Уран представляет собой очень радиоактивный металл, играющий важную роль в обеспечении электроэнергией многих стран. Сейчас уран добывается из рудных месторождений, запасы которых на планете ограничены. Однако, как установила группа швейцарских ученых из Женевского университета и Института Пауля Шеррера, при рациональном подходе к добыче урана из морской воды его концентрация может все время оставаться стабильной, обеспечивая человечество этим ресурсом на ближайшие 70 тысяч лет. В настоящий момент мировые атомные электростанции потребляют приблизительно 65 тысяч тонн урана в год. Хотя значительные запасы урана сосредоточены в земной коре, еще большее количество содержится в виде растворенных солей в морской воде. Единственным источником урана с более высокой концентрацией является жидкое ядро планеты, однако его добыча невозможна по очевидным причинам.
Способы добычи урана варьируются в зависимости от региона. В Австралии, Намибии и Нигере извлекается сама урановая руда, в то время как в США, Казахстане и России (третьем по величине запасам урана) уран выделяется непосредственно на месте добычи, без предварительной обработки руды.
Несмотря на то, что оба метода приводят к постепенному истощению запасов урана, швейцарские ученые доказали возможность возобновления этого ресурса за счет его добычи из морской воды при соблюдении определенных ограничений.
Содержание урана в морской воде сейчас оценивается в 4500 мегатонн; этого количества достаточно, чтобы обеспечивать все атомные станции мира в течение 70 000 лет при сохранении текущих объемов потребления. Концентрация урана в морской воде остается стабильной: она увеличивается за счет притока растворенного урана с водой больших рек и уменьшается за счет осаждения на дно. Авторы исследования рассчитали, что при разумных объемах экстракции урана из морской воды этот металл можно будет считать возобновляемым источником энергии.
Технологии выделения урана из воды уже существуют. В основном их разработкой занимались японские ученые, поскольку Япония очень сильно зависит от атомной энергетики и со всех сторон окружена морем. Пока все эти технологии были продемонстрированы только в лаборатории. По предварительным оценкам, стоимость экстракции одного килограмма урана из морской воды составит 260 долларов за килограмм, что вдвое превышает среднюю рыночную стоимость килограмма урана.
По данным Международного энергетического агентства к 2030 г. глобальное потребление энергии может возрасти на 18%, а к 2050 г. –на 39%, что приведет к увеличению потребности в различных источниках энергии. На данный момент наиболее перспективной считается ядерная энергетика. Для обеспечения ее топливом необходимо искать новые, безопасные источники урана. По текущим оценкам ученых урановой руды, заключенной в земной коре, хватит на 100 лет. В настоящее время ведутся активные разработки альтернативных методов добычи урана. Один из ведущих – добыча урана из морской воды.
В океанической воде растворено огромное количество солей урана – около 4 млрд тонн в пересчете на уран, что примерно в 1000 раз больше разведанных запасов урана в месторождениях на суше. Главное преимущество данной технологии – безопасность: вода – один из лучших поглотителей радиоактивного излучения, поэтому добыча урана из морской воды не загрязняет окружающую среду радиоактивной пылью, как при добыче руды на рудниках.
Концентрация урана в морской воде при такой добыче не уменьшается, т.к. воды океанов постоянно пополняются соединениями урана из залежей на морском дне, поэтому данный вид топлива можно назвать возобновляемым как и солнечную энергию. На данный момент разработка полимера, который бы захватывал уран из морской воды, находятся на заключительной стадии. Данный материал сможет фильтровать исключительно частицы урана, тем самым упрощая дальнейшую обработку топлива.
Полученный на выходе материал имеет чистоту до 99.9%. В его состав, как и в состав «земного» урана входят изотопы 235, 238, 234, поэтому для производства топлива необходимо его обогащение. Несмотря на все плюсы данного метода добычи, стоимость такого топлива в 2 раза выше, чем стоимость урановой руды, и составляет 200 долл. США/кг. Но возможность безопасного процесса добычи нескончаемого топлива, безусловно, является привлекательной перспективой развития ядерной энергетики и побуждает страны развивать данный метод добычи урана.
В Китае создали материал для извлечения урана из морской воды
Каждый его грамм способен извлекать 12,6 мг урана из морской воды за три недели работы. Это открывает дорогу для электрохимической добычи урана из вод Мирового океана.
Исследователи из Китая разработали новый пористый материал, который основан на ароматических углеводородах. Эта своеобразная ткань собирает трудноуловимые ионы урана из вод океанов. Исследование публиковано в журнале ACS Central Science.
Основным способом добычи урана является его извлечение из горных пород, но запасы ограничены. При этом в морях и океанах растворено около 4,5 миллиарда тонн этого элемента, что превышает запасы урана на суше более чем в 1000 раз. Поэтому разработка материалов, способных извлекать уран из морской воды, имеет большое значение для потенциального увеличения доступных запасов урана и обеспечения энергетической безопасности.
Новая система фильтрации была разработана группой китайских химиков при изучении свойств пористых ароматических каркасов. Так химики называют полимерные материалы, похожие по структуре на пчелиные соты и состоящие из молекул ароматических органических соединений.
Материал имеет пористую структуру. Источник: Unsplash
Большое количество пор и большая удельная площадь поверхности этих материалов побудили ученых задуматься о возможности использования этих структур для извлечения ионов урана из морской воды.
Они создали материал с названием PAF-144-AO, который состоит из двух ароматических молекул — NCP и TCB. При наличии электрического тока эти молекулы спонтанно соединяются и образуют пористую структуру. В сочетании с гидроксиламином, этот пористый материал способен захватывать ионы уранила и превращать их в нерастворимые соединения урана, когда через фильтр пропускается слабый электрический ток.
