德国团队首次利用含银沸石实现含氚氢同位素混合物分离

亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)团队与合作伙伴近日展示了一种利用含银沸石分离氢同位素的新方法，首次成功将含放射性氚的氢同位素混合物通过多孔固体材料实现分离。相关研究成果发表于《自然通讯》。

未来聚变电站在运行中不仅需要高温等离子体和强磁场，也需要稳定的燃料循环系统，用于回收、分离并再利用氘和氚。在聚变反应堆内，氘、氚参与反应并释放能量，但燃料不会完全消耗，残余气体中还可能混入普通氢(氕)，形成氕、氘、氚三种同位素混合物。由于三者化学性质几乎相同，传统分离方法效率受到限制。

研究团队采用的材料是银交换Y型沸石。沸石具有规则微孔结构，孔壁上的离子可以被替换，从而改变材料特性。研究人员将其中的钠离子替换为银离子，使氢分子与银离子电子结构之间产生特定相互作用，并形成吸附势。由于氕、氘、氚质量不同，其零点能存在差异;氘和氚的零点能低于氕，在吸附势中更稳定，因此与材料结合更牢固。加热时，三种同位素会在不同温度下释放：氕最先解吸，其次为氘，最后为氚。

相关氚实验在HZDR莱比锡研究基地的放射化学实验室完成。研究显示，等量氕、氘、氚混合气与含银沸石接触后，混合物比例变为H₂:D₂:T₂=1:41:175，表明氚在材料中保留程度最高，氘也明显富集。两种同位素混合物实验同样显示出较高选择性，其中氚与氕之间的差异最为显著。

研究人员还考察了材料在氚环境下的稳定性。氚衰变产生的β射线可能损伤沸石中的银位点，但在数小时暴露实验中，材料分离性能未出现可测量下降。研究团队表示，这尚不能证明其具备长期工程运行能力，但说明此类材料值得继续深入研究。

目前，该工作仍处于基础研究阶段，实验所用材料量较小。若未来走向更大规模应用，还需进一步验证工艺设计、长期稳定性和可扩展性。研究团队计划继续将这一方法用于其他多孔材料，以探索如何更高效地分离化学性质几乎无法区分的氢同位素。