Тритий дейтерий протий: Разница между Протием и Дейтерием

Всё о тритии

Батарейка сядет не скоро
Мир развивается, повсюду внедряются инновационные решения, требующие новых стабильных, безопасных источников энергии с длительным сроком службы. Ученые многих стран мира (и России в том числе) считают перспективным направление радиоизотопных источников питания, в том числе тритиевых. Все радиоизотопные источники можно условно разделить на две категории: с тепловым циклом и без него.

К первой категории относятся термоэлектрические преобразователи, так называемые РИТЭГи, в которых используется большое количество радиоактивного материала. Сначала этот материал разогревается, затем тепловая энергия преобразуется в электрический ток. Это достаточно большие устройства, их мощность может доходить до сотен ватт, и вес таких конструкций внушительный — до нескольких тонн. Это скорее миниатюрные подстанции, а не батареи. Их можно размещать в труднодоступных регионах, например, в Арктике. Устройства поменьше регулярно устанавливаются на спутниках и прочих космических аппаратах, задача которых — выйти за пределы Солнечной системы.

Миниатюрные источники питания без теплового цикла тоже разделяются на несколько категорий. К первой относятся те, в которых используется прямое преобразование энергии: энергия радиоактивного распада преобразуется в электрический ток, например, с помощью полупроводников. Самые известные такие источники — работающие на основе прямого преобразования бета-излучения (бета-вольтаические). Ко второй категории относятся источники на основе промежуточного преобразования бета-излучения в фотоны света (фотоэлектрические преобразователи с двой­ным преобразованием).

У каждого типа источников есть свои преимущества и недостатки; при этом тритий можно применять в каждом из них.

Радиоизотопами — кандидатами на роль топлива в миниатюрных батарейках — могут выступать несколько изотопов. Первые батарейки изготавливались с применением ⁹⁰Sr. Этот изотоп достаточно дешевый, его получают при переработке ОЯТ. Однако у стронция слишком высокая энергия бета-излучения. Кроме того, в результате образуется ⁹⁰Y с энергией бета-излучения примерно 2,3 МэВ — такого излучения не выдержит ни один существующий полупроводник.

Были попытки создать устройства на основе ¹⁴⁷Pm. Он требует дополнительной очистки, зато имеет комфортную энергию бета-распада. Однако его проблема заключается в коротком периоде полураспада — примерно 2,6 года. За это время мощность батарейки снижается примерно в два раза. Проблематично найти потребителя, готового использовать дорогостоящее устройство, мощность которого за три года снизится на 50%.

Одна из основных проблем на пути создания качественной батарейки — эффективность преобразования бета-излучения. От качества полупроводника, по большому счету, зависят характеристики будущего устройства. Сейчас полупроводниковая промышленность всего мира в основном занимается развитием солнечных батарей, то есть преобразованием света в электрический ток. Полупроводниковые преобразователи для бета-излучения — очень узкая сфера деятельности, и без дополнительных финансовых вливаний, без исследований это направление далеко не продвинется.

Работы с прометием и стронцием дали импульс развитию этого направления. Сегодня наиболее перспективными изотопами для батареек считаются ⁶³Ni и тритий. Основные различия между этими изотопами — период полураспада: у трития он составляет 12,3 года, у ⁶³Ni — около 100 лет. Конечно, батарейка, работающая целый век, выглядит очень привлекательно.

Но, во‑первых, технология получения чистого ⁶³Ni достаточно сложная и дорогая: стоимость 1 грамма трития и ⁶³Ni различается чуть ли не на порядки. Во-вторых, технологии по тритию давно отработаны, а получение ⁶³Ni еще 10 лет назад казалось фантастикой. Сейчас ⁶³Ni высокого обогащения появляется в атомной отрасли, но эту технологию еще предстоит обкатать. В-третьих, преимущество никеля — период полураспада в 100 лет — одновременно и недостаток; он имеет низкую радиоактивность: поток бета-частиц ⁶³Ni ниже, чем у трития. Ученые надеются получить ⁶³Niz с удельной активностью 80 кюри на 1 грамм — это планка, которой пока тяжело достичь. А удельная активность чистого газообразного трития — почти 10 тыс. кюри на 1 грамм, то есть потоки бета-частиц у трития и никеля различаются кардинально. В-четвертых, нужно понимать, что пока не существует устройства, которое гарантированно проработает 100 лет. Даже не каждый производитель полупроводниковых преобразователей гарантирует срок службы 20−30 лет.

В силу всех этих причин на первый план выходит тритий. Есть технологии его наработки и удержания, есть готовые площадки по обращению с ним. Бета-излучение его достаточно мягкое и практически не разрушает структуру полупроводника.

Кстати, в некоторых странах, например, в США, производители тритиевых батареек имеют лицензию чуть ли не на свободное распространение этих устройств. То есть купить такую батарейку теоретически может любое юрлицо. В нашей стране организации, использующей радиоизотопные источники питания, необходимо иметь санитарно-­эпидемиологическое заключение на право проведения таких работ. Свободное распространение радиоизотопных источников имеет свои нюансы — это значит, что производителю нужно продумать «защиту от дурака», потому что в случае разрушения ядерной батарейки радиоактивное вещество может нанести вред и человеку, и окружающей среде.

что это такое, особенности, свойства и производство

Энергия реакций распада и синтеза в ядре атома давно нашла применение в науке и технике. Она используется в промышленности, оружии, геологии, на атомных электростанциях. Процессы ядерных реакций могут приносить как пользу, так и огромный вред. В статье речь пойдет о том, что это такое – тритий, как он добывается, о его использовании в атомной энергетике и какие опасности связаны с его применением.

Изотопы водорода

Прежде чем объяснить, что это такое тритий, необходимо познакомиться с понятием изотопа.

Атом любого вещества состоит из ядра и электронов (отрицательно заряженных частиц), движущихся по орбитам вокруг него. Ядро атома содержит положительно заряженные частицы – протоны, и частицы с нейтральным зарядом – нейтроны.

В обычном атоме число электронов и протонов совпадает, а вот количество нейтронов может отличаться. В этом случае элементы, имеющие разное число нейтронов в ядре, называются изотопами элемента.

Водород имеет заряд 1, то есть в нем содержится один электрон и один протон. Его изотопы – протий, дейтерий и тритий. Слово “протий” образовано от греческого слова “первый”. Этот элемент имеет лишь один протон в ядре. По сути, он представляет собой привычный нам водород.

Дейтерий означает “второй”. В его ядре имеется один протон и один нейтрон. А тритий переводится как “третий” и содержит в ядре опять же один протон, но два нейтрона.

Краткий ответ на вопрос “Тритий – что это такое?” выглядит так: это третий изотоп химического элемента водорода.

История открытия

Названия для изотопов 1Н и 2Н – протия и дейтерия – были предложены американским физиком Гарольдом Юри. Обнаружив существование дейтерия, ученые сразу предположили наличие третьего изотопа водорода, имеющего два нейтрона в ядре. Юри для исследований использовал метод спектрального анализа. Однако результатов он не дал. Оказалось, что концентрация трития слишком мала, чтобы его можно было обнаружить традиционными способами. В природе это вещество практически невозможно найти. Поэтому для исследований стали использоваться другие методы, например, масс-спектрометрия.

В 1934 году Эрнест Резерфорд сумел искусственно получить третий изотоп при помощи ядерных реакций. Само собой, название было выбрано заранее, и, по аналогии с протием и дейтерием, он стал называться тритием.

Свойства

В нормальных условиях физические свойства трития примерно такие же, как у обычного водорода. Он имеет газообразное состояние; вкус, запах и цвет отсутствуют. При понижении температуры до -250 °C он становится легкой бесцветной жидкостью. А при нагревании он напоминает снег.

Атомная масса трития равняется примерно 3 а.е.м.

Тритий является радиоактивным веществом. Период полураспада составляет 12 лет, что является очень удобным в исследованиях. Канал распада элемента – бета. Тритий превращается в изотоп гелий-3. При этом происходит испускание электронов и антинейтрино.

