Термоядерный синтез без ртути: создан безопасный способ добычи топлива для будущего

Ученые разработали новый, экологически чистый метод получения лития-6, необходимого для производства топлива для термоядерного синтеза. Ключевое преимущество технологии, представленной в журнале Chem, — полный отказ от использования крайне токсичной жидкой ртути при сохранении высокой эффективности, сопоставимой с традиционными подходами.

Химик Сарбаджит Банерджи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Техасского университета A&M заявляет, что это шаг к решению одной из главных проблем ядерной энергетики. По его словам, литий-6 является критически важным материалом для «ренессанса ядерной энергии», и новый метод может стать жизнеспособным решением для его получения. Ранее для выделения лития-6 применялся так называемый процесс COLEX, который из-за использования ртути и связанных с ней экологических рисков был запрещен в США еще в 1963 году. Разработка безопасного способа добычи этого изотопа — ключ к раскрытию потенциала термоядерного синтеза как устойчивого источника энергии.

Примечательно, что к своему открытию исследователи пришли случайно. Они работали над созданием мембран для очистки «попутной воды» — побочного продукта при добыче нефти и газа. В ходе экспериментов выяснилось, что разработанная ими мембрана непропорционально активно улавливает литий из раствора. Банерджи отмечает, что им удалось извлекать литий очень избирательно, и это навело их на мысль проверить, сможет ли материал так же выборочно работать с разными изотопами лития.

Секрет связывающих свойств мембраны кроется в материале под названием дзета-оксид ванадия (ζ-V2O5) — синтетическом неорганическом соединении с уникальной каркасной структурой, пронизанной одномерными туннелями. Банерджи подчеркивает, что этот материал обладает невероятными свойствами: он эффективен для аккумуляторов, а теперь выясняется, что он может избирательно улавливать литий.

Чтобы проверить гипотезу, команда создала электрохимическую ячейку с катодом из дзета-оксида ванадия. Когда через ячейку под напряжением пропускали раствор с ионами лития, они устремлялись к отрицательно заряженному катоду и попадали в его туннели. Из-за разной массы и подвижности ионы вели себя по-разному: более легкий литий-6 прочнее «прилипал» к стенкам туннелей, в то время как более тяжелый и подвижный литий-7 проскальзывал мимо. Соавтор исследования Эндрю Эзази сравнивает эту связь с пружиной: более тяжелый литий-7 с большей вероятностью разрывает ее, тогда как более легкий литий-6 создает более прочное соединение.

Процесс обогащения можно легко отслеживать визуально: по мере накопления лития материал постепенно меняет свой цвет с ярко-желтого на темно-оливковый. Расчеты показывают, что один электрохимический цикл обогащает литий-6 на 5,7%. Для получения материала термоядерного качества, где доля лития-6 должна составлять не менее 30%, требуется 25 таких циклов. Эзази утверждает, что такой уровень обогащения вполне конкурентоспособен с процессом COLEX, но достигается без применения ртути.

Сейчас команда работает над масштабированием своего метода до промышленного уровня. Ученые уверены, что всего за несколько циклов можно получать литий термоядерного качества по относительно низкой цене, хотя для этого предстоит решить ряд инженерных задач. Они также предполагают, что материалы со схожей структурой могут быть использованы и для разделения других веществ, например, для изоляции радиоактивных изотопов. Исследователи надеются, что их работа получит поддержку и превратится в практическое решение, которое приблизит человечество к чистой энергии термоядерного синтеза.