对于大多数人来说,“铀”是一种神秘又恐怖的元素。它是福岛核事故的“罪魁祸首”,也是原子弹的原材料。但这种元素,在化石燃料污染日渐严重的今天,已经作为核电原料成为了一种全球的战略资源。
我国是世界上最大的铀电在建国,同时却是一个铀矿稀缺国,每年的铀都供不应求,需要大量向国外进口。在交易中,中国很难在资源国面前抢到定价权,十分受制于人。
但现在一切变得不同了,2021年6月底,我国公布了一项关于海水提铀的先进研究成果,这意味着我国的铀资源即将突破封锁。不仅如此,铀还可以用来作战略储备,用于生产核弹,在未来增强我国的核威慑。
铀是什么?我国为何稀缺?
铀是自然界能够找到的最重的元素,陆地上的铀通常以矿石的形式存在。含铀矿石呈现出柠檬黄或绿色的样子,所以铀在最早期是一种色素,在摄影中可以给照片着色。
直到1896年,法国物理学家亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)发现了铀的放射性,之后人们就转变了研究方向,这一美丽的“色素”也在发展过程中,逐步变成了一位残酷的杀手。美国轰炸广岛所使用的“小男孩”,实质就是一枚铀-235原子弹。
当然,在相对和平的现代,铀这种元素主要是被用来发电的,一公斤的铀最高可产生80万亿焦耳的能量,相当于3000吨燃煤,惊人的效率可以不夸张地说:得铀者,得核电天下。
目前,全球的铀矿估计有550万吨库存,然而,这些铀矿的分布非常不平均,多的像哈萨克斯坦这个国家,所拥有的铀矿几乎可以占据全球的35%。我国陆地上的铀资源虽然也不少,但铀矿的品位却不佳,提炼精度低,开采价值小,因此对国外的依存度相当高。
而掌握铀矿资源的几个国家,如澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦都掌握着对铀矿的大半定价权,我国铀矿的供需关系矛盾日益上涨,于是,向大海“要”铀已经成了刻不容缓的事。
海水提铀,究竟有多难?
海水中的铀蕴藏量远远超过人们的想象,初步估计就有45亿吨,是陆地上已探明铀矿储量的约800倍。那为何我们现在才考虑这件事呢?
答案就是:海水中的铀含量虽然丰富,但浓度实在太低了。
试想一下,全世界浩瀚的海水当中,仅仅蕴含45亿吨的铀,平均每30万吨海水才能产出1公斤铀,相当于在西湖当中提取一滴眼泪,技术难度之大,无异于海底捞针!
日本也是一个缺铀国,作为一个岛屿,自然是最优先考虑海洋资源的。因此日本也是最早考虑从海水中提取铀的国家,但他们很快遭遇了现实的毒打。
1980年,日本科学家用离子交换法在海水中首次萃取铀元素,有限的提取技术,导致海水中充斥着大量杂质,且含量远远高于铀酰离子,加上海水中还有着复杂的生物系统,导致提取出来的铀质量不高。
而且,这项技术实在是太费钱了,就算剔除杂质,把铀提纯出来,其成本也远超从其他国家购买铀矿,因此建起来的海水提取场也不了了之。
但现在,中国不仅赶上来了,甚至还超过去了。2021年6月底,上海高研院公布了一项新技术,这种技术提供了海水提铀的低成本解决方案。
如果说以前海水提铀只是一个理论上的构想,那么现在就有希望走出实验室、走向海洋、走进民用设施。
大海捞“铀”,起始于一次偶然
至于我国发现这项技术的过程,则是一次灵感的偶然迸发。
2011年,中国科学院开始启动“TMSR(核裂变能-钍基熔盐堆核能系统)”计划,其中有一名叫作姜标的项目组成员,主要负责使用纳米技术分离提纯锂的同位素。
这种锂的同位素可以用于核电的冷却剂,也可以用作核燃料的溶剂,是核电的好帮手。就在这时,姜标突然有了一个想法:既然纳米技术可以提取锂,那是不是也能提取与核“形影不离”的铀呢?
光有想法还不够,姜标立刻开始着手进行实验,试图验证自己的想法。
吸附材料
他和他的研究团队从青海省查尔干盐湖采取了少量的水样本。盐湖虽然不是海洋,但其中含有的铀含量也很高,但是其中的高盐分也会对其形成干扰。为了丰富采样面积,姜标团队在盐湖投放了10个纳米膜组件。
虽然最后这些组件的大半被过高的盐分损毁,最后只成功回收了两个,但这两个组件都有效吸附到了盐湖中的铀,这一下无疑是给了研究人员一剂强心剂,奠定了他们继续深入研究的信心。
丰硕的成果
2018年,姜标团队首次在东海海域开展小规模海水提铀试验,一个月内成功吸附并获得近20克天然铀;
2019年,姜标团队又一次完善了铀吸附、洗脱、活化等等技术,在南海建立了400平方米的吸铀平台,两年以后,可提取的铀已从20克提升到了公斤级!
南海海域公斤级海试试验平台
而现在,研究团队表示:他们目前已经把海铀价格压到了150美元/公斤的成本,而陆地铀资源提取成本为130美元/公斤,即将对标,胜利已经近在眼前。
姜标表示,如果接下来还能增加纳米膜的使用次数,增加单次铀提取量、减少海洋污染,未来海水提铀的成本还会继续下降,甚至有可能低于地面采铀。或许在未来几年,我国铀的单位可以不再用紧巴巴的“公斤”来形容,而是上“吨”级。
吸附材料海洋布置和脱附得到的含铀产物
目前,姜标团队正与中核集团旗下的核电运行研究公司合作,还在不断完善海试工程,一步步降低提取成本,他们对项目的推进很有信心。
而这件事的意义,不仅在于我国摆脱了铀矿石的封锁,还让我们的人民可能用上更便宜、更清洁的电,让我们的国家在世界上更有话语权,参与市场竞争也变得更有底气了。
未来,丰富的铀资源或许还能作为军用原料,进一步增强我国展现的核威慑。
这一切,都要归功于中国科研人员展现出的创新能力、行动能力,在他们的努力下,外国对中国的“卡脖子”政策必定不会长久。