Uranium hiện được đào từ mỏ: Startup muốn “thả lưới” ngoài biển để thu nó trực tiếp từ nước

Uranium dùng cho điện hạt nhân hiện bắt đầu từ quặng được khai thác trên đất liền. Nhưng đại dương cũng chứa uranium — chỉ có điều nó loãng đến mức khó tưởng tượng: khoảng 3,3 phần tỷ trong nước biển. Một startup mới nổi khỏi chế độ stealth, Fluxnium, đang đặt cược rằng thay vì đào đá rồi nghiền và xử lý quặng, họ có thể treo những sợi polymer có diện tích bề mặt rất lớn ngoài biển, để dòng nước tự mang uranium tới vật liệu.

Sau 30–60 ngày, các sợi được kéo lên, đưa về bờ để tách uranium đã bám vào chúng, rồi tái sử dụng cho chu kỳ tiếp theo. Cấu trúc triển khai mà Fluxnium mô tả gần với longline của trang trại rong biển hoặc nuôi nhuyễn thể hơn một “tấm lưới” đánh cá: những dây hấp phụ dài được treo từ phao và tiếp xúc thụ động với nước biển.

Fluxnium vừa huy động 7 triệu USD vòng seed do Congruent Ventures dẫn đầu, với sự tham gia của Active Impact Investments và Constellation Technology Ventures. Startup nói phần hóa học nền tảng được phát triển cùng một phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ và mục tiêu hiện tại không phải chứng minh uranium có thể bị hút khỏi nước biển — điều đó đã được nghiên cứu nhiều thập kỷ — mà là hạ chi phí của toàn bộ hệ thống xuống mức cạnh tranh với uranium từ mỏ.

Đại dương có rất nhiều uranium, nhưng gần như không có ở từng lít nước

Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ghi nhận nồng độ uranium trong nước biển tự nhiên khoảng 3,3 phần tỷ. Con số cực nhỏ này là lý do ý tưởng nghe vừa hấp dẫn vừa khó thực hiện. Theo ước tính thường được các chương trình nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ sử dụng, tổng lượng uranium hòa tan trong đại dương vượt 4 tỷ tấn — lớn hơn trữ lượng uranium đã xác định trên đất liền nhiều bậc.

Vấn đề không nằm ở tổng tài nguyên. Nó nằm ở mật độ. Nếu một công nghệ phải bơm khối lượng nước khổng lồ qua nhà máy chỉ để gom một lượng uranium rất nhỏ, năng lượng và thiết bị xử lý nước sẽ nhanh chóng phá hỏng bài toán kinh tế.

Đó là lý do các thiết kế hấp phụ thụ động được quan tâm. Thay vì đưa biển vào nhà máy, vật liệu được đưa ra biển và để dòng chảy tự làm công việc vận chuyển. PNNL từng mô tả các hệ hấp phụ dạng sợi hoặc braid có thể được đặt trong môi trường biển, nơi chuyển động tự nhiên của nước đưa uranium liên tục tới bề mặt vật liệu.

Sợi polymer hoạt động như một “bẫy hóa học” cho uranium

Trong các chương trình uranium-from-seawater của Bộ Năng lượng Mỹ, một trong những hướng được nghiên cứu kỹ nhất là polymer mang các nhóm hóa học có ái lực với ion uranium trong nước biển. Nhiều thế hệ vật liệu tại Oak Ridge National Laboratory và PNNL sử dụng các nhóm amidoxime được gắn lên sợi polymer diện tích bề mặt cao.

Uranium trong nước biển không trôi dưới dạng hạt kim loại. Nó tồn tại chủ yếu dưới dạng các phức uranyl hòa tan. Các nhóm chức trên polymer có thể phối trí với uranyl và giữ nó lại trên sợi, trong khi nước tiếp tục đi qua.

Đây là một bài toán chọn lọc hóa học khó hơn việc chỉ “hút kim loại”. Nước biển chứa lượng rất lớn sodium, magnesium, calcium và nhiều ion khác; các vật liệu amidoxime cũng có thể bắt vanadium. Vì vậy một adsorbent tốt phải vừa có nhiều vị trí bắt uranium, vừa cho uranium tiếp cận nhanh, vừa không bị những nguyên tố cạnh tranh chiếm hết bề mặt.

