中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室李良彬研究員、上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院馬紅娟研究員、中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所許璐副研究員等組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)研發(fā)海水提鈾新材料,在海水提鈾技術(shù)及工程化進(jìn)程中取得重要進(jìn)展,成功實(shí)現(xiàn)真實(shí)海水百克量級(jí)提鈾。
為實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的宏偉目標(biāo),調(diào)整能源結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵一環(huán)。核電作為一種低碳清潔能源,是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分,也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要能源保障。當(dāng)前我國(guó)核電總裝機(jī)容量已成為僅次于美國(guó)和法國(guó)的世界第三大國(guó),并且是全球核電站在建規(guī)模最大的國(guó)家。然而我國(guó)陸地鈾資源十分匱乏,到2030年鈾燃料缺口近90%,嚴(yán)重依賴于進(jìn)口,對(duì)我國(guó)核能安全與發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。相對(duì)于陸地鈾資源,海水中蘊(yùn)藏著約45億噸鈾,相當(dāng)于全球陸地鈾礦儲(chǔ)量的一千倍。如能經(jīng)濟(jì)有效地利用海水中鈾資源,將為我國(guó)核能的安全與發(fā)展提供重要的資源和保障,同時(shí)也將為國(guó)家低碳清潔能源提供重要支持。
盡管海洋中鈾總量巨大,但其濃度極低,共存離子多,海洋環(huán)境復(fù)雜,如何實(shí)現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近年來(lái),海水提鈾基礎(chǔ)研究取得重要進(jìn)展。該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用精確基材加工、優(yōu)化輻照接枝等技術(shù),成功研發(fā)了一種高強(qiáng)度具有互連開(kāi)放納米通道結(jié)構(gòu)的纖維材料(AO-OpNpNc),在天然海水中對(duì)鈾的吸附容量達(dá)到17.57 mg-U/g,使用壽命達(dá)到30個(gè)吸附-解吸循環(huán),該吸附材料有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化海水提鈾?,F(xiàn)階段海水提鈾的主要困境是如何讓這些高性能吸附材料從實(shí)驗(yàn)室走向海洋,開(kāi)展海洋工程化試驗(yàn),探索經(jīng)濟(jì)高效的利用海洋鈾資源道路。
該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了以PE/PP纖維、UHMWPE纖維及UHMWPE雙向拉伸膜為基材的高吸附容量、長(zhǎng)使用壽命的吸附材料,解決了海水提鈾材料工程化過(guò)程中諸多關(guān)鍵科學(xué)和工程問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了材料中試放大重要技術(shù)突破。在海洋試驗(yàn)方面,該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)得到中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所(海南三亞實(shí)驗(yàn)站)、桂林電子科技大學(xué)(廣西北海分部)的大力支持。近期,聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已在我國(guó)東海、南海近海海域陸續(xù)投放了約30公斤研發(fā)的纖維和薄膜吸附材料,開(kāi)展大規(guī)模海洋吸附試驗(yàn),已獲得約1公斤的含鈾混合物,提鈾量達(dá)到百克量級(jí)。
經(jīng)濟(jì)性評(píng)估顯示,采用該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的吸附材料和方法,提鈾成本已經(jīng)降低到與國(guó)際鈾價(jià)相當(dāng)($80.70–86.25/kgU)。本次海洋吸附試驗(yàn)的順利開(kāi)展,是海水提鈾工業(yè)化過(guò)程中的一個(gè)重大突破,它將推動(dòng)著我國(guó)海水提鈾向工程化、經(jīng)濟(jì)化的方向快速邁進(jìn)。
在吸附機(jī)理研究方面,該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)有效利用合肥光源的光電子能譜實(shí)驗(yàn)線站和軟X射線磁性圓二色實(shí)驗(yàn)線站,通過(guò)光電子能譜和同步輻射軟X射線吸收譜研究不同AO基與各種金屬離子的相互作用,進(jìn)一步通過(guò)軟X射線吸收光譜分析吸附后所制備材料AO基與鈾以及其它競(jìng)爭(zhēng)金屬離子的作用機(jī)制。
未來(lái),該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)堅(jiān)持黨中央“四個(gè)面向”的要求,以國(guó)家“十四五”規(guī)劃為指導(dǎo),貫徹新發(fā)展理念,強(qiáng)化海水提鈾新材料與新工藝的研發(fā)力度,著力打好海水提鈾關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn),為我國(guó)鈾資源的安全與發(fā)展保駕護(hù)航。
中試制備的吸附材料
吸附材料海洋布置和脫附得到的含鈾產(chǎn)物