从海水中回收铀矿是无尽的资源 还是一厢情愿?

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1、引言

影响核电发展的主要驱动力之一便是燃料的长期价格,而燃料的价格又是铀供应量的函数。为了了解诸如快中子增殖反应堆和钍反应堆这样的铀高效反应堆在未来是否会经济可行,就必须对铀的供需预测进行评估。虽然日本发生了福岛第一核电站事故,但核工业仍在不断地增长,其中部分原因是其推动了许多国家的低碳化经济以及碳减排。目前,有60 个新的铀燃料反应堆正在建设之中,除此之外还有300 多个正处于提案阶段的核电站建设计划。不断发展的核工业需要大量的铀燃料,在可预见的将来,铀的需求量将继续上升。

铀的供应情况推动着核能行业的未来发展,而铀的价格上限将决定继续使用现代轻水反应堆(LWRs)在经济上是否可行。若是采用比轻水反应堆用铀量少的快速反应堆,则需要大量的投资和开发费用,除非铀的价格大幅上涨,其在经济也上是不可行的。陆地上的铀资源是有限的,而海水中的铀资源量却是巨大的,其赋存了大约4×109 t 铀。尽管海水中铀的浓度仅为3.3ppb,但目前已经实现了铀的筛选性提取。虽然已经对提取过程进行了数次全面的成本评估,但是该过程的实用性以及为维持核工业而需要部署的规模仍然是有待商榷的。本文旨在审查目前应用最广泛的偕胺肟基互联系统的一些局限性,以及其与现有法律之间可能存在的相互关联,尤其是与海洋环境保护法规之间的相互关系。从海水中提取铀的潜力显然是巨大的,它对核技术的选择会产生重大影响,但在大规模的应用该技术前,我们也必须考虑到它可能带来的各方面影响。

2、背景

目前世界上大部分的核电站都是利用轻水反应堆(LWRs),反应堆燃料一旦被用尽就需储存起来以进行处理(开放式循环)。一个1GWe 规模的反应堆每年的铀消耗量为180t 1,而在其他类型的快中子增殖反应堆系统中,它们可在封闭式循环中将燃料进行回收,其产生的能量要比轻水反应堆多60 倍以上。虽然燃料成本仅是核能发电总成本中一个相对较小的组成部分,但是铀价格的大幅度上涨可能会将经济核算转向快中子增殖反应堆或者使用钍来作为反应堆燃料。虽然基于钍的反应堆需要铀或钚来启动系统,但钍在地球上的相对丰度却是铀的3 倍,这正是其用作反应堆燃料的优势所在。无论使用何种燃料,新一代的反应堆从开发到完全商业化投产都将是极其昂贵的。一个可进行再加工和材料回收的封闭式循环系统要比传统直流系统更为复杂,并且可能会更加昂贵。除非铀(以及燃料处理)成本上升到足以弥补这一较大的资本成本和运营成本时,新型燃料才具有竞争优势。因此,许多人对新一代反应堆(主要是国家出资)是否能够在发展的“死亡之谷”继续前进以展开(大部分是私人资助的)商业化部署持怀疑态度。所以,即使拥有60 多年的先进反应堆系统研发和使用经验也并不令一些人看好。

3、铀的价格截止点

铀需求量的增加和高品位矿石供应量的减少将不可避免地导致U3O8 价格的上涨。如果铀价格持续走高,将会提高轻水反应堆的运行成本,这可能会使得封闭式燃料循环或钍燃料在经济上具有竞争力。能源平准化成本(LCOE)是一个发电站在其整个使用寿命期的单位能源成本。关于快速反应堆的潜在LCOE 已有许多研究报告,其结论要么是存在总体不确定性,要么是与LWR 或化石燃料发电厂的电费成本相当,亦或是介于前两者之间(基于封闭式核燃料循环快速反应堆的核能系统评估,2012)。尽管如此,人们普遍认为快中子增殖反应堆的运行成本要比现有的轻水反应堆昂贵,并且在商业化部署之前,在快堆反应堆期望功率至少高出20%的溢流功率是不合理的。

4、偕胺肟基技术

辫状吸附剂通过辐射状接枝合成,使用加速电子束在氮气环境下照射HDPE(高密度聚乙烯)。这可产生使丙烯腈结合到其上的自由基位点,并随后发生化学反应以产生偕胺肟基。一旦辫状吸附剂吸附了水性含铀物质,就可以分别用盐酸和硝酸洗涤来回收碱土金属(主要是Mg、Ca)和铀,然后补充氢氧化钾溶液以使辫状吸附剂可以重复使用。这种特殊的偕胺肟基体系的吸附能力已经得到证明,在日本沿海30℃的海水中浸泡30 天后,每千克吸附剂平均可吸附1.5g 的铀。

5、技术开发

要把海水提取铀发展成工业化规模,最重要的便是确定其最大的成本贡献者,此外还需通过进一步的开发来降低开支。辫状吸附剂系统的成本分析表明,两个最大的成本来自系泊和收集以及吸附剂的生产,这两项占总成本的88%。虽然吸附剂价格会随着循环使用次数的增加而下降,但系泊和收集成本却不会因此发生变化,而且经过许多个周期之后,系泊和收集成本便会成为单位成本的最大贡献者。无论部署次数如何,每次部署的系泊和收集成本都保持不变,因此它不受规模经济的影响。

6、海洋法

如果这种吸附剂被部署在一个全尺寸的铀矿场中,那么操作将是巨大的,并且很可能引起全世界的兴趣。日本原子能机构初步规划了一个覆盖1031km2 海床的吸附床,内含10×106 kg 吸附剂的部署计划。为了规划这样的一个企业,必须考虑到一个大的国际海洋资源开采法。《联合国海洋法公约(UNCLOS)》是涉及这种性质的国际条约。世界各地有167 个缔约方(包括欧盟)批准了该协议,这是一项关于自然资源开发,确保公平合理使用水资源以及保护海洋环境不受损害和污染的协定。《公约》第193 条规定,各国根据其环境政策拥有开采自然资源的主权,同时也有保护和维护海洋环境的义务。《联合国海洋法公约》界定了不同的海区,这些海区规定了各国的权利和义务。与铀开采有关的资源供应、与其他国家权利有关的海洋环境保护责任和义务的规定也因海区而异。

7、结论

从海水中实现商业化的铀供应正逐渐成为一个更为现实的目标,但在能够达到足以维持核工业的价格之前,该提取技术仍需进行不断的开发。铀的提取价格将成为铀市场的基准价格,如果这个基准价格低到足以维持开放式反应堆系统的经济性,那么铀经济将不会成为核电系统选择的驱动因素。

尽管辫状偕胺肟基吸附剂已表现出较为理想的结果,但对工业规模铀矿田的成本评估表明,该技术在进行商业规模的部署之前仍需要进一步的研发。目前,海水提铀的预估价格约为557 美元/磅U3O8,这比现在的U3O8 市场价格高出10 倍以上,这一价格还是有些偏高,并不足以抵消现有封闭式循环系统的经济优势。海水开采铀矿的大规模应用需要将大量的吸附剂部署在大面积的海床上以便从大体积的海水中吸附铀。在对这项技术进行大规模应用之前,需要对可能造成的环境影响和法律冲突进行全面彻底的审查。

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