Согласно данным Департамента энергетики США, весьма значительные запасы урана, превышающие почти четыре миллиарда тонн и находящиеся в океане, способны обеспечить энергией города на протяжении следующих нескольких десятков тысяч лет. Уран может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций, однако его добыча представляет собой весьма сложную задачу. Министерство энергетики США финансирует исследовательский проект с участием ученых из различных лабораторий и университетов страны. За последние пять лет этот проект достиг существенных результатов в области эффективной добычи урана из морской воды при помощи специальных адсорбирующих волокон. Попытки добычи урана из океана предпринимаются уже более полувека. В 1990-х годах японские ученые приблизились к решению этой проблемы, разработав адсорбирующие материалы, способные удерживать молекулы на своей поверхности. Исходя из этих теоретических разработок, американские ученые создали адсорбирующий материал, который существенно снижает затраты на добычу урана – в три-четыре раза.
Учёные всего мира напряжённо работают над созданием разнообразных материалов и волокон, способных экономически эффективно извлекать уран из морской воды. Как было отмечено на конференции, посвящённой данной теме, они добились успеха. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории подвергли специальное сорбирующее уран волокно, разработанное в ORNL, воздействию со стороны флуоресцирующих псевдомонад (Pseudomonas fluorescens). Чтобы изучить микроструктуру и эффекты, возникающие при взаимодействии с организмами и морской водой, учёные с помощью источника синхротронного излучения Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) создали трёхмерный рентгеновский микротомограф. Фото — Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, США.
Америка, Япония и Китай борются за титул первой страны, сделавшей атомную энергию бесконечно возобновляемой. Проблема будет решена, как только станет экономически выгодным добывать уран из морской воды, ибо там его запасы поистине неисчерпаемы.
И Америка, похоже, впереди. Прорывные технологии, разработанные в Тихоокеанской северо-западной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) министерства энергетики США, сделали выделение урана из морской воды экономически эффективным, и остался всего лишь один вопрос: когда мы станем использовать морскую воду, а не руду, чтобы добывать уран для атомных электростанций?
Ядерное топливо, получаемое из урана, содержащегося в мировом океане, — это неисчерпаемый источник атомной энергии. И дело не только в том, что 4 миллиарда тонн такого урана способны в течение 100 000 лет обеспечивать бесперебойную работу тысячи атомных электростанций мощностью 1000 МВт каждая: морской уран постоянно пополняется, в силу чего атомная энергия становится такой же бесконечной, как солнечная, водная и ветровая.
Вот новейшая технология, разработанная на основе исследований, проведённых в Японии: покрытые амидоксимом полиэтиленовые волокна, предназначенные для захвата и связывания диоксида урана из морской воды (см. рисунок 1). В морской воде амидоксим притягивает диоксид урана и связывает его с поверхностью волокнистых оплёток, диаметр которых может достигать 15 сантиметров, а длина — нескольких метров, в зависимости от места применения (см. Рисунок 2).
Подержав примерно месяц в морской воде, куски оплётки поднимают на поверхность и собирают. Кислотная обработка восстанавливает уран в форме уранилового комплекса, регенерируя при этом волокна (они способны выдерживать многократное использование). Чтобы превратить концентрированный ураниловый комплекс в ядерное топливо, его обогащают.
О данном технологическом процессе, как и о предпринимаемых во всём мире усилиях, было написано в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research. В его специальном выпуске, посвящённом синтезу и характеристике урановых адсорбентов, а также их морским испытаниям на таких объектах, как Лаборатория морских наук (Marine Sciences Laboratory, MSL) — подразделение PNNL в Секиме (Sequim), штат Вашингтон, авторами более половины из 30 статей являются учёные из PNNL и ORNL.
Учёные планируют на месяц или около того помещать в море на якорях сотни отрезов экстрагирующих уран волокнистых оплёток до максимального заполнения их ураном. Затем при помощи беспроводного сигнала оплётки должны освобождаться от якорей и всплывать на поверхность, где уран надлежит собрать, а волокнистые оплётки вновь опустить в море. Эти волокна можно размещать в любом месте мирового океана. Источник: Энди Спроулз (Andy Sproles) из ORNL.
Гари Гилл (Gary Gill), заместитель директора Отдела прибрежных наук (Coastal Sciences Division) PNNL, координировавший морские испытания, отметил: «Чтобы точно оценить, насколько хороши материалы, адсорбирующие уран, необходимо выяснить, как эти адсорбенты работают под водой на просторах морей». В дополнение к морским испытаниям специалисты PNNL провели оценку долговечности адсорбента и токсичности его материалов, эффективности захвата им урана по сравнению с другими элементами, а также влияния на производительность адсорбента скоплений морских организмов.
