HZDR-Team trennt erstmals Wasserstoff-Isotopengemisch durch Quanteneffekte in Leipzig; Tritium stark gebunden

HZDR-Team trennt erstmals Wasserstoff-Isotopengemisch durch Quanteneffekte in Leipzig; Tritium stark gebunden

Tritium im Quantensieb - HZDR-Team trennt erstmals Wasserstoff-Isotopengemisch durch Quanteneffekte

HZDR-Team trennt erstmals Wasserstoff-Isotopengemisch durch Quanteneffekte

Cornelius Fischer, Institut für Ressourcenökologie am HZDR

Künftige Fusionskraftwerke brauchen nicht nur extrem heiße Plasmen und starke Magnetfelder. Sie benötigen auch einen Brennstoffkreislauf, in dem die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zurückgewonnen, getrennt und wiederverwendet werden können. Ein Team des HZDR hat nun gemeinsam mit Partnern gezeigt, dass ein silberhaltiger Zeolith Tritium aus einem Gemisch von Wasserstoffisotopen besonders effizient abtrennen kann. Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Grundlagenbeitrag zur Isotopentrennung und schaffen eine Grundlage dafür, Tritium künftig in Fusionsbrennstoffkreisläufen effizient zurückzugewinnen und aufzubereiten.

In Fusionsreaktoren sollen Deuterium und Tritium verschmelzen, um große Mengen Energie zu liefern. Dabei wird der Brennstoff jedoch nicht vollständig verbraucht. Ein erheblicher Teil bleibt ungenutzt. Hinzu kommt gewöhnlicher Wasserstoff, auch Protium genannt. Der kann durch Nebenreaktionen mit Reaktormaterialien oder durch Ausgasung entstehen. Das Ergebnis ist ein Gemisch aus drei Wasserstoffisotopen, das getrennt werden muss, damit der Brennstoff erneut in der richtigen Zusammensetzung zur Verfügung steht.

Das jedoch ist eine große Herausforderung. Als Isotope des Wasserstoffs besitzen Protium, Deuterium und Tritium zwar unterschiedlich viele Neutronen im Atomkern, verhalten sich chemisch aber nahezu identisch. „Gewöhnliche Trennverfahren stoßen hier an ihre Effizienzgrenzen“, erklärt Prof. Cornelius Fischer, gemeinsam berufener Professor am HZDR und an der Universität Leipzig, der die Abteilung Reaktiver Transport am HZDR-Institut für Ressourcenökologie in Leipzig leitet. „Wir suchen deshalb nach einem alternativen, grundlegenden Trennprozess.“ Dafür nutzten er und sein Team einen quantenmechanischen Effekt, der in porösen Materialien mit eingelagerten Metallionen besonders deutlich wird.

Neues Material für die effiziente Trennung von Deuterium bei erhöhter Temperatur

Für die Experimente verwendete das Team einen Zeolithen. Diese Materialien kommen in der Natur vor, lassen sich aber auch gezielt synthetisch herstellen. Sie bestehen aus einem regelmäßigen Gerüst aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen, das von winzigen Poren durchzogen ist. In diesen Hohlräumen sitzen positiv geladene Ionen, die sich austauschen lassen und so die Eigenschaften des Materials verändern. Genau auf diesen Hebel setzten Dr. Alexandra Becker, Dr. Holger Lippold und Jing Liu aus der Leipziger Gruppe. Becker und Liu führten die Arbeit im DFG-Graduiertenkolleg „Hydrogen Isotopes 1,2,3H“ an der Universität Leipzig durch. Lippold betreut als Senior Postdoc die Arbeiten im Tritiumlabor.

