提取海水中的铀 可供全世界用上1万年

把海水中的铀提取出来，可供全世界用上1万年 

可以从海水中吸收铀的纤维。研究人员让这种纤维和荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）接触，并使用先进光子源（Advanced Photon Source）对其进行三维X射线微断层摄影，确定该纤维的结构并没有受到荧光假单胞菌的破坏。图片来源：美国能源部西北太平洋国家实验室

海洋中蕴藏这超过40亿吨铀。如果我们能从海水中把它们提取出来为核电厂发电的话，足够全世界用上一万年。在这个领域的最新重大进展发表在美国化学学会（American Chemical Society，ACS）旗下期刊《工业与工程化学研究》（Industrial & Engineering Chemistry Research）上。

半个世纪以来，全世界的研究人员都在尝试从海洋里提取铀，但是成功者寥寥。上世纪90年代，日本原子能研究开发机构（Japan Atomic Energy Agency，JAEA）的科学家首先研发出一种能够吸收铀的材料，当它被浸没在海水中时能够在表面吸附并固定铀。2011年，美国能源部（DOE）启动了一个跨学科的项目，项目团队来自美国各大国家实验室，大学和研究机构，目的是解决从海水中以低成本的方式提取铀的根本性难点。5年内，这个团队发明了一种新型吸附剂，它让海水提铀的成本下降了3到4倍。

为了记录下包括这个进展在内的重大成果，《工业与工程化学研究》的特刊以“海水提铀”为题，囊括了于2015年春季在丹佛召开的ACS会议上国际科研人员报告的研究进展。主要成果来自于受 DOE 核能办公室开展的能燃料资源计划（Fuel Resources Program）资助的科研人员。他们与中国科学院以及 JAEA 达成了协议，协调了中国和日本的国际科研力量。

DOE 的能燃料资源计划为海水提铀在经济层面上的可行性打下了技术基础。它为美国国家实验室，大学以及研究机构提供支持，这些机构专注于新一代吸附剂的研发和测试工作。这些吸附剂将具有更高的吸附容量，更快的结合速率，而在海水中循环使用时的降解速度却更小。

“如果想让核能成为可持续能源，就必须要有价格经济且供应充沛的核燃料，”DOE计划的技术及推广负责人Phillip Britt表示，“这期特刊主打国际研究者做出的重大成果，他们让海洋为人类提供了一个安全的能源远景。”

来自DOE的两个实验室－田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）和华盛顿州的西北太平洋国家实验室（PNNL）的科学家发表的论文数量超出特刊30篇论文的一半。ORNL 的主要贡献是合成铀吸附剂并对其性质进行了分析。PNNL 的论文主要关注对国家实验室以及其他大学合成的吸附剂在海洋中的测试。

“合成能够更好地在海水中吸附铀的材料需要多学科和多机构的团队，包括化学家，计算机科学家，化学工程师，海洋科学家以及经济学家的合作，”ORNL海水提铀项目技术主管 Sheng Dai 表示，“计算研究可以让我们更好地了解选择性地与铀结合的化学基。”

热力学研究可以让我们更好地了解铀以及它在海水中的相关化学形态的化学性质。动力学研究可以发现控制海水铀吸附速率的因素。在实验室中理解吸附剂的性质是研发更经济的吸附剂，并让它们尽可能多吸附铀的关键。

最后，科研团队研发出了一种包含名为胺肟（amidoxime）的具有铀吸附能力的化学族的聚乙烯纤维束。目前，研究人员在实验室中用海水对该材料进行测试。这些纤维束在海水中会自然展开，而无需花费财力物力将大量海水泵入纤维束中。几周后，就可以回收吸附着铀氧化物的纤维，并用酸处理法来释放纤维中的铀酰离子，让吸附剂纤维可以被重复利用。将铀进行进一步的处理并浓缩后就能够生产出为核电站供能的材料。

PNNL 的研究者测试了 ORNL 和其他实验室研发的吸附剂，其中包括了一些参与核能大学计划（Nuclear Energy University Program）的大学。在严格控制的温度和流量的条件下，他们分别用过滤的和未经过滤的华盛顿州史魁恩湾的海水进行测试。PNNL 沿海科学部的代理部长 Gary Gill 对三个海洋试验场进行协调，分别是位于史魁恩的PNNL海洋科学实验室（Marine Sciences Laboratory），位于马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）以及位于佛罗里达州的迈阿密大学（University of Miami）。

“理解吸附剂在自然海水条件下的工作情况是可靠地评估铀吸附剂材料的关键，”Gill表示，“除了海洋测试以外，我们还评估了吸附剂吸收铀以及其他元素的情况，它的吸附持久性，以及海洋生物的集结对吸附容量的影响。我们发现大多数吸附材料并没有毒性。PNNL 还做了一些实验，用酸溶液和碳酸氢盐溶液优化铀的释放和吸附剂材料的再利用。”

PNNL 的海洋测试发现，ORNL 研发的吸附剂材料的吸附容量为，暴露在天然海水环境下49天后，每千克吸附剂能够吸收5.2克铀。这是特刊中的明星。海水提铀计划依然在不断地取得进展，收获具有更高的铀吸附容量的吸附剂。最近的测试结果发现，暴露在天然海水环境下56天后，某种吸附剂的吸附容量已经超过了6克铀／每千克吸附剂，这比特刊中的最佳结果还高15%。

来源：美国能源部/橡树岭国家实验室

翻译：徐寒易

审校：马宏