Tritiumtrennung durch Quanteneffekte: Neuer Ansatz mit silberhaltigem Zeolith
Für den Betrieb zukünftiger Fusionskraftwerke ist neben der Erzeugung heißer Plasmen und starker Magnetfelder auch ein effizienter Brennstoffkreislauf essenziell. Dieser muss die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zurückgewinnen, separieren und erneut nutzbar machen. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben in Zusammenarbeit mit Partnern erstmals nachgewiesen, dass ein Zeolith mit Silberionen Tritium aus einem Gemisch von Wasserstoffisotopen besonders effektiv trennt. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine wichtige Basis für die Isotopentrennung dar und bieten Perspektiven für die Rückgewinnung von Tritium in Fusionsbrennstoffkreisläufen.
Herausforderungen bei der Isotopentrennung
In Fusionsreaktoren verschmelzen Deuterium und Tritium, um Energie freizusetzen. Der Brennstoff wird dabei jedoch nicht vollständig verbraucht, und es entsteht ein Gemisch aus Protium (normalem Wasserstoff), Deuterium und Tritium. Protium kann zusätzlich durch Nebenreaktionen oder Ausgasung entstehen. Dieses Isotopengemisch muss aufbereitet werden, um die korrekte Zusammensetzung für den Brennstoffkreislauf sicherzustellen.
Die chemische Ähnlichkeit der Isotope erschwert die Trennung erheblich, da sie sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Klassische Trennverfahren erreichen hier häufig ihre Grenzen. Prof. Cornelius Fischer, Leiter der Abteilung Reaktiver Transport am HZDR-Institut für Ressourcenökologie, betont die Notwendigkeit alternativer Trennmethoden, die auf quantenmechanischen Effekten basieren, insbesondere in porösen Materialien mit Metallionen.
Silberionen im Zeolith als Trennmechanismus
Für ihre Untersuchungen nutzte das Team einen synthetisch hergestellten Zeolith, ein poröses Alumosilikat mit einem regelmäßigen Gerüst aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen. Die Poren enthalten austauschbare positiv geladene Ionen. In diesem Fall wurden die ursprünglichen Natriumionen durch Silberionen ersetzt.
- Die Wechselwirkung der Wasserstoffmoleküle mit der elektronischen Struktur der Silberionen erzeugt ein Adsorptionspotential.
- Aufgrund unterschiedlicher Massen besitzen die Isotope verschiedene Nullpunktsenergien, also die minimale Energie bei absolutem Nullpunkt.
- Deuterium und Tritium weisen niedrigere Nullpunktsenergien als Protium auf, wodurch sie energetisch stärker stabilisiert und bevorzugt adsorbiert werden.
- Beim Erwärmen des Materials entweichen die Isotope nacheinander: zuerst Protium, dann Deuterium und zuletzt Tritium.
Diese selektive Adsorption ermöglicht eine effektive Trennung der Isotope.
Experimentelle Bestätigung mit Tritium
Dr. Michael Hirscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung brachte seine Expertise in der Wasserstoffadsorption und thermischen Desorptionsspektroskopie ein. Mit dieser Methode lässt sich bestimmen, bei welchen Temperaturen die gebundenen Moleküle aus dem Material entweichen, was Rückschlüsse auf die Haftstärke der einzelnen Isotope erlaubt.
Erstmals gelang es, ein Gemisch aus Protium, Deuterium und Tritium mit einem Material zu separieren. Nach Kontakt mit dem silberhaltigen Zeolith veränderte sich das Verhältnis der Isotope von ursprünglich 1:1:1 auf 1:41:175 (H₂:D₂:T₂). Tritium wurde dabei am stärksten gebunden, Deuterium in geringerem Maße, Protium kaum.
Auch bei Experimenten mit jeweils zwei Isotopen zeigte das Material eine hohe Selektivität, insbesondere zwischen Tritium und Protium. Prof. Fischer bewertet den Trennvorgang als sehr effizient, bereits nach einmaliger Anwendung.
Materialstabilität und Ausblick
Da Tritium radioaktiv zerfällt und Betastrahlung freisetzt, wurde die Stabilität der Silberzentren im Zeolith geprüft. Nach mehrstündigem Kontakt mit Tritium zeigte sich keine messbare Verschlechterung der Trennleistung, was auf eine potenzielle Eignung des Materials für weitere Untersuchungen hinweist.
Für eine technische Umsetzung sind jedoch noch weitere Untersuchungen notwendig. Die bisherigen Experimente erfolgten mit kleinen Materialmengen; Prozessführung, Langzeitstabilität und Skalierbarkeit müssen noch erforscht werden. Das Team sieht die Arbeit als grundlegende Forschung, um die Mechanismen quantitativ zu verstehen und verschiedene Materialien zu vergleichen.
Die Forscher planen, die angewandte Messmethode auf weitere poröse Materialien auszuweiten, um die fundamentale Frage zu klären, wie sich chemisch nahezu identische Isotope trennen lassen.
Publikation und Kontakt
Publikation:
A. Becker, H. Lippold, J. Liu et al., „Tritium separation from gaseous 1,2,3H isotopologue mixtures by selective adsorption on Ag-exchanged zeolite type Y“, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75930-9
Kontakt:
Prof. Cornelius Fischer
Institut für Ressourcenökologie am HZDR
Telefon: +49 351 260 4660
E-Mail: c.fischer@hzdr.de
Über das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Das HZDR forscht in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materie mit Fokus auf:
- Effiziente, sichere und nachhaltige Nutzung von Energie und Ressourcen
- Verbesserte Visualisierung, Charakterisierung und Behandlung von Krebserkrankungen
- Verhalten von Materie und Materialien unter hohen Feldern und in kleinsten Dimensionen
Das Zentrum betreibt große Forschungseinrichtungen wie das Ionenstrahlzentrum, das Hochfeld-Magnetlabor Dresden und das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Mit sieben Standorten und rund 1.500 Mitarbeitenden, darunter etwa 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ist das HZDR Teil der Helmholtz-Gemeinschaft.
