Ученые Томского государственного университета разрабатывают новую технологию разделения изотопов. Предлагаемый подход основан на прохождении потока смеси изотопов в газовой форме через многослойную (многобарьерную) мембрану при низкой температуре и в присутствии внешнего ускоряющего поля. Такое «просеивание» позволит выделять из веществ в газовой фазе наиболее востребованные частицы, в первую очередь, изотопы урана U238 и U235. Новая технология может совершить переворот в энергетике и обеспечить страну энергией в полном объеме и без ущерба экологии. Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда.
– Сейчас весь цивилизованный мир стремится к созданию альтернативных источников энергии. С одной стороны, они выгодны тем, что не истощаются, с другой стороны, использование таких источников гораздо более экологично, чем энергетика ископаемых ресурсов, – говорит руководитель проекта, профессор механико-математического факультета ТГУ Михаил Бубенчиков. – В качестве решения этой задачи мы предложили технологию криогенного электродиффузионного разделения изотопов различных веществ.
В настоящее время таких технологий в мире не существует. Нечто похожее пытаются разработать китайские ученые. Но они используют лишь мембранное просеивание, без совмещения с электрофузионным и криогенным разделением. Это существенно снижает эффективность извлечения нужных изотопов, поскольку вместе с ними через мембрану проходит много лишнего. Схожий подход уже применяется в России, но благодаря исследованиям ученых ТГУ страна может получить принципиально новое решение и обеспечить себе значительное преимущество в энергетике.
– Для селективного разделения изотопов необходимо, чтобы у частиц существенно проявились квантовые (то есть волновые) свойства. Это можно обеспечить за счет низких температур, например, примерно до 4К (-269°С), это температура охлаждения жидким гелием, – поясняет Михаил Бубенчиков. – Помимо этого, барьер (например, графеновая пластина), через который проходит такая частица, должна иметь субнаноскопическую пору. И еще, чтобы разделение происходило стабильно, нужно исключить сорбцию между слоями, изотопы не должны застревать. Для этого они должны иметь заряд и ускоряться внешним полем.
Ноу-хау ученых ТГУ заключается в том, что в результате охлаждения атомов до волнового состояния волновые свойства станут преобладать над свойствами классических частиц, то есть изотопы будут проявлять себя не как вещество, а как свет. Как у света разные кванты с разными длинами волн разделяются при проходе через дифракционную решетку, так и изотопы будут селективно просеиваться через многослойные мембраны. При повышении температуры частицам вернутся их прежние свойства. При помощи новой технологии можно будет селективно выделять наиболее востребованные промышленностью изотопы, первую очередь, изотопы U238 и U235, которые выступают основой атомной энергетики.
Еще более нужными являются изотопы гелия-3. Это редкие частицы, которые имеют множество применений в науке и технике, например, все ЖК-мониторы делаются с его использованием. Вместе с тем гелий-3 рассматривается как потенциальное термоядерное экологически чистое топливо.
– Оказалось, что гелий-3 в 1 000 раз лучше для термоядерных реакций, нежели водород, который в результате термоядерного синтеза в ядре Солнца преобразуется в гелий, что и обеспечивает энергию Солнца, – объясняет Михаил Бубенчиков. – За термоядерными установками будущее мировой энергетики. На планете таких реакторов пока единицы. Особенность этих установок заключается в том, что при термоядерном синтезе происходит слияние атомных ядер с высвобождением огромного количества энергии.
В настоящее время гелион не добывают из обычного гелия. Гелий-3 образуется при радиоактивном распаде тяжелых элементов, таких как уран и торий, и может быть также получен искусственно. Спрос на гелий и гелион растет экспоненциально. По оценкам экспертов, гелия на Земле осталось примерно на 50 лет. Гелиона в нем меньше одного процента. Новая технология позволит получать гелион в нужном количестве из природного газа при его глубоком разделении. Если в стране будут построены термоядерные реакторы, подход, созданный учеными ММФ ТГУ, позволит обеспечить страну гелионом на сотни лет.
Этапы создания новой технологии включают математическое и компьютерное моделирование. Для решения поставленной задачи будет разработана и использована новая вычислительная методика. В Томской области находятся Северская АЭС и СХК, поэтому инфраструктура для внедрения полученной технологии частично уже существует.
Добавим, что заявка ученых ТГУ была признана экспертами РНФ одной из лучших в стране. Разработка энергоэффективных методов сепарации изотопов с высокой степенью обогащения будет способствовать переходу России к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Это является одним из ключевых направлений стратегии научно-технологического развития РФ.
Проект ученых ММФ ТГУ «Математическое и компьютерное моделирование криогенной туннельной миграции изотопов через слоистые композиции субнанопористых 2d-молекулярных структур под действием ускоряющего внешнего поля», реализуемый при поддержке РНФ, рассчитан на три года. Результаты своей работы математики ТГУ представят в конце 2027 года.