Πρόοδος στην ανάκτηση ουρανίου από θαλασσινό νερό

Η πυρηνική ενέργεια από καύσιμα όπως το ουράνιο αποτελεί επιλογή ηλεκτροπαραγωγής με χαμηλές εκπομπές άνθρακα σε όλο τον κύκλο ζωής. Η ιστορία της περιλαμβάνει σοβαρά ατυχήματα. Τα σύγχρονα συστήματα ασφαλείας μειώνουν κινδύνους, χωρίς να καταργούν την ανάγκη για εποπτεία, διαχείριση αποβλήτων και προστασία του περιβάλλοντος.

«Η πυρηνική ενέργεια είναι μια πηγή ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων και παρέχει σημαντική εγγύηση για την πράσινη ανάπτυξη της οικονομίας και του περιβάλλοντος.»

Το 2023, ερευνητές παρουσίασαν μια ηλεκτροχημική προσέγγιση για ανάκτηση ουρανίου από θαλασσινό νερό. Η πιθανή βιωσιμότητα της μεθόδου απαιτεί ακόμη αξιολόγηση κόστους, ενεργειακής κατανάλωσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Η ερευνητική πρόοδος

Η μελέτη στο ACS Central Science είχε τον τίτλο «Αυτοφερόμενα ηλεκτρόδια πορώδους αρωματικού πλαισίου για αποτελεσματική ηλεκτροχημική ανάκτηση ουρανίου». Αντικείμενό της ήταν η δέσμευση διαλυμένων ιόντων ουρανυλίου, όχι η παραγωγή έτοιμου πυρηνικού καυσίμου ή ηλεκτρισμού από το νερό.

Η συνολική ποσότητα ουρανίου διαλυμένου στους ωκεανούς εκτιμάται σε περίπου 4,5 δισεκατομμύρια τόνους. Η σύγκριση της δημοσίευσης με τα χερσαία αποθέματα ξεπερνά το χιλιαπλάσιο. Όμως η συνολική διαλυμένη ποσότητα δεν ταυτίζεται με αποθέματα που μπορούν να ανακτηθούν οικονομικά· η συγκέντρωση στο θαλασσινό νερό είναι πολύ χαμηλή.

Η ομάδα επικάλυψε ύφασμα από ίνες άνθρακα με πορώδες πολυμερές και ομάδες αμιδοξίμης που δεσμεύουν ιόντα ουρανυλίου. Το ύφασμα χρησιμοποιήθηκε ως κάθοδος μαζί με άνοδο γραφίτη και ηλεκτρικό ρεύμα. Συσσωρεύτηκαν ιζήματα που περιείχαν ουράνιο. Στη δοκιμή με φυσικό νερό της θάλασσας Μποχάι ανακτήθηκαν 12,6 mg ουρανίου ανά γραμμάριο ενεργού επικαλυμμένου υλικού σε 24 ημέρες, όχι ανά γραμμάριο νερού. Η ηλεκτροχημική διαδικασία ήταν περίπου τρεις φορές ταχύτερη από την παθητική συσσώρευση στο ύφασμα.

Η ομάδα θεωρεί ότι η προσέγγιση βελτιώνει τη δέσμευση ουρανίου από θαλασσινό νερό. Πρόκειται για ερευνητικό αποτέλεσμα, όχι απόδειξη ότι η εμπορική ανάκτηση είναι ήδη οικονομικά ή περιβαλλοντικά ανώτερη από την εξόρυξη.

Τι είναι το ουράνιο;

Σχάση, αλυσιδωτή αντίδραση και ραδιενεργός διάσπαση

Όταν ένας πυρήνας ουρανίου-235 απορροφήσει νετρόνιο, μπορεί να υποστεί σχάση σε ελαφρύτερους πυρήνες, απελευθερώνοντας ενέργεια και επιπλέον νετρόνια. Η προκαλούμενη σχάση δεν είναι ίδια με τη φυσική αλυσίδα ραδιενεργού διάσπασης του ουρανίου.

Πηγή: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — απεικόνιση αλυσίδας ραδιενεργού διάσπασης, όχι αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης.

