Trung Quốc đột phá công nghệ khai thác uranium từ nước biển: Bước tiến lớn về an ninh năng lượng

Trung Quốc vừa đạt được một bước tiến quan trọng trong công nghệ khai thác uranium từ nước biển, mở ra triển vọng mới cho an ninh năng lượng và sự phát triển của ngành điện hạt nhân. Các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học Biên giới về Đồng vị Hiếm của Đại học Lan Châu đã phát triển một công nghệ mới, giúp tăng hiệu suất tách uranium và vanadi lên gấp 40 lần so với các phương pháp trước đây.

Công nghệ mới và vật liệu MOFs

Công nghệ này sử dụng cấu trúc khung kim loại - hữu cơ (MOFs), nổi bật với diện tích bề mặt lớn và khả năng điều chỉnh linh hoạt. Tuy nhiên, MOFs truyền thống gặp khó khăn trong việc duy trì mật độ hoạt tính cao. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã tích hợp phân tử diphenylethylene (DAE), giúp điều chỉnh kích thước lỗ hấp thụ dưới tia cực tím. Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu mới có khả năng hấp thụ uranium lên tới 588 mg/g và tỷ lệ phân tách uranium/vanadi đạt 215, vượt xa các vật liệu trước đó.

Nhu cầu uranium và thách thức hiện tại

Khi Trung Quốc mở rộng hạ tầng năng lượng hạt nhân và tăng công suất điện, nhu cầu về uranium cũng gia tăng đáng kể. Năm 2024, Trung Quốc nhập khẩu khoảng 13.000 tấn uranium tự nhiên, trong khi sản lượng khai thác trong nước chỉ đạt khoảng 1.700 tấn. Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) ước tính, nhu cầu uranium của Trung Quốc có thể vượt 40.000 tấn vào năm 2040.

Trước thực trạng nguồn khai thác trong nước không đáp ứng được nhu cầu, các nhà khoa học Trung Quốc đã chuyển hướng nghiên cứu khai thác uranium từ đại dương. Theo ước tính, đại dương chứa lượng uranium nhiều gấp 1.000 lần so với đất liền — tương đương khoảng 4,5 tỷ tấn. Tuy nhiên, việc khai thác không hề dễ dàng do nồng độ kim loại nặng trong nước biển rất thấp — chỉ khoảng 3,3 mg mỗi tấn nước biển. Ngoài ra, sự hiện diện của nguyên tố vanadi trong nước biển, có đặc tính hóa học tương tự uranium, càng làm cho quá trình tách chiết trở nên phức tạp.

Những nỗ lực và thành tựu trước đây

Từ thập niên 1980-1990, Nhật Bản là nước đi đầu trong công nghệ khai thác uranium từ biển, khi chiết xuất được 1 kg uranium từ các thử nghiệm thực địa quy mô lớn. Năm 2019, Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc thành lập Liên minh Đổi mới Công nghệ Khai thác Uranium từ nước biển với 14 viện nghiên cứu trong nước. Trung Quốc cũng đặt mục tiêu giai đoạn 2021–2025 tái lập thành tựu của Nhật Bản; đến năm 2035 xây dựng nhà máy trình diễn quy mô lớn và tiến tới sản xuất công nghiệp liên tục vào năm 2050.

Phương pháp chiết xuất uranium bằng điện hóa

Ngoài ra, các nhà khoa học Trung Quốc từ Đại học Sư phạm Đông Bắc đã phát triển một phương pháp chiết xuất uranium từ nước biển bằng điện hóa, sử dụng điện cực phủ vật liệu khung bọt xốp (PAF). Phương pháp này nhanh hơn ít nhất 3 lần so với các cách chiết xuất hiện tại và có hiệu quả trong việc chặn lọc các tạp chất trong nước biển, đồng nghĩa với việc có thể phù hợp cho những ứng dụng quy mô lớn.

Nhà máy khai thác uranium từ nước biển

Trung Quốc cũng đang lên kế hoạch xây dựng một nhà máy lọc uranium từ nước biển, dự kiến đi vào vận hành đầy đủ trong vòng một thập kỷ tới. Công tác xây dựng có thể bắt đầu sớm nhất vào năm 2026, với công suất lọc hàng tấn uranium mỗi năm từ nước biển, được cho là có trữ lượng uranium cao gấp 1.000 lần so với lòng đất. Viện Hàn lâm Vật lý Kỹ thuật Trung Quốc, đơn vị quản lý phát triển vũ khí hạt nhân, chỉ đạo dự án cùng với sự hỗ trợ từ các viện nghiên cứu như Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.

