浩瀚海洋能為人類提供什么？除了我們最熟知的漁業資源、動能資源之外，海水里還蘊藏著重要的戰略資源——鈾。作為核電的重要原料，鈾資源被喻為核工業的“糧食”。

目前全球核電站所使用的核燃料，均來源于陸地天然鈾礦的開采。以當前消耗速度，陸地鈾已探明資源僅夠人類使用100年左右，而海水中賦存了約45億噸鈾資源，這一數值是陸地儲量的近1000倍。數十年以來，世界各國一直致力于尋找可大規模實施的海水提鈾產業應用技術。

澎湃新聞了解到，近日，國際歐亞科學院院士、中國科學院上海高等研究院綠色化學工程技術研究與發展中心姜標研究團隊在海水提鈾研究領域取得重要進展，成功開展納米膜公斤級海水提鈾海試試驗，推動我國海水提鈾從“實驗室”走向“海洋”，為海水提鈾的工程化應用提供了重要技術支持。海水提鈾的工程化實施，或將為緩解中國的鈾困境提供一條可選的新途徑，保障核工業發展“無限”續航。

南海海域公斤級海試平臺航拍照片。本文圖片均由中科院上海高研院提供

今年4月底，由中核集團牽頭發起、聯合國內23家高校和科研院所成立的中國海水提鈾技術創新聯盟確立了海水提鈾“三步走”戰略：第一階段（2021-2025年），實現海水中提取公斤級鈾產品能力；第二階段（2026-2035），建成海水提鈾噸級示范工程；第三階段（2036-2050），實現海水中提取鈾產品連續生產能力。

姜標院士對澎湃新聞表示，按照目前的材料攻關進度，其團隊預計5至6年內有望完成海水提鈾海試噸級實驗。這意味著，上述“三步走”時間表的關鍵節點有望提前達成。

海里捕“鈾”，到底有多難、難在哪？

前景廣闊、全球聚焦、已歷經幾十年科研長跑的海水提鈾，為何仍要30年后才能實現工程化應用？既然陸地鈾資源短期內有保障，為何必須爭分奪秒拿下海水提鈾技術？這要從中國的鈾資源稟賦說起。

當前，中國在建核電機組裝機容量位居世界第一，商運機組位列世界第三。在全球性的零碳熱潮、尤其是中國確定碳達峰碳中和時間表之后，高效清潔、高能量密度的核電迎來了新的發展窗口，也對天然鈾資源提出了新的需求。

經合組織核能機構和國際原子能機構去年12月聯合發布的《2020年鈾：資源，生產和需求》新版鈾紅皮書顯示，截至2019年1月1日，中國已探明的鈾資源（identified uranium resources）（合理確定資源和推斷資源之和）為34.4萬tU（噸鈾），以同期中國大陸地區在運核電站計算，每年的鈾需求量約為8100tU。紅皮書初步推算，到2030年，中國的鈾需求量將攀升至1.23萬tU至1.62萬tU，到2035年，上升至1.44萬tU至2.05萬tU。

全球范圍內，盡管澳大利亞坐擁全球最大鈾資源儲量，但據世界核協會統計數據，2019年，全球前四大產鈾國分別是哈薩克斯坦、加拿大、澳大利亞和納米比亞，中國的產量位列第八。目前國內鈾資源供應的渠道包括國內開采、海外投資和國際貿易。在海外，中核、中廣核兩大集團控股/參股了位于納米比亞、哈薩克斯坦和尼日爾的多個鈾礦開發項目。由于全球鈾礦資源趨于壟斷且進口來源集中，國際貿易存在一定市場風險。

“我國陸地鈾資源雖潛在資源量比較大，但探明量不大，而且鈾礦資源開采呈‘規模小、品位低、較分散’的特點，目前天然鈾對外依存度超過70%。按照目前規劃的每年開工6~8臺核電機組，預計到2035年，我國天然鈾需求量為3~3.5萬噸，鈾資源供需矛盾將更加凸顯。”中核集團中國鈾業黨委書記、董事長陳軍利不久前曾對媒體表示。

