Isotope

Diese Methode nutzt das Bestreben leichterer Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases, sich in der heißen Region anzureichern, während sich schwerere Moleküle verstärkt in einer kalten Region aufhalten. Eine einfache Form einer Thermodiffusionsapparatur besteht aus einem hohen senkrechten Rohr mit einem Draht. Dieser läuft entlang der Mitte des Rohres und wird elektrisch auf etwa 500 ºC erhitzt. Damit entsteht ein Temperaturgefälle zwischen der Mitte und der Wand des Rohres. Die schwereren Isotope reichern sich mehr im äußeren Teil des Rohres an, die leichteren mehr in der Mitte. Gleichzeitig bewirkt die Wärmekonvektion folgendes: Das Gas oder die Flüssigkeit in der Nähe des Drahtes steigt nach oben. Im Gegensatz dazu sinkt das kühlere Gas oder die kühlere Flüssigkeit im äußeren Bereich nach unten. Im Endeffekt sammeln sich dadurch die schwereren Isotope auf dem Boden des Rohres an, während die leichteren sich im oberen Teil des Rohres anhäufen.

Die elektrolytische Trennung ist sowohl in historischer als auch heutiger Hinsicht von Interesse. Sie war die erste angewandte Methode, um Deuteriumoxid praktisch in reiner Form vom Wasser abzutrennen. Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht zuerst das leichtere Wasserstoffisotop. Im zurückbleibenden Rest reichert sich das schwerere Isotop in Form von Deuteriumoxid an.

Die Gasdiffusion wurde zusammen mit der elektromagnetischen Methode zur Trennung der Uranisotope eingesetzt (siehe Diffusion). Ihre Effizienz blieb bisher unerreicht. 1940 gelang zum ersten Mal die Spaltung von Uran 235 mit Neutronen. Kurz darauf erkannte man die Möglichkeit der militärischen Nutzung. Uran 235 findet man in natürlich vorkommendem Uran zu einem Anteil von sieben Teilen in 1 000 Teilen Uran 238. Um über größere Mengen waffenfähiges Uran 235 zu verfügen, musste man Trennverfahren entwickeln. Im Rahmen des Atombombenprojekts wurden die verschiedenen Methoden zur Isotopentrennung untersucht. Die Gasdiffusion und die elektromagnetische Methode wurden dann großtechnisch betrieben. Damit ließ sich pro Tag circa ein Kilogramm Uran 235 für den Einsatz in Atomwaffen herstellen.

Bei der Gasdiffusionsmethode macht man es sich zunutze, dass Gase mit verschiedenen relativen Molekülmassen unterschiedlich schnell diffundieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases verhält sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Masse. Dementsprechend diffundieren leichte Atome schneller als schwere durch ein poröses Hindernis. Bei der Trennung der Uranisotope wird die einzige gasförmige Uranverbindung, Uran(VI)-fluorid (UF₆), kontinuierlich durch poröse Membranen gepumpt. Der Massenunterschied zwischen Uran 235 und Uran 238 beträgt etwas über ein Prozent, die Massendifferenz bei den Fluoriden ist allerdings noch etwas kleiner als ein Prozent. Der Anreicherungsfaktor, der von der Wurzel aus der oben angegebenen Differenz abhängt, beträgt theoretisch 0,43 Prozent für ein Momentanverfahren. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise liegt der Wert um 0,30 Prozent. In der Praxis erreicht man allerdings nur einen Anreicherungsfaktor von circa 0,14 Prozent pro Stufe. Man benötigt also 4 000 Stufen, um aus natürlichem Uran gut 99 Prozent Uran 235 herzustellen. Das Verfahren erfordert Tausende Kilometer Rohrleitung, Tausende Pumpen und Motoren und komplizierte Kontrollmechanismen.

Obwohl die Gasdiffusionsmethode beachtliche Mengen an Uran 235 liefert, wurden vergleichbare Mengen des Isotops durch die Anwendung elektromagnetischer Mittel in Oak Ridge (Tennessee) erzeugt. Man baute eine Reihe Trenneinheiten, in denen der aus einer Uranverbindung stammende Ionenstrom durch ein magnetisches Feld geleitet wurde. Da der Krümmungsradius der abgelenkten Ionenbahn von der Masse des Ions abhängt, kommen Ionen verschiedener Masse an unterschiedlichen Stellen des Detektors an. Die Uranisotope werden merklich getrennt. Allerdings ist in einem Arbeitsschritt immer nur eine geringe Materialmenge einsetzbar.

Die Idee, Trennung und Anreicherung von Isotopen mit Hilfe von Lasern durchzuführen, entstand bald nach der Erfindung des Lasers im Jahr 1960. Bis zur Entwicklung eines durchstimmbaren Farbstofflasers, der Photonenstrahlen in einem wählbaren schmalen Bereich von infraroten bis zu ultravioletten Wellenlängen liefert, dauerte es weitere arbeitsreiche sechs Jahre. Nach diesem Konzept wird ein Element zuerst verdampft. Danach können dessen Atome mit einem genau abgestimmten Laserstrahl selektiv angeregt und ionisiert werden, so dass das gewünschte Isotop abgetrennt werden kann. Die Isotope können aber auch in molekularer Form separiert werden, indem man die Moleküle, die das gewünschte Isotop enthalten, mit dem Laserstrahl ionisiert. An der Entwicklung derartiger Verfahren arbeitet man seit 1972, besonders hinsichtlich der Anreicherung von Uran und Plutonium für Kernkraftwerke bzw. Kernwaffen. Die Methode ist zwar kostenaufwendig und technisch schwer zu beherrschen, zur Erzeugung hochangereicherten Materials werden dafür aber nur wenige Stufen benötigt.

Zu Anwendungsbeispielen von Isotopen siehe Tracer; Strahlentherapie; Positronenemissionstomographie; Kernchemie; Radiologie