Дефект масс и энергия связи трития

Одним из ключевых в физике элементарных частиц является понятие энергии связи атомных ядер. Под энергией связи ядра трития понимают то количество энергии, которое необходимо, чтобы произошло расщепление его ядра на отдельные нуклоны. Поскольку ядра удерживаются так называемым сильным взаимодействием, требуется большое количество энергии, чтобы их расщепить.

Чтобы высчитать энергию связи ядра, необходимо знать массу субатомных частиц. Известно, что масса покоя ядра меньше суммарной массы нуклонов в его составе. Разницу между массами ядра и суммами его нуклонов называют дефектом масс.

Дефект массы трития, как и других ядер, рассчитывается по формуле:

Δm = (Z*mp + N*mn) – Мя, где

Z – число протонов;

N – число нейтронов;

mp – масса протона;

mn – масса нейтрона;

Мя – масса ядра.

Удельная энергия связи для элемента трития составляет 2 827,2 кэВ на нуклон.

Тритий в природе

Количество этого изотопа в природе является ничтожным. Связано это с его радиоактивностью, то есть нестабильностью ядра.

В природе он вырабатывается в основном в верхних слоях атмосферы. Его формирование осуществляется при сталкивании частиц космических лучей с ядрами атомов, например, азота. Поскольку тритий образуется в атмосфере, его источники на Земле – осадки (дождь и снег).

По подсчетам ученых, в чистом виде трития на Земле содержится едва ли более 1 кг. Поэтому его вырабатывают искусственно, в лабораторных условиях.

Производство трития

В настоящее время получение данного изотопа не представляет трудностей, но является чрезвычайно дорогостоящим процессом. Для изготовления одного килограмма вещества требуются затраты в размере 30 млн долларов.

В качестве сырья используют чаще всего литий. Реже – бериллий или бор. Литий подвергают нейтронному облучению на циклотроне. Затем его растворяют в воде, получая водород, в составе которого имеется тритий. Половина лития приходит в негодность в результате этого процесса и отравляется в утиль.

Для получения водорода с тритием из бериллия и бора их обрабатывают серной кислотой.

Еще одним способом получения изотопа является облучение тяжелой воды дейтронами. Тяжелая вода – вещество, образующееся из дейтерия (другое название – оксид дейтерия). После облучения такую воду подвергают электролизу и затем извлекают тритий.

В настоящее время элемент производится в основном на территории США, Канады и России.

Радиоактивность

Тритий является радиоактивным. При его распаде выделяется бета-излучение, представляющее собой поток электронов.

При внешнем облучении организма тритий не наносит серьезного вреда. Однако при попадании внутрь с водой, пищей или воздухом он может нанести существенный ущерб здоровью. Дело в том, что являясь изотопом водорода, тритий способен замещать его в химических соединениях. Таким образом, он попадает внутрь живых клеток и встраивается в их структуру. Это сказывается на генетической информации клетки.

Как было сказано, в природе тритий практически не встречается, поэтому едва ли может нанести вред живым организмам. Однако предприятия атомной промышленности становятся источником искусственной выработки этого изотопа. Атомные электростанции выбрасывают тритий в жидком и газообразном состоянии. Причина этого в том, что изотоп практически не фильтруется. В год на АЭС образуется до 4 кг трития. Результатом выбросов становится радиоактивное загрязнение почвы, воздуха и воды. Таким образом, он является потенциальным источником заражения живых организмов. Именно поэтому тритий был занесен в список контролируемых параметров при оценке качества питьевой воды.

Применение

Основное направление использования трития – атомная промышленность. Дело в том, что реакция слияния дейтерия и трития приводит к управляемому термоядерному синтезу. Энергия связи трития настолько велика, что в ходе термоядерных реакций вырабатывается в огромном количестве, в разы больше, чем при реакциях распада атомных ядер, поэтому управляемые термоядерные реакции могут стать главным источником энергии на Земле на многие годы. В связи с этим ученые в настоящее время работают над строительством термоядерного реактора, в котором процессы синтеза ядер происходили бы в крупных масштабах. Наиболее известный проект такого реактора – строящийся в настоящее время ITER (ИТЭР) во Франции.

Производство трития может успешно применяться для военных целей, например, при создании термоядерного оружия.

С использованием трития изготавливаются специальные светящиеся краски. Это обусловлено радиолюминесценцией – явлением свечения элемента при радиоактивном распаде. Светящиеся краски наносят на шкалы приборов, а также используются для изготовления брелоков и часов. Количество трития в них не настолько велико, чтобы нести угрозу для здоровья.

Тритий применяется в качестве индикатора химических реакций.

Наконец, этот изотоп используется для определения возраста объектов, которым не более 100 лет, например, вин.

Итак, что это такое – тритий? Выводы:

1. Тритий – изотоп водорода, имеющий в ядре один протон и два нейтрона.
2. Изотоп практически не встречается в природе, но успешно производится в лабораториях.
3. Тритий радиоактивен, и его использование может принести человечеству и пользу, и вред.

водород и бор вместо дейтерия и трития / Хабр

Прототип термоядерного реактора TAE 5-го поколения был разработан для создания температур 30 миллионов градусов Цельсия, но уже сейчас он достиг 75 миллионов градусов. И в настоящее время команда разработчиков стремится увеличить температуру в 10 раз, причем ориентируясь на более дешевое, простое и безопасное борсодержащее топливо.

Если достаточно сильно ударить ядра двух атомов друг о друга, они могут слиться и создать другой элемент. Если вы используете правильные элементы, то получившийся в результате слияния атом будет весить меньше, чем первоначальные компоненты, а разница в массе будет высвобождена в виде энергии E=mc², как предсказывает знаменитое уравнение Эйнштейна. Если учесть, что квадрат скорости света довольно большое число, то даже небольшая масса топлива может выделить много энергии.

Но проблема в том, что атомные ядра чрезвычайно малы и положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, из-за чего их трудно столкнуть вместе. Тем не менее процесс синтеза постоянно происходит на Солнце. Но Солнце обладает колоссальной массой и гравитацией, которая притягивает атомы к центру звезды, заставляя их яростно колебаться и соударяться друг с другом. Сливаясь вместе, они высвобождают большое количество тепла, и такая цепная реакция не закончится в течение миллиардов лет.

Люди в течение многих десятилетий пытались воспроизвести этот процесс на Земле, привлеченные потенциальным обилием чистой энергии, причем даже более безопасной, чем ядерное деление, которое в свою очередь, несмотря на несколько громких инцидентов, остается одной из самых безопасных форм производства энергии. Пока еще ни у кого нет работающей термоядерной установки, но прогресс в этой области, похоже ускоряется.

Не имея огромной массы Солнца и его гравитационного притяжения многие попытки термоядерного синтеза на Земле полагаются на более высокие температуры, чем у нашего светила. В проектах синтеза с магнитным удержанием плазмы она нагревается примерно до 100 миллионов градусов по Цельсию, что почти в 4 раза горячее, чем в ядре Солнца. Тепло – это движение на атомном уровне, поэтому ожидается, что это дополнительное движение столкнет атомы плазмы друг с другом достаточно сильно, чтобы преодолеть ядерное отталкивание и началась реакция синтеза.

Но заметьте, предполагается, что вы используете тритий и дейтерий в качестве топлива. Например, этот способ реализует масштабный международный проект ИТЭР (ITER). Но у трития есть свои проблемы – он радиоактивный и облучает материалы реактора. Еще хуже тот факт, что он достаточно редок – сегодня в мире накоплено всего около 25 килограммов этого вещества, и, по собственным оценкам ИТЭР рассчитывает использовать почти всё это количество в экспериментах. Поэтому дефицит и радиоактивность делают термоядерную энергию достаточно дорогой.

