El tritio en el tamiz cuántico
El equipo del HZDR separa por primera vez una mezcla de isótopos de hidrógeno utilizando efectos cuánticos
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Las centrales de fusión del futuro no solo requerirán plasmas extremadamente calientes y campos magnéticos intensos, sino también un ciclo del combustible en el que los isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, puedan recuperarse, separarse y reutilizarse. Junto con sus socios, un equipo del HZDR ha demostrado ahora un método altamente eficiente para separar isótopos de hidrógeno utilizando una zeolita que contiene plata. Los experimentos con tritio radiactivo se llevaron a cabo en el laboratorio radioquímico del centro de investigación del HZDR en Leipzig. Los resultados suponen un importante avance en la separación de isótopos y sientan las bases para la recuperación y el procesamiento eficientes del tritio en los futuros ciclos de combustible de fusión.
En los reactores de fusión, el deuterio y el tritio se fusionan para liberar grandes cantidades de energía. Sin embargo, el combustible no se consume por completo. Queda una fracción significativa, junto con hidrógeno ordinario —también conocido como protio—, que puede ser el producto de reacciones secundarias con los materiales del reactor o liberarse mediante desgasificación. El resultado es una mezcla de los tres isótopos del hidrógeno que debe separarse para que el combustible pueda reutilizarse con la composición correcta.
Esta separación plantea un gran reto. Aunque los isótopos del hidrógeno —el protio, el deuterio y el tritio— contienen un número diferente de neutrones en sus núcleos atómicos, desde el punto de vista químico se comportan de forma casi idéntica. «Aquí es donde los métodos de separación convencionales alcanzan los límites de su eficiencia», explica el profesor Cornelius Fischer, catedrático adscrito conjuntamente al HZDR y a la Universidad de Leipzig y director del Departamento de Transporte Reactivo del Instituto de Ecología de los Recursos del HZDR en Leipzig. «Por ello, estamos explorando un enfoque de separación fundamentalmente diferente». Para lograrlo, él y su equipo han aprovechado un efecto de la mecánica cuántica que es especialmente notable en materiales porosos que contienen iones metálicos incrustados.
Sitios de plata en la estructura porosa
El equipo utilizó una zeolita para sus experimentos. Las zeolitas se encuentran en la naturaleza, pero también pueden producirse sintéticamente. Están compuestas por una estructura regular de átomos de aluminio, silicio y oxígeno que contiene una red de poros microscópicos. En las paredes de estas cavidades se encuentran iones con carga positiva, que pueden intercambiarse y, por lo tanto, alterar las propiedades del material. Esta es precisamente la propiedad que aprovecharon los miembros del grupo de Leipzig: la Dra. Alexandra Becker, el Dr. Holger Lippold y Jing Liu. Becker y Liu llevaron a cabo la investigación en el marco del Grupo de Formación en Investigación de la DFG «Isótopos de hidrógeno 1, 2, 3H» de la Universidad de Leipzig, mientras que Lippold, investigador postdoctoral sénior, supervisa el trabajo en el laboratorio de tritio.
El equipo utilizó una zeolita en la que los iones de sodio originales habían sido sustituidos por iones de plata. «El efecto clave se debe a la interacción entre las moléculas de hidrógeno y la estructura electrónica de los iones de plata. Esto genera un potencial de adsorción», explica Fischer. Debido a su diferente masa, los tres isótopos tienen distintas energías de punto cero, es decir, la energía mínima que posee un sistema cuántico-mecánico incluso a la temperatura del cero absoluto. Dado que el deuterio y el tritio tienen energías de punto cero más bajas que el protio, se estabilizan con mayor fuerza en el potencial de adsorción, lo que hace que se unan con mayor intensidad al material. Como resultado, los isótopos se liberan a diferentes temperaturas cuando se calienta la zeolita: el protio se desorbe primero, seguido del deuterio y, por último, del tritio.
El Dr. Michael Hirscher, del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart, aportó al estudio sus muchos años de experiencia en adsorción de hidrógeno y espectroscopia de desorción térmica. Esta técnica permite determinar las temperaturas a las que las moléculas previamente adsorbidas se liberan del material. Y esto, a su vez, revela la fuerza con la que los distintos isótopos se unen a los sitios de plata.
El tritio se une durante más tiempo
El paso decisivo fue el experimento con tritio. «Es la primera vez que se ha logrado separar una mezcla de isótopos de hidrógeno —proto, deuterio y tritio— utilizando un material sólido poroso», afirma Fischer. Tras el contacto con la zeolita que contiene plata, la mezcla que inicialmente contenía cantidades iguales de los tres isótopos salió con una proporción de H₂:D₂:T₂ de 1:41:175. Así pues, el tritio se retuvo con mucha más fuerza que el deuterio, mientras que el protio apenas se retuvo.
El material también mostró una alta selectividad en experimentos con mezclas de dos isótopos. La mayor diferencia se observó entre el tritio y el protio. «No se trata solo de diferencias marginales», explica Fischer. «El proceso de separación es muy eficiente incluso en un solo paso». Los resultados también representan un hito importante para la investigación fundamental, ya que proporcionan la primera validación experimental de predicciones teóricas relacionadas con el tritio.
Otro aspecto es la estabilidad del material. El tritio sufre desintegración radiactiva, emitiendo radiación beta que podría dañar los sitios de plata en la zeolita. Sin embargo, incluso tras varias horas de exposición al tritio, los experimentos no revelaron ninguna disminución apreciable en el rendimiento de la separación. «Esto aún no es una prueba de que sea viable para un funcionamiento técnico a largo plazo, pero sí es un indicio importante de que merece la pena seguir investigando este tipo de material», explica Fischer. No obstante, antes de que las aplicaciones técnicas sean viables, es necesario dar algunos pasos más. Los experimentos actuales se llevaron a cabo con una pequeña cantidad de material. Para instalaciones de mayor tamaño, aún habría que estudiar el diseño del proceso, la estabilidad a largo plazo y la escalabilidad. «Es evidente que nos encontramos en el ámbito de la investigación fundamental», afirma Fischer. «Nuestra tarea consiste en comprender cuantitativamente los mecanismos subyacentes y comparar diferentes materiales de forma sistemática».
Por lo tanto, la zeolita que contiene plata no supone el final de la búsqueda del equipo de Leipzig. Los investigadores tienen ahora previsto aplicar sus métodos a otros materiales porosos, explorando la cuestión fundamental: ¿cómo se pueden separar de la forma más eficiente posible isótopos que son químicamente casi indistinguibles?
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