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1964年10月16日,一声“东方巨响”震惊世界。我国第一颗原子弹成功爆炸,打破了超级大国的核垄断。国庆70周年阅兵式上,东风-41核导弹方阵压轴出场。东风快递,使命必达,是我国安全的重要保障。
核能作为一种零碳排放的清洁能源,还在用另一种方式守护着我们美丽的碧海蓝天。近年来我国的核电事业发展迅速,总装机容量已经位列世界前三,预计2035年将超过美国,成为世界第一。
无论是核武器还是核电站,它们的发展都离不开一种重要的资源——铀。目前,铀资源主要来源于陆地铀矿的开采。而我国铀资源的储量和产量在世界上排名仅在第10名左右,远远不能满足我国核事业快速发展的要求。因此,发展非常规的铀资源开采和利用,就具有重要的战略意义。幸运的是,在美丽的大海之中就蕴藏着丰富的铀资源。据统计,海水中铀的总储量达到45亿吨,是陆地铀矿的上千倍,足够人类使用上万年。更重要的是,全世界的海水是流通的。这也就意味着,如果哪个国家率先掌握了海水提铀的技术,那么它就对全世界海水中的铀资源拥有了优先开采权。因此,《自然》曾发表评论,将“海水提铀”列为“能改变世界的七种化学分离技术”之一。
虽然海水提铀前景非常美好,但是技术难度却非常大。它的难点主要来源于两个方面。首先,虽然海水里面铀的总量很大,但是浓度非常低,每吨海水中仅有0.0033克铀。这是个什么概念呢?一个标准泳池,长50米,宽25米,深3米。如果我们把泳池里面灌满海水,那么里面铀的含量只有12克,大概相当于我们平时喝咖啡用的3颗方糖的量。而且大家都知道,海水是咸的,这是因为海水中含有大量的盐分。在这样一池海水中,就有多达150吨盐,相当于43万袋我们平时用的食用盐。大家不妨设想一下,无论是在这一池海水中把溶解在其中的3颗方糖提取出来,还是在43万袋食盐堆成的盐山中把分散在其中的12克糖一粒粒挑选出来,都几乎是不可能完成的任务。而科学家,就是要将不可能变成可能。而且我们还喜欢在科研中寻找乐趣。
我们可以把海水提铀看作一个钓鱼的游戏,而我们的任务就是要从成千上万种鱼当中钓出那1条具有特殊花色的鱼。提到钓鱼,我们知道首先要有鱼钩。如果是用普通的鱼钩,是愿者上钩,所有的鱼都有可能来咬钩。这也就意味着,我们可能要钓一百万次才能钓到1条我们所要的铀。因此,科学家设计合成筛选了各种各样的“鱼钩”,也就是捕获分子。尝试了不同的元素组成,不同的官能团组成,不同的大小,不同的形状,最终找到了这样一种偕胺肟基团。它特殊的结构和组成,可以在众多的“鱼”当中准确识别出铀,并把其牢牢抓住。
有了这样优异的“鱼钩”,接下来就是要把“鱼钩”固定在“鱼线”上。我们知道鱼线是很柔软的,同时又很坚韧。聚合物纤维材料,恰好能够满足我们的要求。我们首先合成出纳米级的纤维,然后通过化学方法将捕获分子修饰到纤维表面,就好像把鱼钩一个一个挂到鱼线上。又由于我们的“鱼线”有很高的机械强度,我们可以进一步对其进行加工,纺织成丝,编织成网,缠绕成束,最终把渔网束固定到特制的“钓竿”上。右图就是钓竿的最终形态。它是不是像一颗海草一样?
做好了钓竿,接下来就要下杆钓鱼了。只不过,我们要做的是种一片巨大的海草场。每一根海草有60米高,整片海草场有1000多平方千米。下完钩,钓鱼最需要的就是耐心。接下来,我们只需要静静地等待,等待海草随波飘摇,等待着“鱼儿”游过我们的海草场,被“鱼钩”捕获下来。这就是,目前世界海水提铀通用的方法——吸附法。但是,在收获的季节我们发现一个很重要的问题。那就是,我们花了这么大的力气建造的海草场,抓到的“鱼”不够多,这就导致每条“鱼”的单价成本太高,不能满足商业化的要求。这是什么原因造成的呢?