Michl Binderbauer

«Практические ограничения немедленно становятся ограничениями по стоимости», — говорит Michl Binderbauer – генеральный директор TAE Technology (раннее называвшейся Tri Alpha Energy). Эта калифорнийская компания, основанная еще в 1998 году, как дочерняя компания Калифорнийского университета в Ирвине, привлекла более 1,2 миллиарда долларов США от таких инвесторов, как Google, Chevron, Goldman Sachs, Пол Аллен, семья Рокфеллеров и других. Собранные средства используются для создания ряда прототипов, которые постепенно увеличиваются в размерах.

Этапы развертывания термоядерного реактора

К началу 2030-х годов версия прототипа Да Винчи должна стать первой термоядерной электростанцией, поставляющей энергию в сеть

Четвертый прототип, названный Norman, в честь его разработчика Нормана Ростокера (Norman Rostoker), был построен в 2017 году и рассчитан на температуру плазмы 30 млн °C. Однако Норман получился намного лучше, чем запланировано. TAE продемонстрировал способность поддерживать плазму при температуре 75 млн °C, что позволило компании опередить график. Но конструкторы не нацелены даже на 100 миллионов градусов – их задача миллиард градусов Цельсия.

TAE надеется, что тритий будет просто демонстрационной точкой на пути к тому, чего компания действительно хочет достичь – синтез водорода и бора. У бора есть все преимущества, которых нет у трития: процесс не сопровождается никакой радиоактивностью, а на выходе получается гелий – химически инертный и безопасный, настолько насколько это вообще возможно. Бор сегодня производится метрическими тоннами. Он используется в моющих средствах – это товарный продукт, его можно найти повсюду.

Недостатком является то, что атом бора больше, чем тритий, с большим количеством положительных зарядов в ядре, поэтому в конструкции с магнитным удержанием нужно использовать гораздо больше энергии. Энергии на миллиард градусов.

Чтобы достичь температуры в 10 раз выше, чем то, к чему даже стремятся токамаки мира, TAE пришлось спроектировать совсем другой реактор, конструкция которого перекликается с ускорителем частиц в ЦЕРНе, где субатомные частицы разгоняются до астрономических величин и достигается температура в 5 триллионов градусов или ее эквивалент. Но для проекта TAE нужен только миллиард.

К концу 1990-х команда проработала достаточно много теоретического материала, провела моделирование и симуляцию процессов. В результате через 20 лет приступила к работе уже над физическими прототипами. Это был путь не столько научных открытий, сколько отработки технологий и создания инженерных компонентов.

Ускорители частиц текущего поколения (желтые цилиндры) позволяют разогреть плазму до 75 миллионов градусов

В то время как ускоритель частиц Большого адронного коллайдера представляет собой кольцо длиной 27 км, установка TAE удивительно компактна. «По сравнению с ЦЕРНом наши цифры выглядят смешными, — продолжает Биндербауэр. – Они могут создавать триллионы градусов, нам нужно в 1000 – 10 000 раз меньше. Они ускоряют более или менее отдельные частицы до 99,999% скорости света в вакуумной системе. Они работают на гораздо более высоком токе – миллионы ампер, мы же работаем с сотнями ампер. Нам же нужно «толкать» гораздо больше частиц, с более низкой энергией и скоростью. Так что наши показатели намного скромнее с точки зрения физического масштаба».

Токамак ИТЭР

Вместо того, чтобы вращать свою плазму в форме пончика, TAE удерживает ее на месте, ограничивая перемещение мощными магнитными кольцами. Это магниты с простой геометрией – плазма выглядят, как эллипсоид и вращается внутри цилиндра вдоль его оси. У разработчиков есть возможность управлять вращением и благодаря гироскопической стабилизации она очень устойчива и предсказуема.

Реактор в разрезе, показывающий, как плазма удерживается и вращается в середине цилиндраУдержание и вращение плазмы

Это более или менее похоже на выпрямленную часть тора токамака, но с существенным улучшением – магниты можно легко удалить или заменить без необходимости разборки всей установки. TAE может использовать диверторы (отводящие устройства) для отбора материи в любом конце трубы, действуя как «мусорные баки» для поглощения примесей и частиц выхлопных газов. В токамаке же это сопряжено с огромными проблемами. Норман собран из цилиндров около трех метров в диаметре, изготовленных из простого листового металла. Причем, в случае возникновения проблемы с теплопередачей, исследователи могут просто удвоить размер.

С точки зрения магнитной эффективности, являющейся основным параметром, в TAE она составляет около 90%, против около 10% в токамаке. Магниты являются большой и дорогой частью термоядерных систем, поэтому, если их эффективно использовать, то можно вырабатывать и более дешевую энергию.

Благодаря тому, что машина пятого поколения имеет показатели на 250 % выше проектных, исследователи начинают понимать, что чем горячее становится плазма, тем лучше работают ускорители частиц и системы магнитного удержания. Таким образом есть высокая степень уверенности, что можно достичь не только 150 миллионов градусов для трития, но и миллиарда градусов и выше, необходимых для бора. Это будет в конце десятилетия или в начале 30-х.

Следующий прототип, система Коперник (Copernicus) 5-го поколения, рассчитана на достижение температуры 100-150 миллионов градусов для того, чтобы доказать свою способность для синтеза трития.

 

  TAE нацелилась на 2025 год для своей первой демонстрации положительного по энергии синтеза трития

Коперник разработан для демонстрации положительного энергетического баланса, т.е. больше единицы, что означает, что он будет генерировать больше энергии, чем использует. Если и когда это удастся, разработчики перейдут к последнему шагу, машине Да Винчи (Da Vinci), которая доведет процесс до водородно-борных условий. Машина Да Винчи будет прототипом электростанции, выдающей ток от паротурбинного генератора.

Ожидания от инвестиций

В современном мире от инвесторов TAE требуется огромное терпение. Да, конечно же машины передовые и дорогие, но коммерческая отдача от них далеко за горизонтом. Подход компании заключается в работе над моделью «деньги после этапа» и направлен на снижение максимально возможного инвестиционного риска. Есть независимая научная группа, состоящая из самых ярких специалистов в области термоядерной физики, у которых нет ни акций, ни какой-либо доли в компании. Но они приходят два раза в год, им платят за их время, они проверяют работу и дают независимое подтверждение того, достигли ли разработчики определенного рубежа.

С другой стороны, у инвесторов есть потенциальное вознаграждение — владение технологией экологически чистой энергии, которая использует обильные, простые и дешевые виды топлива. Помимо этого, технология позволяет реагировать на скачки потребления электроэнергии, переходя от температуры окружающей среды к миллиарду градусов за несколько тысячных долей секунды. Таким образом, мощность установки может увеличиться, производя относительно быстрый нагрев воды и вращение турбин.

Что касается последнего пункта, то команда работает над системой прямого преобразования энергии, которая полностью исключит громоздкую турбину и заменит ее твердотельным устройством преобразования излучения в электроэнергию. Это отдаленно напоминает работу солнечных панелей, но в данном случае происходит преобразование не света, а мягкого рентгеновского излучения.

Стоимость электроэнергии и отношение общества к термояду

США электричество, вырабатываемое на газовых электростанциях, может стоить в диапазоне от одного до двух центов за киловатт-час. Атомная энергия, особенно с высоким уровнем безопасности АЭС, дороже и может быть на уровне 10-15 центов. Компания TAE ожидает, что их электростанция первого поколения будет производить электроэнергию по цене около 6-7 центов за киловатт-час. Причем эта цена без учета углеродных кредитов и субсидий. Но это будет первая электростанция, а в дальнейшем цены должны снизиться.

Вместе с тем компания предполагает, что ее электростанция не будет самым дешевым источником энергии, однако она будет практичной, полностью зеленой и с низкой ресурсоемкостью. Такие станции смогут безопасно работать даже в мегаполисах и по всему миру.

Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерного синтеза по сравнению с ядерным делением. Правда придется провести просветительскую работу, поскольку каждый раз, когда кто-то слышит, что реактор планирует работать с субстанцией, которая почти в 40 раз горячее, чем ядро ​​Солнца у многих возникают опасения. Чиновники, например, всё время задают вопрос: миллиард градусов, разве это не расплавит реактор и не приведет к взрыву.

