未來海水提鈾的前景規(guī)劃與展望

宋 艷，牛玉清，宿延濤，李子明，常 華，吳浩天，李 默，陳樹森,*

1.中核礦業(yè)科技集團有限公司，北京 101149;2.核工業(yè)北京化工冶金研究院 中核海水提鈾技術重點實驗室，北京 101149

鈾資源是核工業(yè)發(fā)展的基礎，是軍民兩用且高度敏感的國家戰(zhàn)略資源。基于鈾的稀缺性和戰(zhàn)略價值以及鈾礦產資源的有限性，從海水中提鈾作為傳統(tǒng)礦石類鈾資源的補充，對于保障我國的核震懾力量，支撐核事業(yè)的快速發(fā)展，具有重要的意義[1-3]。從海水中提取鈾資源的方法主要有吸附法、離子交換法、溶劑萃取法等，吸附法是目前研究最多和最可行的方法之一，其關鍵是吸附材料的研發(fā)[4-10]。海水中鹽濃度高、鈾濃度低，故要求吸附材料不但具有選擇性吸附鈾的性能且吸附效率要高，如何制備經濟實用、具有高選擇性且穩(wěn)定耐用的鈾提取材料是實現海水提鈾工業(yè)化的關鍵。目前世界上許多國家如美國、日本、中國、德國、印度等開展了海水提鈾的研究工作，除了日本在2000年前后采用多次錨定吸附方式獲得了約1 kg“黃餅”的規(guī)模性海洋試驗外，其他國家仍致力于在海水提鈾材料上尋求突破，尚未見較大規(guī)模海水提鈾現場試驗，未達到海水提鈾工程化應用水平[11-17]。

鑒于海水鈾資源研究與開發(fā)在戰(zhàn)略上的重要性，中國核工業(yè)集團有限公司將海水提鈾研究作為先導技術研究納入“創(chuàng)新2030”工程方案，并在“核能技術方向研究及發(fā)展路線圖”中明確規(guī)劃在2035年前后建成噸級鹽湖、海水提鈾試驗基地。2019年，中國核工業(yè)集團有限公司作為工程化主體和用戶，牽頭發(fā)起成立了“海水提鈾技術創(chuàng)新聯盟”，國內專業(yè)從事海水提鈾的研究力量陸續(xù)加入，截止到2022年，聯盟單位已擴充至24家。自成立以來，聯盟以“強強聯合、優(yōu)勢互補、統(tǒng)籌謀劃、多方共贏”為原則，充分發(fā)揮聯盟各成員單位在理論研究、人才隊伍、裝備研制、工裝技術等方面的優(yōu)勢，針對關鍵共性問題組織集體攻關，實現科研單位、高校、產品需求方產學研協同互動攻關，促進科技成果轉移轉化，引領產業(yè)技術進步，加快實現海水鈾資源開發(fā)與利用的工程化。本文介紹了中國核工業(yè)集團有限公司領銜的“海水提鈾技術創(chuàng)新聯盟”對于未來海水提鈾的發(fā)展規(guī)劃與展望，以期為今后海水提鈾的研究工作提供參考。

1 海水提鈾的前景規(guī)劃與展望

為實現我國核能事業(yè)大規(guī)模可持續(xù)發(fā)展對鈾資源的長遠需求，提出了關于未來海水提鈾的發(fā)展規(guī)劃建議，制定了2021年至2050年“三步走”的技術戰(zhàn)略路線，詳細規(guī)劃了各階段的研究目標和研究內容，形成了基礎研究和工藝技術方法等技術戰(zhàn)略路線圖(圖1)，加快推動了海水提鈾工程化進程目標的實現。

圖1 海水提鈾的戰(zhàn)略路線圖Fig.1 Strategic roadmap for uranium extraction from seawater

1.1 第一階段

第一階段為現在—2025年：建立海水提鈾技術創(chuàng)新基地，突破海水提鈾機理理論瓶頸，篩選并優(yōu)化海水提鈾吸附材料，材料在海水中的有效吸附容量為6～10 mg/g，開展海水提鈾現場臺架試驗研究并獲得公斤級鈾產品，初步構建海水提鈾評價標準，海水提鈾成本達到每kg鈾200～300美元，達到世界先進水平。研究內容主要包括：(1) 建立海水提鈾海試基地。按照“小核心、大聯合、高標準”總體建設思路，瞄準海水提鈾“先導性”國際前沿，建立集技術科研、成果轉化、人才培養(yǎng)、國際交流等四大功能于一體的海水提鈾科研基地(如圖2所示)，為鈾資源終極保障提供堅實研究基礎，實現海水提鈾高質量發(fā)展。(2) 吸附作用機理探究。借助紅外光譜、熱力學和動力學等研究手段，提出功能基團與鈾酰離子的可能構型，并輔以計算機的模擬計算，推斷出鈾酰離子與材料功能基配位作用的模型，指導材料的合成。(3) 材料規(guī)模化生產與公斤級臺架工藝研究。通過“產學研用”的合作模式突破海水提鈾研究瓶頸，開展不同類型海水提鈾吸附材料的規(guī)模化制備研究，獲得生產工藝參數，對比研究規(guī)模化制備材料海試吸附性能，優(yōu)選出更適用于海水提鈾的吸附材料，并進行噸級規(guī)模生產，針對不同類型材料設計提鈾裝置，開展裝置布局研究，以其為基礎開展海試試驗，獲得公斤級鈾產品。(4) 公斤級鈾產品技術經濟評價研究。綜合考慮海水提鈾海試試驗過程中材料的性能體現、海試裝置、試驗布局及運行方式、燃料動力等指標分配權重，開展海水提鈾評價標準研究，結合海水提鈾材料規(guī)模化制備、材料吸附-脫附-再生-回收等全流程經濟性評價，構建公斤級鈾產品技術經濟評價標準。

