Kernfusion braucht seltenes Tritium – Forscher aus Sachsen finden einen Weg, es zurückzugewinnen

Tritium könnte zu einem der größten Engpässe der Kernfusion werden. Der radioaktive Wasserstoff ist selten und zerfällt mit einer Halbwertszeit von rund zwölf Jahren. Zugleich werden bei der Fusion laut einer neuen Studie nur etwa zwei Prozent des eingesetzten Brennstoffs tatsächlich verbraucht. Der große Rest muss wieder aufgefangen, getrennt und erneut eingesetzt werden.

Forscher aus Sachsen haben dafür nun einen ungewöhnlichen Weg erprobt. Wie sie im Fachjournal Nature Communications berichten, konnten sie Protium, Deuterium und Tritium erstmals mit einem silberhaltigen Zeolithen aus einem gemeinsamen Gemisch trennen. Tritium blieb dabei mit Abstand am stärksten am Material haften.

Warum Tritium für die Kernfusion zum Engpass wird

Künftige Fusionskraftwerke sollen Deuterium und Tritium miteinander verschmelzen. Dabei entsteht Energie, doch ein Großteil des Brennstoffs bleibt unverbraucht. Zusätzlich gelangt Protium in das Abgasgemisch. Der Wasserstoff kann durch Reaktionen mit Materialien im Reaktor oder durch Ausgasung entstehen.

Damit müssen drei Varianten des Wasserstoffs wieder voneinander getrennt werden. Protium besitzt kein Neutron im Atomkern, Deuterium eines und Tritium zwei. Chemisch verhalten sie sich dennoch nahezu gleich. „Gewöhnliche Trennverfahren stoßen hier an ihre Effizienzgrenzen“, erklärt Cornelius Fischer, Professor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und an der Universität Leipzig.

Silber hält Tritium besonders stark fest

Das Team setzte auf einen Zeolithen, einen porösen Kristall mit winzigen Hohlräumen. In seinem Gerüst sitzen normalerweise Natriumionen. Die Forscher ersetzten sie durch Silberionen. Dadurch entstehen Stellen, an denen die verschiedenen Wasserstoffisotope unterschiedlich stark gebunden werden.

Dahinter steckt ein quantenmechanischer Effekt. Wegen ihrer unterschiedlichen Masse besitzen Protium, Deuterium und Tritium verschiedene Nullpunktsenergien. Die schwereren Isotope werden an den Silberionen stärker stabilisiert. Beim anschließenden Erwärmen entweicht deshalb zuerst Protium, danach Deuterium und zuletzt Tritium. Solche Unterschiede lassen sich über die jeweilige Desorptionstemperatur messen.

Aus 1:1:1 wird 1:41:175

Für das entscheidende Experiment mischten die Forscher Protium, Deuterium und Tritium zunächst zu gleichen Teilen. Das Gas traf bei rund 83 Kelvin, etwa minus 190 Grad Celsius, auf den silberhaltigen Zeolithen. Nach zehn Minuten lag das Verhältnis der gebundenen Moleküle bei 1:41:175 für H₂:D₂:T₂. Tritium reicherte sich damit mit großem Abstand am stärksten an.

Noch deutlicher fiel der direkte Vergleich von Tritium und Protium aus. Hier erreichte das Material laut Studie eine Selektivität von 244 zugunsten von Tritium. Für Deuterium gegenüber Protium lag der Wert bei 29, für Tritium gegenüber Deuterium bei 4,2. „Das sind nicht nur minimale Unterschiede“, sagt Fischer. „Der Trennvorgang ist schon bei einmaliger Anwendung sehr effizient.“

Weltweit ist Tritium extrem knapp

Wie knapp der Brennstoff ist, zeigt ein Blick auf die verfügbaren Mengen. Schätzungen zufolge sind weltweit im zivilen Bereich lediglich rund 20 Kilogramm Tritium verfügbar. Zugleich zerfällt das Isotop kontinuierlich. Für künftige Fusionskraftwerke ist deshalb vorgesehen, Tritium neu zu erzeugen und vorhandenen Brennstoff möglichst vollständig im Kreislauf zu halten.

Die neue Trennmethode könnte dabei helfen, unverbrauchtes Tritium wieder aus dem Gasgemisch zu holen. Von einer technischen Lösung für Kraftwerke ist das Verfahren allerdings noch weit entfernt. In den Experimenten kamen lediglich 1,7 Milligramm Zeolith zum Einsatz. Für größere Anlagen müssen unter anderem Prozessführung, Skalierung und Langzeitstabilität untersucht werden.

Flüssiger Stickstoff reicht für die Trennung

Ein möglicher Vorteil liegt in der benötigten Temperatur. Die Experimente liefen bei ungefähr 82 bis 85 Kelvin, also etwa minus 191 bis minus 188 Grad Celsius. Solche Temperaturen lassen sich mit flüssigem Stickstoff erreichen. Die Autoren sehen darin einen möglichen energetischen Vorteil gegenüber Verfahren wie der kryogenen Destillation, die ebenfalls zur Trennung von Wasserstoffisotopen eingesetzt wird.

Offen bleibt, wie lange das Material der radioaktiven Belastung standhält. Tritium sendet beim Zerfall Betastrahlung aus, die theoretisch auch die Silberzentren verändern könnte. Nach vier Stunden Kontakt mit Tritium stellten die Forscher jedoch keine signifikante Veränderung der Trennleistung fest. Für einen jahrelangen Betrieb liefert dieser Versuch noch keinen Nachweis.

„Das ist noch kein Nachweis für einen dauerhaften technischen Betrieb, aber ein wichtiges Indiz dafür, dass der Materialtyp für weitere Untersuchungen interessant ist“, sagt Fischer. Das Leipziger Team will deshalb weitere poröse Materialien testen und vergleichen. Ziel ist ein Stoff, der Tritium dauerhaft und mit hoher Selektivität aus Wasserstoffgemischen herausholen kann.

Kurz zusammengefasst:

Tritium ist knapp, aber für viele Fusionskonzepte unverzichtbar: Weil nur ein kleiner Teil des Brennstoffs verbraucht wird, muss der Rest recycelt werden.
Ein silberhaltiger Zeolith kann Tritium gezielt herausfiltern: Im Versuch band er Tritium deutlich stärker als Deuterium und normalen Wasserstoff (Protium).
Für Fusionskraftwerke ist das noch keine fertige Lösung: Die Methode funktioniert bislang nur im Labormaßstab, Langzeitbetrieb und Skalierung sind offen.

Übrigens: Während Forscher Tritium für die Kernfusion zurückgewinnen wollen, prüfen US-Wissenschaftler, ob sich der seltene Brennstoff sogar aus Atommüll erzeugen lässt. Mehr dazu in unserem Artikel.