Une équipe allemande réussit pour la première fois la séparation de mélanges d'isotopes d'hydrogène contenant du tritium à l'aide de zéolithes argentées

L'équipe du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) et ses partenaires ont récemment démontré une nouvelle méthode de séparation des isotopes de l'hydrogène à l'aide de zéolithes contenant de l'argent, réussissant pour la première fois à séparer un mélange d'isotopes d'hydrogène contenant du tritium radioactif à travers un matériau solide poreux. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans *Nature Communications*.

À l'avenir, les centrales à fusion nécessiteront non seulement des plasmas à haute température et des champs magnétiques intenses, mais aussi un système stable de cycle du combustible pour récupérer, séparer et réutiliser le deutérium et le tritium. Dans un réacteur de fusion, le deutérium et le tritium participent aux réactions et libèrent de l'énergie, mais le combustible n'est pas entièrement consommé ; les gaz résiduels peuvent également contenir de l'hydrogène ordinaire (protium), formant un mélange de trois isotopes : protium, deutérium et tritium. Étant donné que leurs propriétés chimiques sont presque identiques, l'efficacité des méthodes de séparation traditionnelles s'en trouve limitée.

Le matériau utilisé par l'équipe de recherche est une zéolithe Y échangée à l'argent. Les zéolithes possèdent une structure de micropores régulière dont les ions sur les parois des pores peuvent être remplacés, modifiant ainsi les propriétés du matériau. Les chercheurs ont remplacé les ions sodium par des ions argent, créant une interaction spécifique entre les molécules d'hydrogène et la structure électronique des ions argent, générant un potentiel d'adsorption. En raison des différences de masse entre le protium, le deutérium et le tritium, leur énergie de point zéro diffère ; celle du deutérium et du tritium est inférieure à celle du protium, ce qui les rend plus stables dans le potentiel d'adsorption et donc plus fortement liés au matériau. Lors du chauffage, les trois isotopes sont libérés à différentes températures : le protium est désorbé en premier, suivi du deutérium, puis du tritium.

Les expériences avec le tritium ont été réalisées dans le laboratoire de radiochimie du site de recherche de Leipzig du HZDR. Les résultats montrent qu'après contact d'un mélange gazeux équimolaire de protium, deutérium et tritium avec la zéolithe argentée, le rapport du mélange devient H₂:D₂:T₂ = 1:41:175, indiquant que le tritium est le plus fortement retenu dans le matériau, avec également un enrichissement marqué du deutérium. Les expériences avec des mélanges binaires d'isotopes ont également montré une sélectivité élevée, la différence la plus significative étant observée entre le tritium et le protium.

Les chercheurs ont également examiné la stabilité du matériau dans un environnement tritié. Les rayons β issus de la désintégration du tritium peuvent endommager les sites d'argent dans la zéolithe, mais lors d'expériences d'exposition de plusieurs heures, aucune diminution mesurable des performances de séparation du matériau n'a été observée. L'équipe de recherche indique que cela ne prouve pas encore sa capacité à fonctionner à long terme en conditions industrielles, mais que ce type de matériau mérite d'être étudié plus en profondeur.

Actuellement, ces travaux en sont encore au stade de la recherche fondamentale, avec des quantités de matériau relativement faibles utilisées dans les expériences. Pour une éventuelle application à plus grande échelle à l'avenir, il faudra encore valider la conception du procédé, la stabilité à long terme et l'extensibilité. L'équipe de recherche prévoit d'appliquer cette méthode à d'autres matériaux poreux afin d'explorer comment séparer plus efficacement des isotopes de l'hydrogène dont les propriétés chimiques sont presque impossibles à distinguer.