2026年8月6日——未来聚变发电厂不仅需要极高温度的等离子体和强磁场，还需要一套燃料循环系统，使氢同位素氘和氚能够得到回收、分离并再利用。近日，来自赫尔姆霍茨-德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）的一个团队与合作伙伴共同展示了一种利用含银沸石高效分离氢同位素的方法（DOI: 10.1038/s41467-026-75930-9）。沸石是一种多孔晶体材料，具有由微小孔腔构成的网络结构。涉及放射性氚的实验在HZDR莱比锡研究站的放射化学实验室中进行。这些结果代表了同位素分离领域的重要进展，为未来聚变燃料循环中氚的高效回收与处理奠定了基础，同时也为医学和材料研究领域的潜在应用开辟了道路。

在聚变反应堆中，氘和氚发生聚变释放出大量能量，但燃料并未完全消耗。相当一部分燃料残留下来，与普通氢（即氕）混合在一起——氕可能来自燃料与反应堆材料的副反应，也可能由材料放气产生。最终得到的是三种氢同位素的混合物，必须加以分离，以便燃料能够以正确的比例重新利用。

这种分离是一项重大挑战。虽然氢同位素——氕、氘和氚——的原子核中含有不同数量的中子，但它们在化学性质上几乎完全相同。“传统分离方法在此已达到效率极限，”科内利乌斯·费舍尔教授解释道。他在HZDR和莱比锡大学联合任职，并担任HZDR莱比锡资源生态学研究所反应输运部门负责人。“因此我们正在探索一种截然不同的分离方法。”为此，他和团队利用了一种量子力学效应，这种效应在含有嵌入金属离子的多孔材料中尤为显著。

孔结构中的银位点

该团队在实验中使用了一种沸石。沸石天然存在，也可以人工合成。它由铝、硅和氧原子构成的规则骨架组成，内含微观孔隙网络。带正电的离子位于这些孔腔壁上，可以被交换从而改变材料的性质。正是这一特性被莱比锡团队成员亚历山德拉·贝克尔博士、霍尔格·利波尔德博士和Jing Liu所利用。贝克尔和刘静作为莱比锡大学DFG研究培训小组“氢同位素1,2,3H”的一部分开展了这项研究，而高级博士后研究员利波尔德则负责氚实验室的日常工作。

团队使用了一种将原始钠离子替换为银离子的沸石。“关键效应源于氢分子与银离子电子结构之间的相互作用，这产生了一种吸附势，”费舍尔解释说。由于质量不同，三种同位素具有不同的零点能——即量子力学系统即使在绝对零度时也拥有的最小能量。由于氘和氚的零点能低于氕，它们在吸附势中被更强烈地稳定，从而与材料结合得更紧密。因此，当沸石受热时，同位素会在不同温度下释放：氕最先脱附，其次是氘，最后是氚。

来自斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的米夏埃尔·希尔舍博士为这项研究贡献了他在氢吸附和热脱附谱学方面多年的专业知识。该技术能够追踪此前吸附的分子从材料中释放的温度，从而揭示各同位素与银位点结合的强度。

氚结合更持久

关键一步是使用氚进行的实验。“这是首次有人利用多孔固体材料成功分离氕、氘和氚的氢同位素混合物，”费舍尔表示。在与含银沸石接触后，最初含有三种同位素等量的混合物以H₂:D₂:T₂ = 1:41:175的比例流出。也就是说，氚被保留的程度远高于氘，而氕几乎未被保留。

在双同位素混合物的实验中，该材料也表现出高选择性。氚与氕之间的差异最为显著。“这些并非微不足道的差别，”费舍尔解释说，“即使在单一步骤中，分离过程也已非常高效。”这些结果对基础研究而言同样是一座重要里程碑，因为它们首次为涉及氚的理论预测提供了实验验证。

另一个值得关注的方面是材料的稳定性。氚会发生放射性衰变，释放β射线，可能对沸石中的银位点造成损伤。然而，即使在接触氚数小时之后，实验也未显示分离性能出现可测的下降。“这还不能证明其可用于长期技术运行，但这是一个重要信号，表明这类材料非常值得进一步研究，”费舍尔解释道。但在技术应用成为现实之前，还需要更多步骤。当前的实验仅使用了少量材料。对于更大规模的设施，工艺设计、长期稳定性和可扩展性仍需探索。“我们目前显然处于基础研究领域，”费舍尔说，“我们的任务是定量理解底层机制，并系统比较不同材料。”

因此，含银沸石并不是莱比锡团队探索的终点。研究人员现在计划将他们的方法应用于其他多孔材料，探索一个根本性问题：如何尽可能高效地分离化学性质几乎无法区分的同位素？