ドイツの研究者たちは、銀を含む合成結晶を利用して水素同位体をフィルタリングする方法を初めて発見しました。この技術は、将来の核融合発電所における重要な工学的問題を解決し、未使用の燃料を回収して再利用することができます。この研究は、ドレスデン・ロスンドルフヘルムホルツセンターのチームメンバーがライプツィヒ大学およびマックス・プランク固体研究所のパートナーと共同で行いました。彼らの作業は、微細な通路を持つ多孔質材料であるゼオライトの合成に焦点を当てています。商業用核融合炉は、重水素とトリチウムという2種類の重水素同位体の混合物を使用します。
炉内で加熱されると、これらの原子が融合し、膨大なエネルギーを放出します。研究者たちはプレスリリースで「しかし、燃料は完全には消費されず、かなりの割合の残留物があり、通常の水素、すなわち重水素が、炉の材料の副反応生成物または脱気によって放出される可能性があります」と述べています。このガス混合物を回収することは、長い間深刻な技術的障害となっていました。重水素、重水素、トリチウムは、化学構造が完全に同じであるため、標準的な化学フィルターでは区別できません。彼らは原子核内の中性子の数だけが異なります。
ドイツの研究チームが水素同位体フィルタリング技術を成功裏に開発
この制限を克服するために、研究チームは量子物理学に目を向けました。水素ガスが銀を含むゼオライトの空間に入ると、分子は銀イオンの周りの電子場と相互作用します。HZDRおよびライプツィヒ大学の教授コーネリアス・フィッシャーは、「重要な効果は、水素分子と銀イオンの電子構造との相互作用から生じます」と付け加えました。この相互作用は、ガス分子を空間の壁に引き寄せる力場を生成します。重水素とトリチウムは通常の水素よりも重いため、量子基底状態のエネルギーレベルが低くなります。このエネルギー差により、これらの2つの重い同位体は軽水素よりも銀の位置により密接に固定されます。
研究者たちは次に、捕獲されたガスを分離するために熱を利用しました。ゼオライトの温度が上昇するにつれて、分子はその重量に基づいて段階的に放出されます。通常の水素は低温で最初に脱着し、その後重水素が続き、トリチウムは最終的に脱着し、放出するために最も高い熱が必要です。
実験室でのテストでは、同位体の3種類を等量使用したところ、このプロセスはガスのバランスを著しく変化させました。出力は均衡混合物から1部の通常の水素、41部の重水素、175部のトリチウムの比率に変わりました。これは、科学者たちが固体多孔質材料を使用して3種類の水素混合物を分離することに初めて成功したことを示しています。フィッシャーは「これらは単なる微小な差ではなく、分離プロセスは単一のステップで非常に効率的です」と説明しました。この発見は、商業用核融合発電所で閉じた循環燃料システムを確立するために重要です。効率的な燃料分離がなければ、発電所は大量の希少なトリチウムを浪費し、連続運転を維持するのが困難になります。
銀を含む結晶基質は、放射線下で強靭性を示します。トリチウムは放射性崩壊を起こし、放出される粒子は時間とともに多孔質材料の性能を低下させる可能性があります。数時間の曝露テストの間、ゼオライトはその完全なフィルタリング能力を維持し、構造的損傷は見られませんでした。フィッシャーは「これは長期的な技術運用の実現可能性を証明したわけではありませんが、この種の材料の研究価値はさらに探求するに値します。我々の任務は、基本的なメカニズムを定量的に理解し、異なる材料を体系的に比較することです」とまとめました。