isotopenseparatie

Deuterium, een belangrijke grondstof voor kernfusie, is nu lastig te winnen en daarom duur.

Indertijd, in de jaren tachtig van de vorige eeuw was het groot nieuws: het bestaan van buckyballs (C60), voetbalvormige koolstofmoleculen. Met het ontdekken van buckyballs ontstond ook het concept dat atomen, ionen en kleine moleculen in deze “kooi” opgesloten konden worden. Sindsdien is het stil rond buckyballs en soortgelijke moleculen. Alleen grafeen en koolstofnanobuisjes mogen zich in blijvende belangstelling verheugen. Nu blijk er toch een spectaculaire nieuwe toepassing te zijn. Voor kernfusie is deuterium nodig. Dat verschilt van de meest voorkomende vorm van waterstof omdat er niet alleen een proton, maar ook een neutron in de kern zit. Ongeveer één van de 6240 waterstofatomen is een deuteriumatoom. (Er is nog een derde waterstofisotoop, tritium (wellicht bekend van de ’tritium lights’), een radioactieve variant met een halfwaardetijd van iets meer dan tien jaar. Daarom komt tritium van nature bijna niet voor).

Deuterium scheiden van protium, ‘normale’ waterstof, is een moeizaam proces: beide isotopen zijn chemisch namelijk vrijwel identiek. Weliswaar is deuterium door de dubbele massa iets langzamer in chemische reacties dan protium, en zijn hoge concentraties deuterium in het lichaam (denk aan vele procenten van alle waterstof) daarom giftig, maar erg groot is dit verschil niet. Erg vervelend, want nu moeten beide isotopen met behulp van kostbare technieken, zoals gasdiffusie, van elkaar gescheiden worden. Op dit moment kost pure deuterium daarom enkele duizenden euro’s per kilogram.

Met deze nieuwe techniek komt hier, mogelijk, verandering in. De speciale moleculaire structuur van de separatorlaag – met strategisch geplaatste grote en kleine holtes – versnelt de zwaardere deuteriumdeeltjes ten opzichte van de protiumdeeltjes. Op die manier ontstaat een verrijking in deuterium in het concentraat. Als deze stap maar vaak genoeg herhaald wordt, ontstaat er uiteindelijk een zeer deuteriumrijk concentraat. Als deuterium eenmaal een hoog percentage van het concentraat uitmaakt, is het veel eenvoudiger om het deuteriumgehalte nog verder op te voeren.

De gebruikte techniek werkt alleen bij temperaturen die ongeveer dertig graden boven het absolute nulpunt liggen. De onderzoekers hopen een variant van de isotopenscheiding te ontwikkelen, die ook bij hogere temperaturen is toe te passen.

Bron:
Ming Liu et al. Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax7427