Στον αντιδραστήρα η αλυσιδωτή αντίδραση ελέγχεται. Νετρόνια από μια σχάση μπορούν να προκαλέσουν άλλες σχάσεις. Η θερμότητα χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ατμού, ο οποίος κινεί στροβίλους συνδεδεμένους με ηλεκτρογεννήτριες.

Η ηλεκτροπαραγωγή βασίζεται έτσι στην ελεγχόμενη σχάση. Η ενέργειά της δεν πρέπει να αποδίδεται απλώς στη φυσική αλυσίδα ραδιενεργού διάσπασης που δείχνει το διάγραμμα.

Πυρηνική σύντηξη: μια διαφορετική προσέγγιση

Η σχάση παράγει προϊόντα σχάσης και άλλα ραδιενεργά υλικά που χρειάζονται κατάλληλη απομόνωση και διαχείριση. Τα προϊόντα σχάσης προέρχονται από το σπάσιμο πυρήνων και δεν είναι απλώς το αποτέλεσμα της συνηθισμένης φυσικής διάσπασης του ουρανίου.

Η σύντηξη ενώνει ελαφρούς πυρήνες. Μια βασική υπό μελέτη αντίδραση συνδυάζει δευτέριο και τρίτιο, παράγοντας ήλιο, νετρόνιο και ενέργεια. Η σύντηξη τροφοδοτεί και τον Ήλιο, αλλά εκεί κυριαρχούν διαφορετικές αλληλουχίες αντιδράσεων από την επίγεια προσέγγιση δευτερίου–τριτίου. Τα πιθανά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

Υψηλή ενέργεια ανά μονάδα μάζας καυσίμου: Η σύντηξη μπορεί να αποδώσει περίπου τετραπλάσια ενέργεια ανά κιλό καυσίμου από τη σχάση και σχεδόν τέσσερα εκατομμύρια φορές περισσότερη από την καύση πετρελαίου ή άνθρακα. Η σύγκριση αφορά μάζα καυσίμου, όχι μία μεμονωμένη αντίδραση ή την καθαρή απόδοση ολόκληρου σταθμού.

Διαθεσιμότητα καυσίμων: Το δευτέριο μπορεί να εξαχθεί από το νερό. Το τρίτιο δεν υπάρχει άφθονο στη φύση και θα πρέπει να παράγεται, για παράδειγμα από λίθιο με νετρόνια σύντηξης. Η παραγωγή και η ανακύκλωση επαρκούς τριτίου παραμένουν τεχνικές προκλήσεις.

Πιθανά περιβαλλοντικά οφέλη: Όπως η σχάση, η ίδια η αντίδραση σύντηξης δεν εκπέμπει CO₂. Η αντίδραση δευτερίου–τριτίου παράγει ήλιο και νετρόνια, που μπορούν να ενεργοποιήσουν υλικά του αντιδραστήρα. Επομένως δεν εξαφανίζονται οι ανάγκες ραδιοπροστασίας και διαχείρισης υλικών. Η δυνατότητα ανακύκλωσης σε περίπου 100 χρόνια εξαρτάται από τα υλικά και τον σχεδιασμό, όχι από γενική εγγύηση.

Ασφάλεια: Η σύντηξη απαιτεί αυστηρές συνθήκες και δεν συντηρεί αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης. Αν χαθούν οι συνθήκες αυτές, το πλάσμα παύει γρήγορα να συντήκεται. Ο κίνδυνος τήξης δεν είναι ίδιος με των αντιδραστήρων σχάσης, αλλά παραμένουν ζητήματα τριτίου, νετρονίων, θερμότητας και ασφάλειας εγκαταστάσεων. Η μη χρήση καυσίμου ουρανίου ή πλουτωνίου δεν ισοδυναμεί με απουσία κάθε κινδύνου διάδοσης.

Το 2022 και το 2023, το NIF πέτυχε ενεργειακό κέρδος στον στόχο: για παράδειγμα, 2,05 MJ ενέργειας λέιζερ έδωσαν 3,15 MJ ενέργειας σύντηξης τον Δεκέμβριο του 2022. Αυτό δεν ήταν καθαρή παραγωγή ηλεκτρισμού ή θετικό ισοζύγιο για όλη την εγκατάσταση, η οποία κατανάλωνε περισσότερη ενέργεια.

