Морская вода содержит значительные запасы урана, и китайские учёные предложили более продуктивный метод его извлечения. Команда исследователей из Китая создала материал, напоминающий губку, который, согласно их данным, способен извлекать уран из морской воды с производительностью, превышающей более чем в восемь раз целевой показатель, установленный Министерством энергетики США (DOE).
Ирина Медведева
Иллюстративное фото.Источник: South China Morning Post
Данное вещество, получившее название PhosCage, использует фосфатные элементы как химические ловушки для избирательного связывания урана, присутствующего в океанической воде. Это открытие может обеспечить дополнительный доступ к колоссальным объёмам урана, растворённого в мировых водах, хотя для практического применения в промышленных масштабах потребуется решить серьёзные технические и экономические задачи.
Незначительная концентрация, но огромный потенциал
Специалисты из Института биоэнергетики и биотехнологических процессов Циндао, входящего в состав Китайской академии наук, доложили о возможности извлечения до 50,4 миллиграмма урана на каждый грамм адсорбента при использовании образцов природной морской воды.
Для сравнения: в 2016 году наиболее эффективные американские адсорбенты после длительного нахождения в морской воде демонстрировали результат в 6 миллиграммов на грамм, что означает, что заявленные лабораторные показатели более чем в восемь раз выше.
Позднее исследователи сформировали из PhosCage гранулы размером в несколько миллиметров, что облегчило обращение с материалом и создало предпосылки для его применения в более масштабных системах. По данным самой научной группы, эти гранулы сохраняют способность удерживать 22,55 миллиграмма урана на грамм и не теряют своих свойств после семи циклов повторного использования.
Данный метод решает особенно трудную задачу, связанную с характеристиками материала. В морской воде содержится лишь около 3,3 миллиграмма урана на тонну воды, что означает необходимость переработки огромных объёмов океанической жидкости для получения сколько-нибудь заметного количества урана.
Кроме того, уран требуется выделять из смеси, в которой присутствует множество других растворённых компонентов. В особенности ванадий может вступать в реакцию с теми же химическими агентами, что используются для захвата урана, что значительно усложняет селективную экстракцию.
В ходе испытаний, где применялись различные металлы, учёные выяснили, что их гранулированный материал отдаёт предпочтение урану, в том числе в присутствии ванадия.
Океаны содержат миллиарды тонн урана
Интерес к урану, находящемуся в морской воде, объясняется масштабностью этого потенциального источника. Разведанные запасы урана на суше составляют около 7,9 миллиона тонн, тогда как в Мировом океане растворено примерно 4,5 миллиарда тонн урана. Основная часть этого элемента попала в моря за долгую геологическую историю в результате выветривания горных пород и последующего вымывания урана в водные бассейны.
Для государств, активно развивающих атомную энергетику, это может стать значительным дополнительным резервом ядерного топлива. Китай особенно зависит от импорта урана. Как сообщает South China Morning Post (SCMP) со ссылкой на Всемирную ядерную ассоциацию, в 2024 году китайские шахты выдали около 1600 тонн урана, тогда как для обеспечения работы ядерных реакторов требуется примерно 13 000 тонн.
Соединённые Штаты на протяжении десятилетий изучали возможность использования морской воды для восполнения подобного дефицита. Исследователи из Окриджской национальной лаборатории и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создали и протестировали волокна, поглощающие уран, в природной морской воде, включая испытания в заливе Секим, расположенном в штате Вашингтон. В итоге американская программа показала, что с точки зрения экономики такой подход остаётся менее выгодным по сравнению с традиционной наземной добычей.
А что покажет промышленная практика?
Эффективность PhosCage на данный момент подтверждена исключительно в контролируемых лабораторных условиях. Учёные из Циндао набрали морскую воду вблизи побережья этого города и пропустили 25 литров через лабораторную проточную установку, а не разместили материал непосредственно в открытом океане.
При масштабном использовании в морской среде могут возникнуть сложности, связанные с течениями, волнами, обрастанием поверхности микроорганизмами, износостойкостью материала, процессом сбора адсорбента и расходами на его переработку.
Также исследователи не представили расчётов стоимости урана, полученного в ходе экспериментов. По их заверению, дальнейшие работы будут направлены на увеличение масштабов применения материала и сокращение общих издержек на добычу урана из морской воды.
