Уран — основное топливо ядерных реакторов. Но его наземные запасы ограничены и распределены неравномерно. Китай, несмотря на амбициозные планы по строительству атомных электростанций, импортирует большую часть урана. Это делает страну зависимой от внешних поставок.

В середине XX века ученые выяснили, что Мировой океан содержит колоссальные запасы урана — почти 4,5 миллиардов тонн. Проблема в концентрации: на литр морской воды приходится всего 3 микрограмма элемента.

В 1990-х годах Японское агентство по атомной энергии смогло извлечь килограмм урана из океана с помощью физической адсорбции, установив тем самым важный ориентир для будущих исследований. Но метод оказался дорогим и медленным — стоимость достигала 205 американских долларов за килограмм. Другие подходы, включая электрохимические, сокращали время, но увеличивали расходы до 360 долларов.

В 2019 году китайские государственные и научные организации объединились, чтобы создать Альянс по инновациям в технологии извлечения урана из морской воды, с целью построить демонстрационный завод к 2035 году и начать промышленное производство к 2050 году. Это часть стратегии по обеспечению энергетической независимости. 

Химики нашли способ сделать добычу лития-6 для термоядерного топлива более экологичной

Чтобы выполнить энергетический план к 2050 году и снизить зависимость от внешних поставок урана, китайские ученые разрабатывают дешевые способы его добычи из морской воды. 

Недавно химики из Хэнаньского университета под руководством Шуанйина Вана (Shuangyin Wang) разработала электрохимический метод, который вдвое дешевле физической адсорбции и требует в тысячу раз меньше энергии, чем предыдущие электрохимические системы.

Секрет — в конструкции устройства. Обычные системы собирают уран только на положительном электроде. Китайские ученые использовали два медных электрода (положительный и отрицательный), которые работают одновременно. В соленом растворе, имитирующем морскую воду, система извлекла 100% урана за 40 минут. Для сравнения: традиционные адсорбционные методы захватывают менее 10%.

Тесты с реальной морской водой дали впечатляющие результаты. Так во время эксперимента с водой из Восточно-Китайского моря химикам удалось извлечь 100% урана. С водой из Южно-Китайского моря — 85%, но при увеличении размера электродов эффективность достигла 100%.

Эксперименты также показали, что потребление энергии было более чем в 1000 раз ниже, чем у других электрохимических методов. Весь процесс стоил около 83 долларов США за килограмм извлеченного урана. Это вдвое дешевле методов физической адсорбции, которые стоят 205 долларов за килограмм, и в четыре раза дешевле предыдущих электрохимических методов, стоимость которых составляет 360 долларов за килограмм.

Китайские химики сперва тестировали свою технологию на маленьких объемах воды. Затем они проверили, как метод работает с 100 литрами. Чем больше объем, тем сложнее сохранить эффективность, но у ученых получилось. Даже когда система обрабатывала 100 литров морской воды, она смогла «поймать» 90% урана из нее — это очень хороший результат. 

Система работала без остановки больше двух суток (58 часов). Важно, что даже после такого длительного времени она не сломалась и не стала хуже собирать уран. Это доказывает, что технология стабильна и готова к долгой эксплуатации.

Металлы сжали в листы толщиной всего в несколько атомов

В настоящее время Китай лидирует по строительству новых атомных электростанций. По данным Международного энергетического агентства, к 2030 году страна обгонит США и ЕС по общей мощности АЭС. Однако китайская ядерная промышленность также импортирует большую часть урана. Поэтому любой уран, который можно экономически извлечь из морской воды, будет более чем приветствоваться.

Новая технология не решит проблему мгновенно — для промышленного внедрения потребуются годы. Но она открывает путь к практически неисчерпаемому источнику урана. Если Китай реализует планы, мировой рынок атомной энергетики ждут радикальные перемены. А вместе с ними — новая геополитическая карта, где океан станет ареной борьбы за энергоресурсы.

Научная работа с описание технологии опубликована в журнале Nature Sustainability.