Ученые нашли новый способ разделения протия, дейтерия и трития
Наука и космос040 минут назад
Немецкие исследователи впервые смогли разделить смесь трех изотопов водорода — протия, дейтерия и трития — с использованием твердого пористого материала. Для этого они применили синтетический цеолит, содержащий ионы серебра. Эта технология может стать значимой для будущих термоядерных электростанций, которым необходимо будет возвращать несожженное топливо обратно в реактор.
Исследование было проведено специалистами Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Лейпцигского университета и Института исследования твердого тела Общества Макса Планка.
Вероятнее всего, термоядерные реакторы будущего будут функционировать на основе смеси дейтерия и трития. Однако топливо в реакторе не сгорает полностью: после реакции остаётся смесь из трех изотопов, при этом обычный водород — протий — может дополнительно образовываться в результате взаимодействия топлива с материалами конструкции реактора.
Разделить эти изотопы с помощью стандартных химических методов крайне сложно. По своим химическим свойствам они практически идентичны и различаются в основном 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 были добавлены ионы серебра.
Когда молекулы водорода проникают внутрь материала, они взаимодействуют с электронными полями серебра. Более тяжелые изотопы, такие как дейтерий и тритий, связываются с серебряными центрами значительно сильнее, чем легкий протий. После этого, постепенно нагревая цеолит, изотопы высвобождаются последовательно: сначала протий, потом дейтерий, а тритий удерживается дольше всего и требует более высокой температуры для выхода.
Эффект оказался очень заметным. В исходной смеси доля всех трех изотопов была одинаковой — 1:1:1. После одного этапа разделения соотношение изменилось примерно на 1:41:175 для протия, дейтерия и трития соответственно. Ученые называют это первым успешным разделением трехкомпонентной смеси изотопов водорода с помощью твердого пористого материала.
Этот результат особенно важен для трития. Этот изотоп радиоактивен, встречается в природе в крайне малых количествах и станет одним из самых ценных компонентов термоядерного топлива. Чем эффективнее удастся отделять его от других газов и возвращать в реактор, тем меньше будет потерь топлива и тем легче 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 к разделению изотопов.
Тем не менее, до промышленного применения этой технологии еще далеко. Лабораторный эксперимент, продолжавшийся несколько часов, не демонстрирует, сможет ли материал сохранять свои свойства на протяжении многих лет в условиях действующей термоядерной электростанции. Следующим этапом станет изучение механизма разделения, поиск более эффективных материалов и проверка их долговечности.
DexterИсточники:Interesting EngeneeringHZDRНаука и космос0Наука40 минут назад
Источник