Il trizio nel setaccio quantistico
Il team dell’HZDR separa per la prima volta una miscela di isotopi dell’idrogeno sfruttando gli effetti quantistici
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Le centrali a fusione del futuro non solo richiederanno plasmi estremamente caldi e campi magnetici intensi, ma anche un ciclo del combustibile in cui gli isotopi dell’idrogeno, il deuterio e il trizio, possano essere recuperati, separati e riutilizzati. In collaborazione con alcuni partner, un team dell’HZDR ha ora dimostrato un metodo altamente efficiente per la separazione degli isotopi dell’idrogeno utilizzando una zeolite contenente argento. Gli esperimenti con il trizio radioattivo sono stati condotti nel laboratorio radiochimico presso il centro di ricerca dell’HZDR a Lipsia. I risultati rappresentano un importante passo avanti nella separazione degli isotopi e gettano le basi per un efficiente recupero e trattamento del trizio nei futuri cicli del combustibile da fusione.
Nei reattori a fusione, il deuterio e il trizio vengono fusi per rilasciare grandi quantità di energia. Tuttavia, il combustibile non viene consumato completamente. Ne rimane una frazione significativa, insieme all’idrogeno ordinario, noto anche come protio, che può essere il prodotto di reazioni collaterali con i materiali del reattore o rilasciato tramite degassamento. Il risultato è una miscela dei tre isotopi dell’idrogeno che deve essere separata affinché il combustibile possa essere riutilizzato nella composizione corretta.
Questa separazione rappresenta una sfida importante. Sebbene gli isotopi dell’idrogeno – protio, deuterio e trizio – contengano un numero diverso di neutroni nei loro nuclei atomici, dal punto di vista chimico si comportano in modo quasi identico. «È qui che i metodi di separazione convenzionali raggiungono i limiti della loro efficienza», spiega il prof. Cornelius Fischer, professore con incarico congiunto presso l’HZDR e l’Università di Lipsia e capo del Dipartimento di Trasporto Reattivo presso l’Istituto di Ecologia delle Risorse dell’HZDR a Lipsia. «Stiamo quindi esplorando un approccio di separazione fondamentalmente diverso». A tal fine, lui e il suo team hanno sfruttato un effetto della meccanica quantistica particolarmente evidente nei materiali porosi contenenti ioni metallici incorporati.
Siti d’argento nella struttura porosa
Il team ha utilizzato una zeolite per i propri esperimenti. Le zeoliti sono presenti in natura, ma possono anche essere prodotte sinteticamente. Sono costituite da un reticolo regolare di atomi di alluminio, silicio e ossigeno che contiene una rete di pori microscopici. Sulle pareti di queste cavità si trovano ioni con carica positiva, che possono essere scambiati e quindi alterare le proprietà del materiale. È proprio questa proprietà che i membri del gruppo di Lipsia, la dott.ssa Alexandra Becker, il dott. Holger Lippold e Jing Liu, hanno sfruttato. Becker e Liu hanno condotto la ricerca nell’ambito del Gruppo di Formazione alla Ricerca DFG “Isotopi dell’idrogeno 1,2,3H” presso l’Università di Lipsia, mentre Lippold, ricercatore post-dottorato senior, supervisiona il lavoro nel laboratorio dedicato al trizio.
Il team ha utilizzato una zeolite in cui gli ioni di sodio originari erano stati sostituiti con ioni d’argento. «L’effetto chiave deriva dall’interazione tra le molecole di idrogeno e la struttura elettronica degli ioni d’argento. Ciò crea un potenziale di adsorbimento», spiega Fischer. A causa della loro massa diversa, i tre isotopi presentano energie di punto zero diverse, ovvero l’energia minima che un sistema quantistico possiede anche a zero assoluto. Poiché il deuterio e il trizio hanno energie di punto zero inferiori rispetto al protio, sono stabilizzati in modo più marcato nel potenziale di adsorbimento, il che li porta a legarsi più saldamente al materiale. Di conseguenza, quando la zeolite viene riscaldata, gli isotopi vengono rilasciati a temperature diverse: il protio si desorbe per primo, seguito dal deuterio e infine dal trizio.
Il dott. Michael Hirscher dell’Istituto Max Planck per la Ricerca sullo Stato Solido di Stoccarda ha contribuito allo studio con la sua pluriennale esperienza nell’adsorbimento dell’idrogeno e nella spettroscopia di desorbimento termico. Questa tecnica consente di monitorare le temperature alle quali le molecole precedentemente adsorbite vengono rilasciate dal materiale. E questo, a sua volta, rivela con quanta forza i singoli isotopi si legano ai siti d’argento.
Il trizio si lega più a lungo
Il passo decisivo è stato l’esperimento condotto con il trizio. «È la prima volta che si riesce a separare una miscela di isotopi dell’idrogeno composta da protio, deuterio e trizio utilizzando un materiale solido poroso», afferma Fischer. Dopo il contatto con la zeolite contenente argento, la miscela che inizialmente conteneva quantità uguali dei tre isotopi è risultata con un rapporto H₂:D₂:T₂ pari a 1:41:175. Pertanto, il trizio è stato trattenuto in misura molto maggiore rispetto al deuterio, mentre il protio non è stato trattenuto quasi per nulla.
Il materiale ha mostrato un’elevata selettività anche negli esperimenti con miscele di due isotopi. La differenza maggiore è stata osservata tra trizio e protio. «Non si tratta solo di differenze marginali», spiega Fischer. «Il processo di separazione è altamente efficiente anche in un unico passaggio». I risultati rappresentano inoltre un’importante pietra miliare per la ricerca fondamentale, poiché forniscono la prima conferma sperimentale delle previsioni teoriche relative al trizio.
Un altro aspetto è la stabilità del materiale. Il trizio subisce un decadimento radioattivo, emettendo radiazioni beta che potrebbero potenzialmente danneggiare i siti d’argento nella zeolite. Tuttavia, anche dopo diverse ore di esposizione al trizio, gli esperimenti non hanno rivelato alcun calo misurabile nelle prestazioni di separazione. «Questo non costituisce ancora una prova per un funzionamento tecnico a lungo termine, ma è un’indicazione importante del fatto che valga la pena approfondire lo studio di questa classe di materiali», spiega Fischer. Tuttavia, prima che le applicazioni tecniche diventino fattibili, sono necessari ulteriori passi. Gli esperimenti attuali sono stati condotti con una piccola quantità di materiale. Per impianti di dimensioni maggiori, occorrerebbe ancora approfondire la progettazione del processo, la stabilità a lungo termine e la scalabilità. «Ci troviamo chiaramente nel campo della ricerca fondamentale», afferma Fischer. «Il nostro compito è comprendere quantitativamente i meccanismi sottostanti e confrontare sistematicamente materiali diversi».
Pertanto, la zeolite contenente argento non rappresenta il punto di arrivo della ricerca del team di Lipsia. I ricercatori intendono ora applicare i propri metodi ad altri materiali porosi, approfondendo la questione fondamentale: come è possibile separare nel modo più efficiente possibile isotopi che sono chimicamente quasi indistinguibili?
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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