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Isotopentrennung,

 

die vollständige Trennung verschiedener Isotope eines Elements oder die Anreicherung einzelner Isotope im Isotopengemisch eines Elements. Da die zur Isotopentrennung verwendeten Verfahren auf Isotopieeffekten beruhen, diese aber sehr klein sind, müssen die Anreicherungsschritte meist mehrfach wiederholt werden, um einen hohen Anreicherungs- beziehungsweise Reinheitsgrad zu erzielen (Kaskadenprinzip). Von der Vielzahl der Verfahren zur Isotopentrennung haben nur wenige eine praktische Bedeutung erlangt.

 

1) Bei der Gasdiffusions-Isotopentrennung (Diffusionstrennverfahren) wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Geschwindigkeit der Diffusion durch eine poröse Wand von der Masse der Gasteilchen abhängt. Die für den Anreicherungsgrad, d. h. die relative Zunahme des Anteils eines Isotops am Isotopengemisch, maßgebliche Größe ist die Wurzel aus dem Verhältnis der Atom- beziehungsweise Molekülmassen. Die Gasdiffusions-Isotopentrennung wird heute v. a. zur industriellen Urananreicherung eingesetzt (z. B. in den USA und Frankreich). Dazu wird gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆) durch Diffusionsbarrieren (Membrane) gedrückt, wobei das leichtere Gas (²³⁵UF₆) eine etwas höhere Diffusionsgeschwindigkeit aufweist und sich hinter den Barrieren anreichert. In der Praxis wird der Anteil des im natürlichen Uran enthaltenen U 235 pro Trennstufe um den Faktor 1,004 erhöht. Das Verfahren liefert derzeit die Hauptmenge an angereichertem Uran für die Versorgung von Kernkraftwerken mit Kernbrennstoff. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe spezifische Energieverbrauch.

 

2) Die Gaszentrifugen-Isotopentrennung (Gaszentrifuge) nutzt die hohen Beschleunigungen aus, die Ultrazentrifugen aufbauen. Der Trennfaktor ist hier der Massendifferenz der Isotope proportional. Das Verfahren eignet sich daher sehr gut für die Trennung schwerer Isotope, wie z. B. U 235 und U 238; es wird derzeit insbesondere in Deutschland, Großbritannien und den Niederlanden zur Urananreicherung eingesetzt. Dabei werden Trennfaktoren von 1,3 bis 1,5 bei einem sehr niedrigen spezifischen Energieverbrauch (¹/₅₀ des Energieverbrauchs der Gasdiffusions-Isotopentrennung) erreicht. Da UF₆ bei einem Dampfdruck von 0,16 bar und einer Temperatur um 25 ºC kondensiert und im Rotor der Zentrifuge der Druck stark ansteigt, ist der erzielbare Durchsatz pro Zentrifuge begrenzt.

 

3) Beim Trenndüsenverfahren treten die Isotopengemische unter Druck mit hoher Geschwindigkeit aus einer gekrümmten Düse in einer Kreisbahn in einen Raum niedrigeren Drucks. Unterschiede der Zentrifugalkräfte reichern die schwereren Isotope im äußeren Teil des Strahls an: Sie können dort vom inneren Teil des Strahls abgeschält werden. Das Trenndüsenverfahren hat (v. a. in Deutschland) einen hohen Entwicklungsstand erreicht, kam jedoch aus wirtschaftlichen Gründen bisher nicht zur industriellen Anwendung.

 

4) Das auf dem Prinzip der Thermodiffusion beruhende Trennrohrverfahren (Clusius-Dickel-Trennrohr) nutzt den Effekt, dass ein Temperaturgradient einen Konzentrationsgradienten in einem Gas erzeugt. Isotope von Edelgasen werden auf diese Weise getrennt.

 

5) Bei der fraktionierten Destillation wird ein flüssiges Isotopengemisch verdampft und das leichtere Isotop in der Gasphase angereichert. Auf diese Weise gewinnt man im Destillationsrückstand schweres Wasser (D₂O), dessen Siedepunkt um 1,4 Grad höher liegt als der von H₂O.

 

6) Bei der Elektrolyse werden H₂O-Moleküle schneller zersetzt, sodass sich HOD- und D₂O-Moleküle in der Lösung anreichern.

 

7) Isotopenaustauschgleichgewichte, die zur unterschiedlichen Verteilung der Isotope in verschiedenen chemischen Spezies führen, beruhen auf den Unterschieden der massenabhängigen Schwingungsfrequenzen von Molekülen.

 

8) Laserisotopentrennungen nutzen die geringe Linienbreite von monochromatischem Laserlicht und die geringen Unterschiede der isotopenspezifischen Absorptionsspektren von Atomen und Molekülen, um nur jeweils ein Isotop eines einatomigen Gases oder einer gasförmigen chemischen Verbindung anzuregen (Anregung von Elektronen oder Molekülschwingungen), während alle anderen Isotope im Grundzustand verbleiben. In einem zweiten Schritt werden die angeregten Atome oder Moleküle durch nochmalige selektive Anregung mit Laserlicht durch Photoionisation oder Photodissoziation ionisiert oder photochemisch umgewandelt. Die Reaktionsprodukte oder Ionen, die nur das ursprünglich angeregte Isotop enthalten, werden abgetrennt, einatomige Ionen z. B. durch elektromagnetische Felder. Nach der Laserisotopentrennung kann z. B. aus Urandampf ionisiertes U 235 abgetrennt werden oder aus gasförmigem Uranhexafluorid pulvriges (²³⁵UF₅). Von der Laserisotopentrennung erwartet man Trennfaktoren von 15 bis 20 bei einem niedrigen spezifischen Energieverbrauch; ihre Entwicklung wird daher v. a. in den USA sehr stark vorangetrieben.

 

9) Der unterschiedliche Kernspin (z. B. besitzt das Kohlenstoffisotop ¹³C im Gegensatz zu ¹²C einen Kernspin) verschiedene Isotope beeinflusst durch Wechselwirkungen mit dem Elektronenspin das Reaktionsverhalten radikalischer Zwischenprodukte unter bestimmten Versuchsbedingungen. Dies kann zu einer Isotopenanreicherung in unterschiedlichen Reaktionsprodukten führen.

 

Die Wirtschaftlichkeit eines Trennverfahrens ist u. a. von den Eigenschaften des Elements, dem gewünschten Anreicherungsgrad, der benötigten Menge und dem spezifischen Energieverbrauch abhängig. Geringe Mengen verschiedener Isotope lassen sich sehr exakt mithilfe von Massenspektrometern (Massenspektrograph) trennen. Nach diesem Prinzip wurde in den 1940er-Jahren U 235 für militärische Zwecke gewonnen. Destillation und chemische Anreicherung eignen sich für leichtere Elemente. Gasdiffusions- und Gaszentrifugen-Verfahren werden heute in großem Maßstab für die Urananreicherung eingesetzt. Dabei hat die Gaszentrifugen-Isotopentrennung inzwischen einen Anteil von 20 % an der weltweit vorhandenen Anreicherungskapazität erreicht.

 

Literatur:

 

S. Büttrich u. C. Küppers: Laser-Isotopen-Trennverfahren für Uran u. Plutonium (1988).