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海水提铀有多难?我国突破封锁,未来或将形成全新核威慑

2022年06月29日 20:33:01
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来源:汽车都市

海水提铀一直都是中国重点关注的一个领域,因为中国虽然幅员辽阔,但很不凑巧的恰好是一个“贫铀国”,甚至比我们“贫油国”的问题还更严重。

中国的原油产量至少还满足了前几十年的需求现在也还能用用,但铀矿方面,基本就只能满足最基本的需求了,或者换句话说:只能满足早期中国核技术发展的需求。

但中国大量制造核武器形成全新的核威慑,并不只是军工层面的问题,任何军用技术大规模应用,成本降低的前提,是“军转民”,即军工技术在民用领域应用成功从而依靠广阔的民用市场分摊成本。

很典型的例子,为什么中国造军舰比美国造军舰便宜70%以上?因为中国的造船厂有很多民船订单,民船订单养活了造船厂,于是军舰订单就只需要考虑造军舰的那点钱而不需要考虑靠这个养活造船厂。

而中国军队扩核的前提,是大规模地铺开核电,大规模地铺开核电的前提就是海水提铀,否则我们本国的铀矿产量根本不够用。

在这方面中国面临的现状其实和日本非常相似,所以中国和日本一样都是非常重视“海水提铀”的国家,海水中铀矿储量非常丰富,粗略估计可以看作45亿吨。

这个数字是陆地上已经探明的铀矿储量的近千倍,但海水中铀丰度很低,如何提取就是一个大问题,日本是海水提铀的先驱,他们最早在1980年首次使用离子交换法从海水中提取到了铀元素。

不过是“铀酰离子”的形式存在,海水当中的铀含量其实很低,大约是每一升海水含铀3.3微克(0.0000033克)。

日本科学家最早的那套技术是用一种叫做“偕胺肟”的化合物,这种化合物能与海水中蕴含的单质铀发生作用并生成铀酰离子;

但当时日本的这项技术并不存在大规模应用的前景,因为提取的包含铀酰离子的混合液中充斥着海量杂质难以提纯,而且成本呢?

偕胺肟是一种复杂的、成本不低的化工材料,用这种物质去提取海水中的铀矿成本当然下不来。

而且作为化合物的铀酰离子提纯、通过复杂反应提取成铀单质成本高昂过程复杂按照这套技术搞海水提铀的成本比我们开采国内的劣质铀矿的成本还要高,完全不具备任何工程可行性。

各种海水提铀的研究方向都不可避免地遇到了相似的技术困难:海水中金属离子强度高、铀浓度低,并且从提取金属单质的角度讲有严重的生物污染。

这一方面限制了海水提铀的手段,也导致提取后的铀离子提纯过程变得异常复杂,并且生物质结垢会导致各种吸附剂钝化,大大提高吸附剂的使用成本。

因此一些铀矿资源丰富的国家根本就不考虑海水提铀,但中国不一样,中国的铀矿其实严格来说储量不算很少,但大多都是开采极其困难的铀矿。

中国的天然铀矿资源呈现出“品位低、规模小、较分散的特点”,如果说核军工部分可以不计成本,那么在商业核电领域基本上中国本土优质铀矿能支撑的供应量就微乎其微了。

这实际上也给近年来的中国扩核带来了一些影响,简单地说,就是军事核工业与民用核工业其实分不开,发达的军事核工业必然建立在发达的民用核工业基础上。

中国大规模地扩充解放军核力量之前,也必须走完扩充民用核工业(核电站)这一步。

而早在15年前中国就开始了寻找替代解决方案的办法,后来一次偶然之间解决了这个问题:中国科学院启动的“核裂变能-钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”计划,该项目中利用到了一项技术:通过一种纳米吸附膜用于提取锂。

这项技术稍微被大胆的中国科学家用在了海水提铀上,这一技术初次实验就取得了成功,东海举行的小规模实验中,一个月时间内通过这项技术顺利从海水中提取出了20克铀,之后技术进一步完善。

在南海建立了第一个小型海水提铀平台,产量已经提升到了公斤级别;截止2021年6月,中国再次公开这一领域的先进研究成果的时候,海水提铀的成本已经降低到了150美元/公斤,这个成本仅略高于从一些产铀国家进口的成本

;为了逐渐摸索成熟海水提铀技术,中国各高校的科学家们开发了诸如“纳米笼凝胶”等一系列新一代的功能性铀结合材料。

随着时间的推移,未来中国有望将海水提铀的成本进一步压低到每千克100美元以下,这将为中国核工业在军民领域的发展带来巨大帮助,因为近年来中国是最大的核电在建国,也是目前在核电领域发展潜力最大的国家。

根据国内的五年计划表,到2035年的时候,中国的核电装机容量将达到1.5亿千瓦,天然铀的需求量也会逐步提高,届时将达到年消耗3.5万吨的水平。

如此庞大的天然铀消耗量意味着中国本土的铀矿产量完全无法满足需求,进口其实也不见得够用,中国最主要的铀矿供应地是哈萨克斯坦。

这个国家的政治局势其实并不是很稳定,并且也不处在中国的势力范围内,而且产量嘛,按照未来的需求量是完全不够的。

而除了哈萨克斯坦以外,出口铀矿的比较多的国家就是加拿大和澳大利亚,这两个国家和中国的外交关系是非常不稳定的,英联邦国家注定不能支撑中国重要命脉产业的供应链。

另一个可以考虑开发的市场是非洲,非洲部分国家的铀矿储量不小,但还是面临类似的问题:中国企业在非洲遍地生根发芽确实是真事,但并没有把供应链建立在非洲的环境。

一方面当然和西方的干涉有关,许多非洲国家都曾经是欧洲国家的殖民地。

直到今天他们在政治上也深受西方影响,比较典型的例子就是加蓬,他们的总统上任第一件事情就是向法国请安。

还记得去年几内亚那边就发生过美、法两国勾结支持的政变,虽然最后并没有危及中国企业在当地的铁矿产权,但更近不深入的合作是不太可能了。

除此之外还有一个问题,就是全球铀矿市场并不像石油天然气之类的市场那么稳定,各个国家基本都是几年买一次。

一次屯几年,结果就是市场波动严重,价格上下限差别很大,中国目前有计划的核电项目所需要的铀矿其实是目前国际铀矿产业完全无法满足的一个很庞大的需求量,我们必须自己整顿供应链。

