Kodolsintēze ir process, kurā, saplūstot vieglu atomu kodoliem, izdalās liels enerģijas daudzums. Tas norisinās arī Saules iekšienē. Lai gan kodolsintēze vēl netiek izmantota komerciālai enerģijas ieguvei, zinātnieki visā pasaulē strādā pie tās attīstības, jo nākotnē tā varētu nodrošināt efektīvu enerģijas ražošanu ar salīdzinoši nelielu radioaktīvo atkritumu daudzumu.
Šajā jomā iesaistīti arī Latvijas Universitātes (LU) Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultātes (EZTF) Ķīmiskās fizikas institūta (ĶFI) pētnieki sadarbībā ar Latvijas uzņēmumiem "Naco Technologies" un "Allatherm". Viņi izstrādā risinājumus tritija jeb radioaktīvā ūdeņraža atdalīšanai un attīrīšanai. Tritiju nākotnē paredzēts izmantot kā kodoldegvielu kodolsintēzes reaktoros, tāpēc efektīvas tā iegūšanas un pārstrādes metodes ir būtiskas kodolenerģētikas attīstībai.
Kas ir tritijs, un kāpēc tas ir svarīgs?
Tritijs ir ūdeņraža izotops, kas no izplatītākā ūdeņraža izotopa – protija – atšķiras ar diviem papildu neitroniem atoma kodolā, kā rezultātā tā kodols ir nestabils un radioaktīvs. Kodolsintēzē enerģiju iegūst, saplūstot tritija un deitērija (smagā ūdeņraža) kodoliem, un šajā procesā izdalās ļoti liels enerģijas daudzums.
Papildus potenciālajai izmantošanai kodolsintēzē, tritiju lieto arī ūdens aprites pētījumos, bioloģijas un vides zinātnēs kā radiomarķieri, kā arī atsevišķos pašizgaismojošos materiālos un ierīcēs, piemēram, pulksteņu ciparnīcās.
Tritijs dabā ir sastopams ļoti nelielā daudzumā. Neliela tā daļa veidojas atmosfērā kosmiskā starojuma ietekmē, bet paaugstināts tritija daudzums vidē vēsturiski radies arī kodolieroču izmēģinājumu dēļ.
Tomēr mūsdienās būtiska daļa tritija ir saistīta ar kodolenerģētiku – tas rodas kā blakusprodukts kodolreaktoros un ir sastopams arī atomelektrostaciju (AES) radioaktīvajos atkritumos.
Kāpēc tritijs jāatdala?
Pašlaik tritija atdalīšanas tehnoloģijas galvenokārt attīsta kodolsintēzes vajadzībām. Tās ir svarīgas gan tritija iegūšanai un attīrīšanai, piemēram, no atomelektrostaciju dzesēšanas ūdeņiem, gan arī kodolsintēzes degvielas ciklā. Tas ir būtiski, jo kodolsintēzes procesā tiek izmantota tikai neliela daļa deitērija un tritija, savukārt neizlietotā degviela ir jāatdala un jāattīra, lai to varētu izmantot atkārtoti.
Tritija atdalīšana ir svarīga arī noteiktu veidu atomelektrostacijās, īpaši kodoldalīšanās reaktoros, kur izmanto smago ūdeni [ūdeni, kura sastāvā parastā ūdeņraža vietā ir deitērijs jeb smagais ūdeņradis – red. piez.]. Šādu reaktoru darbības laikā ūdenī var uzkrāties salīdzinoši liels tritija daudzums, tāpēc drošības un efektivitātes dēļ tas ir jāatdala un jāattīra. Pašlaik Rumānijā tiek būvēta pirmā tritija atdalīšanas iekārta Eiropā.
Tritija atdalīšanas tehnoloģijas ir svarīgas arī vides aizsardzībai – īpaši radioloģisku avāriju gadījumos, kad vidē var nonākt liels tritija daudzums, kā tas notika pēc Fukušimas Daiiči atomelektrostacijas avārijas 2011. gadā.
Tritija atdalīšanu no parastā ūdeņraža apgrūtina tas, ka šo izotopu un to savienojumu ķīmiskās un fizikālās īpašības ir ļoti līdzīgas. Tādēļ to atdalīšanai tradicionāli izmanto sarežģītas un energoietilpīgas metodes, piemēram, kriogēno destilāciju vai ķīmiskās katalītiskās apmaiņas procesus. Lai gan šīs tehnoloģijas ir efektīvas, tām nepieciešama apjomīga infrastruktūra un ievērojami resursi.
Pētījumi Latvijas Universitātē
LU zinātnieki pēta, kā membrānu īpašības ietekmē tritija atdalīšanas efektivitāti ūdens elektrolīzē un kā šo procesu iespējams uzlabot, membrānās iekļaujot nanomateriālus. Šī pieeja ir unikāla, jo ļauj ne tikai efektīvāk atdalīt izotopus, bet arī radīt materiālus, kas spēj darboties augsta starojuma apstākļos. Šādu risinājumu izstrāde pasaulē joprojām ir nozīmīgs pētniecības virziens. Papildus tam sadarbībā ar Latvijas uzņēmumu "Naco Technologies" tiek izstrādāti elektrolīzeriem paredzēti katalizatori un pētīta to ietekme uz ūdeņraža izotopu atdalīšanu.
Papildus fundamentālajiem pētījumiem LU zinātnieku komanda kopā ar uzņēmumu "Allatherm" strādā arī pie ierīces prototipa, kas paredzēts efektīvai tritija atdalīšanai no ūdens. Sistēma apvieno elektrolīzeri, kurā tritijs tiek koncentrēts, un degšūnu, kas ļauj atgūt attīrītu ūdeni un vienlaikus ražot elektroenerģiju. Ar šo pētījumu LU zinātnieki sniedz būtisku pienesumu ilgtspējīgas enerģijas attīstībai, izstrādājot inovatīvus tehnoloģiskos risinājumus, kas var veicināt drošu un ilgtspējīgu kodolsintēzes enerģijas izmantošanu nākotnē.
Projektu Nr. 1.1.1.3/1/24/A/122 "Polimēru elektrolītu membrānu ar oglekļa nanostruktūru piedevām izstrāde elektroķīmiskai tritija bagātināšanai kodolsintēzes lietojumos" īsteno LU ĶFI sadarbībā ar SIA "Naco Technologies" un SIA "Allatherm".