圖2 海水提鈾海試基地示意圖(來自于網絡) Fig.2 Schematic diagram of testing ground for uranium extraction from seawater(from the network)

1.2 第二階段

第二階段為2026—2035年：開展海水提鈾材料性能增強研究并實現材料工業(yè)化制備，材料在海水中的有效吸附容量為20～25 mg/g，完成噸級鈾產品規(guī)模海水提鈾現場試驗研究，構建完善的海水提鈾技術經濟評價標準，建成海水提鈾噸級示范工程，海水提鈾成本達到每kg鈾150～200美元，達到世界領先水平。研究內容主要包括：(1) 材料工業(yè)化制備。在前期材料規(guī)模化生產的基礎上，以綠色合成化學為手段，利用研制的材料工業(yè)化生產的裝置開展材料工業(yè)化制備，優(yōu)化材料生產工藝流程，研究確定投料比、反應時間、反應溫度等關鍵工藝參數，突破材料工業(yè)化生產關鍵技術，建設吸附材料示范生產線，為噸級鈾產品的海試提供材料支持。(2) 噸級鈾產品海水提鈾工藝研究。改進提鈾裝置，在海試基地進行材料海試布局、投放，利用研發(fā)的海水提鈾產品制備與后處理裝置，對吸附鈾的材料進行脫附及回收工藝試驗，對全流程工藝進行驗證，深入研究各環(huán)節(jié)工藝流程，優(yōu)化明確工藝參數，獲得噸級鈾產品。(3) 噸級鈾產品規(guī)模技術經濟評價。以國內外海水提鈾技術的研究成果、工程化試驗方法的發(fā)展和實踐經驗的總結為基礎，結合技術經濟評價開發(fā)程序和設計規(guī)定，參考其他國際通用慣例和標準，構建噸級鈾產品規(guī)模技術經濟性評價標準。

1.3 第三階段

第三階段為2036—2050年：突破制約海水提鈾工業(yè)化關鍵技術瓶頸，實現海水中提取鈾產品連續(xù)生產能力及海水提鈾技術工業(yè)化應用，研究水平整體處于世界領先水平。研究內容包括：(1) 外動力驅動海水提鈾裝置研制。為了降低海水提鈾過程中動力消耗增加海水提鈾成本的問題，可采用外動力驅動進行能量輸入實現海水與吸附材料的充分有效接觸。將風能、太陽能或潮汐能與海水提鈾技術耦合(圖3)，利用海面遼闊空間建設風能或太陽能的發(fā)生裝置，將海水提鈾裝置設計安裝在海面下，通過泵入海水實現吸附材料周圍海水的充分循環(huán)，使材料最大程度發(fā)揮吸附效力，實現從海水中高效提取鈾。(2) 海水提鈾工業(yè)化試驗研究。開展材料工業(yè)化連續(xù)生產、現場海試試驗，利用海水提鈾吸附-脫附-再生-回收全流程提取工藝，實現海水中提取鈾產品連續(xù)生產能力，建立海水提鈾工業(yè)化示范，完成海水提鈾的工業(yè)化應用。(3) 海洋資源綜合回收利用。將海水提鈾與海水淡化技術進行耦合，對海水淡化產生的濃海水中的有價元素(如鈾、鎂、鋰、鉀等)進行富集回收，建立海水中有價元素全流程回收工藝技術方法，確定相關提取工藝，實現海水資源利用最大化。(4) 海水提鈾工業(yè)化技術經濟評價。以海水提鈾工業(yè)化海試試驗為依據，綜合考慮材料吸附效率、裝置及運行方式、燃料動力等指標分配權重，構建海水提鈾工業(yè)化技術經濟性評價標準體系，客觀評價海水提鈾經濟性。

圖3 外動力驅動海水提鈾裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of uranium extraction device from seawater driven by external power

2 結論和建議

(1) 海水提鈾研究工作將進入一個嶄新的階段，本文提出了中國核工業(yè)集團有限公司領銜的“海水提鈾技術創(chuàng)新聯盟”對于未來海水提鈾的發(fā)展規(guī)劃與展望，并制定了“三步走”的技術戰(zhàn)略路線，通過對海水提鈾關鍵共性技術攻關，解決制約海水提鈾發(fā)展的技術難點，實現海試工程從“量”到“質”的突破，推動海水提鈾向工程化邁進，為國家核能事業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供鈾資源保障。

(2) 建議將海水鈾資源開發(fā)關鍵技術納入國家資源調査和科技規(guī)劃、計劃，并給予必要支持，利用技術進步提高經濟可采資源儲量，通過提前戰(zhàn)略布局掌握未來鈾資源制高點。