因此回过头来,重要的铀矿供应还是必须立足于本土,并且还要非常低的成本,这就是海水提铀这项技术大规模应用对中国的价值;

中国本土的铀矿开采成本是很高的,如果依靠本土铀矿的供应去支撑核电站的消耗,那么核电价格将居高不下,甚至还比不上风电!要知道风电已经是一种很低效率的发电方式了!

中国为什么这么重视民用核电呢?因为这是军事核工业的基础!

具体而言,就是如果军事核工业没有规模庞大的民用核工业的支撑,那么获取高丰度的浓缩铀、制造核武器的成本将居高不下,严重一点的说直接会导致中国在核军备竞赛中处于劣势。

冷战时期美苏两个超级大国都在这方面有自己的一套解决方案,苏联的做法是发展“铀钚堆”用于商业发电。

这种反应堆使用铀钚混合氧化物作为燃料进行发电,虽然这种燃料的成本比一般普通的铀氧化合物燃料高两倍左右,并且技术上天然地具有安全性上的劣势,或者说技术上讲困难更多。

但这种反应堆发电过程中生成的副产物是“钚-240”含量低于7%的浓缩钚-239,这是直接可以用于制造核武器的核材料!其实铀钚堆最早就不是发电的,而是用于制造核材料的反应堆,也被称为“快增殖反应堆”。

这有什么好处呢?很简单:如果说一个国家有大量的商业发电站可以产出用于制造核武器的核材料,那么制造武器级核材料的成本就可以被大范围的商业发电分摊下去。

虽然具体到商业发电反应堆本身利润会因此降低,但却可以以较低成本长期维持比较高的武器级核材料产量,前苏联就是通过这种方式大量制造核武器的。

没有铀钚堆的话就只能用天然铀低燃耗、低温反应堆生产钚-239,成本高昂且需要频繁更换燃料,美国的办法就有“大力出奇迹”的感觉。

他们没搞“铀钚堆”,而是直接让商业发电堆用高丰度的武器级浓缩铀,通过这种方式让商业核电均摊和制造武器级核材料的高昂成本。

这就是为什么美国的核动力航母、核动力潜艇上的反应堆用的是武器级核材料的原因,不是什么燃料效率高技术先进之类的理由,完全就是因为没大规模发展铀钚堆的无奈之举。

今天的日本其实也是使用“铀钚堆”进行商业发电的国家,通过这种方式日本成功地成为了一个典型的“核门槛国家”,与德国、韩国、巴西一样。

简单地说就是已经拥有武器级核材料的生产能力,真要说起来制造核武器的进度条,他们走得比整天被美国找茬的伊朗还要多。

而如今中国也有大面积铺开搞铀钚堆商业发电的计划,这是中国扩核的必经之路。

因为中国的军事核工业其实在很长一段时间里在规模上就没怎么发展起来,因此大规模的扩核计划开始之前。

首先需要扩充武器级核材料的生产供应链,而这一切的第一步,首先就是铺开大规模的民用核电,然后中国发展比较晚,所以我们现在建造的都是第三代核电站,成本相比前两代高不少,也就有必要在和材料成本上下功夫。

所以说海水提铀解决的可不仅仅是商业核电站的运作问题,更重要的是解决了中国未来长期的、大规模的扩核所需要的一整个供应链的问题。

“大规模”这三个字对中国扩核是非常重要的,因为我们扩核的目的并不是为了一场核军备竞赛,而是为了避免核军备竞赛的发生,要实现这一点就必须要拥有压倒性的扩核潜力。

换个说法:如果中国5000枚核弹头作为扩核目标,那么可能我们需要扩核到50000枚核弹头的时候,才能实现我们原本扩核5000想要达到的目标,获得与美国对等的核力量;

但如果说中国以50000枚核弹头作为扩核目标,那么很可能在扩核到10000枚的时候,美国就认怂了,然后我们就不需要扩核了,要实现这一点恰恰就需要非常庞大的核材料产量;

中国这些年来为什么这么重视搞核电?那可真不只是为了发电,都是给军队扩核打下的基础!而基础的基础,就是海水提铀!本土铀矿根本没开发空间基本是放弃治疗了。

现在中国的海水提铀工程提出了三步走的计划,在2025年前实现将海水提铀整合进商业发电的供应链中,简单地说就是把海水提铀工程提炼的浓缩铀送去发电。

第二步则是在2035年之前建成产量吨级以上的海水提铀示范工程,正式地完成大规模工程应用的前期准备,第三步则是在2050年前实现“连续生产”,即依靠大量的海水提铀项目取代进口铀矿供应我国的商业核电站。

而在此期间,中国的武器级浓缩铀产量也将逐步提高,中国火箭军处于战备值班状态的核弹头也会提高到1000枚以上水平。

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