Немецкая команда впервые осуществила разделение смеси изотопов водорода, содержащей тритий, с использованием серебросодержащего цеолита

Команда Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) совместно с партнёрами недавно продемонстрировала новый метод разделения изотопов водорода с использованием серебросодержащего цеолита, впервые успешно осуществив разделение смеси изотопов водорода, содержащей радиоактивный тритий, с помощью пористого твёрдого материала. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Будущие термоядерные электростанции в процессе эксплуатации будут нуждаться не только в высокотемпературной плазме и сильных магнитных полях, но и в стабильной системе топливного цикла для рекуперации, разделения и повторного использования дейтерия и трития. В термоядерном реакторе дейтерий и тритий участвуют в реакции и выделяют энергию, однако топливо расходуется не полностью, и в остаточном газе может также присутствовать обычный водород (протий), образуя смесь трёх изотопов: протия, дейтерия и трития. Поскольку химические свойства этих трёх изотопов практически идентичны, эффективность традиционных методов разделения ограничена.

Исследовательская группа использовала в качестве материала цеолит Y с серебряным обменом. Цеолит обладает регулярной микропористой структурой, а ионы на стенках пор могут быть заменены, что позволяет изменять свойства материала. Исследователи заменили ионы натрия на ионы серебра, что обеспечило специфическое взаимодействие между молекулами водорода и электронной структурой ионов серебра, формируя адсорбционный потенциал. Поскольку массы протия, дейтерия и трития различаются, их энергии нулевых колебаний также различаются: энергия нулевых колебаний дейтерия и трития ниже, чем у протия, поэтому они более стабильны в адсорбционном потенциале и связываются с материалом прочнее. При нагревании три изотопа высвобождаются при разных температурах: протий десорбируется первым, затем дейтерий, и последним — тритий.

Соответствующие эксперименты с тритием были проведены в радиохимической лаборатории исследовательской базы HZDR в Лейпциге. Исследование показало, что после контакта равных объёмов смеси протия, дейтерия и трития с серебросодержащим цеолитом соотношение смеси изменяется до H₂:D₂:T₂ = 1:41:175, что свидетельствует о наибольшей степени удержания трития в материале, а дейтерий также заметно обогащается. Эксперименты со смесями двух изотопов также продемонстрировали высокую селективность, причём наиболее значительное различие наблюдалось между тритием и протием.

Исследователи также изучили стабильность материала в среде трития. β-излучение, возникающее при распаде трития, может повреждать серебряные центры в цеолите, однако в ходе экспериментов с экспозицией в течение нескольких часов не было зафиксировано измеримого снижения разделительных свойств материала. Исследовательская группа отмечает, что это ещё не доказывает его способность к долгосрочной эксплуатации в промышленных условиях, но указывает на то, что такие материалы заслуживают дальнейшего углублённого изучения.

В настоящее время данная работа находится на стадии фундаментальных исследований, а количество использованного в экспериментах материала невелико. Для потенциального масштабирования в будущем потребуется дополнительная проверка технологического проектирования, долгосрочной стабильности и масштабируемости. Исследовательская группа планирует продолжить применение этого метода к другим пористым материалам с целью поиска более эффективных способов разделения изотопов водорода, химические свойства которых практически неразличимы.