“海水提铀”实验研究的“里程碑”

杜铭海（dumhai@126.com）

2013-05-28

【提要】华人化学家、美国北卡罗来纳大学教授林文斌博士领导的研究人员设计了一种新材料，称“金属有机骨架配位物”（MOF），能收集通常溶在海水中的含铀离子。实验室试验证实，这种材料吸附人造海水中潜在的核燃料的能力至少是传统纤维吸附剂的4倍。

据美国《MIT技术评论》编辑迈克•奥克特（Mike Orcutt）5月16日报道[1]，这种新奇的材料能提供更好的方法提取溶解在海洋内巨量的铀资源，使从海水提取铀成为一种很有前景的非常规核燃料供应来源。

橡树岭国家实验室研究这个系统的专家科斯塔斯•特索里斯（Costas Tsouris）说，最先进的材料可重复利用几次，每次使用，每克塑料吸附的铀在3-4毫克。而“林文斌的材料”在实验室内没有其他离子竞争条件下，每克吸附剂收集的铀高达200多毫克。尽管“在更真实的条件下这种材料的效能如何还有待分晓”，但这个结果“非常令人振奋”。未参与这项新研究的德克萨斯大学奥斯汀分校核与辐射工程教授埃利希•施耐德（Erich Schneider）博士说，这种新材料“前景无量”，只因这种材料优于在类似条件下最好可用材料的效能。林文斌博士也坚信，他的实验室能够开发这种“杂化”材料的“可调性”，改善对含铀离子的亲合力，解决进一步试验可能暴露的弱点。

世界海洋含有的铀比传统的陆地铀储量高近千倍，研究人员花费几十年尝试开发高效的方法提取这些铀。最重要的是开发某种提取材料和技术，以便在核反应堆铀供应变得稀缺时保证供应，使科学家们追求几十年的“老梦成真”。可以预期今后几年，随着美国和世界科学界对这一新成果的验证和确认以及“海水提铀”研发的进一步发展，还会有更加令人振奋的科研成果转化为生产力，使“海水提铀”成为一种核燃料供应的“无尽”源泉。即使世界核电装机容量扩大数倍，即使在目前最简单的“一次通过”式燃料循环模式下，也成为实际上可持续的能源…

林文斌的研究成果详见《化学科学》20013年第4卷，是按照专业科学文章和项目研究规定格式编写的，非化学专业人员很难读懂[2]。

美国的“海水提铀”研发项目

“海水提铀”是美国能源部核能办公室资助的科研项目，由橡树岭国家实验室“主持”，上述三人都是参与项目研究的科学家。2010年6月首次“信息交流会”以来，项目取得许多共识[3]：

－“海水提铀”最具挑战性，也是“回报”最高的核燃料资源研发项目；项目本身是应用科学。

－塑料纤维吸附剂基准技术的能源投资回报值（EROI）定义为：单位质量回收铀生产的能源/海水提铀消耗的能源。对于铀的现代“一次通过”式燃料循环，EROI～22。因此可以肯定，随着新吸附剂的研发成功，“海水提铀”的经济合理性会更高。

－塑料纤维吸附剂基准技术的铀生产成本是1230美元/公斤铀（置信度95％），略高于日本的估算值（1000美元/公斤铀）。

－整个过程要检测经济效率和生态影响。

美国“海水提铀”研究起始于上个世纪60年代。1999年根据总统科学与技术顾问委员会（PCAST）的提议再次启动，还与日本建立了“核能联合行动计划燃料循环技术工作组”。研究项目参加单位实行国家实验室、大学和非赢利研究所“三结合”，设计、研发、实验室试验、生产、海洋试验、评估“一条龙”。从2010年起30多位科学家定期聚会，到2012年底召开信息交流会2次，工作组会议6次，开办的“专题研讨班”更多。

美国能源部海水提铀研究项目协调活动

　
美国项目实施以来取得的进展

－2012年8月在美国化学学会（ACS）244届会议和博览会上，施耐德博士比较了海水提铀与传统的采矿方法的经济分析。数据表明，相对1990年代日本开始的初始方法，能源部资助研究的新工艺技术和材料（HiCap吸附剂）现在能够加倍的从海水提取铀。因而，相对日本技术的560美元/磅铀（1230美元/公斤铀），生产成本下降到300美元/磅铀（661美元/公斤铀）[4]。

