O trítio na peneira quântica
Equipa do HZDR separa, pela primeira vez, uma mistura de isótopos de hidrogénio recorrendo a efeitos quânticos
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As centrais de fusão do futuro não só exigirão plasmas extremamente quentes e campos magnéticos intensos, como também um ciclo de combustível no qual os isótopos de hidrogénio, o deutério e o trítio, possam ser recuperados, separados e reutilizados. Em colaboração com os seus parceiros, uma equipa do HZDR demonstrou agora um método altamente eficiente para separar isótopos de hidrogénio utilizando uma zeólita contendo prata. As experiências com trítio radioativo foram realizadas no laboratório radioquímico do Centro de Investigação do HZDR em Leipzig. Os resultados representam um avanço importante na separação de isótopos e lançam as bases para a recuperação e o processamento eficientes do trítio em futuros ciclos de combustível de fusão.
Nos reatores de fusão, o deutério e o trítio são fundidos para libertar grandes quantidades de energia. No entanto, o combustível não é consumido na totalidade. Permanece uma fração significativa, juntamente com o hidrogénio comum, também conhecido como prótio, que pode ser o produto de reações secundárias com os materiais do reator ou ser libertado por desgaseificação. O resultado é uma mistura dos três isótopos de hidrogénio que tem de ser separada para que o combustível possa ser reutilizado na composição correta.
Esta separação representa um grande desafio. Embora os isótopos de hidrogénio — prótio, deutério e trítio — contenham números diferentes de neutrões nos seus núcleos atómicos, do ponto de vista químico, comportam-se de forma quase idêntica. «É aqui que os métodos de separação convencionais atingem os limites da sua eficiência», explica o Prof. Cornelius Fischer, professor nomeado conjuntamente pelo HZDR e pela Universidade de Leipzig e chefe do Departamento de Transporte Reativo do Instituto de Ecologia dos Recursos do HZDR, em Leipzig. «Estamos, por isso, a explorar uma abordagem de separação fundamentalmente diferente.» Para o conseguir, ele e a sua equipa recorreram a um efeito da mecânica quântica que é particularmente proeminente em materiais porosos que contêm iões metálicos incorporados.
Sítios de prata na estrutura dos poros
A equipa utilizou uma zeólita para as suas experiências. As zeólitas ocorrem naturalmente, mas também podem ser produzidas sinteticamente. São compostas por uma estrutura regular de átomos de alumínio, silício e oxigénio, contendo uma rede de poros microscópicos. Os iões com carga positiva, que podem ser trocados e, assim, alterar as propriedades do material, situam-se nas paredes destas cavidades. Foi precisamente esta propriedade que os membros do grupo de Leipzig — a Dra. Alexandra Becker, o Dr. Holger Lippold e Jing Liu — aproveitaram. Becker e Liu realizaram a investigação no âmbito do Grupo de Formação em Investigação da DFG «Isótopos de Hidrogénio 1,2,3H» na Universidade de Leipzig, enquanto o investigador pós-doutorado sénior Lippold supervisiona o trabalho no laboratório de trítio.
A equipa utilizou uma zeólita na qual os iões de sódio originais tinham sido substituídos por iões de prata. «O efeito-chave decorre da interação entre as moléculas de hidrogénio e a estrutura eletrónica dos iões de prata. Isto cria um potencial de adsorção», explica Fischer. Devido às suas massas diferentes, os três isótopos apresentam energias de ponto zero distintas, ou seja, a energia mínima que um sistema quântico possui mesmo no zero absoluto. Uma vez que o deutério e o trítio têm energias de ponto zero mais baixas do que o prótio, ficam mais fortemente estabilizados no potencial de adsorção, o que faz com que se liguem mais fortemente ao material. Consequentemente, os isótopos são libertados a temperaturas diferentes quando a zeólita é aquecida: o prótio dessorve primeiro, seguido do deutério e, por fim, do trítio.
O Dr. Michael Hirscher, do Instituto Max Planck de Investigação do Estado Sólido, em Estugarda, contribuiu para o estudo com os seus muitos anos de experiência em adsorção de hidrogénio e espectroscopia de dessorção térmica. Esta técnica permite acompanhar as temperaturas às quais as moléculas previamente adsorvidas são libertadas do material. E isto, por sua vez, revela com que intensidade os isótopos individuais se ligam aos sítios de prata.
O trítio liga-se por mais tempo
O passo decisivo foi a experiência com trítio. «É a primeira vez que alguém consegue separar uma mistura de isótopos de hidrogénio — prótio, deutério e trítio — utilizando um material sólido poroso», afirma Fischer. Após o contacto com a zeólita contendo prata, a mistura que inicialmente continha quantidades iguais dos três isótopos saiu com uma proporção H₂:D₂:T₂ de 1:41:175. Assim, o trítio foi retido com muito mais força do que o deutério, enquanto o prótio quase não foi retido.
O material também demonstrou elevada seletividade em experiências com misturas de dois isótopos. A maior diferença foi observada entre o trítio e o prótio. «Estas não são apenas diferenças marginais», explica Fischer. «O processo de separação é altamente eficiente, mesmo numa única etapa.» Os resultados representam também um marco importante para a investigação fundamental, uma vez que fornecem a primeira validação experimental de previsões teóricas envolvendo o trítio.
Outro aspeto é a estabilidade do material. O trítio sofre decaimento radioativo, emitindo radiação beta que poderia potencialmente danificar os sítios de prata na zeólita. No entanto, mesmo após várias horas de exposição ao trítio, as experiências não revelaram qualquer declínio mensurável no desempenho da separação. «Isto ainda não constitui uma prova para a operação técnica a longo prazo, mas é uma indicação importante de que vale bem a pena investigar mais a fundo esta classe de materiais», explica Fischer. No entanto, antes de as aplicações técnicas se tornarem viáveis, são necessários passos adicionais. As experiências atuais foram realizadas com uma pequena quantidade de material. Para instalações de maior dimensão, o desenho do processo, a estabilidade a longo prazo e a escalabilidade ainda teriam de ser explorados. «Estamos claramente no domínio da investigação fundamental», afirma Fischer. «A nossa tarefa é compreender quantitativamente os mecanismos subjacentes e comparar sistematicamente diferentes materiais.»
Assim, a zeólita contendo prata não é o fim da busca da equipa de Leipzig. Os investigadores planeiam agora aplicar os seus métodos a outros materiais porosos, explorando a questão fundamental: como é que isótopos que são quimicamente quase indistinguíveis podem ser separados da forma mais eficiente possível?
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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