Океан как рудник: китайский материал PhosCage переписал правила добычи урана из морской воды
Учёные из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий при Китайской академии наук создали адсорбирующий материал PhosCage — губчатую молекулярную решётку с фосфатными группами, которые избирательно улавливают ионы урана. В лабораторных тестах с природной морской водой материал показал выдающуюся эффективность — до 50,4 миллиграмма урана на грамм, что более чем в восемь раз превышает целевой показатель Минэнерго США в 6 миллиграмм на грамм. Результаты работы опубликованы в Journal of Hazardous Materials и Separation and Purification Technology.
Для практического применения PhosCage преобразовали в миллиметровые шарики — в такой форме он продемонстрировал эффективность 22,55 миллиграмма на грамм и выдержал семь циклов повторного использования. Важное преимущество материала — избирательность: в присутствии других металлов, включая ванадий, который традиционно мешает извлечению урана, PhosCage отчётливо отдавал предпочтение уранил‑ионам. Это решает одну из ключевых проблем морской уранодобычи.
Значение технологии для Китая сложно переоценить: страна реализует крупнейшую в мире программу развития атомной энергетики — в эксплуатации находится 64 реактора, строится ещё 37. При этом внутренняя добыча покрывает лишь малую часть потребностей: в 2024 году шахты дали около 1600 тонн урана при потребности реакторов примерно в 13 тысяч тонн. Из‑за этого Китай сильно зависит от импорта, а добыча урана из океана рассматривается как путь к долгосрочной энергетической независимости.
Мировой океан содержит колоссальные запасы урана — около 4,5 миллиарда тонн, что почти в тысячу раз превышает разведанные ресурсы на суше. Однако концентрация урана в морской воде крайне низка — всего 3,3 микрограмма на литр, а присутствие других элементов серьёзно осложняет извлечение. История попыток освоить этот ресурс насчитывает десятилетия: японские учёные в 1980–1990‑х годах смогли добыть около килограмма уранового концентрата, но себестоимость оказалась в пять раз выше, чем у сырья из руды. В США программа по извлечению урана из морской воды к 2016 году достигла показателя в 6 миллиграмм на грамм, но из‑за высокой стоимости после 2018 года была в значительной степени свёрнута.
В Китае работу ведут системно: в 2019 году Китайская национальная ядерная корпорация вместе с 14 институтами создала Инновационный альянс по разработке технологий извлечения урана из морской воды. Его цель — построить демонстрационный завод к 2035 году и выйти на промышленное производство к 2050‑му. PhosCage — лишь одно из направлений: параллельно развиваются электрохимические методы и активные микромоторы, способные самостоятельно перемещаться в воде и собирать уран. Например, электрохимическая система с медными электродами за 40 минут извлекает 100 процентов ионов урана из модельного раствора, а расчётная стоимость килограмма урана по этой технологии оценивается в 83 доллара — это уже сопоставимо с рыночной ценой.
При этом пока все достижения получены в лабораторных или ограниченных полевых условиях. В открытом океане на работу адсорбентов влияют течения, температура, биообрастание и другие факторы, которые трудно воспроизвести в лаборатории. Экономическая рентабельность технологии также остаётся открытым вопросом. Тем не менее прогресс очевиден: за несколько лет эффективность адсорбентов выросла с 6–9 миллиграмм до 50 миллиграмм на грамм, а стоимость извлечения заметно снизилась.
Дальнейшая работа будет сосредоточена на масштабировании технологии, испытаниях в реальных морских условиях и снижении затрат. Планы Инновационного альянса укладываются в логику долгосрочного стратегического планирования: если демонстрационный завод появится к 2035 году, а промышленное производство — к 2050‑му, это может серьёзно изменить баланс на мировом рынке ядерного топлива.