因此，在開發陸地鈾資源的同時探尋和開拓非常規鈾資源，不僅是出于現實能源需求的考量，更是戰略性選擇之一。海水提鈾技術有望成為解決鈾資源需求的終極保障。

理想很豐滿，但現實很骨感。海水中含鈾總量巨大，但濃度極低。

鈾在海水中主要是以三碳酸鈾酰離子的結構存在，濃度僅為3.3μg/L，“30萬噸海水中只含有1公斤鈾。”姜標對澎湃新聞稱。30萬噸海水的體量，相當于120個奧運標準游泳池那么大。

而且，海水提鈾技術的關鍵所在——吸附材料，一旦走出實驗室投入真實海試，極易受到海洋污染、氣候、洋流等影響，理論上的吸附容量會立馬“打折”。

膜組件生產線及批量生產的膜組件

吸附材料和海洋工程造價，直接決定了海水提鈾的經濟性。

基于靜電紡絲技術，姜標院士團隊制備了鈾吸附速率快、吸附容量高、離子選擇性好的納米纖維功能膜，近10年間完成了從實驗室膜片到工業膜組件的批量生產，開展了近百次的模擬循環吸附/脫附工藝驗證。此項研究工作前期得到了中國科學院重點部署項目、中國科學院青年創新促進會項目（2017353）的支持。

“納米纖維功能膜的強度大、制備厚度可控且穿透力很強，可反復使用，使用壽命很長。由于海水中鈾濃度很低，材料的表面積足夠大才能將其精準吸附‘攔截’下來。”該研究團隊成員之一，中國科學院上海高等研究院副研究員、中國科學院青年創新促進會會員李繼香表示，“一根1米高的圓柱體工業膜組件的有效吸附面積相當于一個足球場，理想的海洋環境狀態下，全生命周期可以提取近600克的鈾。”

挑戰真實海試

據姜標院士介紹，我國海水提鈾研究起步于上世紀70年代，但彼時國內核電建設尚未開啟，鈾需求不迫切，研究逐漸中斷。美國也有類似的海水提鈾技術聯盟，以橡樹嶺國家實驗室牽頭聯合多個國家實驗室和高校，在全美設立了近20個項目和研究場所重點發展海水提鈾項目。

基于納米膜技術，姜標院士團隊曾在青海省察爾汗鹽湖“試水”提鈾。與海洋相比，鹽湖的鈾含量雖高，但鹽分也更高。最終試驗成功了，但鹽湖上的基礎設施鐵架因鹽分過高而損毀，他們投放10個膜組件，只收回2個。

相較于海洋，鹽湖的面積終究有限。該團隊的重心和目光，開始投向海洋。材料的選擇上，首要的考量是環保性能。“整個實驗平臺就像養魚一樣，撒網捕魚。”姜標院士打了個比方。由于納米膜對鈾離子的選擇性特別高，吸附的“專注度”極高，對海水中其他二十多種金屬離子則不予理睬。

2018年，他們首次在東海海域實施了海水提鈾海試示范，單個吸附周期（30天）獲得了近20克的天然鈾。

東海海域小規模海試試驗

2019年11月，通過產學研合作，該研究團隊在南海海域建設了納米膜公斤級海水提鈾海試試驗平臺以及配套改性和洗脫平臺，完成了10余噸提鈾膜組件及平臺的裝配和加固改造，近2年間在該海試平臺上完成了100余支膜組件的海試投放和循環吸脫附試驗。

南海海域公斤級海試試驗平臺，取放膜組件

同時，研究團隊建立了完整的鈾吸附/洗脫/活化技術體系，并進行了技術經濟性評估。研究成果已獲授權中國國防發明專利2項、發明專利1項，實審發明專利5項、實用新型專利2項。

南海海域公斤級海試試驗平臺作業現場

姜標院士表示，日前，該團隊正聯合中核集團旗下核電運行研究（上海）有限公司，完善海洋工程實施技術。

2017年，該團隊從海水提鈾的成本是500美元/公斤，現在降到了約150美元/公斤，不斷接近于目前國際上評價鈾礦經濟性的130美元/公斤標準。“如果功能納米膜使用次數再增加、海洋污染可以減少、全生命周期鈾提取量增加，那么屆時海水提鈾成本有望追平陸地鈾礦采鈾。”姜標院士說道。