Trung Quốc phát triển vật liệu "bắt" uranium trong nước biển, hiệu suất vượt mục tiêu Mỹ 8 lần

Ước tính các đại dương trên thế giới chứa 4,5 tỷ tấn uranium, nhưng việc khai thác nó vô cùng khó khăn. Ảnh: Shutterstock.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa phát triển một loại vật liệu mà họ cho rằng có thể mở ra một “cách tiếp cận mới” để thu hồi nhiên liệu hạt nhân từ đại dương.

Nhóm khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) tại Thanh Đảo đã tìm ra phương pháp chiết xuất uranium từ nước biển với hiệu suất cao gấp nhiều lần mục tiêu do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đặt ra. Phát hiện này đưa Trung Quốc tiến gần hơn tới vị trí dẫn đầu trong cuộc đua toàn cầu nhằm khai thác nguồn nhiên liệu hạt nhân khổng lồ đang hòa tan trong các đại dương.

Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu thuộc CAS đã phát triển một vật liệu có tên PhosCage – cấu trúc phân tử dạng xốp giống như một miếng bọt biển, bên trong chứa các nhóm phosphate có khả năng hoạt động như những “chiếc bẫy” hóa học, giữ lại uranium.

Theo nhóm nghiên cứu, các mẫu nước biển tự nhiên cho thấy vật liệu này có thể thu hồi tới 50,4 mg uranium trên mỗi gram chất hấp phụ, cao hơn 8 lần so với mục tiêu 6 mg/g mà Mỹ từng đặt ra.

Các nhà khoa học sau đó chế tạo PhosCage thành những hạt có kích thước chỉ vài mm, giúp việc đưa vật liệu xuống biển và thu hồi trở nên thuận tiện hơn. Những hạt này thu giữ được 22,55 mg uranium trên mỗi gram vật liệu và vẫn duy trì khả năng hoạt động sau 7 chu kỳ tái sử dụng.

“Công trình này mở ra một cách tiếp cận mới để chiết xuất uranium từ nước biển, đồng thời đặt nền móng cho việc phát triển các chất hấp phụ có khả năng thu giữ nhiều uranium hơn và cuối cùng được triển khai ở quy mô lớn”, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Sinh học và Quy trình Năng lượng Thanh Đảo của CAS cho biết.

Công nghệ này đặc biệt có ý nghĩa với Trung Quốc, quốc gia sở hữu trữ lượng uranium đáng kể nhưng đang tiêu thụ nhiều hơn đáng kể so với sản lượng trong nước trong bối cảnh nước này đẩy mạnh phát triển điện hạt nhân.

Theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA), các mỏ uranium của Trung Quốc chỉ sản xuất khoảng 1.600 tấn trong năm 2024, trong khi các lò phản ứng hạt nhân của nước này cần khoảng 13.000 tấn. Khoảng cách lớn giữa cung và cầu khiến Trung Quốc vẫn phải phụ thuộc nhiều vào nguồn uranium nhập khẩu.

Trên đất liền, thế giới hiện có khoảng 7,9 triệu tấn tài nguyên uranium đã được xác định. Nhưng con số này trở nên nhỏ bé nếu đặt cạnh lượng uranium ước tính đang tồn tại trong các đại dương: khoảng 4,5 tỷ tấn.

Phần lớn uranium trong nước biển được tích tụ trong thời gian dài. Khi nước mưa bào mòn đá, uranium bị cuốn theo các dòng sông rồi cuối cùng đổ ra biển, khiến nguyên tố này phân tán trong đại dương trên quy mô khổng lồ.

Riêng Địa Trung Hải được ước tính chứa khoảng 12 triệu tấn uranium – về lý thuyết đủ đáp ứng nhu cầu nhiên liệu hạt nhân hiện nay của toàn thế giới trong khoảng 180 năm.

Tuy nhiên, sở hữu một nguồn tài nguyên khổng lồ không đồng nghĩa với việc có thể dễ dàng khai thác nó.

Một tấn nước biển chỉ chứa khoảng 3,3 mg uranium, đồng nghĩa các nhà khoa học phải xử lý một lượng nước khổng lồ để thu được một lượng uranium tương đối nhỏ.

Và uranium cũng không tồn tại đơn độc. Nước biển là một “hỗn hợp” khổng lồ gồm nhiều nguyên tố hòa tan, trong đó có những nguyên tố xuất hiện với hàm lượng cao hơn uranium rất nhiều.

Vanadium đặc biệt gây khó khăn bởi nguyên tố này có thể bám vào chính những “chiếc bẫy” hóa học được thiết kế để bắt uranium, khiến quá trình tách hai nguyên tố trở nên phức tạp.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học tại những phòng thí nghiệm quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Mỹ ở Tennessee và Washington đã tìm cách giải quyết bài toán này.

Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge từng phát triển những sợi vật liệu đặc biệt có khả năng “bắt” uranium. Trong khi đó, Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest thử nghiệm chúng trong dòng nước biển tự nhiên chảy từ vịnh Sequim, bang Washington.

Đến năm 2016, những chất hấp phụ tốt nhất của Mỹ có thể thu được khoảng 6 mg uranium trên mỗi gram vật liệu sau thời gian tiếp xúc kéo dài với nước biển.

Tuy nhiên, phương pháp này vẫn có chi phí cao hơn rất nhiều so với khai thác uranium trên đất liền. Sau khi chương trình kết thúc vào năm 2018, DOE phần lớn đã thu hẹp các nỗ lực nghiên cứu theo hướng này.

Hai nghiên cứu được công bố trên Journal of Hazardous Materials và Separation and Purification Technology cho thấy nhóm Thanh Đảo đã giải quyết được một số trở ngại quan trọng trong quá trình thu hồi uranium.

Đáng chú ý, khi được đặt trong môi trường chứa nhiều kim loại khác nhau, vật liệu dạng hạt của nhóm nghiên cứu cho thấy khả năng ưu tiên bắt uranium, kể cả khi phải cạnh tranh với vanadium – một trong những nguyên tố khó tách khỏi uranium nhất.

Dù vậy, kết quả hiện tại vẫn còn những giới hạn đáng kể.

Nhóm nghiên cứu lấy nước biển ngoài khơi Thanh Đảo rồi đưa 25 lít nước biển qua một hệ thống dòng chảy trong phòng thí nghiệm. Điều này khác xa điều kiện thực tế ngoài đại dương, nơi sóng, dòng chảy và sinh vật biển có thể khiến quá trình thu hồi uranium trở nên khó khăn hơn nhiều.

Quan trọng hơn, cả hai nghiên cứu chưa đưa ra chi phí cụ thể cho lượng uranium thu hồi được.

Các nhà nghiên cứu cho biết bước tiếp theo sẽ tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất vật liệu, đồng thời tìm cách giảm chi phí tổng thể của quá trình chiết xuất uranium từ nước biển.

Nếu những vấn đề này được giải quyết, nguồn uranium khổng lồ trong đại dương có thể trở thành một hướng bổ sung đáng chú ý cho nguồn cung nhiên liệu hạt nhân trong tương lai. Nhưng từ một kết quả đầy hứa hẹn trong phòng thí nghiệm đến một hệ thống có thể vận hành hiệu quả giữa đại dương vẫn còn một khoảng cách rất lớn.