Uran z wody morskiej dla energetyki jądrowej

fot. Zxctypo/CC/WikimediaCommons

Oceany zawierają ponad 4 miliardy ton uranu. Przy wykorzystaniu go jako surowca da produkcji paliwa jądrowego jest to dość, by zaspokoić potrzeby energetyczne całego świata. Jedyny warunek – to opanowanie opłacalnego procesu ekstrakcji uranu z wody morskiej. A ubiegły rok 2016 przyniósł nam ogromny postęp w technice wydobywania uranu z wody morskiej.

Zasoby uranu w złożach lądowych

Chociaż przeciwnicy energetyki jądrowej od dziesiątków lat twierdzą, że uranu wkrótce zabraknie, kolejne raporty OECD co dwa lata rozpraszają te obawy. Najnowszy raport, który ukazał się w listopadzie 2016, kolejny raz potwierdził, że zasobu uranu są obfite, większe niż innych metali lub paliw i wystarczą dla energetyki jądrowej przez ponad 240 lat [1]. Rozpoznane zasoby uranu możliwe do wydobycia po koszcie poniżej 260 USD/kg U wynoszą obecnie 7,64 mln ton uranu. W kategorii zasobów, które można wydobyć po kosztach poniżej 80 USD/kg U występuje około 2,13 mln tU.

W kategorii zasobów pewnych, największe złoża rudy uranowej występują w Australii, a dalej w kolejności idą Kanada, Kazachstan, Namibia, Rosja, Republika Południowej Afryki, Brazylia  i inne kraje. Rozkład geograficzny złóż rudy uranowej jest inny niż rozkład zasobów ropy naftowej lub gazu ziemnego, a dzięki przynależności mających uran krajów do strefy wolnego handlu nie ma niebezpieczeństwa, że któryś z nich zechce wykorzystać uran jako broń strategiczną pozwalającą narzucać swe zdanie innym krajom.

Niewyczerpalne zasoby uranu w wodzie morskiej

Chociaż prognozy ekspertów wskazują, że uranu ze złóż lądowych starczy na długo, w sporach o  przyszłość energetyki jądrowej wciąż powraca zarzut, że uranu zabraknie [2]. Dlatego obok poszukiwań złóż uranu na lądzie, już od połowy XX wieku prowadzono prace zmierzające do opracowania technologii, która umożliwiłaby uzyskanie uranu z wody morskiej.

Stężenie uranu rozpuszczonego w wodzie morskiej jest bardzo niskie, zaledwie około 3 miligramy na tonę, podczas gdy najbogatsze rudy uranowe (Kanada) zawierają 200 kg uranu na tonę. Ale wody w oceanie jest dużo - 1250 milionów km sześciennych. W sumie w wodzie morskiej rozpuszczone są 4 miliardy ton uranu.

Co więcej, stężenie uranu w wodzie jest regulowane przez reakcje chemiczne w stanie niemal równowagi pomiędzy wodą a skałami w skorupie ziemskiej, a skały te zwierają 100 000 miliardów ton uranu. Gdy część uranu zostanie usunięta z wody morskiej, dalsze ilości uranu są wymyte przez wodę morską ze skał. Proces ten zapewnia utrzymanie koncentracji uranu w wodzie morskiej na stałym poziomie. Ludzie nie mogliby wydobyć tak dużo uranu z wody morskiej, by jego stężenie w wodzie zmalało, nawet gdyby energia jądrowa zaspakajała 100% potrzeb energetycznych ludzkości przez miliard lat [3]. Innymi słowy uran w wodzie morskiej jest w pełni odnawialny. Tak odnawialny jak promieniowanie słoneczne.

Sukces badań nad ekstrakcją uranu z wody morskiej

Poszukiwania metod wydobycia uranu z wody morskiej prowadzono od lat 50. do 80. w Niemczech, we Włoszech, w Wielkiej Brytanii i w USA. W latach 90. podjęli prace naukowcy z Japońskiej Agencji Energii Atomowej (JAEA) a w 2011 r. Departament Energii USA zainicjował multidyscyplinarny program mający doprowadzić do ekonomicznie opłacalnego wydobywania uranu z wody morskiej. Głównym celem było opracowanie i sprawdzenie nowej generacji adsorbentów, które wykazują większą zdolność wiązania uranu, większą szybkość tego procesu i mniejszą degradację przy wielu cyklach użycia ich w wodzie morskiej. W ciągu 5 lat zespół tych naukowców opracował nowe adsorbenty, które pozwoliły na znaczne obniżenie kosztów ekstrakcji uranu z wody morskiej.

