Китайские исследователи нашли способ извлекать уран из морской воды со скоростью, в несколько раз превышающей целевой показатель, установленный министерством энергетики США, что выводит Китай на передовые позиции в глобальной гонке за освоение огромного источника ядерного топлива.
Команда из Циндаоского института биоэнергетики и биотехнологий Китайской академии наук достигла этого с помощью разработанного ими материала под названием PhosCage – губчатой молекулярной структуры, заполненной фосфатными группами, которые действуют как химические ловушки.
В заявлении исследователи сообщили, что из образцов природной морской воды они извлекли до 50,4 мг урана на каждый грамм сорбента – что более чем в восемь раз превышает целевой показатель США в 6 мг/г.
Затем они преобразовали PhosCage в шарики миллиметрового размера, которые легче разворачивать и извлекать в открытом океане. Эти шарики захватывали 22,55 мг/г и сохраняли работоспособность в течение семи циклов повторного использования.
«Эта работа открывает новый подход к извлечению урана из морской воды и закладывает основу для создания сорбентов, способных захватывать больше урана и в конечном счёте применяться в промышленном масштабе», – заявила команда из Циндаоского института биоэнергетики и биотехнологий Китайской академии наук.
Данная технология может оказаться особенно важной для Китая, который располагает значительными запасами урана, но потребляет гораздо больше, чем производит, по мере расширения использования атомной энергетики.
В 2024 году отечественные рудники произвели всего 1600 тонн урана – лишь малую часть от примерно 13 000 тонн, необходимых для его ядерных реакторов, по данным Всемирной ядерной ассоциации. Это оставляет Китай в сильной зависимости от импорта.
В мире насчитывается около 7,9 млн тонн известных наземных ресурсов урана. Однако в океанах содержится, по оценкам, 4,5 млрд тонн, большая часть которых накопилась со временем, когда уран вымывался дождём из горных пород и выносился реками в море.
Только в Средиземном море содержится, по оценкам, 12 млн тонн урана – этого достаточно для удовлетворения текущих мировых потребностей в ядерном топливе примерно на 180 лет.
Но добыча его чрезвычайно сложна. Одна тонна морской воды содержит всего около 3,3 мг урана, поэтому этот элемент необходимо извлекать из огромных объёмов воды.
И уран не единственный элемент в морской воде. Она представляет собой «бульон» из растворённых элементов, некоторые из которых значительно более распространены, чем сам целевой уран. Особенно проблематичен ванадий, поскольку он может прилипать к тем же химическим ловушкам, что затрудняет их разделение.
В течение многих лет учёные из национальных лабораторий Министерства энергетики США в Теннесси и Вашингтоне пытались решить эту проблему. Ок-Риджская национальная лаборатория разработала специальные волокна, захватывающие уран, а Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория испытала их в проточной природной морской воде из залива Секвим в штате Вашингтон.
К 2016 году лучшие американские сорбенты собирали около 6 мг/г после длительного воздействия морской воды. Однако этот метод оставался значительно дороже наземной добычи, и Министерство энергетики в значительной степени свернуло программу после её завершения в 2018 году.
Работа циндаоской команды позволила преодолеть некоторые основные препятствия при извлечении, согласно двум статьям, опубликованным в журналах Journal of Hazardous Materials и Separation and Purification Technology.
Например, в испытаниях с присутствием нескольких металлов шариковый материал показал явное предпочтение к урану, в том числе перед ванадием – одним из самых трудноотделяемых элементов.
Однако эксперименты имеют ограничения. Исследователи собирали морскую воду у побережья Циндао и пропускали 25 литров (6,6 галлона) через лабораторную проточную систему, вместо того чтобы оставлять сорбенты в открытом океане, где волны, течения и морские организмы значительно усложнили бы задачу.
Между тем, ни в одном из исследований не указана стоимость извлечённого урана. Исследователи заявили, что дальнейшая работа будет сосредоточена на масштабировании материалов и снижении общей стоимости извлечения урана из морской воды.