Uranium là nguyên tố thiết yếu cho năng lượng hạt nhân kể từ năm 1942, khi nhà vật lý Enrico Fermi xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở Chicago, Mỹ.
Lâu nay, kim loại màu trắng bạc này vốn được khai thác truyền thống từ các mỏ quặng trên cạn. Do uranium là nguồn tài nguyên không thể tái tạo nên các nhà khoa học khắp thế giới đang tìm cách 'vớt' nó từ đại dương trên toàn cầu như một nguồn quặng có tiềm năng vô tận.
Cùng với Mỹ, Nhật Bản thì Trung Quốc là quốc gia có tham vọng rất lớn trong việc chiết xuất uranium từ đại dương.
Cơ quan Năng lượng Hạt nhân (NEA) ước tính có khoảng 4,5 tỷ tấn uranium lơ lửng trong các đại dương trên thế giới dưới dạng các ion uranyl hòa tan.
Và mới đây thôi, họ lại tiến gần hơn một bước tới việc đảm bảo tham vọng năng lượng hạt nhân vô hạn của mình sau khi các nhà khoa học nước này cho biết họ đã phát triển một loại vật liệu mới có thể chiết xuất hiệu quả uranium từ nước biển.
Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ năng lượng sinh học và quy trình sinh học Thanh Đảo (QIBEBT) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đưa ra một loại vật liệu "tiết kiệm chi phí" mới mà họ cho biết có "khả năng hấp phụ uranium đặc biệt".
Vật liệu hấp phụ này hoạt động bằng cách cho phép chất rắn, khí hoặc chất lỏng hòa tan bám vào bề mặt của chúng. Vật liệu do Trung Quốc phát triển bao gồm các hạt tròn, rỗng rất nhỏ được gọi là "vi cầu hydrogel SA-DNA" với các cấu trúc hữu cơ có đường kính khoảng 2mm và chứa nhiều lỗ nhỏ có kích thước micromet.
Các vi cầu hydrogel SA-DNA được dùng để chiết xuất uranium từ nước biển. Ảnh: Science Direct.
Vật liệu này được tạo ra bằng cách kết hợp natri alginate – một sản phẩm dễ kiếm được chiết xuất từ tảo bẹ hoặc các nguồn khác – với các sợi DNA chức năng có thể nhận biết và liên kết với các ion uranium.
Nhóm nghiên cứu do kỹ sư QIBEBT Fa Yun và nhà nghiên cứu Liu Huizhou đứng đầu đã công bố phát hiện của họ trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học vào tháng 7/2024.
"Tìm 1 gram muối trong 300.000 lít nước ngọt"
Cơ quan Năng lượng Hạt nhân (NEA) ước tính có khoảng 4,5 tỷ tấn uranium lơ lửng trong các đại dương trên thế giới dưới dạng các ion uranyl hòa tan – gấp hơn 1000 lần so với lượng trên đất liền.
Tuy nhiên, việc chiết xuất các ion đã được chứng minh là rất khó khăn vì nhiều lý do, bao gồm nồng độ uranium cực thấp trong các đại dương trên Trái Đất - 1 tấn nước biển chỉ chứa 3,3 miligam uranium - cũng như sự hiện diện của nhiều ion khác có thể gây nhiễu trong môi trường biển phức tạp.
Nhiệm vụ này có thể được so sánh với việc "tìm 1 gam muối trong 300.000 lít nước ngọt".
Theo các nhà nghiên cứu, trong số các phương pháp đang được phát triển, hấp phụ là kỹ thuật phổ biến nhất vì tính đơn giản, tiết kiệm chi phí, hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Vật liệu hấp phụ là sự kết hợp giữa các enzyme DNA, một loại DNA cụ thể, và các vi cầu tổng hợp – một vật liệu có nguồn gốc từ trao đổi ion giữa natri alginat và các ion canxi.
Các enzyme hoạt động như một “máy dò” vì chúng chỉ hoạt động khi chúng liên kết với các ion kim loại cụ thể, một đặc điểm giúp xác định các ion uranium qua các ion gây nhiễu. Sau đó, các vi cầu – có chuyển động hấp phụ nhanh và khả năng hấp phụ đáng kể – thực hiện vai trò của chúng.
Các nhà nghiên cứu cho biết, so với vật liệu hấp phụ triển vọng nhất hiện có, vật liệu hấp phụ của Trung Quốc cho thấy khả năng phát hiện "chưa từng có" với độ chọn lọc ion uranium cao hơn 43 lần so với ion vanadi.
Họ cho biết thêm rằng vật liệu hấp phụ do Trung Quốc sản xuất cũng dễ tổng hợp, xử lý và tái chế, giúp tiết kiệm chi phí với "tiềm năng đáng kể" trong việc chiết xuất uranium từ nước biển.
Uranium được khai thác truyền thống tại các mỏ quặng ở trên cạn. Ảnh minh họa: RHJ/Getty Images.
Từ những năm 1950, các quốc gia đã chạy đua để biến năng lượng hạt nhân thực sự vô tận bằng cách theo đuổi công nghệ khai thác uranium từ nước biển. Mặc dù đã có một số tiến bộ, việc chuyển đổi các phát hiện trong phòng thí nghiệm thành các dự án kỹ thuật kinh tế trên thực tế vẫn là một thách thức.
Tiến bộ khoa học trong lĩnh vực này đang được các nhà hoạch định chính sách và ngành công nghiệp hạt nhân của nhiều quốc gia theo dõi chặt chẽ, bao gồm cả Trung Quốc - quốc gia đang nhanh chóng nổi lên trở thành quốc gia dẫn đầu thế giới về năng lượng hạt nhân, SCMP nhận định.
Trung Quốc có 27 lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng, nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác, nhưng quặng uranium của nước này có chất lượng thấp nên họ phải phụ thuộc vào nhập khẩu để cung cấp nhiên liệu cho các lò phản ứng.
Trong nỗ lực đẩy nhanh việc ứng dụng công nghệ, Tập đoàn hạt nhân quốc gia Trung Quốc (CNNC) đã thành lập liên minh công nghiệp với 14 viện nghiên cứu trong nước vào năm 2019.
Vào tháng 5/2023, phó tổng giám đốc CNNC đã nhấn mạnh tầm quan trọng chiến lược của công nghệ khai thác uranium bằng nước biển.
“Việc khám phá các công nghệ phát triển nguồn tài nguyên uranium phi truyền thống và thúc đẩy các nguồn tài nguyên uranium trên đất liền và trên biển là những lựa chọn chiến lược nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững và ổn định của ngành năng lượng hạt nhân Trung Quốc” - Phó tổng giám đốc CNNC cho biết.