Recycling der Wasserstoff Isotope für die Kernfusion

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"Die Bundesregierung nimmt viel Geld in die Hand, damit das erste Fusionskraftwerk der Welt in Deutschland entsteht. Ende Juli wählte Bundesforschungsministerin Dorothee Bär (CSU) drei „Fusionshubs“ aus, in denen Forschung und Industrie gemeinsam an offenen Fragen arbeiten sollen. 125 Mio. € stellt ihr Ministerium dafür bereit.

Zwei Hubs kümmern sich um die beiden Reaktorkonzepte, also Laser- und Magnetfusion.

Der dritte, koordiniert vom Karlsruher Institut für Technologie, widmet sich einem Thema, das noch weniger bekannt ist: dem Brennstoffkreislauf. ...

In einem Fusionsreaktor verschmelzen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium und setzen dabei enorme Energiemengen frei. Doch nur etwa 2 % der Deuterium-Tritium-Kombination werden dabei tatsächlich verbraucht, wie das Forschungsteam in seiner Studie schreibt. Der Rest verlässt den Reaktor unverbrannt. ...

Aus dem Abgasstrom wird so ein Gemisch aus drei Isotopen, das getrennt werden muss, damit der Brennstoff in der richtigen Zusammensetzung zurück in den Reaktor kann. ...

So funktioniert das Quantensieb

Für ihre Suche nutzten die Forscher einen Zeolithen. Diese Kristallmaterialien kommen in der Natur vor, lassen sich aber auch synthetisch herstellen. Ihr Gerüst aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen ist von winzigen Poren durchzogen, in denen positiv geladene Ionen sitzen. Diese Ionen lassen sich austauschen und verändern dann die Eigenschaften des Materials. Das Ausgangsmaterial dafür kam vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Dort wurden die ursprünglichen Natriumionen des Zeolithen vollständig durch Silberionen ersetzt. Mit diesem Material arbeitete das Leipziger Team. ...

An den Silberplätzen läuft der entscheidende Vorgang, eine Adsorption, ab:

Wasserstoff strömt in die Poren

Die Moleküle wechselwirken mit der elektronischen Struktur der Silberionen und bleiben dort haften.

Wie stark, entscheidet die Quantenmechanik. Wegen ihrer unterschiedlichen Masse besitzen die drei Isotope verschiedene Nullpunktsenergien. So heißt die minimale Energie, die ein quantenmechanisches System selbst am absoluten Nullpunkt behält. Je schwerer das Isotop, desto niedriger diese Energie und desto fester sitzt das Molekül am Silber. So lässt sich der Brennstoff-Reststrom laut den Forschenden sehr effizient aufsplitten. ..."

Recycling für die Kernfusion: Leipziger Team gelingt Durchbruch "Bei der Kernfusion geht es meist um Laser, Plasmen und Magnete. Kaum jemand fragt, wie der teure Brennstoff recycelt wird. Ein Team aus Leipzig hat dafür erstmals ein Gemisch dreier Wasserstoffisotope voneinander getrennt."

Tritium in the quantum sieve "HZDR team achieves first-ever separation of a hydrogen isotope mixture containing tritium using quantum effects"