Взрыва не будет. ЦЕРН без происшествий достиг температуры более пяти триллионов градусов. Люди должны понимать, насколько малы атомы и как быстро рассеивается тепло. Если взять плазму с температурой 75 миллионов градусов и поместить в нее кубик льда, то … лед превратится в воду и даже не нагреется. Произойдет просто фазовый переход. Но большинству людей это совершенно непонятно. В реакторе нет расплавления активной зоны. У боро-водорода нет и радиоактивности. Процесс синтеза безопаснее, чем процесс расщепления и это надо донести до общественности. Но если к термоядерному синтезу относиться так же, как к ядерному делению, то регулирование этого направления отрасли будет длительным и сложным. Бюрократическая волокита может добавить лет 10 лет к срокам коммерциализации термоядерной энергии и соразмерно увеличит цену за электричество.

Команда TAE на фоне прототипа Norman

Видео по теме.

В статье использованы фото TAE Technologies и журнала Science.

Разница между протием, дейтерием и тритием

Основное отличие — протий, дейтерий и тритий

Протий, дейтерий и тритий являются изотопами элемента водорода. Изотопы — это разные формы одного и того же элемента, которые отличаются друг от друга в зависимости от количества нейтронов, содержащихся в их ядрах. Следовательно, изотопы имеют одинаковый атомный номер, но разные атомные массы. По этой причине изотопы имеют разные физические свойства, но химические свойства остаются неизменными, поскольку количество электронов, присутствующих в изотопах, одинаково. Поэтому протий, дейтерий и тритий имеют как общие черты, так и различия. Основное различие между Protium Deuterium и Tritium заключается в том, что В ядрах протия нет нейтронов, тогда как дейтерий состоит из одного нейтрона, а тритий состоит из двух нейтронов.

Ключевые области, охватываемые

1. Что является Protium
– Определение, свойства и изобилие
2. Что такое Deuterium
– определение, свойства и обилие
9005 3.
      – Определение, свойства и распространенность
4. Каковы сходства между протием, дейтерием и тритием
      – Outline of Common Features
5. What is the Difference Between Protium Deuterium and Tritium
      – Comparison of Key Differences

Key Terms: Atomic Mass, Atomic Number, Deuterium, Isotopes, Neutron, Protium , Тритий

Что такое протий

Протий — изотоп водорода, состоящий из одного протона и одного электрона. Это самая распространенная форма водорода. Содержание этого изотопа в земной коре составляет около 99,9%. В ядре протия нет нейтронов. Считается самым стабильным изотопом водорода. Поэтому, когда мы обычно говорим о водороде, мы говорим о протии.

Атомный номер протия равен 1 из-за наличия одного протона. Массовое число протия также равно 1, так как в ядре протия нет нейтронов. Атомная масса протия составляет около 1,00794 а.е.м. Символ протия — ¹ H. Электронная конфигурация протия — 1s ¹ .

Протий встречается в природе в виде двухатомной газообразной формы или в виде водорода в молекуле H ₂ O. Связь между двумя атомами в двухатомной молекуле имеет более высокую энтальпию диссоциации связи. В основном это связано с тем, что эти атомы очень маленькие и имеют полную электронную конфигурацию на единственной орбитали (s-орбитали) в форме их двухатомных молекул.

Рисунок 1: Атомная структура протия

На приведенном выше изображении показана атомная структура протия. Здесь протон показан в центре атома (ядра), а электрон показан вне ядра синим цветом.

Что такое дейтерий

Дейтерий — изотоп водорода, состоящий из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона. Символ дейтерия дается как ² H. Атомный номер дейтерия равен 1, а массовое число равно 2. Атомная масса может быть равна 2,014 а.е.м. Это также стабильный изотоп водорода, но менее распространенный. Обилие дейтерия в земной коре рассчитано как 0,015%. Он не радиоактивен, так как дейтерий стабилен с одним протоном и одним нейтроном в ядре.

Рисунок 2: Атомная структура дейтерия

Дейтерий может находиться в газовой или жидкой фазе. Дейтерий существует в виде двухатомных газов, таких как D ₂ или HD (в сочетании с водородом). Если нет, то дейтерий можно найти в виде тяжелой воды. Тяжелая вода состоит из молекул D ₂ O. В большинстве случаев дейтерий действует так же, как протий. Но есть и определенные отличия. Из-за присутствия нейтрона атомная масса дейтерия в два раза больше массы протия. Следовательно, длина связи и энергия связи отличаются от таковых у протия. Более того, лед из тяжелой воды будет тонуть в жидкой воде из-за высокой плотности (обычный лед плавает на поверхности жидкой воды).

Есть также некоторые приложения Deuterium. В ЯМР-спектроскопии соединения, содержащие дейтерий, используются в качестве растворителя вместо соединений, состоящих из водорода. Тогда пики, данные атомами водорода аналита, можно отличить от атомов растворителя.

Что такое тритий

Тритий — изотоп водорода, состоящий из одного протона, двух нейтронов и одного электрона. Символ трития — ³ H. Атомный номер трития — 1, а атомная масса трития — 3. Массу можно определить как 3,016 а.е.м. Этот изотоп водорода является радиоактивным из-за наличия большого количества нейтронов по сравнению с количеством протонов.

Тритий часто подвергается бета-распаду. Это производит Helim-3 и высвобождает большое количество энергии. Период полураспада трития был рассчитан как 12,32 года. Однако содержание трития в земной коре очень мало.

Рисунок 3: Атомная структура трития

На приведенном выше изображении показана атомная структура трития. Массовое число трития равно 3 из-за наличия двух нейтронов (красный цвет) и протона (синий цвет).

Сходства между протием-дейтерием и тритием-

• Протий, дейтерий и тритий являются изотопами водорода.
• Эти изотопы состоят из 1 протона на ядро.
• Все три состоят из 1 электрона.

Рисунок 4: Протий Дейтерий Тритий

Разница между протием, дейтерием и тритием

Определение

Протий: Протий — изотоп водорода, состоящий из одного протона и одного электрона.

Дейтерий: Дейтерий — изотоп водорода, состоящий из одного протона, одного нейтрона и одного электрона.

Тритий: Тритий — изотоп водорода, состоящий из одного протона, двух нейтронов и одного электрона.

Содержание

Протий: Содержание протия составляет около 99,9%.

Дейтерий: Содержание дейтерия составляет около 0,015%.

Тритий: Тритий обнаружен в очень малых количествах.

Химический символ

Protium: Символ для Protium составляет ¹ H.

Deuterium: Символ для Deuterium – ¹ H.

Tritium: Символ для тритиума – ¹ ч.

Массовое число

Протий: Массовое число протия 1.

Дейтерий: Массовое число дейтерия 2.

Тритий: Массовое число 3. Тритий 3. 0007

Атомная масса

Протий: Атомная масса протия составляет 1,00794 а.е.м.

Дейтерий: Атомная масса дейтерия составляет 2,014 а.е.м.

Тритий: Атомная масса трития составляет 3,016 а.е.м.

Радиоактивность

Протий: Протий не радиоактивен.

Дейтерий: Дейтерий не радиоактивен.

Тритий: Тритий радиоактивен.

Вывод

Протий, дейтерий и тритий — три изотопа водорода. Помимо этих изотопов, могут быть и другие формы водорода. Но они очень нестабильны из-за присутствия большого количества нейтронов. Основное различие между протием, дейтерием и тритием заключается в том, что в ядрах протия нет нейтронов, в то время как дейтерий состоит из одного нейтрона, а тритий состоит из двух нейтронов.

Ссылки:

1. «Изотопы водорода – безграничный открытый учебник». Безграничный. Безграничный, 20 сентября 2016 г. Интернет. Доступна здесь. 02 августа 2017 г. 
2. «Дейтерий, тритий и протий — три изотопа водорода». Причудливая наука. Np, 25 марта 2017 г. Интернет. Доступна здесь. 02 августа 2017 г. 

