海水提铀：一项或可改变世界的重大技术

当今世界，人口不断增加，新兴经济不断发展，能源需求不断攀升，而全球资源日益减少，能源危机已近在眼前。核能作为清洁能源，是应对能源危机的重要手段。预计到2040年，全球核能发电量将提高一倍，而铀资源的稳定和低成本供应成为核电发展的基础和关键。当前，碳中和对我国能源结构的优化提出了多重要求，我国亟待加速能源结构转型，而核能在此过程中应发挥重要的作用。同时，铀资源的开发也将迎来严峻的挑战！

认识“铀”

铀(uranium)是原子序数为92的元素，是自然界中能够找到的最重的元素。1789年，由德国化学家克拉普罗特(M. H. Klaproth)从沥青铀矿中分离出，并用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium，元素符号定为U。铀共有24种人工同位素(U-217～U-242)，但在自然界中只存在三种同位素(U-234，U-235，U-238)，均有放射性，拥有非常长的半衰期。其中U-235是唯一可裂变的天然核素，受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变，放出的总能量为195 MeV，同时释放2～3个中子，引发链式核裂变；U-238是制取核燃料钚的原料。在1939年哈恩(O. Hahn)和斯特拉斯曼(F. Strassmann)发现了铀的核裂变现象之后，铀成为重要的核燃料。

地壳中铀的平均含量约为2.5 ppm，即平均每吨地壳物质中约含2.5 g铀，比钨、汞、金、银等元素的含量高。但铀在各种岩石中的含量很不均匀。在花岗岩中的含量较高，平均每吨花岗岩含3.5 g铀。海水中铀的浓度相当低，平均每吨海水只含3.3 mg铀，但由于海水总量极大，海水中铀总含量可达45亿t。

由于铀的化学性质很活泼，自然界不存在游离态的金属铀，而以化合态存在。铀在地壳中分布广泛，已知的铀矿物有170多种，但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种，其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀)、品质铀矿(主要成分为二氧化铀)、铀石和铀黑等。

块状铀在空气中易氧化，生成一层发暗的氧化膜。其在空气中加热即燃烧，高度粉碎的铀在空气中极易自燃。铀能和几乎所有的非金属作用(惰性气体除外)，铀易与卤素反应生成卤化物；在加热条件下，铀可以分别和氢、硫、氮、碳形成相应的化合物。铀能与多种金属形成合金，能与汞、锡、铜、铅、铝、铋、铁、镍、锰、钴、锌、铍作用生成金属间化合物。

铀资源的分布

全世界铀资源大致可分为两大类：一次供给源和二次供给源。一次供给源是指从自然界存在的天然铀中获取的铀资源，包括陆地铀资源和海洋铀资源，其中陆地一次供给源分布广阔且极不均匀。一次供给源又可以分为传统资源和非传统资源。传统资源是指从铀矿石中开采出来的铀资源，非传统资源是指天然存在的品位比较低或者作为其他资源中的副产物，有一定回收价值的铀资源，其中最重要的非传统一次供给源就是海水中的铀。二次供给源是指作为军用或民用被加工之后的铀，或者乏燃料后处理回收的铀等。

以目前的铀资源消耗速率，全球开采价格在100美元/kg以下的陆地铀矿资源可维持核电发展一百年左右。为保证铀资源的供应，解决能源安全问题，人们开始对非常规储备形式的工业金属和矿物进行探索和利用，其中海水铀资源成为关注的重点。

海水提铀

海水提铀研究已有将近60年的历史，最早始于1964年Davies等的工作，该研究起源于英国20世纪50年代的“Project Oyster”。第二次世界大战后，全球开始核能及核武器的研究，而陆地铀矿资源的稀缺导致了国际市场的不稳定，从而影响国防及能源产品的制造，这使人们产生了紧迫感。

随着全球资源日益减少，人口不断增加，为了防止社会、政治及环境因素影响能源供应安全，造成全球经济问题，人们开始对工业金属和矿物的非常规储备形式进行探索和利用。以目前的铀资源消耗速率，全球铀矿资源储量可维持核电发展80～120年。但到2050年，全球人口总数将超130亿，新兴经济不断发展，能源需求不断攀升。过去20年，尽管美国等发达国家人均能源消耗逐渐降低，但全球层面的能源消耗依然提高了30%，预计到2040年，核能发电量比现在多1倍，保证铀资源的稳定供应成为解决能源安全问题的关键。

海水中铀资源总量经估算可达45亿t，是传统陆地铀矿资源的1000倍，足以满足人类核能发电可持续发展数千年。海水提铀是从海水中提取铀化合物的过程，可以实现对海水中铀资源的开采。为了保证铀资源稀缺国家的铀资源供应，防止铀资源供应链发生急剧波动，发展成熟、低碳的海水提铀研究工作势在必行。同时海水提铀的过程对于环境非常友好，完全区别于陆地铀矿的破坏性开采形式，可以实现资源开采与环境保护兼顾，是一种环保绿色的铀资源开采技术。

