Китай создал материал для извлечения урана из морской воды с рекордной ёмкостью

До промышленной технологии добычи урана из океана ещё далеко. Однако новый результат показывает, что одна из главных проблем такого подхода — крайне низкая концентрация урана в морской воде — постепенно решается на уровне материаловедения.

Урана много, но он сильно разбавлен

Мировой океан содержит, по оценкам, около 4,5 млрд тонн урана — значительно больше, чем разведанные запасы этого элемента на суше. Но извлечь его крайне сложно: концентрация составляет всего около 3,3 мг на тонну морской воды.

При этом уран находится в форме уранильных комплексов, а вместе с ним в воде присутствует множество других элементов. Один из главных конкурентов — ванадий, который способен связываться с теми же активными центрами сорбента.

Именно на селективности сосредоточились исследователи из Института биоэнергетики и биотехнологических процессов Циндао Китайской академии наук.

Разработанный ими PhosCage представляет собой пористый материал с фосфатными группами, которые служат химическими центрами связывания урана. По данным команды, структура материала обеспечивает большую площадь поверхности, а фосфатные группы способствуют избирательному захвату уранила.

В испытаниях с натуральной морской водой материал достиг сорбционной ёмкости 50,4 мг/г. Для сравнения, этот показатель оказался в 8,4 раза выше базового ориентира, используемого специалистами Министерства энергетики США.

Важно, однако, что это не означает извлечение урана в восемь раз быстрее. Сравнивается прежде всего количество урана, которое способен связать грамм адсорбента. Скорость извлечения, энергоёмкость и экономическая эффективность промышленного процесса — совершенно другие параметры.

Гранулы вместо лабораторного порошка

Исследователи пошли дальше экспериментов с исходным материалом и сформировали PhosCage в миллиметровые гранулы. Такой формат потенциально удобнее для реального процесса, поскольку сорбент можно отделять от воды и затем регенерировать.

После семи циклов регенерации гранулы сохраняли способность извлекать уран, хотя их сорбционная ёмкость снизилась до 22,55 мг/г.

Именно здесь начинается самая сложная часть пути к промышленной технологии. В лаборатории материал работает в контролируемых условиях, тогда как в океане ему придётся сталкиваться с течениями, волнами, биологическим обрастанием и огромными объёмами воды. Кроме того, необходимо организовать сбор сорбента, его регенерацию и последующее выделение урана.

Каждый из этих этапов добавляет стоимость и может существенно изменить экономику процесса.

Китай ищет дополнительный источник урана

Для Китая задача имеет стратегическое значение. По приведённым данным, в 2024 году страна добыла около 1600 тонн урана при потребности атомных реакторов примерно в 13 тыс. тонн.

Поэтому морская вода выглядит практически неисчерпаемым потенциальным ресурсом. Если удастся создать недорогой сорбент с высокой селективностью и многократной регенерацией, технология сможет в перспективе снизить зависимость от традиционных источников и импорта уранового сырья.

При этом PhosCage — не первый китайский подход к решению задачи. Ранее исследователи разработали самодвижущийся материал на основе металлоорганических каркасов, который, по данным авторов, продемонстрировал сорбционную ёмкость до 406 мг урана на грамм материала.

На этом фоне возникает главный вопрос: что важнее для морской добычи урана — рекордная ёмкость сорбента или стоимость полного цикла извлечения?

Пока ответ скорее в пользу второго. Даже очень эффективный материал не станет промышленной технологией, если его производство, размещение в морской среде, регенерация и выделение урана окажутся дороже самого получаемого сырья.

Тем не менее гонка за сорбентом продолжается. И Китай явно рассчитывает, что решение проблемы уранового дефицита можно искать не только в недрах Земли, но и в самом океане.