Китайская разработка, безусловно, является значительным шагом вперёд в области материаловедения, однако прежде чем говорить о революции в ядерной энергетике, необходимо трезво оценить пропасть между лабораторным триумфом и промышленным внедрением. Цифра в 50,4 миллиграмма на грамм, безусловно, впечатляет и превосходит все ранее опубликованные результаты, но она была получена в идеализированных условиях проточной установки.
В реальном океане, где вода движется, содержит взвеси и биологические организмы, эффективность любого адсорбента неизбежно снижается. Исследователям из Циндао предстоит доказать, что их гранулы выдержат многонедельное воздействие солёной среды, не разрушатся под давлением течений и не потеряют свои свойства из-за биообрастания, которое является бичом любых морских технологий.
Сомнительная экономика проекта
Вторым критическим фактором является экономика процесса, которая в данном контексте выходит на первый план. Даже если допустить, что PhosCage сохранит свою рекордную производительность в океане, необходимо рассчитать полную стоимость добычи: от затрат на производство самого материала до расходов на его развёртывание, сбор и регенерацию.
Американский опыт показал, что даже с гораздо более скромными показателями эффективности, главным барьером стала именно стоимость, а не техническая возможность.
Для Китая, который стремится диверсифицировать источники ядерного топлива, этот вопрос стоит особенно остро: если цена килограмма урана из морской воды будет в несколько раз выше рыночной цены на уран, добываемый традиционными методами, то данный подход останется скорее научным курьёзом, чем реальным решением энергетической проблемы.
Не стоит забывать и о масштабах, необходимых для существенного вклада в энергобаланс. Для того чтобы добыть всего одну тонну урана, потребуется переработать около 300 000 тонн морской воды. Учитывая, что Китаю для покрытия текущих потребностей в ядерном топливе требуется более 13 000 тонн урана в год, гипотетическая промышленная установка должна перекачивать миллиарды тонн океанической воды ежегодно.
Это сопряжено с колоссальными энергозатратами на прокачку, строительством огромных береговых или плавучих комплексов, а также с потенциальным воздействием на морскую экосистему. Технология, которая эффективно работает в лабораторной колбе, может оказаться абсолютно нерентабельной при попытке масштабирования до промышленных объёмов, и именно этот переход является самым сложным этапом для любого подобного исследования.
Перспективы покажут испытания в реальных условиях
Тем не менее, даже если PhosCage не станет панацеей и не заменит традиционную добычу, его разработка имеет огромную ценность для фундаментальной науки. Изучение селективности связывания урана в присутствии ванадия и других ионов, а также создание материалов с повторным использованием, открывает новые горизонты в области хемосорбции и радиационной химии.
Этот успех может стимулировать дальнейшие исследования в смежных областях, например, в извлечении редкоземельных металлов или лития из морской воды. В этом смысле заявление китайских учёных — это не столько финальный отчёт о готовом промышленном решении, сколько яркая демонстрация того, что барьер низкой концентрации урана в океане не является непреодолимым, и что будущее за инновационными материалами, способными эффективно работать даже в экстремальных условиях.
Окончательный вердикт по PhosCage можно будет вынести только после проведения полноценных морских испытаний в течение нескольких месяцев, с измерением реальной деградации материала и расчётом себестоимости конечного продукта.
Если в ходе этих испытаний гранулы покажут стабильность и экономическую целесообразность, Китай может получить стратегическое преимущество в энергетической сфере, фактически получив неограниченный доступ к топливному ресурсу.
Однако сегодня это лишь многообещающая гипотеза, которая нуждается в подтверждении суровой реальностью океана. Поэтому мировому сообществу стоит следить за развитием событий с осторожным оптимизмом, понимая, что путь от лабораторного рекорда до реальной атомной электростанции занимает десятилетия.
Кстати, американские ученые приступили к созданию методов извлечения ценных ресурсов из морской воды. Они выяснили, что всего в 0,1% океанской жидкости находится столько необходимых минералов, что их хватит для нужд человечества на 50 000 лет.
А еще писали об энергетическом потенциале океана: американская компания-разработчик в сфере морской энергетики готовится к тестированию новой приливной турбины модульного типа в водах Массачусетса.
А также рассказывали, почему вода на Ближнем Востоке стоит дороже нефти.