中国海水提铀研究发展概况

中国的海水提铀研究始于20世纪60年代，在上海成立了海水提铀办公室。从20世纪70年代开始，中国科学院海洋研究所、山东海洋学院等单位在核工业部、国家海洋局的资助和支持下，对海水中的铀提取进行了一系列的研究工作。国家海洋局第三研究所研制的钛型吸附剂，最佳吸附容量达到0.65 mg U/g ads。1970年，华东师范大学“671”科研组利用水合氧化钛作为吸附剂，通过在海边搭建槽型吸附床的形式，利用潮汐作用来进行海水提铀，从海水中提取出了30 g铀。但是由于当时进行海水提铀场地选址和搭建困难，以及水合氧化钛在吸附过程中损失严重等问题，相关研究没有继续。

从2011年开始，在国家相关部门的资助下，中国工程物理研究院、中国科学院上海应用物理研究所、中核集团和部分高校等多家科研单位陆续投入到海水提铀的研究工作中。主要发展了多种不同类型的提铀材料，包括有机-无机复合材料、氧化石墨烯/偕胺肟水凝胶、偕胺肟功能化的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、静电纺丝法制备聚偏氟[poly(vinylidene fluoride)，PVDF]乙烯/聚偕胺肟等。并针对海水提铀的机理及海水提铀工程化技术等领域开展了相关研究工作。

经估算，海水中铀资源总量可达45亿t，是传统陆地铀矿资源的1000倍，足以支撑核能发电持续发展数千年。海水提铀是从海水中提取铀化合物的过程，可以实现对海水中铀资源的开采。为保证铀资源稀缺国家的铀资源供应、防止铀资源供应链急剧波动，发展成熟、低碳的海水提铀技术势在必行。

为此，从2010年开始，作者带领中国工程物理研究院核物理与化学研究所海水提铀团队围绕海水提铀的材料制备、铀提取的过程机理及海水提铀海试试验等核心问题，开展了10年潜心研究，对海水提铀工作有了比较全面的认识，取得了一些突破性的进展。目前已经建立起较为系统的研究方法、理论体系与实施工艺。

《海水提铀》是在归纳、整理和总结海水提铀研究发展概况及凝练作者多年研究成果的基础上撰写的。

本书共分为6章，较全面和系统地介绍了国内外海水提铀研究的概况、相关的技术工艺、尚存的问题与前沿研究。内容覆盖材料科学、放射化学、理论分析与工程技术等多个领域。

第1章对全球的铀资源情况进行了概述，阐述了海水提铀的意义与挑战，并回顾了海水提铀研究的历史及主要研究国家的发展情况。

由于吸附材料是海水提铀的关键，第2章～第4章详细介绍了采用不同类型吸附材料进行提铀的相关研究进展。

第2章主要针对在海水提铀中研究最多、应用最为广泛的高分子提铀材料，较为详细地介绍了多种高分子提铀材料的制备方法及其结构特点和其在海水提铀过程中的处理方法。

第3章主要介绍了无机类材料在海水提铀中的应用，其中涵盖了碳材料、硅材料和杂化材料。

第4章针对近年来在海水提铀研究领域发展出的新材料和新方法进行了阐述，介绍了多种纳米材料、生物材料及电化学分离方法等在海水提铀中的应用。

第5章主要阐述了海水提铀的机理研究工作，对从研究方法的介绍到提铀过程中的机理研究进行了较为详细的阐述。

第6章重点阐述了海水提铀的海试试验，对海试试验中所涉及的工程技术进行了介绍，并讲述了海水提铀过程与海洋环境的相互影响，简述了从事海水提铀研究的几个主要国家的海试情况及海水提铀经济性的核算与评估。

汪小琳简介

汪小琳，中国工程物理研究院科技委副主任，研究员，博士生导师。主要研究方向：锕系材料科学、核化学与放射分析化学、海水提铀、氚科学技术等领域。目前是国家科工局“核科学挑战专题”和科技部重点研发项目的首席科学家。担任国家科工局“十二五”和“十三五”海水提铀项目的负责人。获得军队科技进步一等奖4项，发表学术论文100余篇，海水提铀技术相关发明专利授权6项；获邓稼先科技奖、中国科协“求是”杰出青年实用工程奖，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴。

文君简介

文君，中国工程物理研究院核物理与化学研究所副研究员，硕士生导师。主要研究方向：海水提铀，放射分析化学等领域。曾获批国家自然科学基金重点项目，面上项目和青年基金项目，发表论文50余篇，获批海水提铀相关发明专利6项，曾获教育部自然科学一等奖，入选四川省“天府万人计划”和中国工程物理研究院“双百人才”项目。

