PhosCage là gì và vì sao đây là bước ngoặt vật liệu hạt nhân mới?
Công nghệ khai thác uranium biển bằng vật liệu hấp phụ PhosCage là một phương pháp mới dùng cấu trúc giống bọt biển ở cấp độ phân tử, tích hợp các nhóm phosphate để “bẫy” chọn lọc ion uranium cực loãng trong nước biển và tái sử dụng nhiều chu kỳ, nhờ đó nâng hiệu suất khai thác lên mức cao hơn đáng kể các thế hệ vật liệu trước đây. Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Năng lượng Sinh học và Công nghệ Quá trình Thanh Đảo, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển vật liệu PhosCage như một dạng vật liệu hạt nhân mới dành riêng cho mục tiêu thu uranium từ môi trường biển. Trong thử nghiệm với nước biển tự nhiên, họ ghi nhận mức hấp phụ tối đa 50,4 mg uranium trên mỗi gram vật liệu, cao hơn hơn 8 lần so với mục tiêu 6 mg/g từng được Bộ Năng lượng Mỹ đặt ra trước đây.
Hiệu suất gấp 8 lần mục tiêu Mỹ: ý nghĩa thật sự là gì?
Ở góc độ kỹ thuật, con số 50,4 mg uranium trên mỗi gram vật liệu hấp phụ không chỉ là một kỷ lục phòng thí nghiệm mà còn là lời khẳng định rằng “mốc 6 mg/g không còn là trần hiệu suất”. Khi Bộ Năng lượng Mỹ dừng chương trình khai thác uranium biển vào năm 2018 vì chi phí cao và hiệu suất chưa đủ hấp dẫn, những vật liệu tốt nhất chỉ đạt khoảng 6 mg/g sau thời gian ngâm dài trong nước biển. PhosCage nâng trần hiệu suất lên hơn 8 lần, cho thấy khoảng cách vật liệu giữa thế hệ cũ và mới là rất lớn. Không chỉ vậy, khi chuyển sang dạng hạt vài milimet để thuận tiện cho triển khai thực tế, vật liệu vẫn thu được khoảng 22,55 mg uranium trên mỗi gram và duy trì hoạt động qua bảy chu kỳ tái sử dụng. Đây là minh chứng rõ ràng rằng hiệu suất khai thác cao có thể đi cùng khả năng tái dùng – yếu tố sống còn nếu muốn tiến tới quy mô công nghiệp.
Kho 4,5 tỷ tấn uranium trong đại dương: cơ hội hay ảo tưởng?
Vấn đề cốt lõi khiến công nghệ khai thác uranium biển được quan tâm là quy mô tài nguyên: các nhà khoa học ước tính lượng uranium hòa tan trong đại dương lên tới khoảng 4,5 tỷ tấn. Con số này vượt xa trữ lượng uranium đã biết trên đất liền (khoảng 7,9 triệu tấn) và biến biển thành một “kho năng lượng hạt nhân” về mặt lý thuyết. Mỗi tấn nước biển chỉ chứa khoảng 3,3 mg uranium, nên để thu được một lượng uranium đáng kể, hệ thống phải xử lý khối lượng nước khổng lồ. Thêm vào đó, uranium phải cạnh tranh với hàng loạt nguyên tố hòa tan khác, trong đó vanadium là trở ngại lớn vì có thể chiếm cùng vị trí hấp phụ. Hiệu suất khai thác cao của PhosCage, nhất là khả năng ưu tiên giữ uranium so với vanadium ở dạng hạt, cho thấy “kho 4,5 tỷ tấn” không còn là ảo tưởng hoàn toàn, mà đang dần bước vào vùng khả thi về mặt kỹ thuật.
Tại sao Trung Quốc cần PhosCage và bài học cho chiến lược năng lượng
Công nghệ mới này xuất hiện trong bối cảnh nhu cầu uranium của Trung Quốc tăng nhanh cùng tốc độ mở rộng điện hạt nhân. Các mỏ trong nước chỉ sản xuất khoảng 1.600 tấn uranium trong khi các lò phản ứng cần khoảng 13.000 tấn, tạo ra khoảng cách lớn và phụ thuộc đáng kể vào nhập khẩu. Khai thác uranium biển với vật liệu hạt nhân mới như PhosCage vì thế mang ý nghĩa chiến lược: nếu thành công, nó có thể giảm rủi ro nguồn cung trên đất liền và đa dạng hóa kênh cung cấp nhiên liệu cho các lò phản ứng. Ở cấp độ khu vực, ai làm chủ được vật liệu có hiệu suất khai thác cao từ nước biển sẽ sở hữu một “lá bài dài hạn” trong bài toán năng lượng. Tuy vậy, việc phụ thuộc vào kết quả phòng thí nghiệm mà xem đây là lời giải hoàn chỉnh cho an ninh năng lượng sẽ là sai lầm, bởi chi phí và triển khai ngoài biển chưa hề được giải quyết.
Từ phòng thí nghiệm ra đại dương: những câu hỏi còn bỏ ngỏ
Nhóm nghiên cứu thừa nhận khoảng cách từ phòng thí nghiệm đến khai thác trên biển vẫn còn rất lớn. Hiện tại, họ mới dừng ở bước lấy khoảng 25 lít nước biển ngoài khơi Thanh Đảo, đưa qua hệ thống dòng chảy trong phòng thí nghiệm để đánh giá vật liệu. Vật liệu PhosCage chưa được thả trực tiếp trong đại dương thời gian dài, nơi sóng, dòng chảy, sinh vật biển, bùn và các lớp bám sinh học có thể làm giảm mạnh hiệu suất. Quan trọng hơn, hai nghiên cứu chưa công bố chi phí sản xuất mỗi kilogram uranium thu được, dù đây là yếu tố quyết định khả năng thương mại hóa. Nhóm cho biết bước tiếp theo sẽ là tăng quy mô sản xuất vật liệu, thử nghiệm trong điều kiện biển thực tế và giảm tổng chi phí khai thác. Cho đến khi những câu hỏi đó có lời giải, PhosCage nên được xem như một bước tiến vật liệu đầy hứa hẹn, chứ chưa phải “cây đũa thần” cho mọi chiến lược năng lượng hạt nhân.
