浩瀚海洋能為人類提供什么？除了我們最熟知的漁業(yè)資源、動(dòng)能資源之外，海水里還蘊(yùn)藏著重要的戰(zhàn)略資源——鈾。作為核電的重要原料，鈾資源被喻為核工業(yè)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(dāng)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(shù)值是陸地儲(chǔ)量的近1000倍。數(shù)十年以來，世界各國一直致力于尋找可大規(guī)模實(shí)施的海水提鈾產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)。

澎湃新聞了解到，近日，國際歐亞科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海高等研究院綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心姜標(biāo)研究團(tuán)隊(duì)在海水提鈾研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功開展納米膜公斤級(jí)海水提鈾海試試驗(yàn)，推動(dòng)我國海水提鈾從“實(shí)驗(yàn)室”走向“海洋”，為海水提鈾的工程化應(yīng)用提供了重要技術(shù)支持。海水提鈾的工程化實(shí)施，或?qū)榫徑庵袊拟櫪Ь程峁┮粭l可選的新途徑，保障核工業(yè)發(fā)展“無限”續(xù)航。

南海海域公斤級(jí)海試平臺(tái)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(tuán)牽頭發(fā)起、聯(lián)合國內(nèi)23家高校和科研院所成立的中國海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟確立了海水提鈾“三步走”戰(zhàn)略：第一階段（2021-2025年），實(shí)現(xiàn)海水中提取公斤級(jí)鈾產(chǎn)品能力；第二階段（2026-2035），建成海水提鈾噸級(jí)示范工程；第三階段（2036-2050），實(shí)現(xiàn)海水中提取鈾產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)能力。

姜標(biāo)院士對澎湃新聞表示，按照目前的材料攻關(guān)進(jìn)度，其團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)5至6年內(nèi)有望完成海水提鈾海試噸級(jí)實(shí)驗(yàn)。這意味著，上述“三步走”時(shí)間表的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有望提前達(dá)成。

海里捕“鈾”，到底有多難、難在哪？

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

當(dāng)前，中國在建核電機(jī)組裝機(jī)容量位居世界第一，商運(yùn)機(jī)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(dá)峰碳中和時(shí)間表之后，高效清潔、高能量密度的核電迎來了新的發(fā)展窗口，也對天然鈾資源提出了新的需求。

經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)和國際原子能機(jī)構(gòu)去年12月聯(lián)合發(fā)布的《2020年鈾：資源，生產(chǎn)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(qū)在運(yùn)核電站計(jì)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(nèi)，盡管澳大利亞坐擁全球最大鈾資源儲(chǔ)量，但據(jù)世界核協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年，全球前四大產(chǎn)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(chǎn)量位列第八。目前國內(nèi)鈾資源供應(yīng)的渠道包括國內(nèi)開采、海外投資和國際貿(mào)易。在海外，中核、中廣核兩大集團(tuán)控股/參股了位于納米比亞、哈薩克斯坦和尼日爾的多個(gè)鈾礦開發(fā)項(xiàng)目。由于全球鈾礦資源趨于壟斷且進(jìn)口來源集中，國際貿(mào)易存在一定市場風(fēng)險(xiǎn)。

“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(guī)模小、品位低、較分散’的特點(diǎn)，目前天然鈾對外依存度超過70%。按照目前規(guī)劃的每年開工6~8臺(tái)核電機(jī)組，預(yù)計(jì)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(tuán)中國鈾業(yè)黨委書記、董事長陳軍利不久前曾對媒體表示。

因此，在開發(fā)陸地鈾資源的同時(shí)探尋和開拓非常規(guī)鈾資源，不僅是出于現(xiàn)實(shí)能源需求的考量，更是戰(zhàn)略性選擇之一。海水提鈾技術(shù)有望成為解決鈾資源需求的終極保障。

理想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)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(jié)構(gòu)存在，濃度僅為3.3μg/L，“30萬噸海水中只含有1公斤鈾。”姜標(biāo)對澎湃新聞稱。30萬噸海水的體量，相當(dāng)于120個(gè)奧運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)游泳池那么大。

