Uma ilustração de uma câmara de reator de fusão nuclear de tokamak
Reatores de fusão nuclearse e quando eles tornar -se práticoprecisará de um suprimento constante de combustível. A fonte desse combustível é o isótopo de lítio incomum-6. E o processo estabelecido para obter o LI-6 foi proibido nos EUA em 1963 por causa do desperdício nocivo de mercúrio que gera.
Agora os pesquisadores inventaram uma rota eletroquímica simples Para pegar seletivamente o Li-6 de soluções aquosas de sal de lítio (Chem 2025, doi: /10.1016/j.chempr.2025.102486). O novo método livre de mercúrio funciona, bem como o baseado no steel venenoso e pode limpar o caminho para a produção de combustível de fusão em escala industrial, dizem seus desenvolvedores.
O lítio existe em fontes naturais principalmente como o isótopo Li-7. Apenas 7,5% ocorre como LI-6, o que é crítico para a fusão nuclear. Bombardear li-6 com nêutrons gera o trítio de isótopos de hidrogênio, o combustível mais comum para fusão.
A alimentação de reatores de fusão nuclear do futuro exigirá centenas de toneladas métricas de LI-6. Mas separar o LI-6 do LI-7 em fontes naturais é “realmente difícil porque os dois isótopos são tão semelhantes em propriedades”, diz Sarbajit Banerjeeum químico na Texas A&M College. O método de separação usado historicamente depende da solubilidade do LI-6 em mercúrio líquido.
Crédito: Andrew Ezazi, Texas A&M College
Quatro tipos de locais intersticiais em cristais de óxido de vanádio (esferas vermelhas menores) armadilhas de lítio-6 (esferas verdes maiores).
O novo processo de Banerjee e colegas separa os isótopos com base no princípio por trás das baterias de íons de lítio, a intercalação: a inserção e liberação de íons de lítio de um materials cátodo em camadas. O materials catódico que eles usam é um polimorfo do óxido de vanádio chamado ζ-V2O5 (ou zeta-v2O5), que possui uma estrutura atômica composta por túneis 1D longos que têm alguns átomos de largura.
Os pesquisadores acoplaram o cátodo com um ânodo de carbono em uma célula eletroquímica. Quando eles bombearam uma solução aquosa de lítio através da célula enquanto aplicavam uma tensão, os íons de lítio entraram nos túneis de ζ-V2O5. Mas apenas os íons LI-6 estavam presos; Eles ficaram presos em quatro tipos de websites intersticiais no ζ-V2O5 cristal.
Os pesquisadores admitem que não entendem completamente por que o materials prende seletivamente o LI-6 e querem explorar o efeito com a modelagem e as experiências. Mas Andrew Ezazi, pesquisador de pós -doutorado do grupo de Banerjee, diz que sua teoria é que ela tem a ver com a capacidade de ligação e a velocidade de ligação e a velocidade dos dois isótopos. O lítio-6 mais leve entra em contato, faz um forte vínculo com o ζ-V2O5e fica preso, enquanto o LI-7 migra lentamente através do materials.
A reversão da tensão libera o LI-6 de volta à solução, aumentando a concentração do isótopo mais raro. Um ciclo eletroquímico enriquece a solução em 5,7%, diz Ezazi. “A quantidade de lítio-6 enriquecida que você precisa de fusão é de 30 a 90%, dependendo do projeto do reator e das necessidades de combustível. Podemos conseguir isso em 25 a 40 ciclos.”
Este trabalho “apresenta uma nova ideia impressionante que será bastante transformadora”, diz Partha P. Mukherjeeum engenheiro mecânico da Universidade de Purdue. Ele também fica impressionado com os estudos de espalhamento de raios-X baseados em síncrotron e espectroscopia que os pesquisadores se comprometeram a entender a inserção e captura de íons de lítio no ζ-V2O5. “Apesar de sua aparente relevância tecnológica, este trabalho mostra a importância da química elementary profunda”, diz ele.
Souy Prietoum químico da Universidade Estadual do Colorado, chama o trabalho de “incrivelmente criativo e elegante. Isso pode permitir um método escalável e de menor custo para obter uma separação eficiente (LI-6) sem o uso de mercúrio”. Sabe-se que os processos eletroquímicos são escaláveis, desde que ζ-V2O5 Pode ser feito em larga escala, essa abordagem seria muito prática para separar o LI-6, diz ela.
