Специалисты Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (штат Вашингтон) представили инновационную технологию извлечения урана из обычной морской воды. Предложенный новый метод предполагает использование акриловой пряжи, пропитанной специально созданным для этого сорбентом, которая погружается в океаническую среду на определенный период времени. По истечении этого срока из полимерного покрытия экстрагируется закись-окись U3O8 — соединение, являющееся основой для производства ядерного топлива. Согласно представленной схеме, процесс добычи урана с помощью пряжи является технически осуществимым; основной сложностью на данном этапе оставался поиск подходящего адсорбента, который был успешно решен в ходе исследования. Стоит отметить, что, по сведениям Всемирной ядерной ассоциации, содержание урана в океане в 500 раз превышает объем золота в земной коре. Основным препятствием для его извлечения является крайне низкая концентрация ионов урана, составляющая всего 3 мг на кубометр морской воды.

Если же научиться делать это, то учитывая размеры Мирового океана, человечеству в ходе масштабной разработки «жидких месторождений» станет доступно 4,5 миллиарда тонн урана. Этого количества хватит на 6,5 тысяч лет при условии сохранения текущего уровня потребления электроэнергии.

На прошлой неделе исследователи рассказали подробнее об открытом ими адсорбенте, который является непременным условием для добычи урана из океана. Им стал органический полимер, который обходится относительно дешево, плюс имеет способность связывать уранил-ионы.

Командой специалистов был проведен опыт, в ходе которого акриловую пряжу, предварительно вымоченную в полимере, опускали в морскую воду с имитацией слабого течения. За один месяц удалось собрать 5 грамм закись-окись U308. Немаловажно, что органический полимер оказался безопасным для обитателей океана, и это значит, что добыча урана не повлияет на состояние окружающей среды. Кроме того, другая группа ученых утверждает, что снижение уровня концентрации урана в Мировом океане не окажет негативного влияния на экосистему.

В качестве пряжи можно использовать любую акриловую ткань или просто одежду из second-hand. Ткань или пряжу можно использовать много раз, но требуется после каждого “погружения сети” выделять уран из полимера. После этого процесс можно повторить.

Справка:

На заре массового использования технологий получения электроэнергии из возобновляемых источников было принято приводить оценки запасов нефти, газа, угля, урана на нашей планете, выраженные в годах потребления в привязке к какому-то определенному году. Из всех этих полезных ископаемых только угля на Земле оказывалось много, что хватило бы на несколько сотен лет. Все остальные энергоносители должны были закончиться в течение ближайших нескольких десятилетий.

Это касалось и изведанных запасов урана. По разным оценкам, его хватило бы максимум на 70-90 лет использования если в качестве эталонных годов по потреблению урана брать 1990-е.

Однако всегда подчеркивалось, что в Мировом океане содержится огромное количество урана, на порядки превышающее разведанные материковые месторождения. Главная проблема – это низкое содержание этого элемента в морской воде. Из-за этого его добыча из морской воды длительное время считалась экономически невыгодной. Однако, новый способ добычи урана из морской воды, предложенный учеными Стэнфордского университета, может сделать воды Мирового океана неиссякаемым источником ядерного топлива для нашей цивилизации.

В воде морей и океанов уран содержится в виде положительных уранил-ионов. Общая масса содержащегося в океанической среде урана оценивается в 4.5 млрд тонн. Такого количества урана, будь он извлеченным из морской воды, хватило бы для непрерывной работы всех существующих АЭС планеты в течение 6000 лет. Звучит все это здорово, но добыть уран из соленых вод океанов и морей не так просто.

Концентрация урана в морской воде настолько низка, что ее можно сравнить с растворенной в литре воды крупинкой соли (3 части на один миллиард). Но в океанах содержится столько воды, что если наладить добычу всех этих крупинок, то мы получим практически неиссякаемый источник урана.

Обычно для добычи уранила из морской воды используются пластиковые волокна, покрытые органическим соединением амидоксимом (amidoxime). Ионы уранила осаждаются на амидоксимовой поверхности волокон, и в дальнейшем могут быть извлечены и переработаны в ядерное топливо. Сегодня задача состоит в том, чтобы понять, как быстро ионы могут быть захвачены амидоксимом, сколько их осаждается на единицу поверхности, и как часто такие волокна могут использоваться повторно.

Стэнфордской команде исследователей с помощью проводящих гибридных карбоново-амидоксимовых волокон удалось продвинуться по всем этим трем показателям. Посылая вдоль волокон электрические импульсы, им удалось осаждать до девяти раз большее количество уранила, чем ранее. В течение 11-часового эксперимента в Half Moon Bay, ученым удалось абсорбировать в три раза большее количество урана, при этом время использования волокон с амидоксимом увеличилось в три раза.

В 2012 году другой команде исследователей из Японии, занимающейся этой же проблемой, удалось оценить стоимость добычи одного килограмма урана по традиционной технологии. Тогда фигурировало число в 300 долларов за килограмм. Это было в три раза больше “рыночной” цены урана в то время, и, разумеется, ни о каком коммерческом использовании такой технологии тогда речь не шла.

Но сейчас цена получения урана из морской воды по технологии, разработанной в Стэнфорде, составляет уже около 150 долларов за килограмм урана. Так что, все еще может измениться.

