ПРИЛОЖЕНИЕ 8. ОЦЕНКА СТОИМОСТИ ДОБЫЧИ УРАНА ИЗ МОРСКОЙ ВОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НА ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОЙ ТЕХНОЛОГИИ

    С целью оценки технических проблем, связанных с практическим применением поглотителя из волокна амидоксима, синтезированного методом радиационной графтполимеризации, определены затраты на добычу урана из морской воды. Затраты на производство адсорбента, его размещение и обслуживание на глубине, на элюирование урана из адсорбента определялись для трех вариантов размещения адсорбента в морской воде: притопленная система, плавучая конструкция и вариант "цепочка". Стоимость добычи, по оценкам, в 5-10 раз выше стоимости добычи урана на существующих горнодобывающих комбинатах. Более 80% общих затрат составляет стоимость оборудования для размещения и эксплуатации адсорбента в морской воде, которая определяется металлоконструкциями. Не исключено, что стоимость можно сократить вдвое за счет снижения веса крепления. Повышение поглощающей способности адсорбента также является проблемой для будущих исследований, поскольку стоимость напрямую зависит от характеристик адсорбента.

1. Введение

    В настоящее время мощность атомных электростанций в Японии составляет 43 МВт, и на долю АЭС приходится 34% всей производимой в стране электроэнергии. Для производства энергии на АЭС ежегодно требуется 8500 тонн урана, и эти потребности полностью покрываются за счет импорта. По оценкам, суммарные запасы урана в мире в доступной руде составляют свыше 5 миллионов тонн, и в соответствии с оценками мировых потребностей урана предполагается, что дефицит в этом материале проявится через 50-60 лет.

Запасы урана равномерно распределены в морской воде. Поскольку величина этих запасов огромна (4,5 миллиарда тонн), эти ресурсы можно считать практически безграничными. Даже если использовать лишь часть запасов урана в морской воде, то сырьем в течение длительного времени будет обеспечена вся мировая атомная энергетика.

Тем не менее, концентрация урана в морской воде низка и составляет 3,3 мг/м³ (по другим справочным данным - 1,5 мг/м³). Уран является тридцать первым элементом по распространению в морской воде, и его концентрация составляет 1/50 концентрации лития. Хотя исследования в области разработки методов добычи этого элемента на основе неорганических адсорбентов, например, соединений окисей титана и других, ведутся с 60-х годов ХХ века в Великобритании, Франции, Германии, Японии, в настоящее время темпы таких исследований существенно замедлились в связи с низкой эффективностью технологии.

В отделении радиационной химии Такасаки Института атомных исследований Японии продолжаются исследовательские работы по производству адсорбента на основе полимерного волокна. Синтезированы адсорбенты, среди которых существует группа амидоксимов, селективно поглощающая тяжелые металлы, причем поглощающая способность адсорбентов повышена. Этот полимер характеризуется высокой поглощающей способностью урана по сравнению с традиционным титаново-оксидным поглотителем. Такой адсорбент для усиления контакта с морской водой может использовать морские течения или энергию приливов. Адсорбент с 1996 года испытывался в реальных условиях для добычи микроэлементов, в том числе урана, на базе малогабаритной установки якорного типа. Стало очевидным, что использование такого адсорбента делает реальной добычу урана из морской воды с более высокой эффективностью по сравнению с ранее существовавшими способами.

В целях создания экономичных технологий добычи урана из морской воды и изучения проблем, которые, возможно, предстоит решить в будущем, были сделаны оценки стоимости различных этапов процесса добычи урана.

Добыча урана из морской воды состоит из трех этапов: синтез адсорбента, поглощение урана, десорбция-очистка. На стадии синтеза адсорбента последний производится из материала-предшественника в виде сетчатой ткани (некрученая основа), которая изготовляется методом соединения волокнистого материала (главным образом, полиэтилена). На стадии поглощения металла амидоксимный адсорбент контактирует с морской водой, поглощая растворенный в воде уран. После определенного периода времени адсорбент поднимается на поверхность. Поглощенный уран выделяется на стадии десорбции-очистки. Кроме того, после десорбции адсорбент восстанавливается за счет его обработки в щелочной среде и затем вновь используется для поглощения металла. Адсорбент, поглощающая способность которого существенно снизилась, заменяется новым.

