Квантовое сито для трития: физики придумали, как ловить топливо, которого почти нет

Тритий сейчас примерно самое дорогое вещество, которое человечество умеет производить в заметных количествах: килограмм оценивают в десятки миллионов долларов. В природе его почти нет, он радиоактивен, и половина запаса распадается за 12 лет. При этом именно тритий вместе с дейтерием считается топливом для первого поколения термоядерных реакторов. Без него не заработают ни ITER, ни DEMO, ни частные проекты, обещающие энергию из плазмы в тридцатых годах.

Отдельная сложность связана с возвратом трития в цикл. Реактор сжигает лишь малую долю поданного топлива, остальное приходится вылавливать из смеси газов и подавать обратно. Тритий, дейтерий и обычный водород химически ведут себя одинаково, различаются они только массой ядра, поэтому привычные способы разделения либо работают плохо, либо стоят слишком дорого. Криогенная дистилляция, которую планируют для ITER, требует километров труб, глубокого холода и постоянных энергозатрат.

Исследователи из Германии подошли к задаче со стороны квантовой механики. Они взяли синтетический цеолит Y, кристалл с порами молекулярного размера, и заменили часть ионов в его структуре на серебро. Материал назвали AgY. Поры в нём настолько узкие, что молекула водорода перестаёт вести себя как обычный шарик, и на первый план выходит её квантовая природа. Лёгкий водород сильнее размазан в пространстве из-за энергии нулевых колебаний, и в тесной ловушке рядом с ионом серебра ему неуютно. Тяжёлый тритий садится туда заметно охотнее. Такой механизм называют квантовым просеиванием по химическому сродству.

Цифры получились наглядные. При 83 кельвинах, это около минус 190 градусов Цельсия, селективность по тритию относительно обычного водорода доходила до 244 раз. Из смеси, где водорода, дейтерия и трития было ровно по трети, в адсорбированной фазе вышло соотношение примерно 1:41:175. Материал буквально выдёргивает тритий из потока газа. Важная деталь: здесь впервые работали с настоящим тритием, а не с дейтерием в роли безопасного дублёра, а эксперименты с радиоактивным газом организовать куда тяжелее.

Восторгаться пока рано. 83 кельвина означают криогенику, пусть и не такую тяжёлую, как в дистилляции. Речь идёт о лабораторных количествах, а топливный цикл реального реактора должен прокачивать граммы и килограммы в сутки, годами, под нейтронным облучением, от которого цеолиты обычно деградируют. Ресурс материала, скорость регенерации и поведение в непрерывном потоке пока никто не проверял.

Интересно тут другое: эффект, который годами жил в статьях по физической химии, впервые приложили к конкретной инженерной проблеме термоядерной энергетики. Если AgY или его родственники дойдут до промышленного вида, топливный цикл станет компактнее и дешевле, а тритий перестанет быть узким местом всей отрасли.