Zilverkristal scheidt waterstofisotopen: doorbraak voor kernfusiebrandstof

Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben, samen met de Universiteit Leipzig en het Max Planck Institut für Festkörperforschung, een methode ontwikkeld om de drie vormen van waterstofgas te scheiden met behulp van een poreus kristal. Het gaat om gewone waterstof (protium), deuterium en het radioactieve tritium. Dat laatste is samen met deuterium de brandstof voor toekomstige kernfusiecentrales.

Waarom scheiden zo lastig is

In een fusiereactor versmelten deuterium en tritium tot helium, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Maar een flink deel van de brandstof reageert niet en blijft over, vermengd met gewone waterstof die vrijkomt uit reactoronderdelen. Om dat mengsel opnieuw te kunnen gebruiken, moet het worden gescheiden. Dat is lastiger dan het klinkt: protium, deuterium en tritium hebben chemisch gezien exact dezelfde eigenschappen. Het enige verschil zit in het aantal neutronen in de atoomkern, waardoor gewone chemische filters geen onderscheid kunnen maken.

Een kwantumtruc met zilver

De onderzoekers loste dit op met een zeoliet: een kristal vol microscopisch kleine kanaaltjes, in dit geval geladen met zilverionen. Wanneer waterstofgas de poriën binnendringt, trekken elektrische velden rond de zilverionen de gasmoleculen aan naar de wand van het kanaaltje. Omdat deuterium en tritium zwaarder zijn dan gewone waterstof, hebben ze een lagere kwantummechanische minimumenergie. Daardoor klampen ze zich veel steviger vast aan de zilverdeeltjes dan protium. Vervolgens verwarmen de onderzoekers het kristal geleidelijk: protium laat als eerste los bij lage temperatuur, gevolgd door deuterium, terwijl tritium pas bij de hoogste temperatuur vrijkomt. Bij een test met een gelijke mix van alle drie de isotopen verschoof de verhouding dramatisch: van 1-1-1 naar 1 deel protium, 41 delen deuterium en 175 delen tritium. Het is de eerste keer dat onderzoekers een mengsel van alle drie de waterstofvarianten met een vast poreus materiaal succesvol scheiden.

Belang voor toekomstige centrales

Voor commerciële fusiecentrales is dit een belangrijke stap. Tritium is zeldzaam en duur om te produceren, dus zonder efficiënte terugwinning zou een centrale grote hoeveelheden kostbare brandstof verspillen en moeilijk continu kunnen draaien. Het zilverkristal bleek bovendien bestand tegen straling: tijdens meerdere uren durende tests met het radioactieve tritium bleef het filtervermogen volledig intact, zonder schade aan de structuur. Onderzoeksleider Cornelius Fischer, hoogleraar aan HZDR en de Universiteit Leipzig, benadrukt dat de resultaten nog geen bewijs zijn voor langdurige technische inzet in een echte reactor, maar wel een sterke aanwijzing dat dit materiaal verder onderzoek verdient. Het team wil nu de onderliggende mechanismen beter begrijpen en verschillende materialen systematisch met elkaar vergelijken.