Uranium là nhiên liệu phổ biến nhất cho các nhà máy điện hạt nhân nhưng nó là một nguồn tài nguyên hữu hạn trên đất liền. Ước tính, các vùng biển trên Trái Đất chứa khoảng 4 tỷ tấn uranium, gấp 1000 lần khối lượng trên đất liền của nó (khai thác từ quặng). Trên đất liền, uranium là thứ hiếm!

Tuy nhiên, khai thác uranium từ nước thì đắt đỏ hơn khai thác từ các mỏ quặng. Bài toán này giải quyết ra sao?

CUỘC ĐUA SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN TÁI TẠO

Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc đang chạy đua để trở thành quốc gia đầu tiên sản xuất năng lượng hạt nhân hoàn toàn có thể tái tạo. Hay thay, nhiên liệu hạt nhân làm bằng uranium chiết xuất từ ​​nước biển khiến cho năng lượng hạt nhân có thể tái tạo hoàn toàn.

Forbes trích dẫn nghiên cứu của các nhà khoa học cho hay, uranium được hòa tan trong nước biển với nồng độ rất thấp, chỉ khoảng 3 phần tỷ (3 microgam/lít). Nhưng Trái Đất lại có 3/4 diện tích là đại dương nên có rất nhiều nước biển – khoảng 350 tỷ tỷ gallons. Vì vậy, có khoảng 4 tỷ tấn uranium trong nước biển cùng một lúc.

Tuy nhiên, nồng độ uranium trong nước biển được kiểm soát bởi các phản ứng hóa học ở trạng thái ổn định (hoặc cân bằng giả) giữa nước và đá trên lớp vỏ Trái đất, cả trong đại dương và trên đất liền. Và ở đó có chứa tổng 100 nghìn tỷ tấn uranium. Vì vậy, bất cứ khi nào uranium được chiết xuất từ ​​nước biển, thì sẽ có nhiều uranium bị rửa trôi từ đá để thay thế nó, với cùng một nồng độ.

Lượng này lớn đến nỗi con người không thể khai thác đủ uranium trong một tỷ năm tới để giảm nồng độ uranium tổng thể trong nước biển, ngay cả khi hạt nhân cung cấp 100% năng lượng cho chúng ta và loài người chúng ta tồn tại một tỷ năm.

Nói cách khác, uranium trong nước biển thực sự có thể tái tạo hoàn toàn. Có thể tái tạo như năng lượng Mặt trời.

Thực chất, uranium trong lớp vỏ của Trái Đất, nói đúng ra là hữu hạn. Mặt trời cũng vậy – con người vốn cho rằng ngôi sao khổng lồ này là nguồn năng lượng vô hạn – cuối cùng sẽ bị cháy hết nhưng điều đó sẽ không bắt đầu xảy ra trong 5 tỷ năm nữa. Ngay cả gió trên Trái đất cũng sẽ dừng lại vào khoảng thời gian đó khi bầu khí quyển của chúng ta sôi lên trong lúc Mặt trời chết ban đầu ở dạng Người khổng lồ Đỏ.

Vì thế, sự hữu hạn đó lớn đến mức nó gần như vô hạn theo chuẩn mực của con người!

Theo Giáo sư Jason Donev từ Đại học Calgary (Canada): “Có thể tái tạo theo nghĩa đen là ‘làm mới một lần nữa". Bất kỳ nguồn tài nguyên nào được bổ sung một cách tự nhiên theo thời gian, như việc tạo ra gió hoặc sự phát triển của các sinh vật sinh học để lấy sinh khối hoặc nhiên liệu sinh học, chắc chắn có thể tái tạo được. Năng lượng tái tạo có nghĩa là năng lượng mà con người khai thác từ thiên nhiên nói chung sẽ được thay thế/bù đắp liên tục bằng chính nó. Và bây giờ uranium là nhiên liệu đáp ứng định nghĩa này”.

Vì vậy, theo bất kỳ định nghĩa nào, năng lượng Mặt trời, gió, thủy điện và hạt nhân đều có thể tái tạo. Và đó là lúc, Mỹ-Nhật-Trung bắt tay vào cuộc đua sản xuất năng lượng hạt nhân tái tạo (cụ thể là chiết xuất uranium từ nước biển).

TRUNG QUỐC NUNG NẤU ĐÁNH THỨC ‘KHO BÁU KHỔNG LỒ"

Theo tính toán, 4 tỷ tấn uranium trong nước biển nhiều gấp khoảng 1.000 lần uranium lắng đọng trên đất liền (ở dạng quặng), Tân Hoa Xã thông tin.

Và lượng 4 tỷ tấn uranium đó có thể cung cấp nhiên liệu cho hàng nghìn nhà máy điện hạt nhân công suất 1.000 MW trong 100.000 năm.

Tuy sẵn là thế nhưng các quy trình hiện tại để khai thác uranium từ nước biển không hiệu quả về mặt kinh tế cũng như không đủ hiệu quả để cạnh tranh với việc khai thác quặng uranium trên đất liền.

Đó là lý do các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã và đang làm việc điên cuồng để phát triển một loạt các vật liệu và sợi có khả năng chiết xuất uranium từ nước biển một cách tiết kiệm, hiệu quả nhất.

Mới đây nhất, nhóm 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 dạng fractal 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.

Vật liệu đó là màng xốp phân cấp với các lỗ cực nhỏ để chiết xuất uranium từ nước biển một cách hiệu quả hơn, China Science Daily đưa tin.

Màng xốp phân cấp này lấy cảm hứng từ cấu trúc phân dạng (fractal) trong sinh học, chúng có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên, chẳng hạn như các ống phân nhánh của mạch máu động vật và thực vật. Các cấu trúc như vậy có thể nhận ra sự truyền khối lượng và chất lỏng thuận lợi với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu.

Theo các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Hóa học Kỹ thuật, màng ống sinh học này cho phép khuếch tán nhanh chóng và hấp phụ đủ các ion uranyl thông qua cấu trúc xốp phân cấp, so với màng xốp thông thường. Các thử nghiệm cho thấy, loại màng mới này có thể tăng khả năng hấp phụ lên đến 20 lần.

Trong nước biển tự nhiên, một gram màng như vậy có thể chiết xuất 9,03 miligam uranium – đây là kết quả có được sau 4 tuần thử nghiệm của các nhà khoa học Trung Quốc.

[Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí/chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất khác].

Nhóm nghiên cứu đằng sau phương pháp này tin rằng nó có thể cung cấp một nguồn năng lượng đáng tin cậy (uranium từ nước biển) có thể tồn tại hàng nghìn năm với tốc độ tiêu thụ hiện tại.

Trung Quốc đã có trong tay màng ống sinh học này để chiết xuất uranium trong nước biển, vậy Mỹ và Nhật Bản đã có gì? Mời độc giả đón đọc kỳ tới.

Bài viết sử dụng nguồn: Tân Hoa Xã, Forbes, Newscientist