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海水提鈾從“實(shí)驗(yàn)室”走向“海洋”

2021-06-28 16:55  來(lái)源:《中國(guó)科學(xué)報(bào)》  瀏覽:  


用于海水提鈾的膜組件。

30萬(wàn)噸海水才有1公斤鈾,不亞于“大海撈針”。正是考慮到成本過(guò)高等問(wèn)題,社會(huì)對(duì)海水提鈾可行性的質(zhì)疑一直存在,但這并沒(méi)有影響科學(xué)研究的進(jìn)程。近年來(lái),隨著核電的快速發(fā)展,關(guān)于海水提鈾的研究成果越來(lái)越多,但工程化海水提鈾的低成本解決方案卻寥寥無(wú)幾,更多研究成果僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(簡(jiǎn)稱(chēng)上海高研院)綠色化學(xué)工程技術(shù)研究與發(fā)展中心研究員姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)研究海水提鈾近十年。不久前,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作,提供了一種海水提鈾低成本解決方案,有效推進(jìn)海水提鈾從“實(shí)驗(yàn)室”走向“海洋”。

從一次偶然到上百次工藝驗(yàn)證

談及為何涉足海水提鈾研究領(lǐng)域,姜標(biāo)稱(chēng):“是一次偶然。”

2011年,中國(guó)科學(xué)院部署啟動(dòng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(A類(lèi)),姜標(biāo)是項(xiàng)目組成員之一。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的納米技術(shù)分離提取用于冷卻劑與核燃料溶劑的鋰同位素。

核與鈾總是“形影不離”。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,姜標(biāo)突發(fā)奇想:“既然利用納米技術(shù)可分離提取鋰同位素,是否也能提取鈾?”

在那時(shí),包括姜標(biāo)在內(nèi)的科學(xué)家很清楚,陸地鈾資源難以滿(mǎn)足未來(lái)核電的發(fā)展需求,必須找到補(bǔ)充或可替代方案。最終,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)證明他的設(shè)想是可行的,但他們并不滿(mǎn)足僅限于實(shí)驗(yàn)室中。

成本高一直是海水提鈾難以解決的問(wèn)題,材料和海洋工程是兩個(gè)主要制約因素。

降低材料成本是第一步。“需要找到可規(guī)?;a(chǎn)的低成本、鈾吸附性能良好的吸附材料,并加工成可海試實(shí)施的形式。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、上海高研院副研究員李繼香說(shuō)。

為此,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)基于靜電紡絲技術(shù),成功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,他們完成了從實(shí)驗(yàn)室膜片到工業(yè)膜組件的批量生產(chǎn),開(kāi)展了上百次模擬循環(huán)吸附/脫附工藝驗(yàn)證。

姜標(biāo)解釋道,工藝驗(yàn)證的目的有兩個(gè):一是測(cè)試使用壽命,這是降低材料成本的關(guān)鍵;二是證明材料是環(huán)保的,避免對(duì)海洋造成污染。

其間,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)得到中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”的支持。該項(xiàng)目針對(duì)鹽湖資源綜合利用,以國(guó)家戰(zhàn)略元素鋰、硼和鈾的提取為目標(biāo),支撐戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(釷基熔鹽堆核能系統(tǒng))和地方特色經(jīng)濟(jì)發(fā)展,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)同樣是項(xiàng)目單位之一。

提取的鈾從近20克到公斤級(jí)

基于“鹽湖鹵水若干戰(zhàn)略性元素提取”項(xiàng)目,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)先在青海省察爾汗鹽湖“小試牛刀”。相比于海洋,鹽湖的鈾含量更高,但鹽分也高。雖然試驗(yàn)成功,但湖上的基礎(chǔ)設(shè)施因鹽分過(guò)高而損毀,他們投放了10個(gè)膜組件,只收回兩個(gè)。不過(guò),這次“小試牛刀”奠定了他們開(kāi)展海水提鈾的信心。

“一根1米高圓柱形工業(yè)膜組件的有效吸附面積可達(dá)6600多平方米,相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)那么大。”姜標(biāo)對(duì)記者說(shuō)。

海洋工程成本高是姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展海試試驗(yàn)要突破的一道坎,也是最令他們頭疼的問(wèn)題。據(jù)介紹,要建設(shè)海試試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)元,但對(duì)于經(jīng)費(fèi)有限的科研團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō),這樣的做法并不劃算。

2018年,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)同福建某地政府合作,首次在東海海域開(kāi)展小規(guī)模海水提鈾海試示范,在一個(gè)月內(nèi)成功獲得近20克天然鈾。

2019年11月,姜標(biāo)團(tuán)隊(duì)借助產(chǎn)學(xué)研合作的形式,在南海海域建設(shè)了近400平方米功能納米膜公斤級(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余噸提鈾組件及平臺(tái)裝配和加固改造。近兩年,他們?cè)谠摵T囋囼?yàn)平臺(tái)上完成了100余支膜組件的海試投放和循環(huán)吸附試驗(yàn)。

值得一提的是,該團(tuán)隊(duì)還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(píng)估。

“我們利用功能納米膜,已經(jīng)成功從海水中提出天然鈾。”姜標(biāo)表示,陸地鈾資源提取成本為150美元/公斤,“如果功能納米膜使用次數(shù)增加,海洋污染可以減少,全生命周期鈾提取量可以增加,海水提鈾成本便可與陸地鈾礦相當(dāng)”。目前,他們正與中核集團(tuán)旗下核電運(yùn)行研究(上海)有限公司合作,完善海試工程實(shí)施技術(shù)。

姜標(biāo)坦言,真正海試試驗(yàn)并不容易,如海洋污染對(duì)材料的影響非常大。為此,他們不得不重新回到實(shí)驗(yàn)室,改進(jìn)材料,提高其抗污染能力。除此之外,還有季節(jié)風(fēng)、洋流等因素對(duì)材料的影響。

不過(guò),基于目前海試試驗(yàn)的進(jìn)展,姜標(biāo)對(duì)實(shí)現(xiàn)具備海水提鈾連續(xù)生產(chǎn)能力的目標(biāo)很有信心。

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