让核能变成可再生能源
当今世界,在新能源发电的家族中,核能有风能或太阳能所不及的优点,因为风能和太阳能完全受制于天气,而核反应堆根据用电的高峰期和低谷期,可以随时开启和关闭,完全受人类的控制。
但是,核能也有一个很大的短板,即它是不可再生的:风能和太阳能取之不尽,用之不竭;而核电站最常见的燃料铀,在地球上是一种有限的资源。陆地上的铀矿资源有限,已知的铀矿物有170多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种...
当今世界,在新能源发电的家族中,核能有风能或太阳能所不及的优点,因为风能和太阳能完全受制于天气,而核反应堆根据用电的高峰期和低谷期,可以随时开启和关闭,完全受人类的控制。
但是,核能也有一个很大的短板,即它是不可再生的:风能和太阳能取之不尽,用之不竭;而核电站最常见的燃料铀,在地球上是一种有限的资源。陆地上的铀矿资源有限,已知的铀矿物有170多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二三十种,而且分布极不均匀。以目前的铀资源消耗速率,陆地上的铀矿储量仅能满足人类数十年的需求。
海水中的铀取之不尽
不过,出乎大多数人意料的是,其实我们也可以让核能变成取之不尽的可再生能源,因为海水中含有大量的铀。据估算,海洋中的铀矿储量在45亿吨以上,大约是陆地储量的500倍,这么多铀如果全部利用起来,足可为1000个1000兆瓦的核电站提供10万年的燃料。更重要的是,海水中的铀被提取之后,还会从地壳中得到源源不断的补充。据估计,地壳中含有100万亿吨的铀。哪怕人类在地球上存在10亿年,也用不完。
如果能从海水中方便地提取铀,那么即使是一些贫铀国家,也可以建立自己的核电站,用核能发电,减少对煤炭的依赖。
然而,也正是因为海洋过于广阔,这样“一大把”铀矿撒到海洋里,不过就像撒到大水缸里的几粒盐粒,一入水就消失得无影无踪。海水中铀的浓度很低,估计为每升3.3微克,这使得从海洋中提取铀比从地面开采铀要困难和昂贵得多。
从海水中提取铀
剩下的问题是,如何从海水中以较低的成本提取铀?
最早研究这项技术的是日本科学家。1990年代,他们使用涂有酰胺肟的聚乙烯纤维绳子来吸附海水中的铀酰离子。这些绳子的直径达15厘米,长度可达数米。
在海水中浸泡一个月之后,通过远程自动控制,这些绳子被拉出海面。通过酸处理,铀酰化合物被回收。绳子清理干净后,可以多次重复使用。然后,铀酰化合物被浓缩,制成核燃料。测试表明,每千克绳子50天能吸附6克铀。不过,其成本仍然是陆地开采铀矿的两倍。
2000年代,美国斯坦福大学的研究人员对这项技术进行了改进。他们制造了一种结合了碳和酰胺肟的导电混合纤维。通过向纤维发送电脉冲,他们改变了绳子的特性,从而可以收集更多的铀离子。
过去,当绳上的铀酰离子吸附到一定程度就会饱和,此后绳子就不再让海水中的铀酰离子吸附。而研究人员用这种混合导电纤维在饱和之前,吸附了9倍的铀,而且其寿命是标准酰胺肟纤维的3倍。
最近,我国的研究人员又发现了一个新窍门。他们模仿哺乳动物器官中血管分叉的模式,制造了一种聚合物膜,让它上面布满小通道,这些小通道又通向更细的分支,直到直径只有300纳米~500纳米的毛细通道为止。这种材料用酰胺肟浸泡后,就能吸附铀离子,其吸收能力是之前材料的20倍。
这种带铀的膜能提取水中98%的铀,并且可以多次重复使用。这进一步降低了从海水中提取铀的成本。
中国是个乏铀国家,陆地已探明的铀储量只有17万吨,如果未来我们希望以核能作为主要能源,每年建造6至8座的核反应堆,到2035年每年将需要约3.5万吨铀,陆地铀储量完全无法满足这一需求。为了满足核能源的需求,中国正在计划建造一座能够从海洋中提取铀的核电站。希望到那时,科学家能找到更加高效的海洋采铀法。