- 研究團隊首次利用銀晶體過濾氫同位素，助力核聚變燃料回收。
- 氫同位素的化學結構相同，傳統過濾技術無法有效分離。
- 新技術利用量子物理學，實現高效的氣體分離過程。
- 實驗顯示，沸石在輻射下仍保持過濾能力，具長期研究價值。
德國的研究人員首次發現了一種利用含銀合成晶體過濾氫同位素的方法。這項技術解決了未來核融合電廠的一個關鍵工程問題，能夠回收和再利用未使用的燃料。該研究由德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茨中心的團隊成員與萊比錫大學及馬克斯·普朗克固態研究所的合作夥伴共同進行。他們的工作專注於合成沸石，這是一種充滿微觀通道的多孔材料。商業核融合反應堆將使用兩種重氫同位素的混合物，這兩種同位素分別為重氫和氚。
氫同位素分離的挑戰
在反應堆內加熱時，這些原子融合釋放出巨大的能量。研究人員在一份新聞稿中表示：「但燃料並未完全消耗，仍有相當比例的剩餘，還有普通氫，即重氫，可能是反應堆材料的副反應產物或因脱氣而釋放出來的。」回收這種氣體混合物長期以來一直是一個嚴重的技術障礙。由於重氫、重氫和氚具有完全相同的化學結構，標準的化學過濾器無法區分它們。它們僅在原子核中的中子數量上有所不同。
為了克服這一限制，研究團隊轉向量子物理學。當氫氣進入含銀的沸石腔體時，分子與銀離子周圍的電子場相互作用。HZDR 及萊比錫大學的教授科尼利厄斯·費舍爾補充道：「關鍵效應來自氫分子與銀離子電子結構之間的相互作用。」這一相互作用產生了一個力場，將氣體分子吸引到腔體壁上。由於重氫和氚比普通氫重，因此它們的量子基態能量水平較低。這一能量差異導致這兩種較重的同位素比輕重氫更緊密地鎖定在銀位點上。
研究人員然後利用熱量來分離被捕獲的氣體。隨著沸石的升温，分子根據其重量分階段釋放。普通氫在低温下首先脱附，隨後是重氫，而氚則最終脱附，需要最高的熱量來釋放。
新技術的實驗成果
在實驗室測試中，使用等量的三種同位素，該過程顯著改變了氣體平衡。輸出從均衡混合物轉變為 1 部分普通氫、41 部分重氫和 175 部分氚的比例。這標誌著科學家首次成功地使用固體多孔材料分離三種氫混合物。費舍爾解釋道：「這些並非只是微小的差異，分離過程在單一步驟中極為高效。」這一發現對於在商業核融合電廠中建立封閉循環燃料系統至關重要。如果沒有高效的燃料分離，電廠將浪費大量稀有氚，並難以維持連續運行。
含銀的晶體基質在輻射下表現出強韌性。氚會發生放射性衰變，釋放的粒子可能會隨時間降低多孔材料的性能。在多小時的暴露測試中，沸石仍然保持其完整的過濾能力而未見結構損壞。費舍爾總結道：「這尚未證明其長期技術運行的可行性，但這一類材料的研究價值值得進一步探討。我們的任務是定量理解基本機制，並系統性比較不同材料。」
新技術對核融合電廠的影響
這項新技術的發展對核融合電廠的燃料回收至關重要。隨著核融合技術的進步，如何有效回收和再利用燃料成為一大挑戰。利用銀晶體過濾氫同位素的創新方法，不僅能提高燃料的利用率，還能減少資源浪費。這對於推動核融合技術的商業化和可持續發展具有重要意義，尤其是在面臨能源需求增長的當前背景下。