－“林文斌的材料”至少是传统的塑料编织吸附剂的四倍，则生产成本降为150美元/磅铀(330美元/公斤铀)。这已与近25年来世界铀市场上最高的现货价格（137美元/磅铀）出现“交集”，具有“里程碑”意义。

“海水提铀”与传统的陆地采矿的经济比较

－陆地开采铀价格：近10年来，平均40美元/磅铀（现货市场价格，实际的合同执行价格是保密的）。

－最低铀价格：7美元/磅铀（2001年）。

－最高铀价格：137美元/磅铀（2007年，25年间最高价。泡沫期间的高价创建了新矿山和老矿山的新产能）。

－IAEA红皮书规定经济可开采陆地铀资源的丰度限值为100ppm。就是说：若丰度低于该值，回收这些铀所消耗能量将接近这些可回收的铀在轻水堆中受辐照产生的能量，即EROI～1。对应的铀价格是130美元/公斤铀，但这是1965年美元。考虑近50年来通货膨胀因素，对应的铀价格应当调整为650美元/公斤铀＝300美元/磅铀（2005年美元）[5]。看来，陆地铀资源开采矿石的丰度限值应当适度“提升”。

由此可见，如“林文斌的材料”经海洋试验和整个流程评估与成本分析得到“证实”，即可认为“海水提铀”的经济成本已“低于”陆地铀经济开采的限值，成为核燃料循环选择的重大因素。

结论：

海水含约45亿吨铀。美国最新的研究成果暗示，从海水提取铀的成本已“低于”陆地开采铀成本的上限，使“一次通过”式燃料循环更具经济竞争力。这个选项的经济可行性还有待某些实验证实，以充分评价其商业可行性。如果高度相信“海水铀经济”，它会成为燃料循环选择方面的重要因素。

“海水提铀”的能源投资回报值（EROI）和生态影响显然优于陆地铀开采。尽早把这种研究成果转化为工程实践有助于降低温室气体排放量，确保能源安全。

 “林文斌的材料”不是海水提铀研究的“终结”，而是新的起点。“海水提铀”材料和技术还有很大潜力，应当继续开发、挖掘。

日本科学家多年来一直坚持海水提铀研究与实验，科学界对这种“坚守”非常崇敬，一直把他们的成果与实践作为“台阶”。美国在海水提铀上屡有斩获，与美国的基础科研雄厚、动员人才广泛、科研手段先进和重视办事的“程序性”有关。因此美国的科研成果转化为生产力会比较顺利，不会有很大“波折”。

“海水提铀”为核科学界突破第四代核能系统的研发“瓶颈”挣得了宽泛的时间，可以“从容不迫”的研究，避免匆忙决策，防止进入“困局”。因为“一次通过”式燃料循环尽管有许多优点，但把现代核反应堆卸出的乏燃料直接送地震处置库，多数核科学家持“保留”态度——乏燃料300年后“无害”才是核科学界追求的“理想境界”。

国家应把“海水提铀”列为应用科学项目，加速开展研究和实验。美国参与这个研究项目的科学家中，约30％是华人科学家；林文斌教授就是1988年中国科技大学的毕业生，中国科学院海外评审专家。中国核科学、特别是燃料循环系统的研究，需要扩充化学和材料科学的人才队伍…

参考资料：

1. Mike Orcutt, Novel Material Shows Promise for Extracting Uranium from Seawater, MIT Technology Review, May 16, 2013.

2. M. Carboni, C. W. Abney, S. Liub and W. Lin, Highly porous and stable metal-organic frameworks for uranium extraction, Chemical Science 2013, Vol. 4, Iss. 6, p. 2396-2402

3. ORNL technology moves scientists closer to extracting uranium from seawater，OAK RIDGE, Tenn., Aug. 21, 2012

4. US DOE, Extraction of Uranium from Seawater, Nuclear Fuel Resources, January 30, 2013

5. MIT, Future of the Nuclear Fuel Cycle, Final April 2011。