Pokroky v získávání uranu z mořské vody

Světové oceány obsahují celkem více než čtyři miliardy tun uranu – dostatek k uspokojení energetické spotřeby Země na příštích 10 000 let. Problémem ale je, jak uran z mořské vody získat, abychom jej mohli následně v jaderných elektrárnách využít. Nedávno byly v americkém časopise Průmysl & chemické inženýrství Americkou chemickou společností publikovány významné úspěchy, které se v oblasti získávání uranu z moře v poslední době uskutečnily.

Již více než půl století se vědci na celém světě snaží těžit uran z oceánů, avšak daří se jim to pouze s omezeným úspěchem. V roce 1990 výzkumníci z Japonské agentury pro atomovou energii (JAAE) slavili úspěch s materiály pro záchyt izotopů uranu na jiném materiálu, tedy adsorpcí na povrchu materiálu ponořeném v mořské vodě. Roku 2011 Americké ministerstvo energetiky zahájilo program, na kterém pracoval tým sestavený z odborníků mnoha zaměření. Výzkum probíhal nejen v národních laboratořích, ale i na univerzitách a ve výzkumných ústavech a měl za cíl vyřešit základní problémy související s ekonomickou těžbou uranu z mořské vody. Během pěti let tento tým vyvinul nové adsorbenty, které dokázaly snížit náklady na těžbu uranu z oceánu třikrát až čtyřikrát.

Na jaře tohoto roku proběhlo v Denveru mezinárodní setkání vědců zabývající se problematikou „uranu v mořské vodě“. Zajímavé příspěvky představili vědci začlenění do státního programu pro výzkum palivových zdrojů, který spravuje jadernou divizi Amerického ministerstva energetiky. Na projektech Američané spolupracují s výzkumníky z Číny a Japonska na základě dohod s Čínskou akademií věd a japonskou JAAE. Program pokládá základy pro ekonomickou proveditelnost těžby uranu z mořské vody. Výzkum nadále pokračuje jak v národních laboratořích, tak i na univerzitách a výzkumných ústavech. Nová generace adsorbátorů vykazuje po prvních testech vyšší adsorpční kapacitu, rychlejší vázání izotopů a nižší degradaci materiálu při opakovaném používání ve slané vodě.

„Aby jaderná energetika zůstala trvale udržitelným, ekonomicky konkurenceschopným a navíc bezpečným energetickým zdrojem, musí být k dispozici dostatečné množství jaderného paliva,“ říká Phillip Britt, který zajišťuje technické a terénní vedení programu.

Vědci ze dvou amerických státních laboratoří začleněných do zmíněného programu (Národní laboratoř Oak Ridge v Tennessee a Pacifická severozápadní národní laboratoř (PSNL) ve Washingtonu) publikovali v posledních letech řadu článků popisujících stav výzkumu. Laboratoře v Oak Ridge se zaměřují především na syntézu a popis adsorbátorů uranu z moře, zatímco Pacifické severozápadní laboratoře se zabývají testováním syntetizovaných sorbentů v mořské vodě většinou v prostředí národních laboratoří a univerzit.

Výzkum vyžaduje řadu odborníků

„Syntéza materiálů, které jsou lepší pro adsorpci uranu ze slané vody vyžaduje multidisciplinární a multiinstitucionální tým složený například z chemiků, výpočetních inženýrů, ekonomů a odborníků na prostředí moří a oceánů,“ tvrdí Sheng Dai, který zajišťuje technický dohled nad programem získávání uranu z mořské vody na Oak Ridge. „Výpočetní studie nám poskytly pohled na chemické skupiny, které selektivně vážou uran. Termodynamické studie přinesly poznatky o chemických vlastnostech uranu a příslušných chemických látkách v mořské vodě. Kinetické analýzy odkryly faktory, které určují, jak rychle se dokáže uran z mořské vody navázat na adsorbent. Vysvětlení vlastností adsorbentu v laboratořích je pro nás klíčové, abychom vyvinuli ekonomicky přijatelný materiál, který bude schopen pojmout co největší množství uranu.“

Týmová spolupráce se nyní soustředila především na vytvoření svazků polyethylenových vláken, které obsahují chemickou složku nazývanou amidoxim, která přitahuje uranové izotopy. Testování doposud probíhalo pouze v laboratořích s reálnou mořskou vodou. Ale svazky adsorbátoru budou umístěny na moře, kde jsou přirozeně unášeny a i bez použití čerpadel proteče během krátké doby skrz vlákna obrovské množství vody. Po několika týdnech budou vlákna nasycená uranovými oxidy shromážděna a podrobena působení kyseliny, při kterém se uvolní uranové ionty, a následně se adsorbent regeneruje pro opětovné použití. Dalším zpracováním a obohacením uranového materiálu vznikne palivo pro jaderné elektrárny.

Výzkumníci z Pacifické severozápadní laboratoře testovali adsorbenty vytvořené jak na Oak Ridge, tak i v dalších laboratořích, včetně univerzit zapojených do Programu univerzit pro jadernou energetiku, za použití filtrované i nefiltrované mořské vody ze Sequim Bay ve Washingtonu při regulované teplotě a průtoku. Gary Gill, zástupce ředitele pobřežního výzkumu na PSNL koordinuje výzkum ve třech mořských testovacích oblastech poblíž spolupracujících univerzit (Washington, Massachusetts a Florida).

„Pochopení, jak se adsorbátory chovají v přírodních podmínkách na moři je rozhodující pro stanovení jejich spolehlivosti a toho jak bude celý systém těžby uranu účinný,“ říká Gill.

„Kromě testování na moři vyhodnocujeme i další aspekty adsorbátorů. Například jak dobře přitahuje jiné prvky, jakou má adsorpční trvanlivost, zda má působení mořských živočichů vliv na adsorpční kapacitu, anebo jestli nemohou být použité materiály toxické. PSNL také prováděla experimenty pro optimalizaci uvolňování uranu z adsorbentu a opětovné použití po aplikaci kyseliny a hydrogenuhličitanů.“

Výtěžnost současných adsorbátorů

Přímořské testování na PSNL ukázalo schopnost adsorpčního materiálu vyvinutého v laboratořích Oak Ridge udržet 5,2 gramů uranu na jeden kilogram adsorbátoru po 49 dnech jeho vystavení mořské vodě. Program získávání uranu z moře úspěšně pokračuje doprovázen velkými pokroky ve vývoji adsorbátorů se zvyšující se kapacitou. Při nedávném testu množství uranu již překročilo 6 gramů na jeden kilogram adsorbátoru po 56 dnech v mořské vodě. Šlo o navýšení kapacity o 15 % oproti výše zmíněnému pokusu.

Těžba uranu z mořské vody se zdá být zajímavou a ekologicky šetrnou metodou získávání uranu pro energetické využití. Přesto k jeho konvenčnímu využití povede, pokud vůbec, ještě dlouhá cesta. Kromě vyšší efektivity běžného dolování v dole a nízkým cenám uranu na trhu je uplatnění nových metod získávání uranu závislé i na popularitě jaderných elektráren a celosvětové spotřebě. Další otázkou je, zda nebude v budoucnu výhodnější zpracovávat v nových reaktorech již jednou použité palivo, nebo se dříve neobjeví funkční fúzní energetický reaktor s výbornou ekonomickou návratností.