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.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.