经研究,原来是因为我们的铀离子是带电荷的,由于静电相斥的作用,当一个“鱼钩”捕获了铀之后,其他的铀离子就很难再靠近这个离子,导致周围有大量的“鱼钩”被空置了。怎么办呢?我们一个很直接的想法就是把铀离子的电荷中和掉,让它不再带电就好了。可是电,又从哪里来呢?如果采用人工发电或者人工输电的方式,无疑又会提高成本。怎么办呢?我们设想用海草。对了,海草除了随波飘摇,除了抓鱼之外,还有一个重要的特性,那就是利用太阳光的能 量。
我们合成了一种特殊的纳米光催化剂,把它复合到我们的海草材料中,赋予它利用太阳光的能力。这样,当海草吸附了铀离子之后,还可以吸收太阳光的能量,产生光生电荷,光生电荷就可以中和铀离子的电荷,把它转变为中性的纳米颗粒。没有了静电斥力,这样铀离子就可以源源不断地靠近海草并被捕獲下来。实验结果发现,我们的特制海草,在光照的条件下,对铀的吸附容量能够提升10倍之多。相关研究成果,我们已经申请了国家发明专利,并发表在了国际顶尖期刊上。
虽然我们在海水提铀技术上取得了一点进步,但是要实现其商业化应用,依然任重而道远。因为海水提铀是一个需要多学科交叉、多单位共同合作的系统工程。国际上的主要核能国家早已投入大量人力物力,研究多年。而我国,要想实现从跟跑到并跑再到领跑,需要我们这一代人不断努力。前路漫漫,但是我们有足够的信心。
因为我们记得:60多年前,曾有一群平均年龄只有23岁半的清华师生,面对国外的核封锁,响应国家号召,来到昌平南口,虎峪山下,要用自己的双手“开创祖国原子能事业的春天”。他们从零开始,艰苦创业,建成了我国第一座屏蔽试验反应堆;他们无惧艰辛,反复探索,完成了“712”任务,为我国两弹事业建立了赫赫功勋。今天,作为新一代的“235”人,将传承老一辈“235”的光荣和使命,知难而进,众志成城,担当起祖国和时代赋予我们的使命!核能报国,科技报国,为了祖国的和平与安全,为了中华民族的伟大复兴!
核能作为一种零碳排放的清洁能源,还在用另一种方式守护着我们美丽的碧海蓝天。近年来我国的核电事业发展迅速,总装机容量已经位列世界前三,预计2035年将超过美国,成为世界第一。
无论是核武器还是核电站,它们的发展都离不开一种重要的资源——铀。目前,铀资源主要来源于陆地铀矿的开采。而我国铀资源的储量和产量在世界上排名仅在第10名左右,远远不能满足我国核事业快速发展的要求。因此,发展非常规的铀资源开采和利用,就具有重要的战略意义。幸运的是,在美丽的大海之中就蕴藏着丰富的铀资源。据统计,海水中铀的总储量达到45亿吨,是陆地铀矿的上千倍,足够人类使用上万年。更重要的是,全世界的海水是流通的。这也就意味着,如果哪个国家率先掌握了海水提铀的技术,那么它就对全世界海水中的铀资源拥有了优先开采权。因此,《自然》曾发表评论,将“海水提铀”列为“能改变世界的七种化学分离技术”之一。
虽然海水提铀前景非常美好,但是技术难度却非常大。它的难点主要来源于两个方面。首先,虽然海水里面铀的总量很大,但是浓度非常低,每吨海水中仅有0.0033克铀。这是个什么概念呢?一个标准泳池,长50米,宽25米,深3米。如果我们把泳池里面灌满海水,那么里面铀的含量只有12克,大概相当于我们平时喝咖啡用的3颗方糖的量。而且大家都知道,海水是咸的,这是因为海水中含有大量的盐分。在这样一池海水中,就有多达150吨盐,相当于43万袋我们平时用的食用盐。大家不妨设想一下,无论是在这一池海水中把溶解在其中的3颗方糖提取出来,还是在43万袋食盐堆成的盐山中把分散在其中的12克糖一粒粒挑选出来,都几乎是不可能完成的任务。而科学家,就是要将不可能变成可能。而且我们还喜欢在科研中寻找乐趣。
