venerdì, dicembre 14, 2007

Si può estrarre uranio dall'acqua di mare?

La scarsa disponibilità di uranio minerale è uno dei problemi dell'energia nucleare. Su questo punto, vi potete riferire, per esempio a un recente studio dell'energy watch group. Da questi studi si evince che il problema del combustibile nucleare è molto serio, con l'industria estrattiva che, negli ultimi tempi, riesce a tirar fuori soltanto il 60% circa dell'uranio necessario al parco attuale di centrali nucleari. Il restante 40% arriva dallo smantellamento di vecchie testate nucleari russe, risorsa sulla quale, ovviamente, non c'è da fare molto affidamento a lungo andare. Il problema con l'uranio sembra simile a quello del petrolio. Le risorse non sono esaurite, ma estrarle costa sempre più caro, sia in termini economici che energetici. Questo porta a prevedere un declino nella produzione futura o, comunque, grandi difficoltà per espandere la presente produzione.

Di fronte a questo problema, una risposta frequente da parte dei sostenitori dell'energia nucleare è quella relativa all'estrazione di uranio dall'acqua di mare. Si fa notare che la quantità di uranio presente negli oceani è molto grande, forse 4.5 miliardi di tonnellate, che è un buon mille volte superiore alle riserve di uranio minerale note (circa 3 milioni di tonnellate secondo la USGS). E' possibile estrarre questo uranio a costi ragionevoli?

Diciamo per prima cosa che, in termini generali, ci sono enormi difficoltà per estrarre dal mare minerali presenti in quantità infinitesimali; come nel caso dell'uranio che esiste in una concentrazione di circa 3mg/m3, ovvero 3 parti per miliardo. Nella storia dell'industria mineraria, abbiamo estratto dal mare soltanto cloruro di sodio (il comune sale da cucina) che è presente in concentrazioni dell'ordine del 3% in peso ovvero circa 10 milioni di volte più concentrato dell'uranio. Anche in questo caso, tuttavia, abbiamo preferito estrarlo, quando possibile, da miniere nell'entroterra; ovvero quello che chiamiamo "salgemma".

Tuttavia, fra i vari minerali disciolti nell'acqua di mare, dopo il cloruro di sodio l'uranio è forse quello più interessante per una possibile estrazione. Questo è dovuto al fatto che ne abbiamo bisogno in quantità relativamente limitate: la produzione di uranio minerale nel 2006 è stata di circa 40.000 tonnellate. In confronto, per esempio, estraiamo circa 15 milioni di tonnellate di rame all'anno e quasi due miliardi di tonnellate di minerali di ferro.

Si parla di estrazione di minerali dal mare fin dall'800. Negli anni fra le due guerre mondiali c'è stato qualche tentativo di estrarre oro, senza successo. Negli anni 1960 si è cominciato a parlare di estrazione di uranio. La cosa è rimasta solo allo stadio di una vaga possibilità fino a che, nel 1983, due ricercatori americani, Vernon e Shah, pubblicarono un articolo (vedi bibliografia) in cui descrivevano come una resina sintetica poteva estrarre uranio dall'acqua di mare con buona selettività e efficienza. La membrana non estrae soltanto uranio, ma anche altri elementi. Tuttavia, è possibile separare l'uranio "eluendo" la membrana, ovvero bagnandola con flussi successivi di soluzioni acide e basiche. Nel loro articolo, Vernon e Shah delineavano già una possibile procedura per un processo pratico di estrazione di uranio in quantità industriali.

Nonostante l'interesse potenziale del procedimento, l'idea non ha avuto seguito in occidente. Viceversa, in Giappone si è continuato sporadicamente a lavorare sull'argomento (vedi per esempio l'articolo di Akiba 1985). Tuttavia, a una ricerca sull'estrazione di uranio dall'acqua di mare sul database "sciencedirect," uno dei più completi disponibili, non si trova quasi niente.