Изображение предоставлено:

1. «Водород» Mets501 – собственная работа (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia
2. «Атом H-2» ZYjacklin – собственная работа (CC0) через Commons Wikimedia
3. «Blausen 0528 Hydrogen-3 Tritium» BruceBlaus — собственная работа (CC BY 3.0) через Commons Wikimedia
4. «204 изотопов водорода-01» OpenStax College — Anatomy & Physiology, веб-сайт Connexions. 19 июня(Технический отчет) ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другие родственные исследования

Установлена ​​связь между изотопными эффектами трития и дейтерия. Кроме того, уравнения были экспериментально проверены системой, в которой изотопные эффекты велики и точно измеримы. Изотопный эффект дейтерия составил 5,02, из чего рассчитанный изотопный эффект трития составляет максимум 11,8, предел высокой температуры 10,7, предел низкой температуры 10,2 и минимум 9,7. Наблюдаемый изотопный эффект трития составил 10,2, что находится в полном диапазоне и ближе всего к низкотемпературному пределу. (JRD)

Авторов:

Суэйн, CG; Шаад, Л.Дж.

Дата публикации:

1958-01-01

Исследовательская организация:

Массачусетский институт Tech. , Кембридж. лаборатория для ядерной науки

Идентификатор ОСТИ:

4254041

Номер(а) отчета:

АЭКУ-3968; AD-150493

Номер АНБ:

АНБ-13-007469

Номер контракта с Министерством энергетики:  

АТ(30-1)-905

Тип ресурса:

Технический отчет

Отношение ресурсов:

Прочая информация: ориг. Дата поступления: 31 декабря 1959 г.

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

ХИМИЯ; ДЕЙТЕРИЙ; УРАВНЕНИЯ; ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА; ВОДОРОД; ИЗОТОПНЫЕ ЭФФЕКТЫ; НИЗКАЯ ТЕМПЕРАТУРА; МАТЕМАТИКА; ТРИТИЙ

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Суэйн, К. Г., и Шаад, Л.Дж. США: Н. П., 1958. Веб.

Копировать в буфер обмена

Суэйн, К. Г., и Шаад, Л. Дж. СВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОТИЙ-ТРИТИЕВЫМ И ПРОТИЙ-ДЕЙТЕРИЕВЫМ ИЗОТОПНЫМИ ЭФФЕКТАМИ . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Суэйн, К.Г., и Шаад, Л.Дж., 1958. «СВЯЗЬ МЕЖДУ ИЗОТОПНЫМИ ЭФФЕКТАМИ ПРОТИЯ-ТРИТИЯ И ПРОТИЯ-ДЕЙТЕРИЯ». Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_4254041,
title = {СВЯЗЬ МЕЖДУ ИЗОТОПНЫМИ ЭФФЕКТАМИ ПРОТИЯ-ТРИТИЯ И ПРОТИЯ-ДЕЙТЕРИЯ},
автор = {Суэйн, К.Г. и Шаад, Л.Дж.},
abstractNote = {Была установлена ​​связь между изотопными эффектами трития и дейтерия. Кроме того, уравнения были экспериментально проверены системой, в которой изотопные эффекты велики и точно измеримы.

Изотопный эффект дейтерия составил 5,02, из чего расчетный изотопный эффект трития составляет 11,8 максимума, 10,7 высокотемпературного предела, 10,2 низкотемпературного предела и 9.7 минимум. Наблюдаемый изотопный эффект трития составил 10,2, что находится в полном диапазоне и ближе всего к низкотемпературному пределу. (JRD)},
дои = {},
URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/4254041}, журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1958},
месяц = ​​{1}
}

Копировать в буфер обмена

---

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых может храниться этот предмет. Имейте в виду, что многие технические отчеты не каталогизированы в WorldCat.

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Масштабируемое и эффективное разделение изотопов водорода с помощью электрохимической накачки на основе графена

• Список журналов
• Нац Коммуна
• PMC5436102

Нац.коммун. 2017; 8: 15215.

Опубликовано онлайн 2017 мая.

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензиях Отказ от ответственности

Дополнительные материалы

Заявление о доступности данных

Тысячи тонн изотопных смесей ежегодно обрабатываются для производства тяжелой воды и обезвреживания трития. Существующие технологии остаются крайне энергоемкими и требуют больших капитальных вложений. Необходимы новые подходы для уменьшения влияния отрасли. Недавно было показано, что кристаллы графена микрометрового размера действуют как эффективные сита для изотопов водорода, прокачиваемых через графен электрохимически. Здесь мы сообщаем о полностью масштабируемом подходе с использованием графена, полученного путем химического осаждения из паровой фазы, который обеспечивает коэффициент разделения протонов и дейтронов около 8, несмотря на трещины и дефекты. Прогнозируется, что потребление энергии будет на несколько порядков меньше по сравнению с существующими технологиями. Мембрана на основе 30 м

2 графена, легко доступное количество, может обеспечить производство тяжелой воды, сравнимое с современными заводами. Ожидается еще более высокая эффективность разделения трития. При отсутствии фундаментальных препятствий для масштабирования простота, эффективность и экологичность технологии требуют рассмотрения атомной и смежными отраслями.

Разделение изотопов водорода — задача огромных масштабов. Ежегодно производится более тысячи тонн тяжелой воды (D ₂ O) ¹ (см. Совет по тяжелой воде Индии на http://www.hwb.gov.in/htmldocs/general/about.asp) для снабжения ядерных реакторов по всему миру, а также для медицинских и исследовательских целей. Производство остается дорогим по двум причинам. Во-первых, низкое природное содержание дейтерия (0,015 %) предполагает необходимость обработки огромных объемов воды (промышленный стандарт начального обогащения составляет 20 % от D

2 O) ^{2 ,3} . Во-вторых, в современных технологиях часто требуются сотни стадий для достижения требуемой степени разделения 9.0050 2 ^,4 . Это означает, что заводы по производству тяжелой воды велики даже по сравнению со многими химическими заводами ^{2 ,3} . Эти проблемы приводят к высоким капитальным затратам и большому потреблению энергии ^{2 ,3} . Действительно, для производства 1  кг обогащенной тяжелой воды требуется ~10 МВтч (ссылка ² ), годовое потребление энергии типичного домашнего хозяйства в США (Управление энергетической информации США). Разделение трития — самого тяжелого изотопа водорода — одинаково важно и сложно, не в последнюю очередь из-за его радиоактивности

5 ^,6 . Ядерные реакторы производят тритий во время своей работы, который необходимо постоянно удалять для обеспечения оптимальной работы ^{1 ,6} . Кроме того, экспериментальные термоядерные установки требуют трития в качестве топлива ⁷ , тогда как аварии, подобные той, что произошла на Фукусима-дайити, оставляют после себя тысячи тонн разбавленной тритиевой воды (Министерство экономики, торговли и промышленности Японии). Текущий спрос стимулирует поиск новых технологий разделения, которые могли бы обеспечить более высокие коэффициенты разделения, уменьшить количество ступеней и минимизировать потребление энергии.

Недавно было показано, что идеальные монослои графена и гексагонального нитрида бора (hBN) — непроницаемые для тепловых атомов и молекул

8 ^,9 — проницаемы для ядер водорода ^{10 ,11} . Более того, двумерные (2D) кристаллы могли эффективно отделять протоны от дейтронов ¹² . Происхождение изотопного эффекта подробно обсуждалось в работе [3]. ¹² и связано с энергетическим барьером, создаваемым двумерными кристаллами. Эффективный барьер выше для дейтронов, чем для протонов, потому что и те, и другие в своем исходном состоянии связаны с нафионом или молекулами воды, а нулевые колебания на водородной связи поднимают протоны с более высокой энергией, чем дейтроны ^{12 ,13 ,14} . Эта разница в энергии приводит к разным скоростям термически активируемого проникновения через барьер. Чтобы исследовать изотопную селективность 2D-материалов, эксперименты в исх. ¹² использовали небольшие монокристаллические мембраны, полученные механическим расслоением объемных кристаллов. Промышленные возможности, предоставляемые обнаруженным изотопным эффектом, не анализировались, поскольку для этого потребовались бы мембраны и методы изготовления, подходящие для полностью масштабируемого производства, которые в то время не были разработаны.

