Океан возможностей: станет ли морская вода неисчерпаемым месторождением урана

Китайские ученые разработали новый метод извлечения урана из морской воды — ​в четыре раза дешевле и на три порядка эффективнее более ранних технологий.

В КНР новость встретили с энтузиазмом: страна остро нуждается в сырье для стремительно развивающейся атомной промышленности. Мы попросили экспертов оценить перспективы заявленного технологического прорыва.

Мировой океан содержит колоссальное количество урана — ​около 4,5 млрд т, что в тысячу раз превышает запасы всех известных месторождений на суше. Однако до промышленной добычи еще очень далеко: концентрация урана в морской воде — ​всего 3,3 микрограмма на килограмм. Ученые методично ищут рентабельную технологию извлечения (см. «Экспериментальные разработки»). Наиболее перспективным считается старый добрый электролиз: катод и анод при подаче тока стимулируют электрохимическую реакцию, в результате которой к аноду притягиваются ионы урана. Но метод этот дорог и энергозатратен.

В мае научная группа Университета Хунань представила усовершенствованную электрохимическую технологию. В ней уран притягивают и анод, и катод. В эксперименте из модельного соленого раствора 100 % ионов урана было собрано за 40 минут (объем раствора не указан). При этом на электролиз потребовалось в 1 тыс. раз меньше энергии, чем в других электрохимических подходах. Ученые подсчитали стоимость извлечения килограмма урана — ​около 83 долларов (в опытах их коллег в Университете Ланьчжоу было 360 долларов), и это определенно заявка на технологический прорыв.

«Многократное увеличение эффективности электролиза при таком значительном сокращении энергопотребления, конечно, нуждается в независимой проверке, — ​комментирует ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. Фрумкина РАН Алексей Сафонов. — ​Но подход может быть интересным. Во всяком случае, на первый взгляд».

Профессор кафедры общей и неорганической химии Российского химико-­технологического университета им. Менделеева Виталий Кузнецов настроен более критично: «Все эксперименты и оценка стоимости сделаны с использованием модельных соленых растворов, а не морской воды. Содержание урана в растворах составляло 20 ppm (20 частей урана на миллион частей воды. — ​«СР»). Это в 6 тыс. раз больше, чем в реальной воде из океана».

Виталий Кузнецов отмечает, что авторы исследования проигнорировали целый ряд физических и химических эффектов, которые неизбежно возникнут на производстве. «Согласно поляризационным кривым, представленным исследователями, при подаче на электроды напряжения меньше 0,24 В на катоде в основном будет выделяться водород. При восстановлении уранил-ионов (комплексные ионы урана, где атом урана связан с двумя атомами кислорода. — ​«СР») из-за низкой концентрации соединений урана в растворе неизбежно возникнут диффузионные ограничения. То есть основное количество энергии пойдет на выделение не урана, а водорода. Учитывая, что в реальной морской воде содержание урана меньше, едва ли можно согласиться с утверждением, что процесс экономически привлекателен», — ​делает вывод эксперт.

В публикации также не указан рН раствора (лат. рondus Hydrogenii, вес водорода — ​мера кислотности водных растворов. — ​«СР»), продолжает Виталий Кузнецов. Если эксперимент проводить на реальной морской воде, то в ходе электрохимического процесса рН прикатодного слоя будет возрастать, что приведет к образованию гидроксидов катионов различных металлов. Кроме того, в морской воде содержится порядка 0,11 мкг/л кадмия, который неизбежно осядет на катоде. Как отделить эти металлы и их гидроксиды от урановых соединений, неизвестно.

«К анодному процессу вопросы те же. Кроме того, согласно дополнению к публикации, на аноде уран соосаждается вместе с медью, и пока не вполне понятно, каким образом будет проведено разделение. В связи с этим конкурентоспособность технологии вызывает сомнения», — ​заключает Виталий Кузнецов.

Тем не менее в КНР планируют внедрить ее в ближайшее время. Созданный в 2019 году Альянс инноваций в области технологий извлечения урана из морской воды намерен построить демонстрационный завод к 2035 году и выйти на промышленное производство к 2050‑му.

«Подобные технологии были бы интересны и России, — ​говорит Алексей Сафонов. — ​У нас на Алтае есть соленые озера, где содержание урана существенно выше, чем в Мировом океане. Высокое содержание щелочи в озерной воде позволяет естественным способом выщелачивать уран из породы. И таких озер довольно много. Насколько мне известно, разработки в этом направлении ведутся в Дальневосточном федеральном университете».

Экспериментальные разработки

В 2019 году в Университете Ланьчжоу (КНР) нашли способ разделить содержащиеся в морской воде ионы урана и других тяжелых металлов, в частности ванадия (ионы урана, растворенные в воде, химически схожи с ионами ванадия). Исследователи взяли перспективный класс металлоорганических каркасов на основе цинка и разработали губчатый материал, который меняет размер пор под действием ультрафиолета и видимого света. Ночью поры расширяются, ионы урана и ванадия проникают внутрь, днем поры сужаются, выталкивая ионы ванадия. За четыре недели губка адсорбировала более 9 миллиграмм урана на грамм материала.

В 2021 году команда Университета Китайской академии наук использовала для процеживания морской воды новый полимер с иерархичной структурой, подсказанной геометрией кровеносных сосудов. За те же четыре недели было собрано около 8,85 миллиграмма урана на грамм материала.

В 2023 году в Северо-Восточном педагогическом университете в Чанчуне (КНР) применили анод из углеволокна, покрытого особым полимером — ​пористым ароматическим каркасом. В его микроскопических неровностях и углублениях под воздействием слабого электрического тока ионы урана накапливаются и превращаются в нерастворимые соединения. За 24 дня испытаний в заливе Бохайвань в Желтом море было извлечено 12,6 миллиграмма урана на грамм материала.