Le tritium dans le tamis quantique
Une équipe de l'HZDR parvient pour la première fois à séparer un mélange d'isotopes d'hydrogène en exploitant des effets quantiques
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Les centrales à fusion de demain nécessiteront non seulement des plasmas extrêmement chauds et des champs magnétiques puissants, mais aussi un cycle du combustible permettant de récupérer, de séparer et de réutiliser les isotopes de l'hydrogène que sont le deutérium et le tritium. En collaboration avec des partenaires, une équipe du HZDR vient de mettre au point une méthode très efficace de séparation des isotopes de l’hydrogène à l’aide d’une zéolite contenant de l’argent. Les expériences menées avec du tritium radioactif ont eu lieu dans le laboratoire radiochimique du site de recherche de l’HZDR à Leipzig. Ces résultats constituent une avancée majeure dans le domaine de la séparation isotopique et jettent les bases d’une récupération et d’un traitement efficaces du tritium dans les futurs cycles de combustible de fusion.
Dans les réacteurs à fusion, le deutérium et le tritium fusionnent pour libérer de grandes quantités d’énergie. Mais le combustible n’est pas entièrement consommé. Une fraction importante subsiste, ainsi que de l’hydrogène ordinaire, également appelé protium, qui peut être le produit de réactions secondaires avec les matériaux du réacteur ou être libéré par dégazage. Il en résulte un mélange des trois isotopes de l’hydrogène qui doit être séparé afin que le combustible puisse être réutilisé dans la composition adéquate.
Cette séparation représente un défi majeur. Bien que les isotopes de l’hydrogène – le protium, le deutérium et le tritium – contiennent un nombre différent de neutrons dans leur noyau atomique, ils se comportent de manière presque identique sur le plan chimique. « C’est là que les méthodes de séparation conventionnelles atteignent les limites de leur efficacité », explique le professeur Cornelius Fischer, professeur titulaire à la fois au HZDR et à l’université de Leipzig, et directeur du département « Transport réactif » de l’Institut d’écologie des ressources du HZDR à Leipzig. « Nous explorons donc une approche de séparation fondamentalement différente. » Pour y parvenir, lui et son équipe ont exploité un effet de mécanique quantique particulièrement marqué dans les matériaux poreux contenant des ions métalliques incrustés.
Des sites d’argent dans la structure poreuse
L’équipe a utilisé une zéolite pour ses expériences. Les zéolites existent à l’état naturel mais peuvent également être produites par synthèse. Elles sont composées d’un réseau régulier d’atomes d’aluminium, de silicium et d’oxygène contenant un réseau de pores microscopiques. Des ions chargés positivement, qui peuvent être échangés et ainsi modifier les propriétés du matériau, se trouvent sur les parois de ces cavités. C’est précisément cette propriété dont se sont servis les membres du groupe de Leipzig, le Dr Alexandra Becker, le Dr Holger Lippold et Jing Liu. Becker et Liu ont mené ces recherches dans le cadre du groupe de formation à la recherche « Isotopes de l’hydrogène 1, 2, 3H » de la DFG à l’université de Leipzig, tandis que Lippold, chercheur postdoctoral senior, supervise les travaux au sein du laboratoire dédié au tritium.
L’équipe a utilisé une zéolite dans laquelle les ions sodium d’origine avaient été remplacés par des ions argent. « L’effet clé résulte de l’interaction entre les molécules d’hydrogène et la structure électronique des ions argent. Cela crée un potentiel d’adsorption », explique Fischer. En raison de leur masse différente, les trois isotopes possèdent des énergies du point zéro différentes, c’est-à-dire l’énergie minimale qu’un système quantique possède même au zéro absolu. Le deutérium et le tritium ayant des énergies du point zéro inférieures à celles du protium, ils sont plus fortement stabilisés dans le potentiel d’adsorption, ce qui les amène à se lier plus fortement au matériau. Par conséquent, les isotopes sont libérés à des températures différentes lorsque la zéolite est chauffée : le protium se désorbe en premier, suivi du deutérium, puis enfin du tritium.
Le Dr Michael Hirscher, de l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide à Stuttgart, a apporté à cette étude ses nombreuses années d’expertise en matière d’adsorption de l’hydrogène et de spectroscopie de désorption thermique. Cette technique permet de déterminer les températures auxquelles les molécules précédemment adsorbées sont libérées du matériau. Cela permet ainsi de déterminer la force avec laquelle chaque isotope se lie aux sites d’argent.
Le tritium se lie plus longtemps
L’étape décisive a été l’expérience menée avec le tritium. « C’est la première fois que l’on parvient à séparer un mélange d’isotopes d’hydrogène composé de protium, de deutérium et de tritium à l’aide d’un matériau solide poreux », explique Fischer. Après contact avec la zéolite contenant de l’argent, le mélange qui contenait initialement des quantités égales des trois isotopes est ressorti avec un rapport H₂:D₂:T₂ de 1:41:175. Ainsi, le tritium a été retenu beaucoup plus fortement que le deutérium, tandis que le protium n’a pratiquement pas été retenu.
Le matériau a également fait preuve d’une grande sélectivité lors d’expériences menées avec des mélanges de deux isotopes. C’est entre le tritium et le protium que la différence la plus marquée a été observée. « Il ne s’agit pas simplement de différences marginales », explique Fischer. « Le processus de séparation est très efficace, même en une seule étape. » Ces résultats constituent également une étape importante pour la recherche fondamentale, car ils apportent la première validation expérimentale de prédictions théoriques concernant le tritium.
Un autre aspect concerne la stabilité du matériau. Le tritium subit une désintégration radioactive, émettant un rayonnement bêta susceptible d’endommager les sites d’argent dans la zéolite. Cependant, même après plusieurs heures d’exposition au tritium, les expériences n’ont révélé aucune baisse mesurable des performances de séparation. « Ce n’est pas encore la preuve d’une exploitation technique à long terme, mais c’est une indication importante que cette classe de matériaux mérite d’être étudiée plus en profondeur », explique M. Fischer. Mais avant que des applications techniques ne deviennent envisageables, des étapes supplémentaires sont nécessaires. Les expériences actuelles ont été menées avec une petite quantité de matériau. Pour des installations de plus grande envergure, la conception du procédé, la stabilité à long terme et l’évolutivité devraient encore être étudiées. « Nous sommes clairement dans le domaine de la recherche fondamentale ici », déclare M. Fischer. « Notre tâche consiste à comprendre quantitativement les mécanismes sous-jacents et à comparer systématiquement différents matériaux. »
Ainsi, la zéolite contenant de l’argent ne marque pas la fin des recherches de l’équipe de Leipzig. Les chercheurs prévoient désormais d’appliquer leurs méthodes à d’autres matériaux poreux, afin d’explorer la question fondamentale suivante : comment séparer le plus efficacement possible des isotopes chimiquement presque indiscernables ?
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