Jaderná fúze vyžaduje určité palivo a vědci našli zelenější způsob, jak to udělat

Jak vědci našli zelenější způsob, jak vyrobit palivo pro jadernou fúzi – při nehodě

Podle Jacek Krywko editoval Andrea Thompson

Všechny jaderné elektrárny v provozu právě teď používají jaderné štěpení – proces rozdělení atomu – k produkci energie. Vědci však strávili desetiletí a celou kariéru v a frustrující snaha dosáhnout jaderné fúzekterý kombinuje atomy, protože uvolňuje mnohem více energie a produkuje žádný nebezpečný odpad. Mnoho naděje by mohla být jednoho dne významným zdrojem energie bez uhlíku.

Kromě mnoha technických problémů, které udržovaly ve vývoji jaderné fúze, tento proces také potřebuje palivo, které představuje své vlastní problémy. Palivo vyžaduje vzácný lithiový izotop (verze atomu prvku s jiným počtem neutronů) zvaný lithium 6.

Tradiční proces pro získávání lithia 6 však zahrnuje použití Toxický kovový rtuť a způsobuje velké poškození životního prostředí. V USA byla zakázána od roku 1963. Země se v současné době spoléhá na zásoby Lithia 6, které byly zásobeny v Oak Ridge National Laboratory v rámci programů rozvoje jaderných zbraní během studené války. „Udržuje se tajemstvím, kolik lithia 6 tam zbývá, ale určitě to nestačí k dodání budoucích fúzních reaktorů,“ říká Sarbajit Banerjee, profesor chemie ve Švýcarském federálním institutu technologického Curychu. Banerjee a jeho tým si myslí, že našli a Nový a ekologicky bezpečnější způsob, jak extrahovat lithium 6 ze solanky– a narazili na to úplně náhodou.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Jaderná fúze, reakce, která pohání hvězdy, jako je naše slunce, vytváří energii spojováním atomů dohromady. Ve fúzních reaktorech jsou tyto atomy deuterium (těžká forma vodíku, která je hojná v mořské vodě) a Tritium (ještě těžší forma vodíku, která je velmi vzácná, ale může být chována z lithia 6). Fúze Deuterium-tritium uvolní obrovské množství energie-to je to, co dává vodíkové bomby jejich nesmírná výbušná síla. Děje se také při teplotách dostatečně nízké, aby byly obsaženy v reaktorech. Ale potřebuje relativně velké množství tritia.

The Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor (Iter)Očekává se, že 500 megawatt, rozsáhlý experimentální fúzní reaktor, který je v současné době ve Francii, bude používat velkou část globálních rezerv tritia, u nichž se odhaduje, že zahrnuje mezi 25 a 30 kilogramy. Vydělat dost na to, aby poháněl iter a další projekty, nemluvě o budoucí fúzní reaktoryVědci budou potřebovat mnohem více lithia 6.

Když je atom lithia 6 bombardován neutronem, podstoupí jadernou reakci, která produkuje helium a tritium. Protože zhruba dva kilogramy lithia 6 jsou potřebné k rozmnožování jednoho kilogramu tritia, bylo by pro Iter samotné značné množství lithia 6 potřebné. „Pokud jaderná fúze sundá zemi, poptávka po lithiu 6 vystřelí až tisíce tun,“ říká Banerjee.

Přírodní lithium, které je nyní těženo ze skal v Austrálii nebo extrahováno z ložisek solanky v Chile, je směsí dvou stabilních izotopů: lithium 7, které se běžně používá v bateriích, a lithium 6. Jediným zavedeným průmyslovým procesem, který se nazývá výměna sloupců (Colex): Kolex): Colex): Kolex (Colex): Lithium Shops Up. Když se tyto dvě kapaliny procházejí, lithium 6 se drží rtuti o něco více než lithium 7, takže končí na dně sloupce, zatímco lithium 7 končí nahoře. V tomto procesu však „několik set tun rtuti propustilo do životního prostředí,“ říká Banerjee a vybízí zákaz USA.

Doposud byly metody bez rtuti pro separaci izotopů lithia daleko nákladnější a méně efektivní než Colex. Potom však Banerjee a jeho tým odešli do Texasu, aby pracovali na zdánlivě nesouvisejícím projektu: vývoj membrán pro čištění vody, která je přivedena na povrch v operacích oleje a plynu.

„Měli jsme několik membrán, které by mohly odfiltrovat olej, sůl a bahno z vody. Zároveň jsme pracovali na některých bateriových materiálech, takže jsme také odfiltrovali lithium,“ vysvětluje Banerjee. Jeho tým používal membrány vyrobené z oxidu Zeta Vanadium, patentovaný materiál, který tým syntetizoval v laboratoři. Membrány obsahují rámec jednorozměrných tunelů nanočástic-a tým zjistil, že tyto tunely byly zvláště dobré při zachycování lithiových iontů. Mohli by dokonce oddělit lithium 6 od lithia 7.

Aby se tento proces důkladněji testoval, vědci postavili elektrochemickou buňku: druh baterie pracující naopak. Když byla voda cyklována přes napájenou buňku, pozitivně nabité ionty lithia 6 byly zachyceny v jednorozměrných tunelech negativně nabité elektrody oxidu zeta vanad. Ale těžší ionty lithia 7 však častěji přerušily vazbu tunely a většinou se v nich vyhnuly uvíznutí. Výsledky byly zveřejněny 20. března v Chem.

Tato technika by mohla dosáhnout úrovně obohacení vhodného pro jaderné fúzní palivo po 25 čtyřech hodinových cyklech, říkají Banerjee a jeho tým. Dalším plusem bylo, že oxid zeta vanadium postupně měnil barvu ze žluté na tmavě zelenou, když se do něj uvěznělo více lithiových iontů, což poskytlo velmi jasný indikátor, kdy byla práce provedena. Aby získal lithium z buňky, tým Banerjee jednoduše obrátil polaritu, aby vytlačil zachycené ionty z tunelů a zpět do oběhové vody.

„Zdá se, že tato metoda má vynikající oddělení, což je velmi slibné,“ říká Norbert K. Wegrzynowski, fyzik na University of Bristol v Anglii, který pracoval na izotopickém oddělení lithia 6 a není spojen s týmem Banerjee. „Další otázkou je však škálovatelnost. Klíčovým problémem těchto metod je snížení nákladů natolik, aby byly nákladově efektivní,“ říká Wegrzynowski. Domnívá se však, že techniky v těchto liniích mohou být nejjednodušší a nejrychlejší, aby se rozšířily na průmyslovou úroveň.

„Účinnost tohoto procesu je již srovnatelná s Colexem a je to jen neoptimalizovaný důkaz konceptu. Věří, že jeho technika separace izotopů lithia by mohla být implementována v průmyslovém měřítku během několika let. „Materiály pro tuto práci jsou k dispozici a není to nejtěžší proces na světě,“ říká Banerjee. „Není to tak daleko od skutečné realizace.“