Verso la fine degli anni '90, la JAEA (Japan Atomic Energy Agency) ha iniziato un programma di ricerca basato sull'uso di membrane per estrarre uranio dal mare. Questo lavoro ha generato un certo numero di pubblicazioni; di queste, la più recente è quella di Seko et al del 2003. Il lavoro dei giapponesi ha suscitato un certo interesse, che però sembra essere scomparso rapidamente. Per esempio, nel 1999, un rapporto al presidente Clinton raccomandava di studiare l'estrazione di uranio dall'acqua marina, che sarebbe diventato conveniente quando l'uranio minerale fosse costato 120 dollari per libbra. Da allora, l'uranio è arrivato a 140 dollari alla libbra nel 2007, ma di estrazione dal mare si parla pochissimo e quel rapporto è sparito anche dai file della Casa Bianca. Da quello che si può inferire dal sito della JAEA, sembra che il programma di ricerca sia stato chiuso e che, al momento, non ci sia nessuna attività nel campo.

Già da questi dati, sembrerebbe che l'estrazione di uranio dall'acqua di mare rimanga ben lontana da ogni possibilità di pratica industriale. Tuttavia, bisogna cercare di capire meglio quali sono le difficoltà e quali le prospettive di miglioramenti nel futuro. Vediamo ora di analizzare i dati disponibili.

Il problema di estrarre uranio (o qualsiasi minerale) dall'acqua di mare è l'enorme volume d'acqua da trattare per concentrare il minerale in quantità sigificative. Una centrale nucleare da 1 GW(e) consuma circa 180 tonnellate di uranio all'anno. Per ottenere questo quantitativo, tenendo conto che l'uranio è presente in concentrazioni di circa 3 mg/m3, dobbiamo trattare circa 60 miliardi di metri cubi d'acqua. Visto in un altro modo, come fa notare Michael Dittmar, una centrale nucleare ha bisogno di circa 6 g di uranio al secondo il che corrisponde a un flusso d'acqua di 2000 metri cubi al secondo. Questa è, all'incirca, la portata del fiume Reno. Dittmar fa notare che ci vorrebbe un flusso ben maggiore considerando che il processo di separazione non potrebbe essere al 100% efficiente e conclude il suo calcolo con un augurio di "buona fortuna" a chi ci vuol provare.

Il problema che Dittmar solleva è correlato all'energia necessaria per pompare tutta quest'acqua. Pomparla attraverso una membrana porosa richiede molta energia. Per dare un idea della difficoltà della faccenda, possiamo prendere a esempio i sistemi di pompaggio nelle membrane a osmosi inversa che si usano comunemente per la dissalazione dell'acqua di mare. Secondo i dati disponibili pompare attraverso una di queste membrane richiede oltre 1 kW per un flusso di 1 m3/ora.. Questo corrisponde a 3.6 MW per un flusso di 1 m3/sec. Se vogliamo pompare 2000 m3/sec attraverso una membrana "perfetta" (0vvero che assorbe il 100% di uranio) dobbiamo utilizzare una pompa che ha una potenza di oltre 7 GW. Questo per dare combustibile a una centrale da 1 GW di potenza. Messa così, evidentemente, la cosa non ha senso.

Questo esempio serve solo per dare un idea dell'ordine di grandezza dell'energia necessaria per pompare attraverso una membrana. La membrana per l'estrazione dell'uranio dovrebbe avere dei pori più grandi di quelli della membrana per l'osmosi inversa; di conseguenza avrebbe una permeabilità maggiore e richiederebbe meno energia per il pompaggio. Mancano però dati sulla permeabilità per cui non possiamo stimare questa energia. Tuttavia, è probabile che sia troppo grande per rendere la cosa pratica; infatti in nessun lavoro recente sull'estrazione di uranio dall'acqua di mare si propone di pompare acqua attraverso la membrana.

Gli esperimenti pratici di estrazione di uranio dall'acqua marina sono stati tutti fatti immergendo le membrane nell'oceano in zone dove ci sono forti correnti; in modo da sfruttare l'energia già disponibile. I Giapponesi (Seko et al. 2003) dichiarano di essere riusciti a estrarre 1 kg di "yellow cake" in 240 giorni usando 350 kg di membrana assorbente calata nell'oceano. Lo yellow cake è principalmente formato da ossido di uranio (U3O8) e possiamo prendere come la resa annuale in peso di uranio/peso di membrana è approssimativamente 3E-3.

Allora, andiamo a fare un po' di conti. La produzione totale mondiale di uranio minerale è di circa 40000 tons/anno ma, come abbiamo detto, questo non basta per fornire combustibile sufficiente alle attuali centrali; ne servono circa 65.000 tonnellate. Se volessimo produrre questa massa dal mare ci vorrebbero intorno ai 20 milioni di tonnellate di membrana immerse per un anno.

