我国能源电力系统清洁化、低碳化转型进程进一步加快。核能作为近零排放的清洁能源,被认为具有更加广阔的发展空间,并将保持较快的发展态势。

铀作为核反应的主要燃料,是核能发展的重要因素。“为了保证核电的可持续发展,满足人类对能源的需求,将海水中的铀资源有效利用起来是未来趋势。”山东大学环境科学与工程学院研究员王志宁告诉《中国科学报》。

此外,核废水泄漏排放到海洋中,也是促进海水提铀研究发展的一个重要因素。

“从环境意义上看,相比陆地铀矿开采,海水提铀对环境造成的污染小;目前水体系的重金属污染较严重,如果能从海水中把极低浓度的铀高效提取出来,那么这一技术对重金属污染水源净化和修复意义较大。”上海大学环境与化学工程学院教授马红娟补充道。

1984年,日本建成年产10公斤铀的海水提铀模拟厂,这是世界上第一个海水提铀工厂。此后,美国、德国、法国等20多个国家,都相继进行了海水提铀的研发工作。

我国海水提铀研究始于20世纪70年代。中科院海洋研究所、山东海洋学院等单位进行了一系列研究工作,先后筛选和研制天然矿物、海洋生物、难溶氢氧化物系列复合富集剂等多种类型的几百种提铀富集剂。然而,相关工作在80年代终止。

近几年,无论是学界还是产业界,海水提铀相关工作又开始活跃起来。

马红娟对《中国科学报》说,受核电发展规划影响,我国核电发展较快,但铀资源对外依存度过高,近80%依靠进口,到2035年将达到90%以上。受海洋资源综合利用发展战略的影响,要想稳定安全地发展核事业,“卡脖子”技术必须掌握在自己手中。

提铀性能有较大提高

从大海“捞”铀并不是一件容易事。上海高研院副研究员李继香告诉《中国科学报》,一是海水中盐分很高,且成分非常复杂;二是海水中铀浓度非常低,相当于30万吨海水蕴含约1公斤铀元素,使得海水提铀成为极具挑战性的科技难题。

溶剂法、共沉淀法、离子交换法和吸附法是海水提铀的主要方法,其中吸附法被认为是最具产业化潜力的方法,也是目前研究最为广泛的海水提铀技术。而偕胺肟基聚合物又是最具产业化应用前景的海水提铀材料。

“近年来,吸附材料设计涌现出很多独具特色和创新的方法,所以材料的提铀性能较前几十年有了很大提高。”马红娟说。

王志宁团队在前期工作中研制出一种琥珀酰—β—环糊精复合膜,发现β—环糊精对六价铀具有较好的吸附能力。为了进一步提高吸附剂的吸铀能力,他们将基底材料由二维膜材料转换成三维石墨烯气凝胶,石墨烯气凝胶具有丰富的网络结构,可以增加活性吸附位点。相关论文已发表于《环境科学与技术》。

“我们选用偕胺肟化的二氨基马来腈,将β—环糊精引入到石墨烯气凝胶骨架上。偕胺肟基和β—环糊精协同增强吸附剂的吸铀能力及选择性,同时赋予吸附剂抗油污性能。”王志宁介绍,制备过程采用的是一步水热合成方法。

王志宁表示,该气凝胶已制备成吸附组件,并在实验室中进行小规模放大实验,但还未进行大规模应用。

马红娟进一步向《中国科学报》介绍,目前,新材料的设计主要体现在化学结构和物理结构或微观形貌两个方面。而后者是他们团队联合中国科学技术大学、中科院上海应用物理研究所等单位研发的海水提铀技术的出发点。

“我们把偕胺肟基基团在材料上的分布进行设计,让接枝在基材上的功能团的高分子链不再密实地分布在纤维表面和内部,而是自组装在表面形成纳米颗粒和间隙,同时高分子链在基材内部的生长形成几百纳米的孔道。”马红娟表示,这样不仅提高基材的比表面积,更有利于目标离子在材料内部扩散,从而提高材料捕获铀的效率。

商业应用已现曙光

事实上,目前国内外吸附材料研究非常广泛,尤其偕氨肟类吸附材料已展示出较强产业化应用前景,但大规模海洋工程研究还较少。

今年4月,马红娟联合团队在我国东海、南海近海海域陆续投放约30公斤纤维和薄膜吸附材料,开展大规模海洋吸附试验。据悉,联合团队已获得约1公斤的含铀混合物,提铀量达到百克量级。

“经济性评估显示,采用联合团队研发的吸附材料和方法,提铀成本已经降低到与国际水平相当。”马红娟说。

在马红娟看来,不同海洋环境和材料布置形式对吸附性能的影响很大。她介绍,实验室可以较稳定地控制或调整海水的状态,如海水流速、纯净度、温度等,但真正进行海试试验时,“是没有办法控制的”。

除此之外,海域的选择、时间都会对材料性能产生较大影响。

“在目前试验范围内,材料放置的深度越深,海水越纯净,对提铀越有利;夏季因温度较高,有利于提铀效率;海水流速越高,物质交换越充分,对提铀效率越有利。”马红娟总结道。

在姜标看来,目前海水提铀离实际应用还有一定距离,但已看到商业应用的曙光。

2019年11月,中核集团牵头成立中国海水提铀技术创新联盟(以下简称联盟)。今年4月,该联盟成立海水提铀技术创新联盟理事会,并提出海水提铀技术发展技术路线:到2025年,具备实现海水中提取公斤级能发电的核产品能力;到2035年,用10年时间建成海水提铀吨级示范工程;到2050年,用15年时间实现海水提铀的连续生产。作为联盟副理事长,姜标认为,该技术路线将助力我国实现“向大海要铀”的铀矿开采目标。

值得一提的是,中核集团已将海水提铀列入其先导技术,并将在“十四五”期间联合联盟各单位,编制吸附材料评价标准,建设海水提铀海试平台,推动海水提铀技术的工程化进程。

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