Fluxnium chưa công bố đầy đủ công thức của sợi thương mại mà họ đang phát triển. Startup nói với TechCrunch rằng họ đã cấp phép phần hóa học từ hệ thống phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Mỹ và tập trung tiếp vào cách sản xuất, cấu hình và đặc biệt là tăng diện tích bề mặt của sợi. Đây là điểm cần phân biệt: nghiên cứu DOE về amidoxime cung cấp nền tảng kỹ thuật, nhưng không nên mặc định mọi chi tiết của vật liệu Fluxnium hiện tại giống hệt một công thức PNNL hay ORNL đã công bố trước đây.

Tại sao phải treo sợi ngoài biển 30–60 ngày?

Với nồng độ chỉ vài microgram uranium trong mỗi lít nước, adsorbent cần tiếp xúc với lượng nước rất lớn trong thời gian dài. Fluxnium dự kiến bện vật liệu thành các dây dài rồi triển khai trên hạ tầng longline ngoài khơi, tương tự kỹ thuật đã dùng trong nuôi rong biển và nhuyễn thể.

Nước biển tự chảy qua vật liệu. Sau khoảng 30–60 ngày, dây được thu hồi. Uranium được elute — giải hấp khỏi polymer bằng một bước xử lý hóa học — rồi vật liệu được chuẩn bị để dùng lại.

Cách tiếp cận này đã có tiền lệ thực nghiệm. Năm 2018, PNNL và LCW Supercritical Technologies báo cáo tạo được khoảng 5 gram yellowcake từ uranium thu bằng sợi acrylic biến tính tiếp xúc với nước biển tại cơ sở nghiên cứu ở Sequim, Washington. Trong các thử nghiệm đó, khoảng hai pound sợi được đặt trong bể nước biển khoảng một tháng, với dòng nước được bơm để mô phỏng chuyển động ngoài đại dương.

Các nghiên cứu PNNL trước đó cũng đo được mức hấp phụ vài gram uranium trên mỗi kilogram adsorbent sau nhiều tuần tiếp xúc với nước biển thật. Những kết quả này chứng minh rằng hóa học hấp phụ hoạt động ngoài dung dịch uranium nhân tạo ở phòng lab. Chúng chưa chứng minh một trang trại sợi ngoài biển có thể sản xuất uranium với giá thương mại.

Thu được yellowcake chưa phải là có thanh nhiên liệu

“Thu nhiên liệu hạt nhân từ nước biển” là cách nói ngắn gọn, nhưng quy trình không kết thúc ở dây hấp phụ.

Sau khi uranium được tách khỏi sợi, nó phải được tinh sạch và chuyển thành concentrate như yellowcake. Từ đó, chuỗi nhiên liệu hạt nhân truyền thống vẫn tiếp tục: chuyển đổi hóa học, làm giàu đồng vị uranium-235 đối với phần lớn reactor hiện nay, rồi chế tạo thành nhiên liệu phù hợp với lò phản ứng.

Fluxnium vì vậy không thay thế toàn bộ fuel cycle. Nếu thành công, startup thay thế phần đầu tiên của chuỗi — nguồn uranium thô — bằng một quy trình thu hồi từ nước biển thay vì khai thác quặng.

Đối thủ lớn nhất không phải hóa học mà là chi phí ngoài khơi

Jeff Green, nhà sáng lập và CEO Fluxnium, nói với TechCrunch rằng công nghệ ở cấp national lab từng có chi phí trên 200 USD cho mỗi pound uranium thu được, cao hơn đáng kể so với nguồn cung mỏ phương Tây tại thời điểm so sánh. Fluxnium nói việc tăng diện tích bề mặt của sợi đã giúp kéo chi phí xuống, nhưng startup chưa công bố một con số chi phí hiện tại được kiểm chứng độc lập.

Đó là phần quan trọng nhất của câu chuyện. Chi phí không chỉ nằm trong ligand bắt uranium. Một hệ thương mại còn phải sản xuất lượng rất lớn sợi, lắp longline và phao, đưa chúng ra biển, thu hồi sau nhiều tuần, chống hư hại do sóng và bão, xử lý biofouling, giải hấp uranium, tái sinh vật liệu rồi lặp lại chu kỳ.