我们可以把海水提铀看作一个钓鱼的游戏,而我们的任务就是要从成千上万种鱼当中钓出那1条具有特殊花色的鱼。提到钓鱼,我们知道首先要有鱼钩。如果是用普通的鱼钩,是愿者上钩,所有的鱼都有可能来咬钩。这也就意味着,我们可能要钓一百万次才能钓到1条我们所要的铀。因此,科学家设计合成筛选了各种各样的“鱼钩”,也就是捕获分子。尝试了不同的元素组成,不同的官能团组成,不同的大小,不同的形状,最终找到了这样一种偕胺肟基团。它特殊的结构和组成,可以在众多的“鱼”当中准确识别出铀,并把其牢牢抓住。
有了这样优异的“鱼钩”,接下来就是要把“鱼钩”固定在“鱼线”上。我们知道鱼线是很柔软的,同时又很坚韧。聚合物纤维材料,恰好能够满足我们的要求。我们首先合成出纳米级的纤维,然后通过化学方法将捕获分子修饰到纤维表面,就好像把鱼钩一个一个挂到鱼线上。又由于我们的“鱼线”有很高的机械强度,我们可以进一步对其进行加工,纺织成丝,编织成网,缠绕成束,最终把渔网束固定到特制的“钓竿”上。右图就是钓竿的最终形态。它是不是像一颗海草一样?
做好了钓竿,接下来就要下杆钓鱼了。只不过,我们要做的是种一片巨大的海草场。每一根海草有60米高,整片海草场有1000多平方千米。下完钩,钓鱼最需要的就是耐心。接下来,我们只需要静静地等待,等待海草随波飘摇,等待着“鱼儿”游过我们的海草场,被“鱼钩”捕获下来。这就是,目前世界海水提铀通用的方法——吸附法。但是,在收获的季节我们发现一个很重要的问题。那就是,我们花了这么大的力气建造的海草场,抓到的“鱼”不够多,这就导致每条“鱼”的单价成本太高,不能满足商业化的要求。这是什么原因造成的呢?
经研究,原来是因为我们的铀离子是带电荷的,由于静电相斥的作用,当一个“鱼钩”捕获了铀之后,其他的铀离子就很难再靠近这个离子,导致周围有大量的“鱼钩”被空置了。怎么办呢?我们一个很直接的想法就是把铀离子的电荷中和掉,让它不再带电就好了。可是电,又从哪里来呢?如果采用人工发电或者人工输电的方式,无疑又会提高成本。怎么办呢?我们设想用海草。对了,海草除了随波飘摇,除了抓鱼之外,还有一个重要的特性,那就是利用太阳光的能 量。
我们合成了一种特殊的纳米光催化剂,把它复合到我们的海草材料中,赋予它利用太阳光的能力。这样,当海草吸附了铀离子之后,还可以吸收太阳光的能量,产生光生电荷,光生电荷就可以中和铀离子的电荷,把它转变为中性的纳米颗粒。没有了静电斥力,这样铀离子就可以源源不断地靠近海草并被捕獲下来。实验结果发现,我们的特制海草,在光照的条件下,对铀的吸附容量能够提升10倍之多。相关研究成果,我们已经申请了国家发明专利,并发表在了国际顶尖期刊上。
虽然我们在海水提铀技术上取得了一点进步,但是要实现其商业化应用,依然任重而道远。因为海水提铀是一个需要多学科交叉、多单位共同合作的系统工程。国际上的主要核能国家早已投入大量人力物力,研究多年。而我国,要想实现从跟跑到并跑再到领跑,需要我们这一代人不断努力。前路漫漫,但是我们有足够的信心。
因为我们记得:60多年前,曾有一群平均年龄只有23岁半的清华师生,面对国外的核封锁,响应国家号召,来到昌平南口,虎峪山下,要用自己的双手“开创祖国原子能事业的春天”。他们从零开始,艰苦创业,建成了我国第一座屏蔽试验反应堆;他们无惧艰辛,反复探索,完成了“712”任务,为我国两弹事业建立了赫赫功勋。今天,作为新一代的“235”人,将传承老一辈“235”的光荣和使命,知难而进,众志成城,担当起祖国和时代赋予我们的使命!核能报国,科技报国,为了祖国的和平与安全,为了中华民族的伟大复兴!