В текущем отчете исследуется возможность использования электрохимических насосов на основе графена для разделения изотопов водорода в промышленных масштабах. Мы предполагаем, что это может быть достигнуто за счет рулонного изготовления ¹⁵ мембран большой площади, в которых используется стандартный графен CVD, нанесенный на коммерчески доступные полимерные пленки (Nafion ¹⁶ ).

Изготовление устройства

Графеновые мембраны, изученные в данной работе, были изготовлены, как показано на рис. Пленка Nafion сначала была прикреплена к углеродной ткани. Затем медная фольга с графеном, выращенным методом CVD, была прижата к нафиону горячим способом; впоследствии медь была вытравлена, чтобы высвободить CVD-графен на нафион. Затем мы использовали электронно-лучевое испарение, чтобы декорировать графен наночастицами Pd, которые послужили катализатором для повышения прозрачности графена по изотопу водорода ^{10 ,12} . Наконец, графен был покрыт другой углеродной тканью, как для предотвращения его случайного повреждения, так и для электрического контакта с графеном по всей площади. Для оценки качества графенового покрытия мы исследовали аналогичные мембраны, но без электродов из углеродной ткани (подробности см. в разделе «Изготовление устройства» в разделе «Методы»). В этом случае графен становится оптически видимым (врезка), так что трещины и отверстия можно анализировать под оптическим микроскопом высокого разрешения. Это позволило нам оценить покрытие графена как ∼95%. Мы также проверили пленки с помощью сканирующей электронной микроскопии (вставка) и рамановской спектроскопии (дополнительный рис. 1), которые показали, что перенос не привел к значительному количеству микроскопических дефектов, что согласуется с оптическими характеристиками. О качестве перенесенных графеновых пленок свидетельствует также их относительно низкое удельное сопротивление ^{15 ,17 ,18} , составляющее 780±160 Ом кв ⁻¹ . Мы ограничили размер тестируемых мембран до 1 квадратного дюйма. Это было выбрано только для удобства. Обсуждаемое производство может быть расширено для производства мембран графен-на-нафион практически любого размера благодаря недавним достижениям в области выращивания и переноса CVD-графена большой площади 9.0050 15 ^{,17 ,18} .

Открыть в отдельном окне

Изготовление мембран графен-на-нафион.

( a ) Оптическое изображение пленки Nafion толщиной 50 мкм (прозрачная область, обведенная синими штрихами) и куска углеродной ткани перед их укладкой, как показано на рисунке. ( b ) Графен CVD размером в дюйм, выращенный на Cu, подвергается горячему прессованию с Nafion. ( c ) Медная фольга вытравлена. Графен остается прикрепленным к нафиону (зеленые линии указывают положение графена). ( d ) Графен украшен наночастицами Pd и зажат другой углеродной тканью.

Открыть в отдельном окне

Характеристика разделения изотопов электрохимической накачкой с использованием графена CVD на нафионе.

( a ) Схема нашей установки. ( b ) Молярные доли газа в пермеате, обнаруженные с помощью масс-спектрометрии, для шести различных фракций протия в сырье. ( c ) Протий в пермеате в зависимости от его концентрации в сырье. Символы: разные цвета соответствуют трем устройствам. Красные кружки для измерений в б . Сплошные черные и красные штриховые кривые: уравнение (1) с α =8 и 10 соответственно. Планки погрешностей указывают на характерные колебания содержания протия как в приготовленном сырье, так и в измеренном пермеате. Вставка: электронная микрофотография графена CVD на нафионе. Масштабная линейка, 200 нм. Графен хорошо виден, так как он соответствует шероховатой поверхности полимера, которая содержит области с разным (ярким и темным) электронным контрастом. ( d ) H ₂ поток (пропускная способность на единицу площади) в зависимости от электрического тока для одного из наших устройств с использованием только протия в подаче. Красная линия лучше всего соответствует закону Фарадея в пределах экспериментального разброса. Верхняя вставка: фотография мембраны графен-на-нафион без углеродной ткани. Графен проявляется как более темная область. Нижняя вставка: типичная ВАХ для наших приборов.

Масс-спектрометрические измерения

С помощью масс-спектрометрии ¹² исследовали проницаемость протонов и дейтронов через мембраны графен-на-нафион. С этой целью мембраны были помещены между двумя камерами, сырьевой и пермеатной, и две углеродные ткани были электрически соединены, как показано на рис. В сырье помещали большой объем парогазовых смесей H ₂ O–H ₂ и D ₂ O–D ₂ с выбранной атомной долей протия; эта доля оставалась фиксированной во время данного измерения и могла быть изменена по мере необходимости. Противоположная сторона мембраны обращена к вакуумной камере, соединенной с масс-спектрометром. Данная установка представляет собой электрохимический насос ¹⁹ , в котором графен — смешанный протон-электронный проводник ^{10 ,20} — действует как катод и полупроницаемая мембрана для протонов и дейтронов. Одна из углеродных тканей используется в качестве анода, а другая — как удобный способ электрического контакта с листом графена (устройства также работают без последней ткани). Рабочий механизм электрохимического насоса поясняется в . Применяя смещение напряжения к устройству, мы прокачиваем протоны и дейтроны через нафион и через графен. Эти изотопы рекомбинируют на стороне пермеата с образованием трех возможных молекулярных частиц — H ₂ , D ₂ и дейтерид протия (HD) – которые обнаруживаются с помощью масс-спектрометра для каждой из фиксированных фракций протия в сырье ¹² . Мы одновременно измеряли электрический ток через цепь и газовый поток (проход на единицу площади) для каждого из газов ¹² .

При этих измерениях необходимо контролировать две ключевые характеристики: изотопную селективность и пропускную способность по водороду. Сначала обсудим селективность. показывает молярную долю трех газов в пермеате (H ₂ , D ₂ и HD) для различных атомных долей протия в сырье. Данные для проникающих газов могут быть преобразованы непосредственно в атомные доли протия (см. «Масс-спектрометрические измерения» в разделе «Методы»). Последние представлены в виде функции доли протия в сырье и показывают, что мембраны предпочтительно пропускают протоны. Например, при равных количествах протия и дейтерия в сырье (50 % атомной доли H) протий составляет до ≈90 % атомов в пермеате. В предыдущей работе с двумерными монокристаллами ¹² показано, что атомные доли протия в сырье и пермеате связаны уравнением бинарной смеси ²¹

с большим коэффициентом разделения α ≈10, где H _сырье и H _{пермеат} – атомные доли протия в сырье и пермеате соответственно. Это соотношение построено для α ≈10 (штриховая красная кривая). показывает, что уравнение (1) также может описывать перенос протонов через наши мембраны графена на нафионе размером в дюйм, и, несмотря на наличие отверстий и трещин в CVD-графене, коэффициент разделения остается высоким, α ≈8 (наилучшее соответствие показано сплошной черной кривой). На первый взгляд это может показаться удивительным, поскольку отверстия в графене обеспечивают гораздо более легкий путь проникновения ^{10 ,11 ,12} . Однако эта путаница разрешится, если понять, что изотопы электрохимически перекачиваются в основном через области, покрытые графеном, потому что они обеспечивают электрический контакт, необходимый для работы насоса. Для справки: мы протестировали устройства, изготовленные с использованием точно таких же процедур, но без графена, которые, как и ожидалось, не проявляли изотопного эффекта (дополнительный рис. 2).

