Grafen skulle kunna bidra till att minska energikostnaderna för att producera tungt vatten och sanering i kärnkraftverk med över hundra gånger jämfört med nuvarande teknik, University of Manchester forskning visar.

Den nya utvecklingen kan leda till att koldioxidutsläppen i samband med tungvattenproduktion minskar med upp till en miljon ton varje år.

Skriver i Nature Communications, ett team från University of Manchester ledd av Dr Marcelo Lozada-Hidalgo demonstrerade helt skalbara prototyper av grafenmembran som kan producera tungt vatten.

Forskningen visar att grafenbaserade membran kan göra produktionen av tungt vatten mer effektiv, leder till grönare och billigare kärnkraft.

Att producera tungt vatten som kärnkraftsindustrin behöver för att generera ren energi är en dyr process. På grund av grafens unika materialegenskaper har den potential att effektivt separera subatomära partiklar vilket gör denna process mer effektiv och kostnadseffektiv.

Att separera väteisotoper är en enorm uppgift för kärnklyvning och framtida fusionsanläggningar. Tusentals ton isotopblandningar bearbetas varje år. Än, Att producera bara 1 kg tungt vatten förbrukar tillräckligt med energi för att driva ett genomsnittligt amerikanskt hushåll under ett helt år.

Dr Lozada-Hidalgo, University of Manchester forskare sa:"Detta är en avgörande milstolpe på vägen till att ta denna revolutionerande teknik till industriell tillämpning.

"De potentiella vinsterna är tillräckligt höga för att motivera dess introduktion även i den mycket konservativa kärnkraftsindustrin."

Bara förra året, samma grupp forskare fann att grafen effektivt kan sikta väteisotoper. Men de industriella möjligheterna med denna upptäckt analyserades inte eftersom det inte fanns några membran eller tillverkningsmetoder som var lämpliga för skalbar tillverkning vid den tiden.

Nu, Manchester-gruppen utvecklade helt skalbara prototypmembran och demonstrerade isotopseparationen i pilotskalastudier. De fann att den höga effektiviteten av separationen skulle möjliggöra en betydande minskning av den ingående mängden av råa isotopblandningar som behöver bearbetas. Detta minskar både kapitalkostnaderna och energibehovet.

De uppskattade att över hundra gånger mindre energi skulle krävas för att producera tungt vatten jämfört med konkurrerande teknologier – ännu större energibesparingar förväntas för tritiumsanering.

Sir Andre Geim, tillade:"Tritium som släpps ut både från kärnkraftverk och som ett resultat av miljökatastrofer är ett stort globalt problem.

"Vi tror att den här tekniken ekonomiskt kan förändra miljöavtrycket för framtida kärnkraftverk."