本文摘编自《海水提铀》一书，内容有删减，标题为编者所加。

《海水提铀》

汪小琳 文君 著

责任编辑：张展 黄嘉

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内容简介

本书系统地介绍了国内外海水提铀的研究概况、关键的技术工艺、尚存的问题及前沿研究，主要内容包括：海水提铀的发展历史、意义与挑战，不同类型海水提铀材料的相关研究进展，海水提铀相关的理论研究及海水提铀海试技术的相关研究。内容覆盖了材料科学、放射化学、理论分析与工程技术等多个领域。

本书可供从事海水提铀材料研制、生产和相关工程技术研发的研究人员和工程技术人员参阅，也可作为高等院校相关专业教师、学生学习海水提铀的参考资料。

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本书目录

第1章 海水提铀概述 1

1.1 铀资源概述 1
1.1.1 铀的基本性质 1
1.1.2 铀资源的分布 2
1.1.3 铀的生产 4
1.1.4 铀的供需 5
1.2 海水提铀简介 6
1.2.1 海水提铀的意义 6
1.2.2 海水提铀的研究方法 6
1.2.3 海水提铀的研究挑战 7
1.3 海水提铀材料简介 10
1.4 海水提铀主要研究国家的发展概况 12
1.4.1 日本 12
1.4.2 美国 13
1.4.3 中国 14
1.4.4 印度 14
1.4.5 欧洲国家 15
参考文献 15
第2章 高分子材料提铀 19
2.1 RIGP法制备高分子提铀材料 19
2.1.1 预辐照接枝法 19
2.1.2 乳液接枝聚合法 36
2.1.3 共辐照接枝法 38
2.2 ATRP法制备高分子提铀材料 42
2.3 其他方法制备高分子提铀材料 46
2.3.1 悬浮聚合 46
2.3.2 乳液聚合 50
2.3.3 化学引发聚合 52
2.3.4 静电纺丝 53
2.3.5 气喷纺丝 55
2.3.6 其他方法 57
2.4 高分子提铀材料的预处理 63
2.4.1 碱处理 63
2.4.2 热处理 67
2.5 抗海洋生物污损提铀材料 71
2.5.1 抗菌/抗藻型提铀材料 71
2.5.2 抗附着型提铀材料 75
2.6 高分子提铀材料的洗脱 77
2.6.1 酸洗脱体系 78
2.6.2 碱洗脱体系 79
参考文献 81
第3章 无机类材料提铀 87
3.1 碳质材料 87
3.1.1 活性炭 87
3.1.2 介孔碳 91
3.1.3 碳纳米管 94
3.1.4 石墨烯材料 96
3.2 硅质材料 98
3.2.1 介孔硅材料 98
3.2.2 非介孔硅材料 106
3.2.3 纳米硅材料 111
3.2.4 磁性硅材料 113
3.3 无机杂化材料 114
3.3.1 金属氧化物材料 114
3.3.2 层状无机材料 117
3.3.3 偕胺肟修饰的无机材料 125
3.3.4 其他无机杂化材料 128
参考文献 131
第4章 新型材料海水提铀与方法 135
4.1 金属有机框架材料 135
4.1.1 功能化金属有机框架材料 135
4.1.2 未功能化金属有机框架材料 140
4.2 共价有机框架材料 144
4.3 多孔有机聚合物材料 149
4.4 离子印迹聚合物材料 152
4.5 生物蛋白材料 155
4.6 电吸附分离方法 157
参考文献 160
第5章 海水提铀的机理 163
5.1 理论模拟方法 165
5.1.1 密度泛函理论模拟 165
5.1.2 分子动力学理论模拟 177
5.2 实验研究方法 179
5.2.1 电位滴定法 179
5.2.2 结晶法 184
5.2.3 EXAFS法 189
5.2.4 微量热法 193
5.2.5 其他方法 196
参考文献 199
第6章 海水提铀的海试试验 202
6.1 海试试验的模式简介 202
6.1.1 实验室平台提铀试验 202
6.1.2 海域海水提铀试验 203
6.1.3 海水提铀与海水淡化技术联用 204
6.2 海水提铀与海洋环境的关系 205
6.2.1 复杂的海洋环境 205
6.2.2 提铀材料对海洋环境的影响 211
6.3 主要研究国家真实海水海试试验发展状况 212
6.3.1 美国 212
6.3.2 日本 214
6.3.3 中国 219
6.4 海水提铀经济性分析 221
6.4.1 海水提铀成本组成 221
6.4.2 海水提铀经济性测算 224
参考文献 226
第603次香山科学会议：中国海水提铀未来发展 229

（本期编辑：王芳 ）

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