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(shù)重點實驗室，北京 101149

鈾資源是核工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，是軍民兩用且高度敏感的國家戰(zhàn)略資源?；阝櫟南∪毙院蛻?zhàn)略價值以及鈾礦產(chǎn)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(guān)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(jīng)濟實用、具有高選擇性且穩(wěn)定耐用的鈾提取材料是實現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化的關(guān)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(xiàn)場試驗，未達到海水提鈾工程化應(yīng)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(dǎo)技術(shù)研究納入“創(chuàng)新2030”工程方案，并在“核能技術(shù)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(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，國內(nèi)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(lián)盟單位已擴充至24家。自成立以來，聯(lián)盟以“強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補、統(tǒng)籌謀劃、多方共贏”為原則，充分發(fā)揮聯(lián)盟各成員單位在理論研究、人才隊伍、裝備研制、工裝技術(shù)等方面的優(yōu)勢，針對關(guān)鍵共性問題組織集體攻關(guān)，實現(xiàn)科研單位、高校、產(chǎn)品需求方產(chǎn)學(xué)研協(xié)同互動攻關(guān)，促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，加快實現(xiàn)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(lǐng)銜的“海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)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(xiàn)我國核能事業(yè)大規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)展對鈾資源的長遠(yuǎn)需求，提出了關(guān)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(shù)戰(zhàn)略路線，詳細(xì)規(guī)劃了各階段的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容，形成了基礎(chǔ)研究和工藝技術(shù)方法等技術(shù)戰(zhàn)略路線圖(圖1)，加快推動了海水提鈾工程化進程目標(biāo)的實現(xiàn)。

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(xiàn)在—2025年：建立海水提鈾技術(shù)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(xiàn)場臺架試驗研究并獲得公斤級鈾產(chǎn)品，初步構(gòu)建海水提鈾評價標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)容主要包括：(1) 建立海水提鈾海試基地。按照“小核心、大聯(lián)合、高標(biāo)準(zhǔn)”總體建設(shè)思路，瞄準(zhǔn)海水提鈾“先導(dǎo)性”國際前沿，建立集技術(shù)科研、成果轉(zhuǎn)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(chǔ)，實現(xiàn)海水提鈾高質(zhì)量發(fā)展。(2) 吸附作用機理探究。借助紅外光譜、熱力學(xué)和動力學(xué)等研究手段，提出功能基團與鈾酰離子的可能構(gòu)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(dǎo)材料的合成。(3) 材料規(guī)?；a(chǎn)與公斤級臺架工藝研究。通過“產(chǎn)學(xué)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)?；苽溲芯?，獲得生產(chǎn)工藝參數(shù)，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(chǎn)，針對不同類型材料設(shè)計提鈾裝置，開展裝置布局研究，以其為基礎(chǔ)開展海試試驗，獲得公斤級鈾產(chǎn)品。(4) 公斤級鈾產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)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(xiàn)、海試裝置、試驗布局及運行方式、燃料動力等指標(biāo)分配權(quán)重，開展海水提鈾評價標(biāo)準(zhǔn)研究，結(jié)合海水提鈾材料規(guī)?；苽洹⒉牧衔?脫附-再生-回收等全流程經(jīng)濟性評價，構(gòu)建公斤級鈾產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 海水提鈾海試基地示意圖(來自于網(wǎng)絡(luò)) 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(xiàn)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(chǎn)品規(guī)模海水提鈾現(xiàn)場試驗研究，構(gòu)建完善的海水提鈾技術(shù)經(jīng)濟評價標(biāo)準(zhǔn)，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(lǐng)先水平。研究內(nèi)容主要包括：(1) 材料工業(yè)化制備。在前期材料規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)上，以綠色合成化學(xué)為手段，利用研制的材料工業(yè)化生產(chǎn)的裝置開展材料工業(yè)化制備，優(yōu)化材料生產(chǎn)工藝流程，研究確定投料比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，突破材料工業(yè)化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)吸附材料示范生產(chǎn)線，為噸級鈾產(chǎn)品的海試提供材料支持。(2) 噸級鈾產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，獲得噸級鈾產(chǎn)品。(3) 噸級鈾產(chǎn)品規(guī)模技術(shù)經(jīng)濟評價。以國內(nèi)外海水提鈾技術(shù)的研究成果、工程化試驗方法的發(fā)展和實踐經(jīng)驗的總結(jié)為基礎(chǔ)，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟評價開發(fā)程序和設(shè)計規(guī)定，參考其他國際通用慣例和標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建噸級鈾產(chǎn)品規(guī)模技術(shù)經(jīng)濟性評價標(biāo)準(zhǔn)。

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(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)海水中提取鈾產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)能力及海水提鈾技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用，研究水平整體處于世界領(lǐng)先水平。研究內(nèi)容包括：(1) 外動力驅(qū)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(qū)動進行能量輸入實現(xiàn)海水與吸附材料的充分有效接觸。將風(fēng)能、太陽能或潮汐能與海水提鈾技術(shù)耦合(圖3)，利用海面遼闊空間建設(shè)風(fēng)能或太陽能的發(fā)生裝置，將海水提鈾裝置設(shè)計安裝在海面下，通過泵入海水實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)、現(xiàn)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(xiàn)海水中提取鈾產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)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(yīng)用。(3) 海洋資源綜合回收利用。將海水提鈾與海水淡化技術(shù)進行耦合，對海水淡化產(chǎn)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(shù)方法，確定相關(guān)提取工藝，實現(xiàn)海水資源利用最大化。(4) 海水提鈾工業(yè)化技術(shù)經(jīng)濟評價。以海水提鈾工業(yè)化海試試驗為依據(jù)，綜合考慮材料吸附效率、裝置及運行方式、燃料動力等指標(biāo)分配權(quán)重，構(gòu)建海水提鈾工業(yè)化技術(shù)經(jīng)濟性評價標(biāo)準(zhǔn)體系，客觀評價海水提鈾經(jīng)濟性。

圖3 外動力驅(qū)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(jié)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(lǐng)銜的“海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)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(shù)戰(zhàn)略路線，通過對海水提鈾關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)，解決制約海水提鈾發(fā)展的技術(shù)難點，實現(xiàn)海試工程從“量”到“質(zhì)”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(guān)鍵技術(shù)納入國家資源調(diào)査和科技規(guī)劃、計劃，并給予必要支持，利用技術(shù)進步提高經(jīng)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。