全世界的海水中大約含有45億噸鈾。

隨著中國擴(kuò)大核能基礎(chǔ)設(shè)施和提高發(fā)電能力，對鈾的需求也在上升。2024年，該國進(jìn)口了1.3萬噸天然鈾，據(jù)報道稱，國內(nèi)產(chǎn)量僅為1700噸左右。國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency）估計，到2040年，中國的鈾需求將超過4萬噸。

長期以來，需求已經(jīng)達(dá)到了中國鈾礦無法滿足需求的程度，為了縮小這一差距，中國科學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)向了海洋。據(jù)估計，世界海洋的鈾礦儲量是地面的1000倍，約為45億噸鈾。

然而，這個過程并不像聽起來那么簡單。在海水中，重金屬的濃度極低，每噸只有3.3毫克。此外，海洋中過渡金屬釩的存在帶來了挑戰(zhàn)，因為它具有與鈾相似的化學(xué)性質(zhì)，而且兩者必須首先通過復(fù)雜的提取過程分離。

海洋鈾提取技術(shù)

對海洋鈾開采的更大需求導(dǎo)致了突破性的研究。蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心開發(fā)了一項技術(shù)，將鈾釩分離效率提高了40倍。這一突破可以選擇性地捕獲鈾離子而不是釩離子。

這項研究由前沿科學(xué)中心的潘多強(qiáng)教授領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在本月初的國際期刊《自然通訊》上。適應(yīng)大規(guī)模使用鈾可以確保中國有一條可持續(xù)的、獨立的方式來確保可靠的鈾供應(yīng)。

金屬有機(jī)框架（MOF）是一類獨特的化合物，混合無機(jī)和有機(jī)元素。它們形成一種配位聚合物，以其高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)、多樣的功能和廣闊的表面積區(qū)別于傳統(tǒng)的吸附劑。這些特性使得MOF在選擇性分離鈾方面非常有效。

然而，使用現(xiàn)有的MOF存在一定的挑戰(zhàn)。潘教授在接受媒體采訪時解釋說：“設(shè)計結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系過于精確的MOF往往會導(dǎo)致材料比表面積的減少和活性位點密度的降低。”

為了解決這個問題，研究人員將碳?xì)浠衔锒揭蚁―AE）分子整合到MOF材料中。這種創(chuàng)新的方法允許MOF在暴露于紫外線下時調(diào)整其孔徑。

然后在模擬海水和真實海水中對改性DAE-MOF材料進(jìn)行了測試，以評估其對鈾的吸附能力。

試驗表明，DAE-MOF材料的鈾吸附量為588 mg / g，鈾釩分離系數(shù)為215，在模擬和自然海水條件下均明顯優(yōu)于以往所有材料。

超越日本，然后超越世界

從20世紀(jì)80年代到90年代，日本領(lǐng)導(dǎo)了海水鈾提取的發(fā)展，通過廣泛的海洋試驗，實現(xiàn)了1公斤（2.2磅）黃餅或鈾精礦的提取，這是迄今為止報道的最高產(chǎn)量。

2019年11月，負(fù)責(zé)各行業(yè)管理的國有企業(yè)中國核工業(yè)集團(tuán)公司與國內(nèi)14家研究機(jī)構(gòu)組成了海水提鈾技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。

該聯(lián)盟為到2050年的未來30年制定了雄心勃勃的目標(biāo)。從2021年到2025年，第一階段的目標(biāo)是復(fù)制日本的公斤級成就。該聯(lián)盟的長期計劃包括，到2035年建成一個噸級規(guī)模的示范工廠，到2050年實現(xiàn)連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)。

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