“У нас еще очень много работы, но мы уже четко знаем, куда идти, чтобы внедрить нашу технологию в жизнь,” – отметила соавтор работы, Li Cui. “В нашем веке, какие-то каналы получения электроэнергии из различных источников могут быть либо исключены, либо наоборот, вернуться в употребление (речь идет о закрытии “грязных” угольных ТЭС в развитых странах и неопределенности развития атомной энергетики)… Я верю, что электроэнергия, полученная на АЭС, будет частью этой смеси.”

Для любознательных: Добыча урана из океана: станет ли морская вода топливом будущего и что создают в России

Мировые запасы урана на суше ограничены. По прогнозам МАГАТЭ, при текущих темпах потребления разведанных месторождений хватит примерно на 90–100 лет. Однако планета обладает колоссальным альтернативным резервом: в водах Мирового океана растворено около 4,5 миллиардов тонн урана. Это в 500 раз больше, чем во всех земных рудниках вместе взятых. Океанского урана человечеству хватило бы на тысячи лет безуглеродной энергетики.

Главная проблема — его концентрация. Она ничтожно мала: всего 3,3 микрограмма на литр воды. Найти способ эффективного «вылавливания» этих крох — один из главных вызовов современной ядерной химии. Самым перспективным решением сегодня признана технология сорбции с помощью модифицированных акриловых волокон.

Как акриловое волокно «ловит» уран

Обычный акрил, из которого делают одежду, уран не притянет. Чтобы превратить его в промышленный сорбент, ученые химически модифицируют волокно, прививая к нему амидоксимные группы.

Процесс работает следующим образом:

• Создание матрицы. В качестве основы берется дешевое полиакрилонитрильное (акриловое) волокно. Оно обладает огромной площадью поверхности и высокой прочностью.
• Химическая модификация. Волокно обрабатывают так, чтобы на его поверхности появились молекулы амидоксима. Данное вещество обладает уникальным свойством: оно «игнорирует» преобладающие в воде соли (натрий, кальций) и избирательно связывается с ионами урана.
• Сбор урожая. Тканевые маты или канаты из такого волокна погружают в морскую воду на несколько недель. Диффузия и морские течения обеспечивают постоянный приток новых объемов воды.
• Десорбция. Насыщенные сорбенты поднимают и промывают кислотой. Кислота смывает уран, превращая его в концентрированный раствор, готовый к дальнейшему обогащению. А сами волокна отправляются обратно в океан.

Перспективы метода: реальность или утопия?

Технология полностью работоспособна — это доказали эксперименты ученых из США, Японии и Китая. С помощью акриловых нитей исследователям удавалось получать килограммы «морского» урана. Но говорить о коммерческом успехе пока рано из-за трех ключевых барьеров:

• Высокая стоимость. Себестоимость добычи урана из океана сегодня колеблется в районе 200–400 долларов за килограмм. Рыночная цена традиционного урана на суше сейчас значительно ниже. Пока наземные рудники не истощатся, океанская добыча экономически неконкурентоспособна.
• Медленная кинетика. Чтобы сорбент накопил достаточное количество урана, требуются недели. Кроме того, волокна постепенно забиваются морской микрофлорой (биообрастание), что снижает их эффективность.
• Масштабы инфраструктуры. Чтобы обеспечить топливом одну крупную АЭС, потребуются миллионы квадратных метров акриловых сетей. Это создает логистические трудности и потенциальные риски для судоходства.

Тем не менее, метод рассматривается мировым сообществом как стратегическая «подушка безопасности», гарантирующая энергетическую независимость.

Что разрабатывают в России?

Россия, будучи одним из мировых лидеров в сфере атомных технологий (благодаря госкорпорации «Росатом»), активно развивает проекты по извлечению ценных металлов из водных растворов. Российские ученые идут по пути улучшения классической амидоксимной технологии и поиска альтернативных материалов.

1. Радиационно-прививочная полимеризация
Специалисты из ведущих химических институтов (включая институты РАН и профильные вузы) усовершенствовали метод создания сорбентов. Вместо сложной химической обработки акрилового волокна применяется метод радиационной прививки. Обычный полимер облучают быстрыми электронами или гамма-квантами, что создает на нем активные центры, к которым затем легко «приживляются» нужные функциональные группы. Это делает производство волокна более дешевым, быстрым и экологически чистым.

2. Суперсорбенты на основе углеродных материалов
Российская наука активно экспериментирует не только с акрилом, но и с углеродными наноструктурами. Исследователи разрабатывают гибридные материалы, где амидоксимные группы наносятся на углеродные волокна или тканевые матрицы из графита. Такие материалы прочнее акрила, выдерживают большее количество циклов промывки кислотой и обладают повышенной емкостью к урану.

3. Попутная добыча и переработка рассолов
Российский подход часто отличается практичностью: вместо создания гигантских ферм в открытом океане рассматривается концепция попутного извлечения. Модифицированные волокна и сорбенты предлагается использовать на технологических линиях опреснительных заводов или при очистке промышленных стоков. Морская вода там уже прокачивается насосами, что снимает проблему зависимости от естественных морских течений и снижает капитальные затраты.

Заключение

Источники: https://batareyki.net/, https://habr.com/