上海团队攻关海水提铀：从实验室走向海洋，保障核工业粮仓

浩瀚海洋能为人类提供什么？除了我们最熟知的渔业资源、动能资源之外，海水里还蕴藏着重要的战略资源——铀。作为核电的重要原料，铀资源被喻为核工业的“粮食”。
目前全球核电站所使用的核燃料，均来源于陆地天然铀矿的开采。以当前消耗速度，陆地铀已探明资源仅够人类使用100年左右，而海水中赋存了约45亿吨铀资源，这一数值是陆地储量的近1000倍。数十年以来，世界各国一直致力于寻找可大规模实施的海水提铀产业应用技术。
澎湃新闻了解到，近日，国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院绿色化学工程技术研究与发展中心姜标研究团队在海水提铀研究领域取得重要进展，成功开展纳米膜公斤级海水提铀海试试验，推动我国海水提铀从“实验室”走向“海洋”，为海水提铀的工程化应用提供了重要技术支持。海水提铀的工程化实施，或将为缓解中国的铀困境提供一条可选的新途径，保障核工业发展“无限”续航。

南海海域公斤级海试平台航拍照片。本文图片均由中科院上海高研院提供

今年4月底，由中核集团牵头发起、联合国内23家高校和科研院所成立的中国海水提铀技术创新联盟确立了海水提铀“三步走”战略：第一阶段（2021-2025年），实现海水中提取公斤级铀产品能力；第二阶段（2026-2035），建成海水提铀吨级示范工程；第三阶段（2036-2050），实现海水中提取铀产品连续生产能力。
姜标院士对澎湃新闻表示，按照目前的材料攻关进度，其团队预计5至6年内有望完成海水提铀海试吨级实验。这意味着，上述“三步走”时间表的关键节点有望提前达成。
海里捕“铀”，到底有多难、难在哪？
前景广阔、全球聚焦、已历经几十年科研长跑的海水提铀，为何仍要30年后才能实现工程化应用？既然陆地铀资源短期内有保障，为何必须争分夺秒拿下海水提铀技术？这要从中国的铀资源禀赋说起。
当前，中国在建核电机组装机容量位居世界第一，商运机组位列世界第三。在全球性的零碳热潮、尤其是中国确定碳达峰碳中和时间表之后，高效清洁、高能量密度的核电迎来了新的发展窗口，也对天然铀资源提出了新的需求。
经合组织核能机构和国际原子能机构去年12月联合发布的《2020年铀：资源，生产和需求》新版铀红皮书显示，截至2019年1月1日，中国已探明的铀资源（identified uranium resources）（合理确定资源和推断资源之和）为34.4万tU（吨铀），以同期中国大陆地区在运核电站计算，每年的铀需求量约为8100tU。红皮书初步推算，到2030年，中国的铀需求量将攀升至1.23万tU至1.62万tU，到2035年，上升至1.44万tU至2.05万tU。
全球范围内，尽管澳大利亚坐拥全球最大铀资源储量，但据世界核协会统计数据，2019年，全球前四大产铀国分别是哈萨克斯坦、加拿大、澳大利亚和纳米比亚，中国的产量位列第八。目前国内铀资源供应的渠道包括国内开采、海外投资和国际贸易。在海外，中核、中广核两大集团控股/参股了位于纳米比亚、哈萨克斯坦和尼日尔的多个铀矿开发项目。由于全球铀矿资源趋于垄断且进口来源集中，国际贸易存在一定市场风险。
“我国陆地铀资源虽潜在资源量比较大，但探明量不大，而且铀矿资源开采呈‘规模小、品位低、较分散’的特点，目前天然铀对外依存度超过70%。按照目前规划的每年开工6~8台核电机组，预计到2035年，我国天然铀需求量为3~3.5万吨，铀资源供需矛盾将更加凸显。”中核集团中国铀业党委书记、董事长陈军利不久前曾对媒体表示。
因此，在开发陆地铀资源的同时探寻和开拓非常规铀资源，不仅是出于现实能源需求的考量，更是战略性选择之一。海水提铀技术有望成为解决铀资源需求的终极保障。
理想很丰满，但现实很骨感。海水中含铀总量巨大，但浓度极低。
铀在海水中主要是以三碳酸铀酰离子的结构存在，浓度仅为3.3μg/L，“30万吨海水中只含有1公斤铀。”姜标对澎湃新闻称。30万吨海水的体量，相当于120个奥运标准游泳池那么大。
而且，海水提铀技术的关键所在——吸附材料，一旦走出实验室投入真实海试，极易受到海洋污染、气候、洋流等影响，理论上的吸附容量会立马“打折”。

膜组件生产线及批量生产的膜组件

吸附材料和海洋工程造价，直接决定了海水提铀的经济性。
基于静电纺丝技术，姜标院士团队制备了铀吸附速率快、吸附容量高、离子选择性好的纳米纤维功能膜，近10年间完成了从实验室膜片到工业膜组件的批量生产，开展了近百次的模拟循环吸附/脱附工艺验证。此项研究工作前期得到了中国科学院重点部署项目、中国科学院青年创新促进会项目（2017353）的支持。
“纳米纤维功能膜的强度大、制备厚度可控且穿透力很强，可反复使用，使用寿命很长。由于海水中铀浓度很低，材料的表面积足够大才能将其精准吸附‘拦截’下来。”该研究团队成员之一，中国科学院上海高等研究院副研究员、中国科学院青年创新促进会会员李继香表示，“一根1米高的圆柱体工业膜组件的有效吸附面积相当于一个足球场，理想的海洋环境状态下，全生命周期可以提取近600克的铀。”
挑战真实海试
据姜标院士介绍，我国海水提铀研究起步于上世纪70年代，但彼时国内核电建设尚未开启，铀需求不迫切，研究逐渐中断。美国也有类似的海水提铀技术联盟，以橡树岭国家实验室牵头联合多个国家实验室和高校，在全美设立了近20个项目和研究场所重点发展海水提铀项目。
基于纳米膜技术，姜标院士团队曾在青海省察尔汗盐湖“试水”提铀。与海洋相比，盐湖的铀含量虽高，但盐分也更高。最终试验成功了，但盐湖上的基础设施铁架因盐分过高而损毁，他们投放10个膜组件，只收回2个。
相较于海洋，盐湖的面积终究有限。该团队的重心和目光，开始投向海洋。材料的选择上，首要的考量是环保性能。“整个实验平台就像养鱼一样，撒网捕鱼。”姜标院士打了个比方。由于纳米膜对铀离子的选择性特别高，吸附的“专注度”极高，对海水中其他二十多种金属离子则不予理睬。
2018年，他们首次在东海海域实施了海水提铀海试示范，单个吸附周期（30天）获得了近20克的天然铀。

东海海域小规模海试试验

南海海域公斤级海试试验平台，取放膜组件

南海海域公斤级海试试验平台作业现场

姜标院士表示，日前，该团队正联合中核集团旗下核电运行研究（上海）有限公司，完善海洋工程实施技术。
2017年，该团队从海水提铀的成本是500美元/公斤，现在降到了约150美元/公斤，不断接近于目前国际上评价铀矿经济性的130美元/公斤标准。“如果功能纳米膜使用次数再增加、海洋污染可以减少、全生命周期铀提取量增加，那么届时海水提铀成本有望追平陆地铀矿采铀。”姜标院士说道。