E' una bella quantità, da sola fa più della metà del totale annuale della produzione di fibre sintetiche mondiale (30 milioni di tonnellate/anno). Se volessimo espandere la produzione di energia nucleare a rimpiazzare quella dei fossili dovremmo aumentare il numero di centrali nucleari di circa un fattore 20. Siamo a 400 milioni di tonnellate di membrana. Ora, per fare membrane di fibre sintetiche, ci vuole petrolio. Ammessa una resa di processo del 30% per fare questi 400 milioni di tonnellate di fibra ci voglion0 1200 milioni di tonnellate di petrolio, oltre 8 miliardi di barili, ovvero un terzo della produzione di petrolio mondiale annuale. Evidentemente, estrarre uranio dal mare non è esattamente il modo più ovvio di liberarsi dal petrolio. Date queste quantità, evidentemente, sarebbe impensabile usare membrane di origine biologica; altrimenti ci troveremmo di fronte agli stessi problemi di occupazione di terreno agricolo che abbiamo con in biocombustibili.

Ovviamente, se la membrana è riusabile, una volta a regime ci occorrerà una produzione annuale minore di 400 milioni di tonnellate. Quanto sono riusabili queste membrane? I dati non sono sufficienti per dirlo con sicurezza, a parte che, come è ovvio, la membrana si degrada gradualmente. L'articolo dei giapponesi (Seko 2003) dice che bisogna pescare, eluire, e ri-immergere le membrane una ventina di volte in un anno per ottenere quel famoso chilogrammo di cui parlano. Durano più di un anno queste membrane? Non è chiaro; nell'articolo non ci sono dati sulla degradazione delle membrane.

Dobbiamo anche considerare la superficie occupata dal sistema di estrazione. Se facciamo il conto secondo i dati dei giapponesi, vediamo che per estrarre 1 Kg di Uranio hanno utilizzato 3 gabbioni di membrana di 16 mq di area ciascuno. Per gestirsi un'intera centrale nucleare, 180 tonnellate di uranio all'anno, dovremmo calare in mare una "diga" sommersa di più di mezzo milione di gabbie come quella usate dai giapponesi. Una diga così potrebbe essere alta 100 metri e lunga 80 km se le gabbie fossero attaccate l'una all'altra. Ma questo non andrebbe bene; una diga compatta bloccherebbe la corrente marina e bloccherebbe il flusso dell'acqua attraverso le membrane. Dovremmo lasciare ampi spazi fra gabbia e gabbia. Quanto ampi? Non abbiamo dati al riguardo, ma occuperebbe una superficie immensa. E tutta questa superficie dovrebbe essere attraversata da una corrente marina abbastanza forte, altrimenti si perderebbe in efficienza (vedi Seko 2003).

La gestione di un arnese del genere sarebbe complessa, per non dir di peggio, fra venti, tempeste, navi che passano, balene impigliate, tonni storditi, eccetera. Tenete conto anche che il mare non serve solo per estrarre uranio, e che bisognerebbe lasciare un po' di posto per altre cose, tipo la pesca e gli ecosistemi. Insomma, scalare il processo a fornire combustibile per una singola centrale è già un incubo. Figuriamoci per centinaia, o anche migliaia, di centrali.

Infine, per una valutazione completa dovremmo prendere in esame il "ciclo di vita" (LCA) di tutto il complesso processo di estrazione dell'uranio dall'acqua di mare. Il calcolo dovrebbe includere l'energia necessaria per sintetizzare le membrane, per sintetizzare le grandi quantità di acidi necessari per l'eluizione dell'uranio, i costi energetici di trasporto e per la costruzione degli impianti, l'energia necessaria per smaltire sia questi acidi sia le membrane degradate che, molto probabilmente, saranno ancora contaminate da uranio e altri metalli pesanti. Dovrebbe anche comparare questo ammontare di energia con altri usi della stessa quantità di energia, cosa che potrebbe indicare che ci sono modi migliori per utilizzarla. Su queste cose, però, la letteratura non riporta dati, per cui non siamo in grado di fare una valutazione che ci possa dare un'idea anche vaga se siamo di fronte a un ritorno energetico apprezzabile. Gli unici dati che abbiamo sono calcoli di costi, che sono molto inaffidabili e che finiscono poi col dipendere dalle fluttuazioni del mercato e, soprattutto, dai costi del petrolio.

