Isotope - Physik.

« Isotope des WasserstoffesWasserstoff kommt in Form von drei Isotopen in der Natur vor.

Zu etwa 99,98 Prozent existiert Wasserstoff als Protium 1H, zu etwa0,02 Prozent als Deuterium 2H.

Das dritte Wasserstoffisotop Tritium 3H ist in der Natur nur in Spuren anzutreffen.

Die Halbwertszeitvon Tritium beträgt etwa 12 Jahre.© Microsoft Corporation.

Alle Rechte vorbehalten. Verschiedene Isotope eines chemischen Elements lassen sich nur schwer voneinander trennen.

Es ist nicht möglich, eine vollständige Trennung mit chemischen Methoden ineinem Schritt durchzuführen, da Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen.

Physikalische Methoden beruhen dagegen im Allgemeinen aufäußerst kleinen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften.

Bei der Isotopentrennung nutzt man in erster Linie die geringen Massedifferenzen aus.

Im Gegensatzdazu hängen die elektrolytische Trennung und verschiedene Austauschverfahren zur Isotopentrennung von der Reaktionsgeschwindigkeit ( siehe Reaktionskinetik) bzw.

von den Unterschieden im chemischen Gleichgewicht ab.

Letztere basieren hauptsächlich auf Energiedifferenzen in den chemischen Bindungen und hängen von derIsotopenmasse ab.

Die Wasserstoffisotope Deuterium (Wasserstoff 2) und gewöhnlicher Wasserstoff (Wasserstoff 1) waren die ersten Isotope, die in nennenswerten Mengengetrennt wurden.

In diesem Zusammenhang hat sich der amerikanische Chemiker Harold Clayton Urey verdient gemacht.

Urey entdeckte bei seinen Forschungen im Jahr1932 das Deuterium. Vor 1940 dienten die meisten Methoden zur Trennung kleiner Mengen von Isotopen hauptsächlich zu Forschungszwecken.

Zu den effektivsten Trennungsmethoden gehörtendie Zentrifugation ( siehe Zentrifuge), die fraktionierte Destillation, die Thermodiffusion, die Elektrolyse, die Gasdiffusion und die elektromagnetische Trennung.

Am wirkungsvollsten verläuft die Trennung natürlich bei den Wasserstoffisotopen.

Hier beträgt die Massendifferenz zwischen den zwei Isotopen 100 Prozent.

Im Vergleich dazudifferieren die Massen der Kohlenstoffisotope Kohlenstoff 12 und Kohlenstoff 13 und auch die Neonisotope Neon 20 und Neon 22 nur um circa zehn Prozent.

Bei denUranisotopen Uran 235 und Uran 238 sind es sogar nur etwas mehr als ein Prozent.

Dieser Faktor von 10 zu 1 bzw.

100 zu 1 erschwert natürlich die Trennung um denFaktor 10 beziehungsweise 100.

Außer bei der elektromagnetischen Methode gelingt die Isotopentrennung nur in mehreren Stufen.

Die elektromagnetische Methode ist daseinzige Einstufenverfahren.

Das Nettoergebnis jeder einzelnen Stufe besteht in der Trennung des Ausgangsmaterials in zwei Fraktionen, wobei der prozentuale Anteil desschwereren Isotops in einer der beiden Fraktionen etwas höher liegt als im Ausgangsgemisch.

Die andere Fraktion enthält etwas mehr vom leichteren Isotop. Um das gewünschte Isotop in nennenswerter Konzentration zu erhalten bzw.

in der entsprechenden Mischung anzureichern, sind weitere Verfahrensschritte notwendig.

Manbedient sich dazu einer so genannten Kaskade, d.

h.

einer technischen Apparatur, die eine große Anzahl von nacheinander geschalteten Verfahrensstufen ermöglicht.

Dieangereicherte Fraktion jeder einzelnen Stufe wird dabei als Ausgangsmaterial für die nächst folgende Stufe eingesetzt.

