Немецкие ученые впервые разделили смесь сразу трех изотопов водорода с помощью твердого пористого материала. Речь идет о протии, дейтерии и тритии, которые удалось разнести по разным стадиям выхода из цеолита с ионами серебра. По данным iXBT, метод может пригодиться для будущих термоядерных электростанций.
Исследование провели специалисты Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф, Лейпцигского университета и Института исследования твердого тела Общества Макса Планка. Они показали, что при нагреве материала изотопы выходят не одновременно: сначала протий, затем дейтерий, а тритий удерживается дольше остальных.
В исходной смеси доли всех трех изотопов были одинаковыми. После одного этапа разделения соотношение изменилось примерно до 1:41:175 для протия, дейтерия и трития. Авторы работы называют это первым успешным разделением трехкомпонентной смеси изотопов водорода с помощью твердого пористого материала.
В основе метода лежит синтетический цеолит с микроскопическими каналами и полостями. В его структуру добавили ионы серебра, которые создают для молекул водорода особую среду. Попадая внутрь, молекулы взаимодействуют с электронными полями серебра, и более тяжелые изотопы связываются с такими центрами заметно сильнее.
Разница между изотопами здесь не в химии, а в массе ядра. У протия нет нейтронов, у дейтерия он один, у трития — два. Именно этим квантовым отличием и воспользовались исследователи, чтобы добиться селективного удержания газов внутри материала.
После этого цеолит постепенно нагревали. При такой схеме легкий протий покидал материал первым, дейтерий выходил следом, а тритий удерживался дольше всего и требовал более высокой температуры. Обычные химические методы здесь почти не помогают, потому что изотопы различаются слабо.
Авторы работы связывают результат с будущими термоядерными реакторами, где топливом, как ожидается, станет смесь дейтерия и трития. Проблема в том, что топливо в реакторе не расходуется полностью: после реакции остается смесь из трех изотопов, а обычный водород может еще и появляться при контакте топлива с материалами конструкции.
Для такой системы особенно ценен тритий. Он радиоактивен, в природе встречается в очень малых количествах и рассматривается как один из самых дефицитных компонентов термоядерного топлива. Если его удастся эффективнее отделять от других газов и возвращать обратно в реактор, потери топлива должны снизиться, а замкнутый топливный цикл станет проще.
Исследователи отдельно проверили, выдерживает ли материал контакт с тритием. После нескольких часов воздействия цеолит сохранил структуру и способность разделять изотопы. До промышленного применения технология еще далеко.
Следующий этап, по словам авторов, включает изучение механизма разделения, поиск более эффективных материалов и проверку их долговечности.