可以從海水中吸收鈾的纖維。研究人員讓這種纖維和熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）接觸，并使用阿先進(jìn)光子源（Advanced Photon Source）對其進(jìn)行三維X射線微斷層攝影，確定該纖維的結(jié)構(gòu)并沒有受到熒光假單胞菌的破壞。
海洋中蘊藏這超過40億噸鈾。如果我們能從海水中把它們提取出來為核電廠發(fā)電的話，足夠全世界用上一萬年。在這個領(lǐng)域的最新重大進(jìn)展發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會（American Chemical Society，ACS）旗下期刊《工業(yè)與工程化學(xué)研究》（Industrial & Engineering Chemistry Research）上。
半個世紀(jì)以來，全世界的研究人員都在嘗試從海洋里提取鈾，但是成功者寥寥。上世紀(jì)90年代，日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Atomic Energy Agency，JAEA）的科學(xué)家首先研發(fā)出一種能夠吸收鈾的材料，當(dāng)它被浸沒在海水中時能夠在表面吸附并固定鈾。2011年，美國能源部（DOE）啟動了一個跨學(xué)科的項目，項目團(tuán)隊來自美國各大國家實驗室，大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，目的是解決從海水中以低成本的方式提取鈾的根本性難點。5年內(nèi)，這個團(tuán)隊發(fā)明了一種新型吸附劑，它讓海水提鈾的成本下降了3到4倍。
為了記錄下包括這個進(jìn)展在內(nèi)的重大成果，《工業(yè)與工程化學(xué)研究》的特刊以“海水提鈾”為題，囊括了于2015年春季在丹佛召開的ACS會議上國際科研人員報告的研究進(jìn)展。主要成果來自于受DOE核能辦公室開展的能燃料資源計劃（Fuel Resources Program）資助的科研人員。他們與中國科學(xué)院以及JAEA達(dá)成了協(xié)議，協(xié)調(diào)了中國和日本的國際科研力量。
DOE 的能燃料資源計劃為海水提鈾在經(jīng)濟(jì)層面上的可行性打下了技術(shù)基礎(chǔ)。它為美國國家實驗室，大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)提供支持，這些機(jī)構(gòu)專注于新一代吸附劑的研發(fā)和測試工作。這些吸附劑將具有更高的吸附容量，更快的結(jié)合速率，而在海水中循環(huán)使用時的降解速度卻更小。
“如果想讓核能成為可持續(xù)能源，就必須要有價格經(jīng)濟(jì)且供應(yīng)充沛的核燃料，”DOE計劃的技術(shù)及推廣負(fù)責(zé)人Phillip Britt表示，“這期特刊主打國際研究者做出的重大成果，他們讓海洋為人類提供了一個安全的能源遠(yuǎn)景。”
來自DOE的兩個實驗室－田納西州的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和華盛頓州的西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學(xué)家發(fā)表的論文數(shù)量超出特刊30篇論文的一半。ORNL 的主要貢獻(xiàn)是合成鈾吸附劑并對其性質(zhì)進(jìn)行了分析。PNNL 的論文主要關(guān)注對國家實驗室以及其他大學(xué)合成的吸附劑在海洋中的測試。
“合成能夠更好地在海水中吸附鈾的材料需要多學(xué)科和多機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊，包括化學(xué)家，計算機(jī)科學(xué)家，化學(xué)工程師，海洋科學(xué)家以及經(jīng)濟(jì)學(xué)家的合作，”ORNL海水提鈾項目技術(shù)主管Sheng Dai表示，“計算研究可以讓我們更好地了解選擇性地與鈾結(jié)合的化學(xué)基。”
熱力學(xué)研究可以讓我們更好地了解鈾以及它在海水中的相關(guān)化學(xué)形態(tài)的化學(xué)性質(zhì)。動力學(xué)研究可以發(fā)現(xiàn)控制海水鈾吸附速率的因素。在實驗室中理解吸附劑的性質(zhì)是研發(fā)更經(jīng)濟(jì)的吸附劑，并讓它們盡可能多吸附鈾的關(guān)鍵。
最后，科研團(tuán)隊研發(fā)出了一種包含名為胺肟（amidoxime）的具有鈾吸附能力的化學(xué)族的聚乙烯纖維束。目前，研究人員在實驗室中用海水對該材料進(jìn)行測試。這些纖維束在海水中會自然展開，而無需花費財力物力將大量海水泵入纖維束中。幾周后，就可以回收吸附著鈾氧化物的纖維，并用酸處理法來釋放纖維中的鈾酰離子，讓吸附劑纖維可以被重復(fù)利用。將鈾進(jìn)行進(jìn)一步的處理并濃縮后就能夠生產(chǎn)出為核電站供能的材料。
PNNL的研究者測試了ORNL和其他實驗室研發(fā)的吸附劑，其中包括了一些參與核能大學(xué)計劃（Nuclear Energy University Program）的大學(xué)。在嚴(yán)格控制的溫度和流量的條件下，他們分別用過濾的和未經(jīng)過濾的華盛頓州史魁恩灣的海水進(jìn)行測試。PNNL沿?？茖W(xué)部的代理部長Gary Gill對三個海洋試驗場進(jìn)行協(xié)調(diào)，分別是位于史魁恩的PNNL海洋科學(xué)實驗室（Marine Sciences Laboratory），位于馬薩諸塞州的伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）以及位于佛羅里達(dá)州的邁阿密大學(xué)（University of Miami）。
“理解吸附劑在自然海水條件下的工作情況是可靠地評估鈾吸附劑材料的關(guān)鍵，”Gill表示，“除了海洋測試以外，我們還評估了吸附劑吸收鈾以及其他元素的情況，它的吸附持久性，以及海洋生物的集結(jié)對吸附容量的影響。我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)吸附材料并沒有毒性。PNNL還做了一些實驗，用酸溶液和碳酸氫鹽溶液優(yōu)化鈾的釋放和吸附劑材料的再利用。”
PNNL的海洋測試發(fā)現(xiàn)，ORNL研發(fā)的吸附劑材料的吸附容量為，暴露在天然海水環(huán)境下49天后，每千克吸附劑能夠吸收5.2克鈾。這是特刊中的明星。海水提鈾計劃依然在不斷地取得進(jìn)展，收獲具有更高的鈾吸附容量的吸附劑。最近的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露在天然海水環(huán)境下56天后，某種吸附劑的吸附容量已經(jīng)超過了6克鈾／每千克吸附劑，這比特刊中的最佳結(jié)果還高15%。
來源：美國能源部/橡樹嶺國家實驗室