Морские испытания показали, что в природной морской воде новые волокна всего за 50 дней способны удержать 6 граммов урана на килограмм адсорбента. На веб-сайте Университета Теннесси, Ноксвилл, (University of Tennessee Knoxville) можно посмотреть прекрасный видеоролик о добыче урана из морской воды.
Позже, с 19 по 22 июля, в Мэрилендском университете в Колледж-Парке (University of Maryland, College Park) состоится Первая международная конференция по извлечению урана из морской воды, где встретятся специалисты со всего мира.
Стивен Кунг (Stephen Kung) из Управления ядерной энергетики министерства энергетики США (DOE’s Office of Nuclear Energy) считает, что «поиск альтернатив добыче урановой руды является необходимым шагом в планировании будущего ядерной энергетики». И технологические достижения PNNL и ORNL позволили всего за пять лет сократить расходы на добычу урана в четыре раза. Однако морской уран всё ещё стоит свыше 200 долларов США за фунт U3O8, то есть вдвое больше, чем необходимо для того, чтобы он смог заменить урановую руду.
К счастью, стоимость урана составляет малую долю от стоимости ядерного топлива, которая, в свою очередь, составляет малую долю от стоимости ядерной энергии. За последние двадцать лет спотовые цены на уран варьировали от 10 до 120 долларов США за фунт U3O8, в основном из-за изменений в сфере производства ядерного топлива путём обеднения оружейного урана.
Когда стоимость добычи урана из морской воды упадёт ниже 100 долларов за фунт, такая добыча станет коммерчески жизнеспособной альтернативой освоению новых месторождений урановой руды. Но даже при 200 долларах США за фунт U3O8 доля морского урана в стоимости 1 кВт⋅ч ядерной энергии будет незначительной.
Впрочем, главное не это, а то, что добыча урана из морской воды делает атомную энергию бесконечно возобновляемой.
Концентрация урана в морской воде очень низкая: всего лишь около 3 частей на миллиард (3 микрограмма на литр или 0,00000045 унции на галлон). Но в мировом океане очень много воды: 300 миллионов кубических миль или около 350 миллионов триллионов галлонов (350 квинтиллионов галлонов, 1324 квинтиллиона литров). Таким образом, в любой момент времени океан содержит около 4 миллиардов тонн урана.
Однако концентрация урана в морской воде контролируется путём метастабильных, или псевдоравновесных, химических реакций между водой и горными породами Земли, находящимися как в океане, так и на суше. А в этих породах содержится 100 триллионов тонн урана. Таким образом, стоит извлечь из морской воды какое-то количество урана, как из горных пород выщелачивается такое же количество взамен, в результате чего концентрация урана остаётся прежней. Пройдёт миллиард лет, но и за этот огромный срок человечество не сможет добыть столько урана, чтобы его концентрация в морской воде уменьшилась, даже если наш род сумеет выжить и 100 % потребной нам энергии будут обеспечивать атомные электростанции.
Другими словами, морской уран практически бесконечно возобновляем. Так же, как и солнечная энергия. Да, уран, содержащийся в земной коре, строго говоря, когда-то закончится. Но когда-то исчезнет и Солнце: в конечном итоге оно сгорит. Однако это произойдёт не раньше, чем через 5 миллиардов лет. Примерно в это же время на Земле не будет даже ветра, ибо, когда Солнце станет превращаться в красный гигант, наша атмосфера испарится.
«Слово „возобновляемый“, — отмечает профессор Джейсон Донев (Jason Donev) из Университета Калгари (University of Calgary), — в буквальном смысле означает „опять становящийся новым“. Любой ресурс, который со временем естественным образом воспроизводится, например, ветер или рост биологических организмов для биомассы или биотоплива, безусловно, является возобновляемым. Возобновляемая энергия означает, что энергия, извлекаемая человечеством из природы, опять сама собой появляется. И в настоящее время уран как топливо полностью соответствует данному определению».
Так что, какое определение ни используй, солнечная, ветровая, водная и атомная энергия — всё это возобновимо. Пора бы обществу осознать данный факт и добавить атомную энергию в своё портфолио возобновляемых ресурсов.
