Ūdeņraža radioaktīvā izotopa tritija elektroķīmiska atdalīšana izmantojot ar grafēnu modificētu protonu apmaiņas membrānu elektrolīzerus

Abstract

Tritijs ir ūdeņraža radioaktīvs izotops, kas nelielās koncentrācijās rodas dabā kosmiskā starojuma ietekmē, kā arī mākslīgi kodoldalīšanās procesos neitronu transmutāciju reakciju rezultātā. Tritiju var pielietot kodoltermiskās sintēzes reakcijā ar deitēriju, kas ļauj iegūt enerģiju kodoltermiskās sintēzes reaktoros, piemēram, Starptautiskajā termonukleārajā kodolsintēzes reaktorā (ITER). Lielāko daļu tritija pasaulē iegūst mākslīgi kodoldalīšanās reaktoros, kur iegūtais tritijs ir atkritumprodukts. Tā kā kodoltermiskajā sintēze tritijs ir izejviela, ir nepieciešamas metodes kā efektīvi un lēti atdalīt to no citiem ūdeņraža izotopiem. Protonu apmaiņas membrānu elektrolīze ir daudzsološa metode tritija bagātināšanai. Šīs metodes efektivitāti var uzlabot izmantojot grafēna un membrānas kompozītmateriālu. Šī pētījuma ietvaros izgatavota eksperimentālā sistēma un protonu apmaiņas membrānas ar grafēna pārklājumu, un veikta tritiju saturoša ūdens elektrolīze ar protonu apmaiņas membrānu elektrolīzeriem. Pētījumā izvērtēta sākotnējās radioaktivitātes koncentrācijas, kā arī grafēna klātbūtnes ietekme uz izotopu atdalīšanas faktoru tritiju saturoša ūdens protonu apmaiņas membrānu elektrolīzē.

Tritium is a radioactive isotope of hydrogen, which occurs in small concentrations in nature due to cosmic radiation, as well as artificially due to nuclear fission processes as a result of neutron induced nuclear transmutation reactions. Tritium can be used in a nuclear fusion reaction with deuterium to produce energy in fusion reactors such as the International Thermonuclear Fusion Experimental Reactor (ITER). Most of the tritium inventory in the world is produced by nuclear fission reactors (in which it is a waste product). However, since it is a reagent for nuclear fusion, a method is needed to separate it efficiently and inexpensively from other hydrogen isotopes. Proton exchange membrane electrolysis is a promising method for tritium enrichment. The efficiency of this method can be improved by using a graphene-membrane composite material. Within the framework of this research an experimental system and proton exchange membranes with graphene coating have been made and electrolysis of tritiated water has been carried out using proton exchange membrane electrolyzers. The effect of the initial tritium concentration in the tritiated water as well as graphene presence impact on the isotope separation factor for tritiated water electrolysis using proton exchange membrane electrolyzers has been evaluated.