Сито 21-го века: ученые впервые разделили три изотопа водорода с помощью пористого материала
Немецкие ученые впервые смогли разделить смесь сразу трех изотопов водорода — протия, дейтерия и трития — с помощью твердого пористого материала. Для этого они использовали синтетический цеолит с ионами серебра. Технология может оказаться важной для будущих термоядерных электростанций, которым потребуется возвращать несгоревшее топливо обратно в реактор.
Ученые нашли новый способ разделения протия, дейтерия и трития
Исследование провели специалисты Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Лейпцигского университета и Института исследования твердого тела Общества Макса Планка.
Термоядерные реакторы будущего, скорее всего, будут работать на смеси дейтерия и трития. Однако топливо в реакторе не расходуется полностью: после реакции остается смесь из трех изотопов, причем обычный водород — протий — может дополнительно появляться при взаимодействии топлива с материалами конструкции реактора.
Разделить эти изотопы обычными химическими методами крайне сложно. По химическим свойствам они практически одинаковы и отличаются главным образом массой ядра: у протия нет нейтронов, у дейтерия один, а у трития два.
Исследователи использовали другое различие — квантовые свойства, связанные с массой изотопов. В качестве своеобразного фильтра выступил синтетический цеолит с микроскопическими каналами и полостями, в структуру которого добавили ионы серебра.
Попадая внутрь материала, молекулы водорода взаимодействуют с электронными полями серебра. Более тяжелые дейтерий и тритий связываются с серебряными центрами значительно сильнее, чем легкий протий. Если затем постепенно нагревать цеолит, изотопы высвобождаются последовательно: сначала протий, затем дейтерий, а тритий удерживается дольше всего и требует более высокой температуры для выхода.
Эффект оказался весьма заметным. В исходной смеси доля всех трех изотопов была одинаковой — 1:1:1. После одного этапа разделения соотношение изменилось примерно до 1:41:175 для протия, дейтерия и трития соответственно. Ученые называют это первым успешным разделением трехкомпонентной смеси изотопов водорода с помощью твердого пористого материала.
Особенно важен результат для трития. Этот изотоп радиоактивен, встречается в природе в крайне небольших количествах и станет одним из самых ценных компонентов топлива термоядерных реакторов. Чем эффективнее его удастся отделять от других газов и возвращать в реактор, тем меньше будет потерь топлива и тем проще окажется создание замкнутого топливного цикла.
Исследователи также проверили, насколько материал способен выдерживать контакт с тритием. После нескольких часов воздействия цеолит сохранил структуру и способность разделять изотопы.
До промышленного применения технологии пока далеко. Лабораторный эксперимент продолжительностью несколько часов не показывает, сможет ли материал сохранять свойства годами в условиях работающей термоядерной электростанции. Следующим этапом станут изучение механизма разделения, поиск более эффективных материалов и проверка их долговечности.