Questa discussione non vuol dimostrare che è impossibile estrarre uranio dall'acqua di mare in quantità tali da fornire quantità di energia significative. Nemmeno voglio dire che bisogna buttar via l'idea e non pensarci nemmeno. Anzi, io credo che l'idea di estrarre minerali dal mare sia da tenere in considerazione e che il lavoro dei Giapponesi è un risultato estemamente innovativo sul quale bisogna continuare a lavorare e che si può certamente migliorare. Soprattutto se riuscissimo a sviluppare delle tecnologie nucleari molto più efficienti delle attuali, allora basterebbe meno uranio e le cose sarebbero più facili. Ma, in quel caso, probabilmente le risorse minerarie sarebbero sufficienti per un pezzo e non ci sarebbe bisogno di andare a estrarre uranio dal mare.

Però, quello che bisogna dire è che stiamo parlando è di un processo di cui si sa poco e che è pieno di incognite e di difficoltà. Nessuno può dire se si potrà mai riuscire a fare dell'estrazione dell'uranio dal mare un processo pratico. E' possibile che ci si riesca, ma si può anche sostenere che la faccenda è talmente complessa e difficile che non ci riusciremo mai. Come si sa, il cimitero delle tecnologie è pieno di lapidi con sopra scritto "il prototipo funzionava".

Se mai ci si riuscisse, non sarà in breve tempo: ci vorranno ancora anni per sviluppare gli elementi di base della tecnologia e ancora anni per industrializzarla e poi ancora per far crescere il processo industriale. Facciamo un po' di conti anche su questo: al momento di massimo sviluppo della produzione di uranio, negli anni 1950, sotto la spinta della corsa agli armamenti nucleari, la produzione cresceva di circa il 20% all'anno, ritmo che non è mai stato raggiunto di nuovo in seguito. Considerate anche che la produzione di energia eolica cresce a oltre il 30% all'anno da un quarto di secolo e che, ciononostante, ancora oggi l'eolico produce soltanto circa lo 0.5% dell'energia primaria mondiale e che, per questa ragione, viene ancora considerato un giocattolo. Da questi dati vi potete fare un'idea di quanti decenni ci potrebbero volere per far crescere la produzione di uranio dal mare a livelli tali da avere un impatto significativo sulla produzione di energia

In questo senso, è un segno di grande faciloneria ignorare il problema della scarsità di scorte minerali di uranio sulla base del discorso che "tanto lo possiamo estrarre dal mare".


Bibliografia


The extraction of uranium from seawaterby poly(amidoxime)/poly(hydroxamic acid) resins and fibre
F. Vernon and T. Shah
Reactive Polymers, Ion Exchangers, Sorbents
Volume 1, Issue 4, October 1983, Pages 301-308

Extraction of uranium by a supported liquid membrane containing mobile carrier
Talanta, Volume 32, Issue 8, Part 2, August 1985, Pages 824-826
Kenichi Akiba and Hiroyuki Hashimoto


Aquaculture of Uranium in Seawater by a Fabric-Adsorbent Submerged System
Nuclear Energy
Volume 144 · Number 2 · November 2003 · Pages 274-278
Noriaki Seko, Akio Katakai, Shin Hasegawa, Masao Tamada, Noboru Kasai, Hayato Takeda, Takanobu Sugo, Kyoichi Saito


Ringrazio Pietro Cambi, Gianni Comoretto, Massimo de Carlo, Claudio della Volpe, Marco Pagani, e Antonio Zecca per i loro commenti e suggerimenti su questo testo.



11 commenti:

Nick Van Deer Peers ha detto...

Complimenti Ugo, sei veramnete un mito, se ci fossero più persone che di impegnassero ad usare il cervello prima di usare la lingua sarebbe un bene per tutto il pianeta.
Ricordo perfettamente quando fu fatto l'annuncio della possibilità dell'estrazione di uranio dall'acqua di mare, era il 1985-86 e io facevo la terza media e ci feci pure una ricerca con glia rticoli di giornale, ora sono un po' più cresciuto e ancora non si vede nulla in merito.
Una cosa positiva la vedo nella scarsità di uranio... speriamo che nei prossima 10-15 anni si mangino tutto l'uranio disponibile fino all'ultima testata nucleare.
A presto

Lorenzo ha detto...