Οι προβλέψεις του 2023 για επίδειξη σταθμού σε δέκα έως είκοσι χρόνια ήταν εκτιμήσεις, όχι δεσμευτικές ημερομηνίες. Η διάρκεια εξαρτάται από τη φυσική του πλάσματος, τα υλικά, την παραγωγή καυσίμου, την κατασκευή και την οικονομική λειτουργία.

Η σταθερή, πρακτική ηλεκτροπαραγωγή από σύντηξη εξακολουθεί να απαιτεί έρευνα και μηχανική ανάπτυξη. Δεν προκύπτει αυτόματα από ένα επιτυχημένο πείραμα ανάφλεξης ούτε είναι εγγυημένη μέσα σε σταθερό χρονικό διάστημα.

Εταιρείες ενέργειας και πυρηνικής τεχνολογίας

Δημόσιοι ερευνητικοί φορείς και ιδιωτικές επιχειρήσεις συμμετέχουν στην ανάπτυξη ενεργειακών και πυρηνικών τεχνολογιών. Οι παρακάτω εταιρείες έχουν διαφορετικούς ρόλους· δεν αναπτύσσουν όλες ανάκτηση ουρανίου από τη θάλασσα ή σύντηξη.

Τα στοιχεία των πινάκων είναι ιστορικό στιγμιότυπο του άρθρου του 2023 και δεν αποτελούν τρέχουσες χρηματιστηριακές τιμές. Απαιτείται έλεγχος των σημερινών μεγεθών.

1. Exelon Corporation

EXC Διάγραμμα τιμής

Η Exelon Corporation (EXC ), με έδρα το Σικάγο, διαχωρίστηκε από την Constellation τον Φεβρουάριο του 2022. Η δραστηριότητα ηλεκτροπαραγωγής πέρασε στην Constellation, ενώ η Exelon επικεντρώθηκε στη μεταφορά και διανομή ενέργειας. Η παλιά περιγραφή 23 αντιδραστήρων και 14 πυρηνικών σταθμών δεν αφορά τη σημερινή Exelon. Ο πίνακας και το διάγραμμα EXC παραμένουν στοιχεία της Exelon, όχι της Constellation.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE Διάγραμμα τιμής

Η NextEra Energy (NEE ) περιλάμβανε στο χαρτοφυλάκιό της πυρηνικές μονάδες στη Φλόριντα, το Νιου Χάμπσαϊρ και το Ουισκόνσιν, σύμφωνα με την ετήσια έκθεση του 2023. Οι μονάδες δεν εκπέμπουν CO₂ κατά την ίδια τη σχάση, αλλά έχουν αποτύπωμα κύκλου ζωής. Το αρχικό ποσό των 24 εκατομμυρίων τόνων αποτρεπόμενων εκπομπών ετησίως ήταν εκτίμηση σύγκρισης, όχι μέτρηση μηδενικών συνολικών εκπομπών.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT Διάγραμμα τιμής

Η BWX Technologies (BWXT ) προμηθεύει πυρηνικά εξαρτήματα, τεχνολογίες και καύσιμα. Οι δραστηριότητές της περιλαμβάνουν ναυτική πυρηνική πρόωση, πυρηνική ιατρική και ερευνητικούς αντιδραστήρες. Το 2023 ανακοίνωσε σύμβαση μηχανικού σχεδιασμού με τη GE Hitachi για το δοχείο πίεσης του μικρού αρθρωτού αντιδραστήρα BWRX-300. Σχέδια ανάπτυξης στην Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένης της Πολωνίας, δεν ισοδυναμούν με ήδη λειτουργούντες σταθμούς.

Συμπεράσματα

Η ηλεκτροχημική ανάκτηση ουρανίου από θαλασσινό νερό και η πυρηνική σύντηξη είναι διαφορετικά ερευνητικά πεδία. Η πρώτη μπορεί να διευρύνει τις πηγές καυσίμου για σχάση, αν αποδειχθεί οικονομικά και περιβαλλοντικά κατάλληλη σε κλίμακα. Η δεύτερη επιδιώκει διαφορετικό τρόπο παραγωγής ενέργειας, με σημαντικές τεχνικές προκλήσεις. Τα αποτελέσματα του 2023 είναι πρόοδος στην έρευνα, όχι απόδειξη ήδη διαθέσιμης, απεριόριστης και χωρίς επιπτώσεις ηλεκτροπαραγωγής.