而且，海水提鈾技術(shù)的關(guān)鍵所在——吸附材料，一旦走出實(shí)驗(yàn)室投入真實(shí)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(huì)立馬“打折”。

膜組件生產(chǎn)線及批量生產(chǎn)的膜組件

吸附材料和海洋工程造價(jià)，直接決定了海水提鈾的經(jīng)濟(jì)性。

基于靜電紡絲技術(shù)，姜標(biāo)院士團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室膜片到工業(yè)膜組件的批量生產(chǎn)，開展了近百次的模擬循環(huán)吸附/脫附工藝驗(yàn)證。此項(xiàng)研究工作前期得到了中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2017353）的支持。

“納米纖維功能膜的強(qiáng)度大、制備厚度可控且穿透力很強(qiáng)，可反復(fù)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(zhǔn)吸附‘?dāng)r截’下來。”該研究團(tuán)隊(duì)成員之一，中國科學(xué)院上海高等研究院副研究員、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員李繼香表示，“一根1米高的圓柱體工業(yè)膜組件的有效吸附面積相當(dāng)于一個(gè)足球場，理想的海洋環(huán)境狀態(tài)下，全生命周期可以提取近600克的鈾。”

挑戰(zhàn)真實(shí)海試

據(jù)姜標(biāo)院士介紹，我國海水提鈾研究起步于上世紀(jì)70年代，但彼時(shí)國內(nèi)核電建設(shè)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(shù)聯(lián)盟，以橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室牽頭聯(lián)合多個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室和高校，在全美設(shè)立了近20個(gè)項(xiàng)目和研究場所重點(diǎn)發(fā)展海水提鈾項(xiàng)目。

基于納米膜技術(shù)，姜標(biāo)院士團(tuán)隊(duì)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(yàn)成功了，但鹽湖上的基礎(chǔ)設(shè)施鐵架因鹽分過高而損毀，他們投放10個(gè)膜組件，只收回2個(gè)。

相較于海洋，鹽湖的面積終究有限。該團(tuán)隊(duì)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(huán)保性能。“整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就像養(yǎng)魚一樣，撒網(wǎng)捕魚。”姜標(biāo)院士打了個(gè)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?qū)嵤┝撕Ｋ徕櫤Ｔ囀痉叮瑔蝹€(gè)吸附周期（30天）獲得了近20克的天然鈾。

東海海域小規(guī)模海試試驗(yàn)

2019年11月，通過產(chǎn)學(xué)研合作，該研究團(tuán)隊(duì)在南海海域建設(shè)了納米膜公斤級(jí)海水提鈾海試試驗(yàn)平臺(tái)以及配套改性和洗脫平臺(tái)，完成了10余噸提鈾膜組件及平臺(tái)的裝配和加固改造，近2年間在該海試平臺(tái)上完成了100余支膜組件的海試投放和循環(huán)吸脫附試驗(yàn)。

南海海域公斤級(jí)海試試驗(yàn)平臺(tái)，取放膜組件

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)建立了完整的鈾吸附/洗脫/活化技術(shù)體系，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估。研究成果已獲授權(quán)中國國防發(fā)明專利2項(xiàng)、發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)審發(fā)明專利5項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)。

南海海域公斤級(jí)海試試驗(yàn)平臺(tái)作業(yè)現(xiàn)場

姜標(biāo)院士表示，日前，該團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合中核集團(tuán)旗下核電運(yùn)行研究（上海）有限公司，完善海洋工程實(shí)施技術(shù)。

2017年，該團(tuán)隊(duì)從海水提鈾的成本是500美元/公斤，現(xiàn)在降到了約150美元/公斤，不斷接近于目前國際上評價(jià)鈾礦經(jīng)濟(jì)性的130美元/公斤標(biāo)準(zhǔn)。“如果功能納米膜使用次數(shù)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(shí)海水提鈾成本有望追平陸地鈾礦采鈾。”姜標(biāo)院士說道。