После аварии на Three Mile Island (1979) США ужесточили регулирование атомной энергетики. Частные компании столкнулись с бюрократией и высокими затратами, из-за чего многие предприятия по обогащению урана закрылись.

Сегодня 90% низкообогащённого урана для американских АЭС импортируется (в основном из России, Франции и Германии).

Литий-6 необходим для производства ядерного топлива, но для его выделения из гораздо более распространенного изотопа, лития-7, обычно требуется жидкая ртуть, которая чрезвычайно токсична. Теперь исследователи разработали безртутный метод выделения лития-6, который так же эффективен, как и традиционный метод. Новый метод представлен в журнале Chem.

«Это шаг к устранению главного препятствия на пути к ядерной энергетике», — говорит химик и старший автор Сарбаджит Банерджи из ETH Zürich и Техасского университета A&M. «Литий-6 — критически важный материал для возрождения ядерной энергетики, и этот метод может представлять собой жизнеспособный подход к разделению изотопов».

Традиционный метод выделения лития-6, называемый процессом COLEX, предполагает использование жидкой ртути и был запрещен в Соединенных Штатах с 1963 года из-за проблем с загрязнением окружающей среды.

С тех пор почти весь литий-6, используемый в исследованиях США, полагался на уменьшающийся запас, хранящийся в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Наличие безопасного метода изоляции лития-6 будет иметь ключевое значение для разблокировки ядерного синтеза как устойчивого источника энергии.

Исследователи наткнулись на свой метод изоляции лития-6 во время разработки мембран для очистки «промысловой воды» — грунтовой воды, которая выводится на поверхность во время бурения нефтяных и газовых скважин и которую необходимо очистить, прежде чем ее можно будет закачать обратно под землю. Они заметили, что их очищающая мембрана захватывала непропорционально большое количество лития в воде.

«Мы увидели, что можем извлекать литий довольно селективно, учитывая, что в воде было гораздо больше соли, чем лития», — говорит Баннерджи. «Это заставило нас задуматься, может ли этот материал также обладать некоторой селективностью к 6-изотопу лития».

Связывающие литий свойства мембраны обусловлены материалом, называемым дзета-оксидом ванадия (ζ-V 2 O 5 ), синтезированным в лабораторных условиях неорганическим соединением , которое содержит каркас из туннелей, проходящих в одном измерении.

«Zeta-V 2 O 5 обладает некоторыми совершенно невероятными свойствами — это удивительный материал для аккумуляторов, и теперь мы обнаруживаем, что он может очень избирательно захватывать литий, даже с изотопной селективностью», — говорит Баннерджи.

Чтобы проверить , может ли материал отделить литий-6 от лития-7, команда создала электрохимическую ячейку с катодом зета — V2O5 .

Когда они прокачивали водный раствор, содержащий ионы лития, через ячейку, прикладывая напряжение, положительно заряженные ионы лития притягивались к отрицательно заряженной матрице zeta-V 2 O 5 и в ее туннели. Поскольку ионы лития-6 и лития-7 движутся по-разному, туннели zeta-V 2 O 5 преимущественно захватывали ионы лития-6, в то время как более подвижные ионы лития-7 избегали захвата.

«Ионы лития-6 гораздо сильнее прилипают к туннелям, что является механизмом селективности», — говорит соавтор Эндрю Эзази из Техасского университета A&M. «Если представить себе связи между V2O5 и литием как пружину, можно представить, что литий — 7 тяжелее и с большей вероятностью разорвет эту связь, тогда как литий-6, поскольку он легче, меньше отражается и создает более прочную связь».

По мере того, как ионы лития интегрируются в zeta-V 2 O 5 , соединение постепенно меняет цвет с ярко-желтого на темно-оливково-зеленый, что позволяет легко контролировать степень изоляции лития.

Команда показывает, что один электрохимический цикл обогатил литий-6 на 5,7%. Для получения лития термоядерного класса, для которого требуется минимум 30% лития-6, процесс необходимо повторить 25 раз, а 90% лития-6 можно получить примерно за 45 последовательных циклов.

«Этот уровень обогащения весьма конкурентоспособен по сравнению с процессом COLEX, в котором не используется ртуть», — говорит Эзази.

«Конечно, мы пока не занимаемся промышленным производством, и есть некоторые инженерные проблемы, которые нужно решить с точки зрения проектирования контура потока, но в рамках нескольких циклов потока можно получить литий термоядерного качества по довольно низкой цене», — говорит Баннерджи.

Исследователи утверждают, что их результаты свидетельствуют о том, что такие материалы, как zeta-V 2 O 5 , можно использовать для изоляции других веществ, например, для разделения радиоактивных изотопов от нерадиоактивных.

Теперь команда предпринимает шаги по масштабированию своего метода до промышленного уровня.

«Я думаю, что существует большой интерес к ядерному синтезу как к окончательному решению для чистой энергии», — говорит Баннерджи. «Мы надеемся получить некоторую поддержку, чтобы превратить это в практическое решение».