Ученые провели тестирование системы фильтрации на образцах воды из залива Бохайвань в северо-западной части Желтого моря. За три недели работы каждый грамм материала PAF-144-AO поглотил 12,6 мг урана, что является рекордно высоким уровнем среди всех разработанных систем для извлечения этого элемента из морской воды. Ученые считают, что в перспективе подобные установки смогут значительно увеличить доступность урана и расширить запасы этого элемента на Земле.
Эффективный способ извлечения урана из морской воды для производства энергии
Исследовательская группа из Национальных лабораторий Ок-Риджа, Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета, Беркли и Университета Южной Флориды разработала материал, который избирательно связывает растворенный уран с дешевым полимерным адсорбентом. Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут помочь преодолеть сложности в стоимости и эффективности добычи урановых ресурсов из океанов для устойчивого производства энергии.
«Наш подход является значительным шагом вперед», – говорит соавтор Илья Попов из Отдела химических наук ORNL. «Наш материал специально разработан для отбора именно урана из массы других металлов, присутствующих в морской воде, и может быть легко переработан для повторного использования, что делает его гораздо более практичным и эффективным, чем ранее разработанные адсорбенты».
Попов черпал вдохновение в химии железо-голодных микроорганизмов. Микробы, такие как бактерии и грибы, секретируют природные соединения, известные как «сидерофоры», чтобы откачивать жизненно важные питательные вещества, такие как железо, от своих хозяев. «По сути, мы создали искусственный сидерофор, чтобы улучшить способ выбора материалов и связывания урана», – сказал он.
Команда использовала вычислительные и экспериментальные методы для разработки новой функциональной группы, известной как “H2BHT” – 2,6-бис [гидрокси (метил) амино] -4-морфолино-1,3,5-триазин – которая преимущественно выбирает уранил ионы, или водорастворимый уран, по сравнению с ионами металлов из других элементов в морской воде, таких как ванадий.
Фундаментальное открытие подкреплено многообещающими характеристиками проверенного принципа полимерного адсорбента H2BHT. Ионы уранила легко «адсорбируются» или связываются с поверхностью волокон материала благодаря уникальной химии H2BHT. Прототип выделяется среди других синтетических материалов для увеличения пространства для хранения урана, давая высокоселективный и пригодный для повторного использования материал, который восстанавливает уран более эффективно, чем предыдущие методы.
С практическим методом восстановления, добыча соленой воды предлагает устойчивую альтернативу добыче урана, которая могла бы поддерживать производство ядерной энергии в течение тысячелетий.
Месторождения урана богаты и пополняются в морской воде за счет естественной эрозии рудосодержащих пород и почвы. Несмотря на разжиженные концентрации, составляющие приблизительно 3 миллиграмма урана на тонну морской воды, в мировых океанах хранятся огромные запасы этого элемента, которые составляют приблизительно четыре миллиарда тонн – в 1000 раз больше, чем все наземные источники вместе взятые.
Тем не менее, разработка эффективных адсорбентов урана для использования этого потенциального ресурса была нерешаемой задачей с 1960-х годов.
«Цель состоит в том, чтобы разработать эффективные адсорбирующие материалы по низкой цене, которые можно обрабатывать в мягких условиях для извлечения урана, а также повторно использовать для многократных циклов экстракции», – сказал Александр Иванов из ORNL, который провел вычислительные исследования H2BHT.
При поддержке Программы исследований и разработок Управления по ядерной энергетике Министерства энергетики США, команда сосредоточилась на определении основных факторов, которые влияют на селективность и увеличивают объем извлекаемого урана с помощью новых материалов.
Предыдущие исследования соединений на основе амидоксима показали принципиально более сильное притяжение к ванадию по сравнению с ураном, которое может быть трудно преодолеть. Разработка H2BHT предлагает альтернативный подход, использующий неамидоксимные материалы, для лучшего нацеливания урана в смешанных металлических водных средах.
Селективность долгое время была камнем преткновения на пути к более эффективным адсорбирующим материалам. Ранние достижения, основанные на методе проб и ошибок, показали, что функциональные группы на основе амидоксима эффективно связывают уран в воде, но еще лучше справляются с извлечением ванадия, хотя последняя имеет сравнительно более низкую концентрацию в морской воде.
«Результатом является то, что материалы на основе амидоксима, являющиеся в настоящее время лидерами для коммерчески доступных адсорбентов, быстрее заполняются ванадием, чем ураном, который трудно и дорого удалить», – сказал Попов.
Высококонцентрированные кислотные растворы, используемые для удаления ванадия, требуют больших затрат по сравнению с мягкими или основными технологическими растворами и обременены потоками едких отходов. Кроме того, кислотная обработка может повредить волокна материала, что ограничивает их повторное использование, что делает коммерческое применение слишком дорогостоящим.
«Чтобы работать как масштабная концепция, в идеале нежелательные элементы не должны адсорбироваться или могут легко удаляться во время обработки, а материал повторно использоваться в течение нескольких циклов, чтобы максимизировать количество собранного урана», – сказал Попов.
В отличие от материалов, насыщенных ванадием, полимер H2BHT может быть переработан с использованием мягких основных растворов и переработан для длительного повторного использования. Экологичные свойства также дают существенные преимущества в стоимости для потенциальных приложений.
Следующим шагом, по словам исследователей, является усовершенствование подхода для большей эффективности и возможностей коммерческого масштаба.
