作者:秦志伟 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/18 10:31:57
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一种海水提铀低成本解决方案来了
我国成功开展功能纳米膜公斤级海水提铀海试试验

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南海海域公斤级海试试验平台航拍照片 中国科学院上海高等研究院供图

30万吨海水才有1公斤铀,不亚于“大海捞针”。正是考虑到成本过高等问题,社会对海水提铀可行性的质疑一直存在,但这并没有影响科学研究。近年来,随着核电的快速发展,关于海水提铀的研究成果越来越多,但工程化海水提铀的低成本解决方案却寥寥无几,更多研究成果仅停留在实验室阶段。

国际欧亚科学院院士、中国科学院上海高等研究院(以下简称上海高研院)绿色化学工程技术研究与发展中心研究员姜标团队研究海水提铀已有近十年。近期,该团队通过产学研合作,提供了一种海水提铀的低成本解决方案,有效推进海水提铀从“实验室”走向“海洋”。

从一次偶然到上百次工艺验证

为何涉足海水提铀研究领域,姜标称:“是一次偶然。”

2011年,中国科学院部署启动“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”战略性科技先导专项(A类),姜标是项目组成员之一。他带领团队利用先进的纳米技术分离提取用于冷却剂与核燃料溶剂的锂同位素。

核与铀总是“形影不离”。在项目实施过程中,姜标突发奇想:“既然利用纳米技术可分离提取锂同位素,是否也能提取铀?”

在那时,包括姜标在内的科学家很清楚,陆地铀资源难以满足未来核电的发展需求,必须要找到补充或可替代方案。最终,姜标团队证明他的设想是可行的,但他们并不满足仅限于实验室中。

其实,我国海水提铀研究起步于上世纪70年代,到80年代暂时终止。近年来,核电迅速发展,陆地铀矿储量非常有限,海水提铀再次被提上日程,学界的研究又热了起来。但海水提铀成本高一直是难以解决的问题,而材料和海洋工程是两个主要的制约因素。

降低材料成本是第一步。“需要找到可规模化生产的低成本、铀吸附性能良好的吸附材料,并可加工成可海试实施的形式。”项目负责人之一,上海高研院副研究员、中国科学院青年创新促进会会员李继香说。

为此,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10年间,他们完成了从实验室膜片到工业膜组件的批量生产,开展了上百次的模拟循环吸附/脱附工艺验证。

姜标解释道,工艺验证的目的有两个:一是测试其使用寿命,这是降低材料成本的关键;二是要证明材料是环保的,避免对海洋造成污染。

期间,姜标团队得到中国科学院重点部署项目“盐湖卤水若干战略性元素提取”的支持。该项目针对盐湖资源综合利用,以国家战略元素锂、硼和铀的提取为目标,支撑战略性先导科技专项(钍基熔盐堆核能系统)和地方特色经济发展,姜标团队同样是项目单位之一。

提取的铀从近20克到公斤级

基于“盐湖卤水若干战略性元素提取”项目,姜标团队先在青海省察尔汗盐湖“小试牛刀”。相比于海洋,盐湖的铀含量更高,但盐分同样更高。虽然试验成功,但湖上的基础设施因盐分过高而损毁,他们投放10个膜组件,只收回2个。不过,这次“小试牛刀”奠定了他们开展海水提铀的信心。

姜标介绍说:“一根1米高圆柱形工业膜组件的有效吸附面积可达6600多平方米,相当于一个足球场那么大”。

海洋工程成本高是姜标团队开展海试试验要突破的一道坎,也是最令他们头疼的问题。据介绍,要建设海试试验基础设施需要花费数百万元,但对于经费有限的科研团队来说,这样的做法并不划算。

2018年,姜标团队同福建某地政府合作,首次在东海海域开展小规模海水提铀海试示范,在一个月内成功获得近20克的天然铀。

2019年11月,姜标团队借助产学研合作的形式,在南海海域建设了近400平方米功能纳米膜公斤级海水提铀海试试验平台以及配套改性和洗脱平台,完成了10余吨提铀组件及平台装配和加固改造。近两年,他们在该海试试验平台上完成了100余支膜组件的海试投放和循环吸附试验。

值得一提的是,姜标团队建立了完整的铀吸附/洗脱/活化技术体系,并进行了技术经济性评估。

“我们利用功能纳米膜,已经成功做从海水提出天然铀。”姜标表示,陆地铀资源提取成本为150美金/公斤,“如果功能纳米膜使用次数可以增加,海洋污染可以减少,全生命周期铀提取量可以增加,海水提铀成本便可与陆地铀矿相当”。目前,他们正与中核集团旗下核电运行研究(上海)有限公司合作,完善海试工程实施技术。

姜标坦言,真正海试试验并不容易,如海洋污染对材料的影响非常大。为此,他们不得不重新回到实验室,改进材料,提高其抗污染能力。除此之外,还有季节风、洋流等因素对材料的影响。

前不久,中核集团牵头发起的海水提铀技术创新联盟确立了我国2021年至2050年“三步走”的技术战略路线:到2025年,要具备实现海水中提取公斤级能发电的核产品能力;到2035年,计划用10年的时间建成海水提铀吨级示范工程;到2050年,进入海水提铀的生产阶段,实现海水提铀的连续生产能力。

基于目前海试试验的进展,姜标对实现上述目标很有信心。

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取放膜组件  中国科学院上海高等研究院供图

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南海海域公斤级海试试验平台作业现场  中国科学院上海高等研究院供图

 

 
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