Eine bahnbrechende Entwicklung in der Isotopentrennung hat ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) erzielt. In Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen gelang es den Wissenschaftlern, das Wasserstoff-Isotopengemisch, bestehend aus Protium, Deuterium und Tritium, durch Quanteneffekte effizient zu trennen. Diese Methode könnte entscheidend für die Brennstoffzirkulation in zukünftigen Fusionskraftwerken sein, wo Wasserstoffisotope als Brennstoffe dienen.
Fusionskraftwerke erfordern nicht nur hohe Temperaturen und starke Magnetfelder, sondern auch einen effektiven Kreislauf zur Rückgewinnung und Trennung der Wasserstoffisotope. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium werden große Energiemengen frei, jedoch bleibt ein erheblicher Teil des Materials ungenutzt. Außerdem kann durch Nebenreaktionen mit den Reaktormaterialien oder durch Ausgasungen gewöhnlicher Wasserstoff (Protium) entstehen. Das resultierende Gemisch aus den drei Wasserstoffisotopen muss getrennt werden, um eine optimale Brennstoffzusammensetzung zu gewährleisten. Die Herausforderung hierbei ist, dass die Isotope zwar unterschiedliche Neutronenanzahlen im Atomkern besitzen, sich jedoch chemisch nahezu identisch verhalten.
Prof. Cornelius Fischer, der die Abteilung Reaktiver Transport am HZDR leitet, hebt hervor, dass herkömmliche Trennmethoden an ihre Grenzen stoßen. Daher suchte sein Team nach alternativen Verfahren. Sie entdeckten, dass ein silberhaltiger Zeolith, ein poröses Material, die Eigenschaften der Wasserstoffisotope durch quantenmechanische Effekte gezielt beeinflussen kann.
Zeolithen sind natürliche oder synthetisch hergestellte Materialien, die aus einem regelmäßigen Gerüst aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen bestehen und zahlreiche kleine Poren enthalten. Diese Poren können positiv geladene Metallionen wie Silber einlagern, was die chemischen Eigenschaften des Materials verändert. Das Team, bestehend aus Dr. Alexandra Becker, Dr. Holger Lippold und Jing Liu, erprobte einen speziellen Zeolith, bei dem die Natriumionen durch Silberionen ersetzt wurden.
Die Trennung basiert auf der Wechselwirkung zwischen den Wasserstoffmolekülen und der elektronischen Struktur der Silberionen. Da die drei Wasserstoffisotope unterschiedliche Masse und damit verschiedene Nullpunktsenergien besitzen, werden Deuterium und Tritium energetisch stärker stabilisiert und bevorzugt adsorbiert. Während des Erwärmungsprozesses entweichen die Wasserstoffisotope nicht gleichzeitig: Zuerst verlässt Protium das Material, gefolgt von Deuterium und schließlich Tritium.
Dr. Michael Hirscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung führte umfangreiche Experimente zur Wasserstoffadsorption durch, um die Trennprozesse zu verstehen. Mit der Methode der thermischen Desorptionsspektroskopie gelang es, die Temperaturen zu bestimmen, bei denen die gebundenen Moleküle aus dem Material entweichen. Diese Erkenntnisse zeigten, dass Tritium besonders stark am Zeolith gebunden bleibt, während Protium nahezu gar nicht haftet.
Der Erfolg dieser Trennungstechnik ist bemerkenswert: Zum ersten Mal wurde ein Wasserstoffisotopengemisch effizient getrennt, wobei nach der Behandlung mit dem Zeolithen ein Verhältnis von 1:41:175 für H₂:D₂:T₂ erreicht wurde. Dies bedeutet, dass Tritium stark gebunden bleibt, während Deuterium und Protium deutlich weniger anhaftend sind. Fischer betont die Effizienz des Verfahrens, das bereits bei einmaliger Anwendung beeindruckende Ergebnisse liefert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Stabilität des verwendeten Materials. Tritium ist radioaktiv und zerfällt, was die Frage aufwirft, ob die Silberzentren im Zeolith durch diese Strahlung beeinträchtigt werden. In den durchgeführten Experimenten zeigte sich jedoch, dass die Trennleistung nach mehreren Stunden Kontakt mit Tritium konstant blieb. Dies ist ein vielversprechendes Zeichen für die zukünftige Anwendung des Materials, auch wenn noch zusätzliche Untersuchungen zur Langzeitstabilität und Skalierbarkeit erforderlich sind.
Das HZDR-Team plant, ihre Methoden auf weitere poröse Materialien zu übertragen und die Mechanismen der Isotopentrennung weiter zu erforschen. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung könnten nicht nur zur Weiterentwicklung von Fusionskraftwerken beitragen, sondern auch neue Wege zur Trennung von chemisch ähnlichen Isotopen eröffnen.
