碧海藍天，為國加“鈾”

陸躍翔

1964年10月16日，一聲“東方巨響”震驚世界。我國第一顆原子彈成功爆炸，打破了超級大國的核壟斷。國慶70周年閱兵式上，東風-41核導彈方陣壓軸出場。東風快遞，使命必達，是我國安全的重要保障。

核能作為一種零碳排放的清潔能源，還在用另一種方式守護著我們美麗的碧海藍天。近年來我國的核電事業(yè)發(fā)展迅速，總裝機容量已經(jīng)位列世界前三，預計2035年將超過美國，成為世界第一。

無論是核武器還是核電站，它們的發(fā)展都離不開一種重要的資源——鈾。目前，鈾資源主要來源于陸地鈾礦的開采。而我國鈾資源的儲量和產(chǎn)量在世界上排名僅在第10名左右，遠遠不能滿足我國核事業(yè)快速發(fā)展的要求。因此，發(fā)展非常規(guī)的鈾資源開采和利用，就具有重要的戰(zhàn)略意義。幸運的是，在美麗的大海之中就蘊藏著豐富的鈾資源。據(jù)統(tǒng)計，海水中鈾的總儲量達到45億噸，是陸地鈾礦的上千倍，足夠人類使用上萬年。更重要的是，全世界的海水是流通的。這也就意味著，如果哪個國家率先掌握了海水提鈾的技術(shù)，那么它就對全世界海水中的鈾資源擁有了優(yōu)先開采權(quán)。因此，《自然》曾發(fā)表評論，將“海水提鈾”列為“能改變世界的七種化學分離技術(shù)”之一。

雖然海水提鈾前景非常美好，但是技術(shù)難度卻非常大。它的難點主要來源于兩個方面。首先，雖然海水里面鈾的總量很大，但是濃度非常低，每噸海水中僅有0.0033克鈾。這是個什么概念呢？一個標準泳池，長50米，寬25米，深3米。如果我們把泳池里面灌滿海水，那么里面鈾的含量只有12克，大概相當于我們平時喝咖啡用的3顆方糖的量。而且大家都知道，海水是咸的，這是因為海水中含有大量的鹽分。在這樣一池海水中，就有多達150噸鹽，相當于43萬袋我們平時用的食用鹽。大家不妨設(shè)想一下，無論是在這一池海水中把溶解在其中的3顆方糖提取出來，還是在43萬袋食鹽堆成的鹽山中把分散在其中的12克糖一粒粒挑選出來，都幾乎是不可能完成的任務。而科學家，就是要將不可能變成可能。而且我們還喜歡在科研中尋找樂趣。

我們可以把海水提鈾看作一個釣魚的游戲，而我們的任務就是要從成千上萬種魚當中釣出那1條具有特殊花色的魚。提到釣魚，我們知道首先要有魚鉤。如果是用普通的魚鉤，是愿者上鉤，所有的魚都有可能來咬鉤。這也就意味著，我們可能要釣一百萬次才能釣到1條我們所要的鈾。因此，科學家設(shè)計合成篩選了各種各樣的“魚鉤”，也就是捕獲分子。嘗試了不同的元素組成，不同的官能團組成，不同的大小，不同的形狀，最終找到了這樣一種偕胺肟基團。它特殊的結(jié)構(gòu)和組成，可以在眾多的“魚”當中準確識別出鈾，并把其牢牢抓住。

有了這樣優(yōu)異的“魚鉤”，接下來就是要把“魚鉤”固定在“魚線”上。我們知道魚線是很柔軟的，同時又很堅韌。聚合物纖維材料，恰好能夠滿足我們的要求。我們首先合成出納米級的纖維，然后通過化學方法將捕獲分子修飾到纖維表面，就好像把魚鉤一個一個掛到魚線上。又由于我們的“魚線”有很高的機械強度，我們可以進一步對其進行加工，紡織成絲，編織成網(wǎng)，纏繞成束，最終把漁網(wǎng)束固定到特制的“釣竿”上。右圖就是釣竿的最終形態(tài)。它是不是像一顆海草一樣？

做好了釣竿，接下來就要下桿釣魚了。只不過，我們要做的是種一片巨大的海草場。每一根海草有60米高，整片海草場有1000多平方千米。下完鉤，釣魚最需要的就是耐心。接下來，我們只需要靜靜地等待，等待海草隨波飄搖，等待著“魚兒”游過我們的海草場，被“魚鉤”捕獲下來。這就是，目前世界海水提鈾通用的方法——吸附法。但是，在收獲的季節(jié)我們發(fā)現(xiàn)一個很重要的問題。那就是，我們花了這么大的力氣建造的海草場，抓到的“魚”不夠多，這就導致每條“魚”的單價成本太高，不能滿足商業(yè)化的要求。這是什么原因造成的呢？

經(jīng)研究，原來是因為我們的鈾離子是帶電荷的，由于靜電相斥的作用，當一個“魚鉤”捕獲了鈾之后，其他的鈾離子就很難再靠近這個離子，導致周圍有大量的“魚鉤”被空置了。怎么辦呢？我們一個很直接的想法就是把鈾離子的電荷中和掉，讓它不再帶電就好了?？墒请?，又從哪里來呢？如果采用人工發(fā)電或者人工輸電的方式，無疑又會提高成本。怎么辦呢？我們設(shè)想用海草。對了，海草除了隨波飄搖，除了抓魚之外，還有一個重要的特性，那就是利用太陽光的能 量。

我們合成了一種特殊的納米光催化劑，把它復合到我們的海草材料中，賦予它利用太陽光的能力。這樣，當海草吸附了鈾離子之后，還可以吸收太陽光的能量，產(chǎn)生光生電荷，光生電荷就可以中和鈾離子的電荷，把它轉(zhuǎn)變?yōu)橹行缘募{米顆粒。沒有了靜電斥力，這樣鈾離子就可以源源不斷地靠近海草并被捕獲下來。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們的特制海草，在光照的條件下，對鈾的吸附容量能夠提升10倍之多。相關(guān)研究成果，我們已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利，并發(fā)表在了國際頂尖期刊上。

雖然我們在海水提鈾技術(shù)上取得了一點進步，但是要實現(xiàn)其商業(yè)化應用，依然任重而道遠。因為海水提鈾是一個需要多學科交叉、多單位共同合作的系統(tǒng)工程。國際上的主要核能國家早已投入大量人力物力，研究多年。而我國，要想實現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑，需要我們這一代人不斷努力。前路漫漫，但是我們有足夠的信心。

因為我們記得：60多年前，曾有一群平均年齡只有23歲半的清華師生，面對國外的核封鎖，響應國家號召，來到昌平南口，虎峪山下，要用自己的雙手“開創(chuàng)祖國原子能事業(yè)的春天”。他們從零開始，艱苦創(chuàng)業(yè)，建成了我國第一座屏蔽試驗反應堆;他們無懼艱辛，反復探索，完成了“712”任務，為我國兩彈事業(yè)建立了赫赫功勛。今天，作為新一代的“235”人，將傳承老一輩“235”的光榮和使命，知難而進，眾志成城，擔當起祖國和時代賦予我們的使命！核能報國，科技報國，為了祖國的和平與安全，為了中華民族的偉大復興！