Ma se si sfruttasse direttamente l'energia delle correnti marine piazzando turbine invece che gabbie, non sarebbe molto più semplice, economico, ecologico (non ci sarebbero più scorie radioattive), sicuro (non ci sarebbe bisogno di centrali nucleari). Inoltre l'energia fornita dovrebbe essere maggiore e durerebbe fino a quando ci sono le correnti.

Anonimo ha detto...

Grande pagina! A parte l'uranio, evidenzia come ignorare la scala di un problema significhi prendere delle cantonate di tutto rispetto. Temo che moltissime delle idee che sentiamo proporre e riproporre siano valide a livello di prototipo (e magari funzionano già a dovere, a quel livello) ma siano destinate a fallire miseramente se rapportate alle esigenze di un sistema smisurato. Ergo, il primo passo da intraprendere, preliminarmente o contestualmente a qualsiasi altro, dovrebbe essere il ridimensionamento del sistema umano nelle varie realtà locali. Mi astengo dal suggerire su quale parametro sarebbe più urgente intervenire a quel fine, tanto l'avrete intuito.

Ops... sotto sotto, mi è di nuovo scappato un tabù in pubblico. :)

Frank Galvagno ha detto...

Mi unisco al commento di Nick.

Personalmente, sono un po' meno ottimista sulla fattibilità di membrane così mastodontiche.

Weissbach ha detto...

E io mi unisco al commento di tutti,
soprattutto all'anonimo e al suo tabù!

Ugo Bardi ha detto...

Dunque, conviene di più estrarre uranio da una corrente, o usarla per mandare una turbina sommersa?

Beh, vediamo. Abbiamo detto che ci vogliono 2000 m3 di acqua a 1 m/sec per rifornire una centrale da 1 GW(e). Gli stessi 2000 m3 a 1 m/s portano una potenza di 1E6 W, ovvero 1 MW.

In principio, conviene estrarre uranio, ma ho anche il dubbio che l'efficienza di una turbina sommersa sia molto superiore nello sfruttare la corrente di quanto non sia il laborioso processo di estrazione dell'uranio. Ci può stare un fattore 1000? Perché no?

Lorenzo ha detto...

In effetti per l'efficienza della turbina mi ero rifatto al calcolo dell'energia necessaria a pompare l'acqua sulle membrane (che esa 7 volte superiore a quella che avrebbe rifornito l'uranio). Non avevo tenuto conto della notevole resistenza opposta dalla membrana.
Piccolo errore di un fattore 7.000!!

Phitio ha detto...

Bisogna quantificare l'energia necessaria per effettuare la produzione, manutenzione e smaltimento degli impianti a membrana, e secondo me, se ci sommiamo anche i costi "normali" del ciclo di vita di un impianto nucleare, siam ben al di sopra dei costi di gestione di turbine marine.
Secondo me, ci sta' anche un fattore 10.000 se includiamo anche l'inquinamento evitato.

Mi era sembrato di capire da altri scritti , che gia' adesso il nucleare ha costi reali (sul ciclo di vita) paragonabilia quelli dell'eolico. Se ci aggiungiamo anche i costi di estrazione dell'uranio dal mare (che secondo me sono decisamente invasivi e a basso rendimento, molto peggio di un comune pannello fotovoltaico) siamo decisamente fuori mercato.
Ah, dimenticavo, lo Yellow cake deve essere riprocessato per essere utilizzato, e per farlo ci vuole un fracco si energia.

Saluti

Mah ha detto...

A proposito, come la mettiamo coi sedimenti, il plankton animale e vegetale, i batteri e tutte le altre cose che galleggiano nel mare, che verranno inevitabilmente a intasare i filtri dopo pochi giorni?

Ugo Bardi ha detto...

Plankton, spugne, eccetera non sembrano intasare i micropori della membrana, almeno a quanto dicono i giapponesi. Si attaccano all'esterno e li si possono rimuovere con uno specifico trattamento di eluzione in acqua dolce (altre risorse da utilizzare....)

luca ha detto...

esauriente e precisissimo. i miei complimenti.