Der verbleibende Rest wird mit der vorhergehendenFraktion vermischt, denn hier sind zum Teil noch beträchtliche Anteile des gewünschten Isotops enthalten.

Wenn das Ausgangsmaterial (wie beim Uran) knapp ist, wirdsogar der Rest aus der Anfangsstufe einer Trennung in zusätzlichen Stufen unterworfen.

Um den Stofffluss von Verfahrensschritt zu Verfahrensschritt automatisch undkontinuierlich ablaufen zu lassen, hat man dazu effiziente Kaskadensysteme entwickelt. Eine solche Kaskade ist sehr flexibel.

Die Einheiten mit den Fraktionen können nach Wunsch von einer Trennstufe zur anderen verschoben werden.

Bei der Trennung vonUran beispielsweise muss man anfangs mit Unmengen an Material umgehen, da das gewünschte Uran 235 etwa 140mal soviel Uran 238 enthält.

Am Ende des Prozessesliegt Uran 235 dann in fast reiner Form vor, der Materialumfang ist entsprechend kleiner.

Außerdem lassen sich durch Änderungen im Rohrleitungssystem die Stufenverschieben.

Dadurch lässt sich der Zuwachs an Material auf einer mittleren Stufe ausgleichen. 3.1 Zentrifuge und Destillation Eine Zentrifuge zur Trennung von Isotopen ist im Innern so aufgebaut, dass der abwärts strömende Dampf in den äußeren Teil des rotierenden Zylinders, der aufwärtsströmende Dampf dagegen in den zentralen Bereich des Zylinders gelangt.

Beim Zentrifugieren reichert sich dann das schwerere Isotop im äußeren Bereich an.

Bei derfraktionierten Destillation setzt man ein Gemisch der verschiedenen Isotope ein.

Die Moleküle mit dem niedrigeren Siedepunkt (die leichteren Isotope) reichern sich imDampfstrom an und werden gesammelt. 3.2 Thermodiffusion Diese Methode nutzt das Bestreben leichterer Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases, sich in der heißen Region anzureichern, während sich schwerere Moleküleverstärkt in einer kalten Region aufhalten.

Eine einfache Form einer Thermodiffusionsapparatur besteht aus einem hohen senkrechten Rohr mit einem Draht.

Dieser läuftentlang der Mitte des Rohres und wird elektrisch auf etwa 500 ºC erhitzt.

Damit entsteht ein Temperaturgefälle zwischen der Mitte und der Wand des Rohres.

Dieschwereren Isotope reichern sich mehr im äußeren Teil des Rohres an, die leichteren mehr in der Mitte.

Gleichzeitig bewirkt die Wärmekonvektion folgendes: Das Gas oderdie 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.

ImEndeffekt sammeln sich dadurch die schwereren Isotope auf dem Boden des Rohres an, während die leichteren sich im oberen Teil des Rohres anhäufen. 3.3 Elektrolyse Die elektrolytische Trennung ist sowohl in historischer als auch heutiger Hinsicht von Interesse.

Sie war die erste angewandte Methode, um Deuteriumoxid praktisch inreiner Form vom Wasser abzutrennen.

Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht zuerst das leichtere Wasserstoffisotop.

Im zurückbleibenden Rest reichert sich das schwerereIsotop in Form von Deuteriumoxid an. 3.4 Gasdiffusion 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 innatürlich vorkommendem Uran zu einem Anteil von sieben Teilen in 1 000 Teilen Uran 238.

Um über größere Mengen waffenfähiges Uran 235 zu verfügen, musste manTrennverfahren entwickeln.

Im Rahmen des Atombombenprojekts wurden die verschiedenen Methoden zur Isotopentrennung untersucht.

Die Gasdiffusion und dieelektromagnetische Methode wurden dann großtechnisch betrieben.

Damit ließ sich pro Tag circa ein Kilogramm Uran 235 für den Einsatz in Atomwaffen herstellen.. »