Второй ключевой характеристикой электрохимической откачки является ее пропускная способность (площадь времени потока A ), которая для потенциального применения должна быть как можно выше. показывает измеренный поток газа Φ в зависимости от электрического тока I через наши приборы. Зависимость точно описывается законом электролиза Фарадея Φ = I /2 FA , где F — постоянная Фарадея, а множитель 2 приходится на два атома в каждом H ₂ молекула. Это означает, что мы достигли 100% фарадеевского КПД для преобразования электронного тока в поток водорода, так что одна молекула водорода генерировалась в пермеатной камере на каждые два электрона, проталкиваемых через электрическую цепь, в соответствии с предыдущими экспериментами с использованием двумерных монокристаллов микрометрового размера ^{10 ,12} . Это соотношение сохранялось даже после измерения образцов в течение нескольких дней и в повторяющихся экспериментах.

Оценка энергии

Обычно мы применяли смещения В ≲1,5 В, чтобы избежать электролиза воды на стороне подачи. В этом режиме как I , так и Φ изменялись линейно с V (см. вставку). Измеренный поток весьма значителен и, например, при 0,5 В наш электрохимический насос обеспечивал производительность ~0,8 ммоль ч ^-1  см ^-2 . Если используется мембрана площадью 30   м ² , это будет означать ∼50 000  м ³ перерабатываемых газовых смесей в год (при стандартной температуре и давлении) или, что эквивалентно, ∼40 тонн тяжелой воды в год. . Последнее число сопоставимо с типичной годовой производительностью существующих заводов по производству тяжелой воды 9.0050 1 (см. также Совет по тяжелой воде Индии).

При известных производительности и коэффициенте разделения легко оценить энергию, необходимую для обогащения водорода с естественной концентрацией дейтерия от 0,015% до 20%, необходимой для первичного производства тяжелой воды ^{2 ,4} . Несмотря на небольшое снижение коэффициента разделения по отношению к максимально достижимому α ∼10 для идеального графена при комнатной температуре ¹² , α ∼8 все еще достаточно велико, чтобы свести к минимуму количество обрабатываемого сырья. Используя уравнение Рэлея ²¹ , мы находим, что требуется перерабатывать ∼3800 молей водородного сырья на моль обогащенного продукта. Полная требуемая мощность P определяется выражением P=IV. Следовательно, при рабочем напряжении ∼0,5 В удельная мощность ( p=P/A ) на единицу потока газа равна 1 (что зависит только от приложенного напряжения), в соответствии с данными в . Это позволяет оценить, что электрохимическая накачка на основе графена потребует затрат энергии в E ~20 ГДж на кг тяжелой воды, обогащенной на 20%.

Сравнение с существующими технологиями

На этом этапе полезно сравнить предлагаемую технологию с теми, которые либо используются в настоящее время, либо рассматриваются для производства тяжелой воды. Ситуация изложена в . Это показывает, что новая технология на основе графена занимает весьма желанный и ранее пустой угол в пространстве параметров ( E , α ). В настоящее время наиболее часто используемыми технологиями являются сульфидная Гирдлера (GS) и монотермальная NH 9 . 0056 3 /H ₂ обрабатывает ¹ (см. также Совет по тяжелой воде Индии). Они характеризуются α ∼1,3 и 6 соответственно, и оба требуют E ∼30 ГДж кг ^-1 . Наша электрохимическая накачка демонстрирует ( E , α )=(~20 ГДж кг ⁻¹ ,∼8), превосходя все другие технологии. Более того, приведенная выше оценка для E была достаточно консервативной, поэтому мы считаем, что энергозатраты можно снизить как минимум на порядок за счет ряда конструктивных изменений. Например, рабочая температура может быть увеличена до 60 °C, что приведет к экспоненциальному увеличению протонной проводимости графена; в 10 раз, как было доказано в предыдущих экспериментах ^{10 ,12} . Это должно привести к эквивалентному уменьшению E (см. красную стрелку на рис.). Коэффициент разделения также уменьшится, но только до ≈7 (см. ссылку ¹² ), что приведет только к увеличению количества корма примерно на 20%. Другая возможность заключается в использовании монослоя hBN вместо графена. Первый имеет такое же значение α , что и графен, но его протонная проводимость при комнатной температуре I / AV примерно в 50 раз выше ^{10 ,12} , что дает тот же фактор снижения затрат на электроэнергию. Эксплуатация мембран на основе hBN при повышенных температурах ^{10 ,12} приведет к еще большему снижению E . Отметим, что, в отличие от графена, hBN является электронным изолятором. Таким образом, нанометровая пленка палладия ²² должна быть испарена со стороны пермеата, чтобы обеспечить необходимую электропроводность, но это добавление не должно существенно повлиять на характеристики мембран hBN-на-нафион, как описано ранее ^{10 ,12} . Был продемонстрирован CVD-рост однослойного hBN ^{23 ,24} , но его рулонное производство в промышленных масштабах еще не налажено, вероятно, из-за текущего отсутствия спроса. Дополнительная возможность уменьшить E заключается в увеличении площади мембраны при сохранении той же общей пропускной способности Φ A . Действительно, приведенные выше оценки даны для фиксированного смещения 0,5  В. Уменьшение Φ за счет большего A позволит сократить V и пропорционально сэкономить E . Наконец, обратите внимание, что приведенные выше оценки энергии основаны на одностадийном процессе разделения, в котором не используются преимущества оптимизированных схем процесса с несколькими стадиями обогащения ^{2 ,3 ,4} . Возможное использование переработанного водорода в качестве источника энергии для непрерывного обогащения также не учитывается, но оно могло бы покрыть значительную долю энергетических затрат. Поэтому наши оценки следует рассматривать как верхнюю границу, а не фактические затраты на энергию. Детали процесса, рабочая температура, используемый 2D-материал и его площадь могут быть скорректированы для оптимизации конечной конструкции завода с учетом его капитальных и эксплуатационных затрат (см. «Оценки энергии» в дополнительной информации).

Открыть в отдельном окне

Сравнение электрохимической откачки с другими технологиями, доступными для производства тяжелой воды.

Данные для последнего взяты из исх. ² . Черными звездочками отмечены наиболее распространенные промышленные методы. Красные кружки: продемонстрированная электрохимическая накачка с использованием CVD-графена (закрашено) и оценка монослоя hBN на нафионе (открыто). Красная заштрихованная область указывает возможное пространство параметров, если параметры процесса, такие как температура, площадь мембраны, управляющее напряжение и дефектность мембран, изменяются. Стрелкой показаны изменения, ожидаемые для графена на нафионе и hBN на нафионе при повышении температуры до 60 °C. Серая область указывает пространство параметров, которое считается непригодным для производства первичной тяжелой воды. Сокращения: «СЕСЕ» — комбинированный электролиз и химический обмен, «дист. » — перегонка. Отметим, что для окончательного обогащения используются методы, неэкономичные для первичного производства тяжелой воды.

В заключение следует отметить, что продемонстрированная электрохимическая перекачка обеспечивает высокий коэффициент разделения, чрезвычайно низкие затраты энергии, потенциально небольшую занимаемую площадь, конкурентоспособную производительность и довольно простую конструкцию промышленных установок. Кроме того, отсутствуют экологические проблемы, поскольку не используются токсичные и коррозионные вещества, в отличие от GS и монотермальных NH ₃ /H ₂ обменных технологий ^{2 ,3 , 4} . Новая технология представляется еще более привлекательной для обезвреживания и извлечения трития. Выявленный механизм протонно-дейтронного просеивания подразумевает коэффициент разделения ≈30 для разделения протий-тритий ¹² . Это резко контрастирует с криогенной перегонкой (наиболее часто используемым методом), которая обеспечивает незначительный коэффициент разделения ≲1,8 для смесей изотопов водорода ⁵ . Хотя существующие технологии разделения изотопов хорошо зарекомендовали себя, описанные преимущества разделения на основе графена кажутся достаточно значительными, чтобы оправдать быстрое внедрение этой прорывной технологии даже в крайне консервативной ядерной отрасли.

