低成本！納米膜公斤級海水提鈾海試試驗
南海海域公斤級海試試驗平臺航拍照片 中國科學院上海高等研究院供圖
30萬噸海水才有1公斤鈾，不亞于“大海撈針”。正是考慮到成本過高等問題，社會對海水提鈾可行性的質疑一直存在，但這并沒有影響科學研究。近年來，隨著核電的快速發展，關于海水提鈾的研究成果越來越多，但工程化海水提鈾的低成本解決方案卻寥寥無幾，更多研究成果僅停留在實驗室階段。
國際歐亞科學院院士、中國科學院上海高等研究院（以下簡稱上海高研院）綠色化學工程技術研究與發展中心研究員姜標團隊研究海水提鈾已有近十年。近期，該團隊通過產學研合作，提供了一種海水提鈾的低成本解決方案，有效推進海水提鈾從“實驗室”走向“海洋”。
從一次偶然到上百次工藝驗證
為何涉足海水提鈾研究領域，姜標稱：“是一次偶然。”
2011年，中國科學院部署啟動“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”戰略性科技先導專項（A類），姜標是項目組成員之一。他帶領團隊利用先進的納米技術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”。在項目實施過程中，姜標突發奇想：“既然利用納米技術可分離提取鋰同位素，是否也能提取鈾？”
在那時，包括姜標在內的科學家很清楚，陸地鈾資源難以滿足未來核電的發展需求，必須要找到補充或可替代方案。最終，姜標團隊證明他的設想是可行的，但他們并不滿足僅限于實驗室中。
其實，我國海水提鈾研究起步于上世紀70年代，到80年代暫時終止。近年來，核電迅速發展，陸地鈾礦儲量非常有限，海水提鈾再次被提上日程，學界的研究又熱了起來。但海水提鈾成本高一直是難以解決的問題，而材料和海洋工程是兩個主要的制約因素。
降低材料成本是第一步。“需要找到可規模化生產的低成本、鈾吸附性能良好的吸附材料，并可加工成可海試實施的形式。”項目負責人之一，上海高研院副研究員、中國科學院青年創新促進會會員李繼香說。
為此，姜標團隊基于靜電紡絲技術，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，他們完成了從實驗室膜片到工業膜組件的批量生產，開展了上百次的模擬循環吸附/脫附工藝驗證。
姜標解釋道，工藝驗證的目的有兩個：一是測試其使用壽命，這是降低材料成本的關鍵；二是要證明材料是環保的，避免對海洋造成污染。
期間，姜標團隊得到中國科學院重點部署項目“鹽湖鹵水若干戰略性元素提取”的支持。該項目針對鹽湖資源綜合利用，以國家戰略元素鋰、硼和鈾的提取為目標，支撐戰略性先導科技專項（釷基熔鹽堆核能系統）和地方特色經濟發展，姜標團隊同樣是項目單位之一。
提取的鈾從近20克到公斤級
基于“鹽湖鹵水若干戰略性元素提取”項目，姜標團隊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，但鹽分同樣更高。雖然試驗成功，但湖上的基礎設施因鹽分過高而損毀，他們投放10個膜組件，只收回2個。不過，這次“小試牛刀”奠定了他們開展海水提鈾的信心。
姜標介紹說：“一根1米高圓柱形工業膜組件的有效吸附面積可達6600多平方米，相當于一個足球場那么大”。
海洋工程成本高是姜標團隊開展海試試驗要突破的一道坎，也是最令他們頭疼的問題。據介紹，要建設海試試驗基礎設施需要花費數百萬元，但對于經費有限的科研團隊來說，這樣的做法并不劃算。
2018年，姜標團隊同福建某地政府合作，首次在東海海域開展小規模海水提鈾海試示范，在一個月內成功獲得近20克的天然鈾。
2019年11月，姜標團隊借助產學研合作的形式，在南海海域建設了近400平方米功能納米膜公斤級海水提鈾海試試驗平臺以及配套改性和洗脫平臺，完成了10余噸提鈾組件及平臺裝配和加固改造。近兩年，他們在該海試試驗平臺上完成了100余支膜組件的海試投放和循環吸附試驗。
值得一提的是，姜標團隊建立了完整的鈾吸附/洗脫/活化技術體系，并進行了技術經濟性評估。
“我們利用功能納米膜，已經成功做從海水提出天然鈾。”姜標表示，陸地鈾資源提取成本為150美金/公斤，“如果功能納米膜使用次數可以增加，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”。目前，他們正與中核集團旗下核電運行研究（上海）有限公司合作，完善海試工程實施技術。
姜標坦言，真正海試試驗并不容易，如海洋污染對材料的影響非常大。為此，他們不得不重新回到實驗室，改進材料，提高其抗污染能力。除此之外，還有季節風、洋流等因素對材料的影響。
前不久，中核集團牽頭發起的海水提鈾技術創新聯盟確立了我國2021年至2050年“三步走”的技術戰略路線：到2025年，要具備實現海水中提取公斤級能發電的核產品能力；到2035年，計劃用10年的時間建成海水提鈾噸級示范工程；到2050年，進入海水提鈾的生產階段，實現海水提鈾的連續生產能力。
基于目前海試試驗的進展，姜標對實現上述目標很有信心。
取放膜組件 中國科學院上海高等研究院供圖
南海海域公斤級海試試驗平臺作業現場 中國科學院上海高等研究院供圖
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