Kho báu 4 tỷ tấn ở biển khiến Mỹ-Trung-Nhật khao khát: Điên cuồng tìm cách 'vớt lên'

Như đã trình bày ởbài trước, Mỹ - Trung Quốc - Nhật Bảnđang chạy đua để trở thành quốc gia đầu tiên sản xuất năng lượng hạt nhân tái tạo - nguồn năng lượng cực kỳ hứu dụng cho tương lai.

Với việc phát hiện đại dương toàn cầu chứa4 tỷ tấn uranium, 'tam cường' xác định uranium - nhiên liệu phổ biến nhất của các nhà máy điện hạt nhân - là nguồn năng lượng có thể tái tạo, giống như năng lượng Mặt Trời, gió, thủy điện.

Bài toán đặt ra là: Một tấn nước biển chỉ chứa 3,3 mg uranium! Để sản xuất đủ lượng uranium tiêu thụ hàng năm trên thế giới, người ta sẽ phải chiết xuất lượng uranium trong 2x10 mũ 13 tấn nước biển - khối lượng tương đương với toàn bộ nước Biển Bắc (thuộc vùng biển ở đông bắc Đại Tây Dương).

Câu hỏi đặt ra dành cho các nhà khoa học 3 quốc gia này: Làm thế nào để chiết xuấturanium trong nước biển dễ dàng, kinh tế (rẻ) và hiệu quả hơn so với khai thác uranium từ quặng trên đất liền? Bởi, lượng uranium ở nước biển là 4 tỷ tấn - nhiều gấp 1.000 lần lượng uranium trên cạn.

Lợi thế của 4 tỷ tấn uranium ở biển đó là có thể cung cấp nhiên liệu cho hàng nghìn nhà máy điện hạt nhân công suất 1.000 Megawatt trong 100.000 năm! Quá khủng khiếp, quá dồi dào để theo đuổi.

Hãy xem các nhà khoa học 3 nước này làm việc 'điên cuồng' để tạo ra các màng, lọc uranium từ biển như thế nào trong các năm qua.

Trung Quốc đã cho tiến hành thử nghiệm chiết xuất uranium từ nước biển ngay từ những năm 1970.

Mới đây nhất, vào ngày 7/12/2021, Tân Hoa Xã đưa tin, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Hóa học Kỹ thuật, trực thuộc Viện Khoa học Trung Quốc, đã phát triển một loại vật liệu mới được lấy cảm hứng từ tính chất fractal (phân dạng) của các mạch máu có thể hấp thụ lượng uranium từ nước biển nhiều hơn 20 lần so với các phương pháp tiếp cận trước đây.

Các thí nghiệm trước đây đã phát hiện ra rằng các tấm sợi nhựa acrylic có thể chiết xuất một lượng nhỏ uranium từ nước biển, nhưng vì uranium được hòa tan trong nước biển với nồng độ rất thấp, chỉ khoảng 3 phần tỷ (3 microgam/lít) nên rất khó để tinh chế, trong khi chi phí lại rất đắt đỏ.

Nhà nghiên cứu Linsen Yang tại Viện Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra một màng polyme có các rãnh nhỏ phân nhánh thành các đường nhỏ hơn chỉ với chiều ngang 300 đến 500 nanomet - bắt chước cách mà mạch máu chia đôi thành các đoạn nhỏ hơn bao giờ hết bên trong các cơ quan của động vật có vú và tứ chi.Màng polyme được ngâm tẩm với một hợp chất gọi là amidoxime có khả năng liên kết với các ion uranium.

Nguyên lý làm việc của màng polyme dùng để hấp phụ uranium (minh họa màu vàng). Ảnh: Viện Vật lý và Hóa học Kỹ thuật Trung Quốc

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã đưa nước biển chứa uranium qua màng polyme và sử dụng quang phổ quang điện tử tia X để phát hiện xem nguyên tố uranium có bị 'bắt giữ' hay không.Họ phát hiện ra rằng màng polyme này hấp thụ uranium nhiều gấp 20 lần so với các vật liệu được phát triển trước đó.