Dabei bediente sich das Team eines Zeolithen, bei dem die ursprünglichen Natriumionen durch Silberionen ausgetauscht wurden. „Der wichtige Effekt beruht auf der Wechselwirkung der Wasserstoffmoleküle mit der elektronischen Struktur der Silberionen. Dadurch entsteht ein Adsorptionspotential“, erklärt Fischer. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse besitzen die drei Isotope verschiedene Nullpunktsenergien. Damit ist die minimale Energie gemeint, die ein quantenmechanisches System selbst am absoluten Nullpunkt besitzt. Da Deuterium und Tritium eine geringere Nullpunktsenergie aufweisen als Protium, werden sie in diesem Adsorptionspotential energetisch stärker stabilisiert und daher bevorzugt adsorbiert. Beim anschließenden Erwärmen lösen sich die Moleküle der Wasserstoffisotope deshalb nicht wieder gleichzeitig: Zuerst verlässt Protium das Material, dann Deuterium und zuletzt Tritium.

Dr. Michael Hirscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart brachte dafür die langjährige Expertise zur Wasserstoffadsorption und zur thermischen Desorptionsspektroskopie ein. Mit dieser Messmethode lässt sich verfolgen, bei welchen Temperaturen die zuvor gebundenen Moleküle wieder aus dem Material entweichen. Genau daraus ergibt sich, wie stark die einzelnen Isotope an den Silberplätzen haften.

Der entscheidende Schritt war der Versuch mit Tritium. „Es ist zum ersten Mal gelungen, ein Wasserstoffisotopengemisch aus Protium, Deuterium und Tritium mit einem Material zu trennen“, sagt Fischer. Aus einer ursprünglich gleich zusammengesetzten Mischung entstand nach dem Kontakt mit dem silberhaltigen Zeolithen ein Verhältnis von 1:41:175 für H₂:D₂:T₂. Tritium wurde also besonders stark gebunden, Deuterium deutlich weniger und Protium fast gar nicht.

Auch in Experimenten mit jeweils zwei Isotopen zeigte das Material hohe Selektivität. Besonders ausgeprägt war der Unterschied zwischen Tritium und Protium. „Das sind nicht nur minimale Unterschiede“, ordnet Fischer ein. „Der Trennvorgang ist schon bei einmaliger Anwendung sehr effizient.“ Für die Forschung ist das auch deshalb wichtig, weil sich damit theoretische Vorhersagen erstmals experimentell mit Tritium überprüfen ließen.

Ein weiterer Punkt ist die Stabilität des Materials. Tritium zerfällt radioaktiv und setzt dabei Betastrahlung frei. Daher stellt sich die Frage, ob die Silberzentren im Zeolithen dadurch beeinträchtigt werden. In den Versuchen zeigte sich nach mehrstündigem Kontakt mit Tritium keine messbare Verschlechterung der Trennleistung. „Das ist noch kein Nachweis für einen dauerhaften technischen Betrieb, aber ein wichtiges Indiz dafür, dass der Materialtyp für weitere Untersuchungen interessant ist“, erläutert Fischer.

Bis zu einer technischen Anwendung sind dennoch weitere Schritte nötig. Die Experimente wurden mit kleinen Materialmengen durchgeführt. Für größere Anlagen müssten Prozessführung, Langzeitstabilität und Skalierung erst noch untersucht werden. „Wir bewegen uns hier klar in der Grundlagenforschung“, sagt Fischer. „Unsere Aufgabe ist es, die Mechanismen quantitativ zu verstehen und verschiedene Materialien miteinander zu vergleichen.“

Der silberhaltige Zeolith ist für das Leipziger Team deshalb nicht das Ende der Suche. Die Forscherinnen wollen ihre Messmethode nun auf weitere poröse Materialien übertragen. Dabei geht es auch um die grundlegende Frage, wie sich selbst chemisch fast ununterscheidbare Isotope voneinander trennen lassen.

Alexandra Becker, Holger Lippold, Jing Liu, et al.; “Tritium separation from gaseous 1,2,3H isotopologue mixtures by selective adsorption on Ag-exchanged zeolite type Y”; Nature Communications, Volume 17, 2026-7-27

Käfigmoleküle fungieren als Molekularsiebe für die Wasserstoffisotopentrennung

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