Экономичность получения урана из морской воды в 1993 году оценивалась в работе Нобукава и Китамура по данным разработки адсорбента на амидоксимной основе, создаваемого в отделе радиационной химии Такасаки. В данном отчете в предположении использования фиксированной цилиндрической системы, описанной ниже, рассматриваются три варианта добывающих установок, приводятся оценки стоимости синтеза адсорбента, создания системы поглощения урана и десорбции-очистки. Изучаются проблемы повышения экономичности.

Рисунок 1 - Процесс получения урана из морской воды

2. Поглощающая способность и синтез адсорбента для выделения урана из морской воды

    Процесс производства амидоксимного адсорбента разработан в Институте атомных исследований Японии. Материал-предшественник представляет собой некрученую ткань, главным образом, полиэтиленовую. Это материал того же типа, который используется в качестве заграждений в борьбе загрязнением океана нефтепродуктами. Материал подвергается облучению пучком электронов большой энергии (2 МэВ), а затем проходит стадию графт-полимеризации с применением акрилонитрила. Цианогруппа (-С=N) этого материала вступает в химическую реакцию с гидроксиламином, образуя амидоксимную группу.

Две из этих амидоксимных групп захватывают один ион тяжелого металла. Уран растворен в морской воде в виде ионов трикарбоната уранила. Предполагается, что ион уранила захватывается в результате формирования комплексообразующих связей с амидоксимом. Когда захваченный таким образом ион металла погружается в кислотную среду, ион десорбирует из амидоксимной группы и переходит в водную среду. Амидоксимная группа, из которой десорбировал ион, в основном сохраняет поглощающую способность и продолжает захватывать ионы металла в морской воде. Таким образом, существует возможность повторного захвата. Расчетная стехиометрическая поглощающая способность этого адсорбента применительно к урану составляет 500 г на килограмм адсорбента, учитывая концентрацию амидоксимных групп. Результаты лабораторных исследований при больших концентрациях ураниловых растворов указывают именно на такую поглощающую способность.

В ходе предварительных экспериментов по выделению тяжелых металлов из морской воды слои адсорбента толщиной 1 мм, размером 30 на 15 см группировались в контейнере из металлической сетки диаметром 50 см, имея общий вес порядка 1 кг. Контейнер крепился с помощью якоря на глубине 10 м (температура воды около 20°С) на расстоянии 6 км от берега у полуострова Шимо-Кита. Адсорбент контактировал с океанским течением (средняя скорость 0,1 м/сек) и поднимался на поверхность каждые 20 дней, при этом проверялась поглощающая способность адсорбента. Количество поглощенного материала возрастало в зависимости от времени, и за 60 дней было извлечено 2 г урана на 1 кг адсорбента.

На поглощающую способность адсорбента существенное влияние оказывает температура соленой воды. Эксперименты показывают, что при температуре воды выше 10°С скорость адсорбции возрастает примерно в третьей степени. Кроме того, скорость адсорбции растет с увеличением объема водной среды, с которой взаимодействует адсорбент. По данным лабораторных исследований, при температуре 25°С в течение 20 дней количество поглощенного урана составило 3 г на 1 кг адсорбента. Эта характеристика адсорбента получена на основе данных для адсорбента, изготовленного из волокна диаметром 40 мкм. В ходе последних исследований подтверждено, что поглощающая способность возрастает примерно в два раза, если используется волокно меньшего диаметра, которое увеличивает в три раза удельную площадь поверхности адсорбента. Отмечено, что поглощающая способность падает при многократном использовании материала адсорбента. Снижение составило 20% после 5-кратного использования образца. Это обусловлено снижением свойств адсорбента в результате воздействия кислотного раствора, используемого для десорбции урана из группы амидоксимов. Сейчас ведутся исследования с целью предотвращения этого ослабления поглощающей способности. Предполагается, что этого можно добиться за счет усовершенствования метода десорбции в результате применения органической кислоты.

