海洋和陆地是地球上两大生态系统，一直源源不断地为人类提供着各种食物和资源。海洋面积占地球总面积的71%，远远超过陆地面积，其中蕴藏的资源除了我们最熟知的渔业资源和动能资源外，还有远超陆地储量且关乎人类未来能源的重要矿产——铀。作为原子能最重要的原料，铀资源被誉为核工业的“粮食”，所以未来谁能全面掌握海水提铀技术，谁就掌握了人类的未来能源和核威慑。
贫铀制约中国核工业
铀是Ⅲb族锕系放射性化学元素，符号U，原子序数92，相对原子质量238.03，是原子序数和相对原子质量最大的天然元素。铀原子能发生裂变反应，释放出大量能量从而可以应用于核能、核武器制造等领域。二战后由于核武发展引发了对铀的需求，铀的生产应运而生，到20世纪70年代，铀的生产工业已稳固地建立起来。目前全球核电站所使用的核燃料，均来源于陆地天然铀矿的开采。
作为一种矿产资源，铀资源与煤炭、石油、天然气一样，并非是可再生的。若按照全球的消耗速度，陆地上铀资源的探明储量仅够人类再使用约100年。即便如此，地球上的铀资源的分布也十分不均，主要集中在澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、俄罗斯、纳米比亚、南非等国，这6个国家的铀资源之和占全球总量的71.4%，而我们中国，截止到2020年的铀矿储量仅有11.59万吨，约占全球总储量2.9%
相比之下，我国的核电装机容量世界排名第三，是名副其实的核电大国，据世界核协会公布的数据，在2021年全球铀总需求量共计62496吨，而中国以9563吨的铀需求量，仅次于美国的17587吨，位列世界第二，但同年我国国内的铀产量仅有1885吨，缺口7945吨，70%以上的铀资源需要进口。尽管我国拿下了纳米比亚的湖山铀矿开采权，但也只能缓解一时铀矿严重不足的情况。
随着近些年我国核能的持续发展，在建核电机组装机容量位居世界第一，商运机组已位列世界第三。特别是在中国确定碳中和时间表后，高效清洁、高能量密度的核电发展在加速，目前每年规划开工的核电机组有6~8台，缺口巨大。对此国际原子能机构在2020年就预测，到2035年中国可能将取代美国成为世界第一大铀资源需求国，铀需求量将达到3~3.5万吨，届时中国铀资源缺口将达90%左右。
但中国自身的铀矿不但探明储量不大，而且铀矿的品质还以中低品位为主，呈‘规模小、品位低、较分散’的特点。而且当前中国铀资源进口主要是哈萨克斯坦、澳大利亚和纳米比亚，其中澳大利亚尽管坐拥世界最大的铀资源储量，但其国际贸易易受到美国影响，所以进口来源的集中往往伴随着市场风险。
海水提铀，到底有多难？
应对这种困局，除了中企积极参与其他铀资源国（如蒙古国、巴西、尼日尔）的铀矿开发外，还有就是大力发展海水提铀技术，从海洋获得铀资源。要知道海洋是一个巨大的液体铀矿，据科学家估计，海水中约含有45亿吨铀，是陆地上已探明铀矿储量的上千倍，同时，海水中的铀还在缓慢增加，每年随河流迁入海洋的铀约有2.7万吨。
如果能将海水中的铀收集起来加以利用，足以满足人类上千年的核能发展需要，而且相对于陆地采矿取铀，海水提铀对生态环境的影响也更小。所以数十年以来，德法日美等核能大国都一直致力于寻找可大规模实施的海水提铀产业应用技术，但尽管海水提铀全球聚焦，历经几十年科研长跑，但工业化商用提铀仍未实现。
导致海水提铀迟迟难以走向工业化的核心原因，就是海水中含铀总量巨大，但浓度极低，仅为3.3 μg/L（相当于30万吨海水只蕴含约1公斤铀元素，而30万吨海水的体量，相当于120个奥运标准游泳池那么大）；而杂质离子，特别是钾、钠、钙、镁等的浓度很高，如钠离子的浓度就是铀离子浓度的10倍。这使得海水提铀困难重重，犹如“大海捞针”。
对此由中核集团牵头发起、联合国内23家高校和科研院所成立了中国海水提铀技术创新联盟，并确立了海水提铀的“三步走”战略：第一阶段（2021-2025年），实现海水中提取公斤级铀产品能力；第二阶段（2026-2035），建成海水提铀吨级示范工程；第三阶段（2036-2050），实现海水中提取铀产品连续生产能力。
膜分离吸附技术获得突破
目前海水提铀技术的主流方向是膜吸附，这项技术的关键就在于吸附材料，因为无论采用何种材料，其核心目标都是为了捕捉海水中的“铀离子”，而避开众多的杂质离子。但杂质离子种类繁多，它们拼命地与铀离子竞争吸附剂上的活性位点，便会降低吸附量，所以这就对材料的吸附选择性提出了非常高的要求。
对此，中科院上海研究所的姜标院士团队基于静电纺丝技术，制备了铀吸附速率快、吸附容量高、离子选择性好的纳米纤维功能膜，耗时近10年，开展了近百次的模拟循环吸附/脱附工艺验证，这种纳米纤维功能膜强度大、制备厚度可控且穿透力很强，可反复使用，一根1米高的圆柱体工业膜组件，在理想的海洋环境状态下，全生命周期可以提取近600克的铀。
这种技术正是利用到了功能膜的孔径大小对应待分离物质，要知道铀离子的水合离子半径比海水中主要杂质离子的水合离子半径都要大，通过控制分离膜孔径，使得尺寸较大的铀离子被分离膜所拦截，而尺寸较小的杂质离子可以自由穿过，以此实现海水中铀与主要杂质离子的选择性分离，进而达到降低杂质离子浓度、富集铀的目地。
该技术为海水提铀的工程化应用提供了重要方向，但材料走出实验室投入真实海洋，还需要应对海洋复杂的环境影响，比如海洋污染、气候、洋流等因素，都会让理论上的吸附容量会“大打折扣”。要知道要想真正实现海水提铀，不光要看吸附分离材料的效果，还要看海洋工程的造价，不然过高的成本会让海水提铀“形同鸡肋”的话，依然无法实现工业化商用的。
目前随着新的陆地铀矿被探明，以及核电站乏燃料后处理技术的进步和第四代核电技术的发展，都在不断在压低国际铀价，海水提铀若想实现商用，其成本必须要低于当前铀价的130美元/公斤标准，如此海水提铀才具有实用价值，如同前两年的页岩油开采一般。
而要达到这个标准，据美国在2016年做的技术成本分析来看，循环使用材料的吸附容量要超过11mg/g，只能单次使用的材料的吸附容量要达到40mg/g以上。而当下材料的吸附能力还有很大的进步空间。不过虽然困难重重，但我们的科学家们从未停止前进的步伐。
海水提铀是一个系统工程，其涉及的每一个环节都会影响经济性的测算；同时海水提铀很可能是解决铀资源需求的终极保障，相信在未来的某一天，中国的海水提铀实现工业化商用，届时将为中国的铀困境提供一条阳光大道，从而为核工业的发展“无限”续航。
上期回顾：核能：支撑人类下一个时代的能源，谁拥有这三项技术就拥有了未来
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