Ученые достигли прорыва: разделение изотопов водорода с помощью пористого материала

Ученые нашли новый способ разделения протия, дейтерия и трития

Германские исследователи впервые смогли отделить смесь трех изотопов водорода — протия, дейтерия и трития — с использованием твердого пористого материала. Для этого был применен синтетический цеолит, содержащий ионы серебра. Эта технология может оказаться значимой для будущих термоядерных электростанций, которым необходимо будет возвращать несгоревшее топливо обратно в реактор.

Исследование было проведено специалистами Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Лейпцигского университета и Института исследования твердого тела Общества Макса Планка.

Термоядерные реакторы будущего, вероятнее всего, будут функционировать на смеси дейтерия и трития. Однако топливо в реакторе не сгорает полностью: после реакции остается смесь из трех изотопов, причем обычный водород — протий — может дополнительно образовываться в результате взаимодействия топлива с материалами конструкции реактора.

Разделение этих изотопов с помощью стандартных химических методов представляется крайне сложным. По своим химическим свойствам они практически идентичны и отличаются преимущественно массой ядра: протий не содержит нейтронов, дейтерий имеет один, а тритий — 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 были добавлены ионы серебра.

При попадании 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 впечатляющим. В исходной смеси доля всех трех изотопов была равной — 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 этот результат для трития. Этот изотоп радиоактивен, встречается в природе в крайне малых количествах и станет одним из самых ценных компонентов топлива термоядерных реакторов. Чем эффективнее удастся отделять его от других газов и возвращать в реактор, тем меньше будет потерь топлива и тем проще будет создать замкнутый топливный цикл.

Исследователи также проверили, насколько материал способен выдерживать контакт с тритием. После нескольких часов воздействия цеолит сохранил свою структуру и способность разделять изотопы.

До промышленного использования технологии еще далеко. Лабораторный эксперимент, длившийся несколько часов, не показывает, сможет ли материал сохранять свои свойства на протяжении многих лет в условиях работающей термоядерной электростанции. Следующим этапом станет изучение механизма разделения, поиск более эффективных материалов и проверка их долговечности.