Ta zbiorowa praca doprowadziła do stworzenia warkoczy włókien polietylenowych o średnicy około 15 cm i długości wielu metrów, zawierających związek chemiczny zwany amidoksymem, który przyciąga uran. Po kilku tygodniach zanurzenia w wodzie morskiej włókna nasycone tlenkiem uranu są zdalnie kierowane na powierzchnię i zbierane. Obróbka kwasowa powoduje desorpcję - to jest uwolnienie jonów uranylu - i regeneruje adsorbent tak, że warkocze można wykorzystywać wiele razy. Skoncentrowane związki uranylu można wzbogacać, a po dalszej obróbce otrzymuje się materiał paliwowy dla elektrowni jądrowych [4].

W 2012 roku badaczom  z laboratoriów Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) udało się podwoić ilość uranu otrzymanego przy użyciu włókien plastykowych o powierzchni dziesięciokrotnie większej niż uprzednio w rozwiązaniu japońskim. Zmniejszyło to koszt pozyskania uranu z wody morskiej z 1232 USD/kg do 660 USD/kg.

Przeprowadzone do 2016 roku badania w morzu wykazały, że opracowany w ORNL adsorbent potrafi zatrzymać 5,2 grama uranu na kilogram adsorbentu w ciągu 49 dni wystawienia go na działanie naturalnej wody morskiej. Warkocze adsorbentu miały średnicę 15 cm i długość kilkunastu metrów. Dalsze próby prowadzone w amerykańskim programie „Uranium from Seawater” doprowadziły w połowie 2016 roku do uzyskania 6 gramów uranu na kilogram adsorbentu po 56 dniach wystawienia go na działanie wody morskiej. Oznaczało to wydajność o 15% wyższą niż rezultaty opublikowane w pierwszym kwartale 2016 roku.

W połowie 2016 roku badacze z laboratorium w Stanford opracowali ulepszona technologię tego procesu [5] Użyli oni prototypowego włókna wykonanego z amidoksymu i przewodzącego prąd związku węgla. Dzięki przesyłaniu prądu wzdłuż włókna udało się zaabsorbować dziewięciokrotnie więcej uranylu niż poprzednio, bez osiągnięcia stanu nasycenia włókna. W ciągu 11 godzinnego testu przeprowadzonego w Half Moon Bay w USA, włókna wychwyciły trzy razy więcej uranu i miały trzykrotnie dłuższy czas życia od standardowego amidoksymu. Oznacza to otwarcie drzwi do wprowadzenia uranu uzyskiwanego z wody morskiej jako źródła paliwa dla elektrowni jądrowych. Do zrobienia pozostaje wciąż wiele, ale opłacalność energetyczna procesu ekstrakcji uranu z wody morskiej została zademonstrowana. Możliwość uzyskiwania uranu z wody morskiej może zapewnić praktycznie niewyczerpalne zasoby paliwa dla elektrowni jądrowych, co zapobiegnie wzrostowi cen uranu w miarę wyczerpywania tanich złóż rudy uranowej na lądzie. Proces ten daje krajom nie mającym własnych złóż uranu gwarancję, że będą zawsze miały surowiec energetyczny wystarczający do zaspokojenia ich potrzeb.

Pojęcie „Energia odnawialna” oznacza, że energia, którą ludzie uzyskują ze źródeł naturalnych zostaje odtworzona wskutek procesów zachodzących w przyrodzie. Obecnie uran jako paliwo jądrowe spełnia wymagania tej definicji. Energia atomowa jest energią w pełni dyspozycyjną, generowaną zgodnie z potrzebami człowieka, w przeciwieństwie do wiatru i słońca, które generują energię niestabilnie i niepewnie w zależności od pory dnia i warunków meteorologicznych. Dlatego klasyfikowanie energii jądrowej jako OZE byłoby pomniejszaniem jej wartości. Natomiast można i trzeba stwierdzić, że zasoby uranu są z punktu widzenia potrzeb ludzkości równie niewyczerpalne jak zasoby OZE.

Źródło: Kierunek Energetyka