核能——来自海水中的铀

从海洋中获得作为核反应堆的燃料铀很快就会成为可能,这得益于橡树岭国家实验室 (ORNL) 能源部领导的团队所开发出的一种材料。这种材料是由橡树岭国家实验室研发的高容量可重复使用吸附剂与佛罗里达州公司研发的高表面积聚乙烯纤维的组合而成的,可以实现快速地、有选择性地且廉价地由水中提取有价值的贵重可溶性金属。

这种高容量(HiCap)材料,胜过当今的吸附剂,发挥着阻挡表面的固体或气体分子、 原子或离子的作用。据西北太平洋国家实验室的研究结果证实,它还可以有效地去除水中的有毒金属。

橡树岭国家实验室的材料科学与技术部门的成员、该吸附剂发明者Chris Janke说:“实验证明了我们的吸附剂可以提取五至七倍多的铀,且吸收速率比世界上最好的吸附剂还要快七倍。”

海洋中铀元素的储量约为45亿吨,HiCap的低成本使得从海洋中提取铀元素成为了可能。虽然海洋中溶解铀的浓度只有十亿分之3.2,但是这微少的数量足够世界上所有的核反应堆工作几个世纪的。

该吸附剂是由直径小、圆形或非圆形的纤维制造而成,具有高的表面积及优异的力学性能。通过调整纤维的直径与形状,研究者们可以大大增加吸附剂的表面积及吸附能力。这与橡树岭国家实验室的专利技术所共同制造出的吸附剂纤维可以实现更快地且有选择性地获得金属元素,同时随着吸附能力的增强,效率也由此而提高。

Janke说:“我们的HiCap吸附剂是由受到电离辐射后的高表面积聚乙烯纤维,并将这些预辐射的纤维同具有高亲选金属的化学复合物反应而制得的。” 

经过加工后,科学家们可以将吸附剂放置在靶向材料的水中,以此实现快速、优先的作用。随后科学家们从水中去除吸附剂,同时使用一种简单的酸洗法将金属元素提取出来。在氢氧化钾的条件下处理后,吸附剂便可以实现再利用。

与当前先进的吸附剂相比可知,新型材料明显地具有更高的铀吸附容量、 更快的吸收率以及更高的选择性。具体来说,在20℃下,其吸附能力是包含百万分之6铀示踪溶液的七倍。在海水中,每公斤吸附剂可收集3.94克铀,其吸附能力是世界上最好的吸附剂——每公斤吸附剂吸附0.74克铀的五倍以上。而选择性吸附的数据又显示,新型材料高于普通材料的七倍。Janke总结道:“这些结果清楚地证明了更高表面积的纤维将转化为更高的容量。”