Изготовление устройства

Мембрана из нафиона (N212, предварительно обработанная по стандартной методике) подвергалась горячему прессованию на подложке из углеродной ткани (загрузка катализатора 0,2 мг см ^-2 , 20% платины по весу на углеродном носителе). Затем противоположная сторона медной подложки (покрытая CVD-графеном с обеих сторон) подвергалась плазменному травлению для удаления графена с этой стороны. Затем CVD-графен (все еще на Cu-подложке) помещали на стопку углеродная ткань/нафион, и вся сборка подвергалась горячему прессованию в ламинаторе (для предотвращения прилипания к горячим поверхностям две стороны стопки были защищены воском). бумаги и полиэтилентерефталатных пленок). Затем медную подложку протравливали в растворе персульфата аммония, а устройство оставляли в деионизированной воде для удаления остатков травителя. На этом перенос CVD-графена на подложку Nafion был завершен. Наконец, для облегчения проникновения протонов (см. основной текст) графеновая сторона стека углеродная ткань/нафион/графен была украшена наночастицами Pd, нанесенными методом электронно-лучевого испарения (номинальной толщиной 2 нм), и была покрыта вручную другим куском ткани. карбоновая ткань (без катализаторов).

Измерения масс-спектрометрии

Приборы для масс-спектрометрии были помещены в специально изготовленную установку топливных элементов, которую можно было подключить к нашему масс-спектрометру. Эта установка была помещена между камерами подачи и пермеата. В этих опытах контролировали молярную долю газов в пермеатной камере при фиксированной атомной доле дейтерия в сырье. Затем кормовую камеру вакуумировали и парогазовые смеси H ₂ O–H ₂ и D ₂ O–D ₂ известной молярной доли пропускали в сырье. Из-за большого объема питающей камеры по сравнению с тем, что наши устройства могут обрабатывать на протяжении всего измерения, камера фактически представляет собой бесконечный резервуар газов с фиксированной атомной долей дейтерия. Обычно мы использовали 10% H ₂ –D ₂ в Ar при 100% H ₂ O–D ₂ O влажности. Единственное исключение было, когда мы специально изучали пропускную способность через мембраны (в основном тексте), и в этом случае мы использовали 100% H ₂ при 100% H ₂ O влажности. Для обеспечения того, чтобы доля протия и дейтерия в нафионе была такой же, как и в самой камере, газовая смесь в питающей камере фиксировалась, а прибор находился под напряжением ∼1 В в течение 20 мин, чтобы учесть смесь протия и дейтерия в нафионе. уравновешиваться с тем, что в камере. Этот метод использовался ранее в других исследованиях, и мы дополнительно проверили его эффективность с помощью наших эталонных устройств без графена (дополнительный рис. 2). Чтобы откалибровать три газовых сигнала от масс-спектрометра, мы сначала использовали известную утечку для калибровки H ₂ и D ₂ флюса в условиях 100 % протия и 100 % атомной доли дейтерия соответственно. Заметим, что при комнатной температуре молярная доля HD ([HD]) связана с молярными долями H ₂ и D ₂ ([H ₂ ] и [D ₂ ] соответственно) в камеры пермеата по закону действующих масс: [HD] ² / {[H ₂ ][D ₂ ]}= K ( T ), где K ( T ) константа. Поэтому, используя контрольный образец (без графена), мы откалибровали HD-отклик по этому закону.

Доступность данных

Все соответствующие данные можно получить у авторов.

Как цитировать эту статью: Лосада-Идальго, М. и др. . Масштабируемое и эффективное разделение изотопов водорода с помощью электрохимической накачки на основе графена. Нац. коммун. 8, 15215 doi: 10.1038/ncomms15215 (2017).

Примечание издателя : Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация:

Дополнительные рисунки, дополнительные примечания и дополнительные ссылки

Щелкните здесь для просмотра. ^{(528K, pdf)}

Мы признательны за поддержку со стороны Lloyd’s Register Foundation, EPSRC – EP/N010345/1, проекта ARTIMATTER Европейского исследовательского совета – ERC-2012-ADG, Atkins Global и от Graphene Flagship. С.З. и М.Л.-Х. признать Международную стипендию Марии Кюри и стипендию Леверхалма для ранней карьеры соответственно.

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Вклад автора М.Л.-Х. и А.К.Г. разработал проект. С.З. и М.Л.-Х. руководил им, изготавливал устройства, проводил измерения и проводил анализ данных с помощью С.Х. и А.Е.М.Л.-Х., И.В.Г. и А.К.Г. написал рукопись. Все авторы участвовали в обсуждениях.

• Международное агентство по атомной энергии. Тяжеловодные реакторы: состояние и перспективы развития. Международное агентство по атомной энергии . Серия технических отчетов, отчет № 407 (МАГАТЭ (2002 г.).
• Rae H.K. Выбор процессов обработки тяжелой воды Американским химическим обществом (1978 г.). [Google Scholar]
• Миллер А.И. Тяжелая вода: справочник производителей в водородный век. Можно. Нукл. соц. Бык. 22, 1–14 (2001). [Google Scholar]
• Morris J. W., Bebbington W. P., Garvin R. G. & Schroder M. C. в Proceedings of the Symposium Savannah River Site 50 лет (Центр Этерридж в Университете Южной Каролины, 2000 г.).
• Васару Г. CRC Press для разделения изотопов трития (1993). [Google Scholar]
• Международное агентство по атомной энергии. Обращение с тритийсодержащими отходами , Серия технических отчетов № 203 (МАГАТЭ (1981).
• Caporali R. Поиски термоядерной энергии. Дж. Фьюжн Энерджи 10, 255–257 (1991). [Google Scholar]
• Банч Дж. С. и другие. Непроницаемые атомные мембраны из листов графена. Нано Летт. 8, 2458–2462 (2008). [PubMed] [Google Scholar]
• Кениг С. П., Ван Л., Пеллегрино Дж. и Банч Дж. С. Селективное молекулярное просеивание через пористый графен. Нац. нанотехнологии. 7, 728–732 (2012). [PubMed] [Академия Google]
• Ху С. и другие. Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом. Природа 516, 227–230 (2014). [PubMed] [Google Scholar]
• Achtyl J. L. и другие. Водный перенос протона через однослойный графен. Нац. коммун. 6, 6539 (2015). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Lozada-Hidalgo M. и другие. Просеивание изотопов водорода через двумерные кристаллы. Наука 351, 68–70 (2016). [PubMed] [Google Scholar]
• Маркс Д. Перенос протона через 200 лет после фон Гроттусса: идеи из ab initio моделирование. ХимФизХим 7, 1848–1870 (2006). [PubMed] [Google Scholar]
• Wiberg K. B. Изотопный эффект дейтерия. хим. преп. 55, 713–743 (1955). [Google Scholar]
• Бэй С. и другие. Рулонное производство 30-дюймовых графеновых пленок для прозрачных электродов. Нац. нанотехнологии. 5, 574–578 (2010). [PubMed] [Google Scholar]
• Мауриц К. и Мур Р. Состояние понимания Нафиона. хим. преп. 104, 4535–4585 (2004). [PubMed] [Академия Google]
• Ким К. С. и Эл Э. Крупномасштабный рост рисунков графеновых пленок для растяжимых прозрачных электродов. Природа 457, 706–710 (2009). [PubMed] [Google Scholar]
• Рейна А. и Эл Э. Малослойные пленки большой площади на произвольных подложках методом химического осаждения из паровой фазы. Нано Летт. 9, 30–35 (2008). [PubMed] [Google Scholar]
• Ивахара Х. Водородные насосы с использованием протонпроводящей керамики и их применение. Ионика твердого тела 125, 271–278 (1999). [Google Академия]
• Кастро Нето А. Х., Перес Н. М. Р., Новоселов К. С. и Гейм А. К. Электронные свойства графена. Преподобный Мод. физ. 81, 109–162 (2009). [Google Scholar]
• Горак А. и Соренсен Э. Дистилляция: основы и принципы Elsevier (2014). [Google Scholar]
• Нисикава М., Сираиси Т.