Điều quan trọng là, vật liệu sau khi bắt giữ uranium cũng có thể được làm sạch bằng axit clohydric, chất này chiết xuất 98% uranium và được tái sử dụng nhiều lần.Điều này sẽ cho phép màng polyme mới này được sử dụng trong thời gian dài và giảm chi phí khai thác uranium từ nước biển hơn nữa.

Nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc tin rằng, với vật liệu lọc uranium từ nước biển mới này, họ sẽ sớm có được nguồn nhiên liệu hạt nhân dồi dào, phục vụ cho các nhà máy điện hạt nhân đồng thời đáp ứng được nhu cầu hiện tại của con người.

Tiến sĩ Reid Peterson tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương ở Richland, Washington, Mỹ cho biết thách thức lớn nhất khi 'thu hoạch' uranium từ các đại dương là nồng độ của nó quá thấp (3 microgam/lít) nên gây ra thách thức lớn về mặt kinh tế.

Tuy nhiên, đứng trước thách thức từ Trung Quốc, Nhật Bản, các nhà khoa học Mỹ cũng phải 'điên cuồng' làm việc để không bị thụt lùi trong cuộc đuarở thành quốc gia đầu tiên sản xuất năng lượng hạt nhân tái tạo.

Ngay từ năm 2018, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộcBộ Năng lượng Mỹ và Công nghệ Siêu tới hạn LCW (Mỹ) đã tạo ra 5 gram Yellowcake - một dạng uranium dạng bột được sử dụng để sản xuất nhiên liệu cho sản xuất điện hạt nhân - bằng cách sử dụng sợi acrylic để chiết xuất uranium từ nước biển, website của PNNL thông tin.

5 gram bánh vàng đầu tiên này được sản xuất từ ​​uranium lấy từ nước biển với sợi biến tính. Ảnh: Công nghệ siêu tới hạn LCW (Mỹ).

Gary Gill, nhà nghiên cứu tại PNNL đã gọi uranium lànhiên liệu hạt nhân hấp dẫn nhất thế giới và nó có nguồn gốc từ đại dương - nguồn uranium lớn nhất trên Trái Đất.

Chien Wai, chủ tịch LCW cho biết: “Chúng tôi đã biến đổi hóa học sợi thông thường, rẻ tiền, để biến nó thành chất hấp phụ chọn lọc uranium, hiệu quả và có thể tái sử dụng”.

Chen Wai là cựu giáo sư Đại học Idaho (Mỹ). Cùng với đồng nghiệp, ông đã tìm ra một phương pháp mới để hấp phụ uranium từ nước biển vào một phân tử hoặc phối tử liên kết hóa học với sợi acrylic.Kết quả là vật liệu hấp phụ polyme trông có dạng gợn sóng có thể được triển khai trong môi trường biển, bền và có thể tái sử dụng.

Theo Chen Wai, vật liệu hấp phụ không đắt.Trên thực tế, ông cho biết, ngay cả sợi phế thải cũng có thể được sử dụng để tạo ra sợi polyme.Các đặc tính hấp phụ của vật liệu là có thể đảo ngược, và uranium bị thu giữ dễ dàng được giải phóng để chế biến thành bánh vàng.Một phân tích về công nghệ cho thấy rằng nó có thể cạnh tranh với chi phí của uranium được sản xuất thông qua khai thác trên đất liền.

Các nhà nghiên cứu của PNNL đã tiến hành ba thử nghiệm riêng biệt về tính năng của chất hấp phụ cho đến nay bằng cách cho nó tiếp xúc với một lượng lớn nước biển từ Vịnh Sequim (bang Washington, Mỹ) bên cạnh Phòng thí nghiệm Khoa học Biển của nó.Nước được bơm vào một bồn chứa có kích thước bằng một bồn nước nóng lớn.