Извлечение с помощью адсорбента
Адсорбирующий материал изготовлен из «плетеных волокон полиэтилена», покрытие которых состоит из химической амидоксимы. Амидоксима притягивает диоксид урана, который прилипает к волокнам. Затем ученые используют кислотную обработку для получения урана, который собирают в виде ионов уранила. Ионы уранила обрабатываются, прежде чем они смогут стать топливом для атомных электростанций.
В проекте задействованы химики, морские ученые, инженеры-химики и экономисты, а результаты исследований были опубликованы в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research за апрель. В журнале также представлены исследования со стороны китайских и японских ученых.
Филипп Бритт (Phillip Britt), директор отдела химических наук в Национальной лаборатории Ок-Ридж, сказал: «Чтобы атомная энергетика оставалась устойчивым источником энергии, должен быть доступен экономически жизнеспособный и безопасный источник ядерного топлива. Это достижение отражает значительные успехи, которые были сделаны исследователями по всему миру, чтобы океаны смогли обеспечить нам безопасное энергетическое будущее».
«Хотя процесс по-прежнему неэффективный и дорогой, но поиск альтернативы добыче урановых руд является необходимым шагом в планировании будущего ядерной энергетики», говорит Стивен Кунг, представитель министерства энергетики атомной энергии, который не принимал участия в этом проекте. «Наземные источники урана, как ожидается, будут доступны от 100 до 200 лет. Нам необходимо найти более долгосрочную альтернативу».
Итак, в цифрах:
Концентрация урана в морской воде – 3.3 микрограмм на литр. Общее количество урана, доступное в морской воде по всей Земле – 4 миллиарда тонн. Масса урана, извлеченного на килограмм впитывающего материала – 6 грамм. Время, необходимое для извлечения 6 граммов – 8 недель. Количество уранового топлива, необходимые для работы АЭС мощностью 1-гигаватт в течение одного года – 27 000 килограмм.
Китайские исследователи разработали новый метод, позволяющий извлекать уран из морской воды в два раза дешевле, чем предыдущие технологии. Так утверждается в статье, опубликованной в издании NewScientist.
В свою очередь, автор NewScientist подготовил свой материал на основе статьи группы университетских исследователей из Китая в журнале Nature Sustainability.
В мировом океане, по оценкам, содержится 4,5 миллиарда тонн урана, говорится в публикации NewScientist, но его концентрации чрезвычайно низки. Интерес к освоению столь богатых залежей высок, однако необходимо разработать экономически целесообразную технологию выделения урана.
В ряде предыдущих экспериментов уран извлекался из морской воды путём физического впитывания его искусственными губками или полимерным материалом. Другой популярный вариант – электрохимический метод улавливания урана, однако он считается дорогостоящим.
Шуанъин Ван из университета Хунань и его коллеги предлагают усовершенствованный электрохимический метод, оптимизированный по потреблению энергии.
“Мы показываем систему биполярного электрохимического извлечения урана (bipolar electrochemical uranium extraction, EUE), которая сочетает прямое катодное электровосстановление урана и непрямое электрохимическое восстановление урана на аноде”, – пишут китайские авторы в предисловии к статье в Nature Sustainability.
Предложенная китайцами система работает при сверхнизком напряжении всего 0,6 В и демонстрирует близкую к 100% селективность по урану для образцов с широким диапазоном концентраций урана от 1 до 100 частей на миллион.
На иллюстрации ниже показано сравнение обычного и биполярного электрохимических методов выделения урана из морской воды.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра
Как утверждается в обеих публикациях (в исходной статье и в обзорной статье в NewScientist), предложенный метод продемонстрировал высокую эффективность при относительно недорогих затратах.
Так, на образцах воды Восточно-Китайского моря была показана селективность, близкая к 100%. На образцах из Южно-Китайского моря селективность исходно была ниже – 85%, но после применения электродов больших размеров её удалось повысить почти до 100%.
Потребление энергии, заявленное китайскими специалистами, составляло 1944 кВт×ч для извлечения 1 килограмма урана. Себестоимость выделенного урана составила 83,2 доллара.
Для сравнения китайские авторы приводят данные по себестоимости урана, выделенного методами физической адсорбции (примерно 200 долларов за килограмм) и обычными электрохимическими методами (более 350 долларов за килограмм).
Однако до коммерциализации метода ещё далеко. На сегодняшний день у китайского университетского коллектива имеются только лабораторные установки, работающие с объёмами порядка сотен литров морской воды. Сложности, которые могут возникнуть при масштабировании технологии, сейчас предсказать трудно.