Tầm quan trọng của uranium và triển vọng tương lai

Uranium là một nguyên tố kim loại nặng, tự nhiên có mặt trong vỏ Trái Đất, được biết đến với khả năng phóng xạ cao. Đặc biệt, uranium-235 là đồng vị có khả năng phân hạch – nghĩa là khi bị bắn phá bởi neutron, nó sẽ tách ra thành hai hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Chính đặc tính này khiến uranium trở thành nhiên liệu cốt lõi trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện. So với nhiên liệu hóa thạch, điện hạt nhân sử dụng uranium gần như không phát thải CO₂, giúp giảm thiểu tác động đến biến đổi khí hậu. Ngoài ra, lượng năng lượng sinh ra từ một khối lượng nhỏ uranium lớn hơn hàng triệu lần so với các nhiên liệu truyền thống.

Những đột phá trong công nghệ khai thác uranium từ nước biển không chỉ giúp Trung Quốc đảm bảo nguồn cung uranium bền vững và độc lập, mà còn mở ra cơ hội cho các quốc gia khác trong việc khai thác nguồn tài nguyên dồi dào này từ đại dương. Tuy nhiên, việc triển khai công nghệ này trên quy mô công nghiệp vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức, từ chi phí sản xuất, khả năng mở rộng quy mô, đến các yếu tố môi trường và chính sách quốc tế về an toàn hạt nhân.

Cơ hội và thách thức trong tương lai

Việc phát triển thành công công nghệ khai thác uranium từ nước biển có thể là chìa khóa giúp Trung Quốc — và các quốc gia khác — giải quyết bài toán an ninh năng lượng dài hạn. Khi nguồn uranium trên đất liền ngày càng khan hiếm và chi phí khai thác tăng cao, đại dương sẽ trở thành "mỏ vàng xanh" tiềm năng, với khả năng cung ứng gần như vô tận trong hàng trăm năm.

Tuy nhiên, để chuyển từ thành tựu trong phòng thí nghiệm sang khai thác quy mô công nghiệp, cần giải quyết nhiều vấn đề:

• Chi phí sản xuất: Dù hiệu suất hấp thụ uranium đã cải thiện đáng kể, việc xây dựng các hệ thống lọc nước biển khổng lồ, duy trì hoạt động ổn định và xử lý vật liệu thải vẫn là bài toán kinh tế lớn.

• Bảo vệ môi trường: Khai thác uranium từ biển cần đảm bảo không gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái biển. Việc xử lý nước sau khi lọc, kiểm soát hóa chất sử dụng và quản lý chất thải phóng xạ cần được tuân thủ nghiêm ngặt.

• Chính sách quốc tế: Với tính chất nhạy cảm liên quan đến năng lượng hạt nhân, mọi hoạt động khai thác uranium đều phải minh bạch, chịu sự giám sát chặt chẽ từ các tổ chức quốc tế như IAEA.

• Công nghệ đi kèm: Cần phát triển thêm các thiết bị và quy trình hỗ trợ như hệ thống lọc tuần hoàn, cơ chế tái sử dụng vật liệu hấp thụ, và các cảm biến giám sát tự động hóa trong điều kiện môi trường biển.

Tác động toàn cầu nếu công nghệ được thương mại hóa

Nếu Trung Quốc thương mại hóa thành công công nghệ khai thác uranium từ nước biển, điều này có thể thay đổi cục diện năng lượng toàn cầu. Một số tác động tiềm năng bao gồm:

1. Giảm áp lực nguồn cung uranium: Các quốc gia đang phát triển chương trình điện hạt nhân sẽ có thêm nguồn cung thay thế, không còn phụ thuộc quá nhiều vào mỏ uranium tự nhiên.

2. Cạnh tranh địa chính trị: Quốc gia đi đầu trong công nghệ này sẽ có lợi thế lớn về chiến lược và kinh tế, tạo ra vị thế đàm phán mạnh mẽ hơn trong các thỏa thuận năng lượng và môi trường.

3. Thúc đẩy xu hướng điện hạt nhân xanh: Khi uranium trở nên dồi dào hơn, chi phí sản xuất điện hạt nhân có thể giảm, từ đó tăng tính cạnh tranh so với năng lượng hóa thạch và năng lượng tái tạo truyền thống.

Với bước tiến mới trong công nghệ khai thác uranium từ nước biển, Trung Quốc đang dần tiến tới mục tiêu đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, giảm phụ thuộc vào nguồn cung bên ngoài, đồng thời thúc đẩy phát triển điện hạt nhân như một giải pháp xanh cho tương lai. Đây không chỉ là một thành tựu công nghệ mang tính quốc gia, mà còn là tín hiệu đáng chú ý cho toàn thế giới về một kỷ nguyên khai thác tài nguyên từ đại dương bền vững hơn.