Vật liệu hấp phụ polyme trong bồn chứa. Vật liệu này được thiết kế để thu giữ uranium từ nước biển như một giải pháp thay thế cho việc khai thác uranium trên đất liền làm nhiên liệu cho sản xuất điện hạt nhân được thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Khoa học Biển của PNNL. Ảnh: PNNL

Ông Chen Gill cho biết: "Đối với mỗi lần thử nghiệm, chúng tôi đặt khoảng 1kg vật liệu hấp phụ polyme vào bể trong khoảng một tháng và bơm nước biển qua nhanh để bắt chước các điều kiện ngoài biển khơi. LCW sau đó chiết xuất uranium từ chất hấp phụ. Từ 3 lần thử nghiệm đầu tiên này, chúng tôi thu được khoảng 5 gram uranium. Nghe có vẻ không nhiều, nhưng số lượng thực sự có thể tăng lên".

Hiện tại, dựa trên thử nghiệm nhân rộng thành công ở Vịnh Sequim và sản lượng bánh vàng đáng kể, LCW đang xin tài trợ thêm cho một cuộc thử nghiệm khai thác uranium từ nước biển khác, do PNNL dẫn đầu, ở Vịnh Mexico, nơi có nhiều nước ấm hơn.

Theo các nhà nghiên cữu, vật liệuhấp phụ polyme này hoạt động tốt hơn nhiều trong môi trường nước ấm hơn và tỷ lệ khai thác ở vùng Vịnh Mexico dự kiến ​​sẽ cao hơn từ 3 đến 5 lần, do đó, việc thu được uranium từ nước biển trở nên kinh tế hơn.

Trong bản báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử (IAEA), Nhật Bản là một trong số ít quốc gia có cam kết khai thác uranium từ nước biển và duy trì cho đến nay những nỗ lực nghiên cứu lớn nhất của mình.

Việc chiết xuất uranium từ nước biển được nghiên cứu đầu tiên bởi Tổng công ty Thuốc lá và Muối củaNhật Bản năm 1960. Sau đó, nhiều trường đại học và học viện đã thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Năm 1974, Chính phủ Nhật Bản bắt đầu chương trình nghiên cứu chiết xuất uranium từ nước biển.

Các nghiên cứu gần đây doCơ quan năng lượng nguyên tử Nhật Bản(JAEA) thực hiện. JAEA đã chuẩn bị một chất hấp phụ gốc amidoxime dạng sợi được chiếu xạ trước để khai thác uranium từ nước biển.

Vật liệu hấp phụ uranium có độ bền cơ học cao đã được tổng hợp thành công. Chất hấp phụ uranium này đã được thử nghiệm ở vùng biển Aomori và Okinawa, Nhật Bản. Tại Aomori, người ta thu được 1 kg uranium ở dạng bánh màu vàng bằng cách ngâm vật liệu hấp phụ xuống biển.

Vật liệu hấp phụ tại Nhật Bản được thiết kế theo dạng bím tóc. Các sợipolyetylen được xử lý bằng quá trình bức xạ để tạo ra vật liệu hấp phụ bện, dài đến 60 mét.

Các chất hấp phụ bện được neo vào đáy biển với một thiết bị điều khiển từ xa và chúng đứng / lơ lửng trong dòng hải lưu. Trong thiết kế mới này, lượng uranium được chiết xuất từ biển đã tăng lên. Cụ thể đạt 1,5 gram uranium/1 kg vật liệu hấp phụ - Nhiều hơn so với phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ dạng ngăn xếp (chỉ đạt 0,5 gram uranium/1kg vật liệu).

Theo các nhà khoa học Nhật Bản, nếu ngâm vật liệu hấp phụ ở nơi có dòng hải lưu lớn thì một kg chất hấp phụ, sau một tháng ngâm nước, sẽ thu được khoảng 2 gram uranium.

Tuy nhiên, thách thức đặt ra là việc lắp đặt vật liệu hấp phụ rất tốn kém. Để thu được lượng uranium nhất định, buộ phải lắp đặt trên vùng biển rộng hơn 1000 km vuông với rất nhiều tàu thuyền để vận chuyển và bảo dưỡng. Chưa hết, việc quản lý sinh thái của hệ thống lắp đặt khổng lồ này sẽ đặt ra những thách thức đáng kể.

Các nhà khoa học Nhật Bản đang tiếp tục cố gắng để tăng hiệu quả của các chất hấp phụ này nhằm thu được lượng uranium từ nước biển với chi phí hợp lý hơn.