Mỗi lần tái sử dụng cũng quan trọng. Nếu sợi giữ được hiệu suất qua nhiều chu kỳ, chi phí vật liệu được phân bổ trên lượng uranium lớn hơn. Nếu adsorbent mất khả năng bắt uranium, bị bám sinh vật hoặc hỏng cơ học nhanh, lợi thế kinh tế có thể biến mất.

Nghiên cứu của PNNL đã chỉ ra thêm một biến số khác: tốc độ dòng nước và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến động học hấp phụ. Một farm ngoài biển vì thế không chỉ cần “có nước biển”; vị trí triển khai, điều kiện dòng chảy và môi trường sinh học đều có thể tác động tới sản lượng.

Không có mine tailings, nhưng cũng chưa thể gọi là không có tác động môi trường

Fluxnium và các nhà đầu tư nhấn mạnh rằng phương pháp không tạo ra tailings kiểu mỏ uranium truyền thống. Điều này đúng theo nghĩa quy trình không cần đào, nghiền và để lại khối lượng lớn đá thải chứa vật liệu phóng xạ tự nhiên.

Nhưng một hệ thống hấp phụ ngoài biển ở quy mô công nghiệp vẫn có footprint riêng. Hạ tầng longline chiếm không gian biển; vật liệu phải chịu va đập, ăn mòn và biofouling; quy trình tách uranium sau thu hồi vẫn dùng hóa chất; và bất kỳ deployment lớn nào cũng cần đánh giá ảnh hưởng tới sinh vật biển, hàng hải và vòng đời của polymer.

Hiện Fluxnium mới đang bước vào giai đoạn pilot và scale-up. Việc không có tailings mỏ là một lợi thế tiềm năng của kiến trúc này, không phải bằng chứng rằng toàn bộ vòng đời đã được chứng minh ít tác động hơn.

7 triệu USD đang tài trợ cho bước khó nhất: biến nghiên cứu thành hạ tầng

Vòng seed của Fluxnium đáng chú ý vì có sự tham gia của Constellation Technology Ventures, nhánh đầu tư của Constellation — công ty vận hành đội nhà máy điện hạt nhân lớn tại Mỹ. Nhưng khoản đầu tư không đồng nghĩa công nghệ đã đạt commercial deployment hay một hợp đồng mua uranium đã được ký.

Congruent Ventures mô tả Fluxnium là công ty muốn tạo nguồn uranium nội địa bằng adsorbent fiber thay vì quặng đá. Active Impact Investments cho biết vốn mới sẽ hỗ trợ phát triển công nghệ, pilot testing và mở rộng nền tảng sợi.

Đây cũng là lý do nên nhìn Fluxnium như một startup kỹ thuật hệ thống hơn là một startup vừa phát minh ra hóa học mới. DOE, ORNL, PNNL và nhiều nhóm quốc tế đã chứng minh uranium có thể được hấp phụ từ nước biển từ lâu. Phần Fluxnium phải chứng minh nằm ở manufacturing, marine deployment, recovery và economics.

Nếu một kg sợi bắt được nhiều uranium hơn, được dùng lại nhiều lần hơn và có thể triển khai bằng hạ tầng ngoài khơi rẻ, uranium trong đại dương có thể chuyển từ “trữ lượng khổng lồ nhưng vô dụng” thành nguồn cung thực tế. Nếu chi phí tàu, vật liệu, hóa chất và bảo trì vượt lợi ích từ adsorption, đại dương vẫn sẽ là một mỏ uranium trên giấy.

Bước tiếp theo vì thế không phải một kỷ lục hấp phụ mới trong cốc nước biển. Fluxnium cần cho thấy những longline của họ sống được ngoài biển, được thu hồi lặp lại và tạo ra yellowcake với chi phí mà utility thực sự muốn mua.

Nguồn: TechCrunch; hồ sơ portfolio của Congruent Ventures; Constellation Technology Ventures; PNNL – Seawater Yields First Grams of Yellowcake; PNNL – Characterization and Testing of Amidoxime-Based Adsorbent Materials; và PNNL – Advances in extracting uranium from seawater.