铀是核能事业发展的战略性原材料，而陆地铀的总储量仅够人类使用几十年，海水中赋存了约40亿吨铀，是陆地储量的近1000倍。向大海要铀，似乎大“铀”可为，可现实却是铀来不易。
图说：膜组件生产线及批量生产的膜组件 采访对象供图（下同）
好消息是，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员团队，通过创制功能型纳米膜，成功开展了千克级海水提铀试验。这是我国首次基于功能纳米膜的最大规模海水提铀试验，将有效推进我国海水提铀从“实验室”走向“海洋”，为海水提铀的工程化应用提供重要的技术支持。
向大海要铀 很难
碳达峰、碳中和背景下，核电发展驶上了“快车道”。与此同时，铀的巨大缺口也暴露了出来——铀年需求量将超过万吨，而我国铀年产量仅千吨，对外依存度很高。
海水中含有丰富的铀资源，若能有效利用起来，足以保证核电的可持续发展。长久以来，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。不过，我国迄今尚未建立海水提铀工厂。
向大海要铀，并不容易。尽管海水中含铀总量巨大，但浓度却极低。据介绍，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3.3微克/升。换算下来，1吨海水中只有3.3毫克铀。再者海水中其他杂质的含量既浓且杂，还可能要面对海上的极端气候，把这一微弱比例的铀从海水中“捞”出来，更是难上加难。用姜标的话来说，“这就像一滴眼泪滴到了西湖，要把这滴眼泪提取出来。”
纳米纤维功能膜 真棒
据介绍，世界各国对于海水提铀技术的研发，重点都集中在以吸附材料为核心的直接吸附提取方法的研究上。姜标团队基于静电纺丝技术成功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，近十年间完成了从实验室膜片到工业膜组件的批量生产。
图说：南海海域公斤级海试试验
记者了解到，美国能源部橡树岭国家实验室发展了一种新型铀吸附剂，在海水中吸附能力为3.94克/千克，是此前报道过的最好的吸附材料。姜标团队研发的铀吸附剂，模拟溶液中的吸附能力是美国这一材料的8.8倍。“一根工业膜组件有效吸附面积相当于一个足球场，实际海洋环境理想状态下全生命周期可以提取近600克的铀。”他介绍。
除了吸附性能好，这种纳米膜的离子选择性也不错。团队成员将其比成“撒网捕鱼”。“纳米膜对铀离子的选择性特别高，对海水中其他的二十多种金属离子则不予理睬。”项目负责人之一、中科院上海研院副研究员李继香说。
令人兴奋的是，研究团队已建成年产8万平方米的功能纳米膜生产线。2018年首次在东海海域实施了海水提铀示范，获得了近20克的铀黄饼。2019年11月，在南海海域建设了纳米膜公斤级海水提铀试验平台以及配套洗脱平台，完成了100余支膜组件的投放试验。
千克走向吨级 有望
中国海水提铀技术创新联盟在今年4月提出了我国海水提铀的“成长路径”：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年），建成海水提铀吨级示范工程；第三阶段（2036-2050年），实现海水中提取铀产品连续生产能力。
记者获悉，眼下制约海水提铀发展的，是其远高于陆地采铀的成本。四年前，团队从海水提铀的成本约500美元/千克，目前可降到约150美元/千克，已经接近国际上评价铀矿经济性的130美元/千克。
姜标介绍，研究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。“我们还在不断提升吸附力，降低提取成本。相信再过五六年，有望与陆地采铀的成本持平，届时或达到‘吨级’水平。”姜标说。
新民晚报记者郜阳