Несмотря на то, что адсорбент находится в стадии разработки, и задачи повышения поглощающей способности до сих пор до конца не решены, оценки ориентировочной стоимости проводились в предположении промышленной готовности продукта. При оценке предполагалось, что работы ведутся у побережья Японии с высокой скоростью подводного течения. Предполагалось, что в течение 60 дней количество адсорбированного урана составляет 6 г на 1 кг адсорбента (то есть в 2-3 раза больше указанных выше экспериментальных величин). Поскольку по результатам последних исследований повышение поглощающей способности адсорбента можно считать реальным, оценка стоимости проводилась также и для случая, когда поглощающая способность достигнет 10 г урана на 1 кг адсорбента.

3. Монтаж добывающей установки и оценка ориентировочной стоимости

    3.1. Основные условия

Основные условия использования установки представлены в таблице 1. По этим условиям, установка монтируется в акватории с относительно высокой скоростью и температурой течения у побережья Японии. С учетом реальной площади поверхности адсорбента количество поглощенного урана предполагается равным 1200 тоннам в год. Этот объем равен количеству, необходимому для работы восьми АЭС мощностью по 1 ГВт-эл. Срок работы установки в 60 суток определялся исходя из двух взаимосвязанных факторов: количество адсорбированного материала постепенно достигает уровня насыщения в зависимости от длительности работы установки, а стоимость подъема адсорбента и десорбции уменьшается по мере увеличения срока работы установки. Поэтому за среднегодовой срок работы взят период в 300 дней, а частота подъема материала составляет 5 раз в год. Предполагалось, что один и тот же адсорбент используется 20 раз. Такая цифра взята потому, что микроорганизмы со временем срастаются с адсорбентом, и это затрудняет процесс его обработки.

3.2. Монтаж добывающей установки

Добывающая установка на базе адсорбента для своей работы использует энергию океанического течения для обеспечения максимального взаимодействия между адсорбентом и большим объемом морской воды. По условиям, приведенным в таблице 1, необходимое количество адсорбента (то есть количество, определяемое на период нахождения установки на якорном креплении) составляет 40000 тонн, а количество, потерянное в результате утраты адсорбентом поглощающих свойств, - 10000 тонн в год (25%).

Адсорбент используется в виде полос волокон шириной 15 см, наложенных слоями на прокладку и свернутых в барабан. Этот барабан помещен в контейнер (поглощающий блок имеет вид цилиндрического барабана 4 м в диаметре). В один поглощающий блок укладывается 125 кг адсорбента. За 60 суток одним блоком адсорбируется 750 г урана. Поглощающие блоки объединены стяжкой с интервалами между ними 0,5 м, образуя, таким образом, единый модуль.

Рассмотрены три варианта фиксации поглощающих модулей: а) притопленный; (b) плавучий; и с) "цепочка". В случае притопленного или плавучего метода последовательно объединяются 100 поглощающих блоков, образуя один модуль. В варианте "цепочка" вместе последовательно соединяются 10 блоков, образуя единый модуль. Процесс десорбции и очистки после адсорбирования урана из морской воды одинаков для всех вариантов добывающей установки.

3.3. Производство адсорбента

Для запуска добывающей установки необходимо произвести 40000 тонн адсорбента, и после этого необходимо производить по 10000 тонн этого материала ежегодно для обновления адсорбента в процессе добычи урана. Мы провели расчеты стоимости производства 10000 тонн адсорбента ежегодно. Результаты расчетов приведены в таблице 2. Основная часть расходов приходится на производство материала-предшественника. Если предположить возможность расширения производственной базы для получения 40000 тонн материала ежегодно, рост стоимости оборудования не удается снизить более чем в два раза. Исходя из этих оценок, стоимость производства адсорбента составит 493 тысячи йен за тонну. Количество добытого урана равно 120 кг на тонну адсорбента при условии 20-кратного повторного использования материала. Поэтому стоимость производства адсорбента, необходимого для получения 1 кг урана из морской воды, оценивается в 4100 йен.