Isotop-Trennung ist der Prozess, spezifische Isotope eines chemischen Elements durch das Entfernen anderer Isotope, zum Beispiel das Trennen von natürlichem Uran in bereichertes Uran und entleertes Uran zu konzentrieren. Das ist ein entscheidender Prozess in der Fertigung des Uran-Brennstoffs für Kernkraftwerke, und ist auch für die Entwicklung von gestützten Kernwaffen von Uran erforderlich. Plutonium hat Waffengebrauch-Plutonium gestützt, das in einem Kernreaktoren erzeugt ist, der auf solche Art und Weise bedient werden muss, um Plutonium bereits der passenden Isotopic-Mischung oder des Ranges zu erzeugen. Diese Theorie wurde zuerst von Charles H. Townes anerkannt.

Während in allgemeinen chemischen Elementen durch chemische Prozesse gereinigt werden kann, haben Isotope desselben Elements fast identische chemische Eigenschaften, der diesen Typ der Trennung unpraktisch abgesehen von der Trennung von schwerem Wasserstoff macht.

Trennungstechniken

Es gibt drei Typen von Isotop-Trennungstechniken:

• Diejenigen, die direkt auf dem Atomgewicht des Isotops gestützt sind.
• Diejenigen, die auf den kleinen Unterschieden in chemischen Reaktionsraten gestützt sind, durch verschiedene Atomgewichte erzeugt.
• Diejenigen, die auf Eigenschaften nicht direkt gestützt sind, die mit dem Atomgewicht wie Kernklangfülle verbunden sind.

Der dritte Typ der Trennung ist noch experimentell; praktische Trennungstechniken hängen alle irgendwie von der Atommasse ab. Es ist deshalb allgemein leichter, Isotope mit einem größeren Verhältnismassenunterschied zu trennen. Zum Beispiel hat schwerer Wasserstoff zweimal die Masse von gewöhnlichem (leichtem) Wasserstoff, und es ist allgemein leichter, es zu reinigen, als, Uran 235 vom allgemeineren Uran 238 zu trennen. Auf dem anderen Extrem wird die Trennung von spaltbarem Plutonium 239 vom allgemeinen Unreinheitsplutonium 240, während wünschenswert, in dem es die Entwicklung des Pistole-Typs Kernwaffen von Plutonium erlauben würde, allgemein abgestimmt, um unpraktisch zu sein.

:See auch: Bereichertes Uran

Bereicherungskaskaden

Alle groß angelegten Isotop-Trennungsschemas verwenden mehrere ähnliche Stufen, die nacheinander höhere Konzentrationen des gewünschten Isotops erzeugen. Jede Bühne bereichert das Produkt des vorherigen Schritts weiter, bevor sie an die folgende Bühne gesandt wird. Ähnlich werden die tailings von jeder Bühne in die vorherige Bühne für die weitere Verarbeitung zurückgegeben. Das schafft ein folgendes Anreichern-System genannt eine Kaskade.

Es gibt zwei wichtige Faktoren, die die Leistung einer Kaskade betreffen. Das erste ist der Trennungsfaktor (die Quadratwurzel des Massenverhältnisses der zwei Isotope), der eine Zahl ist, die größer ist als 1. Das zweite ist die Zahl von erforderlichen Stufen, um die gewünschte Reinheit zu bekommen.

Kommerzielle Materialien

Bis heute ist die groß angelegte kommerzielle Isotop-Trennung von nur drei Elementen vorgekommen. In jedem Fall ist das seltenere von den zwei allgemeinsten Isotopen eines Elements für den Gebrauch in der Kerntechnik konzentriert worden:

• Uran-Isotope sind getrennt worden, um bereichertes Uran auf den Gebrauch als Kernreaktor-Brennstoff und in Kernwaffen vorzubereiten.
• Wasserstoffisotope sind getrennt worden, um schweres Wasser auf den Gebrauch als ein Vorsitzender in Kernreaktoren vorzubereiten.
• Lithium 6 ist für den Gebrauch in thermonuklearen Waffen konzentriert worden.

Ein isotopically hat sich geläutert Elemente werden in kleineren Mengen für Fachmann-Anwendungen besonders in der Halbleiter-Industrie verwendet, wo gereinigtes Silikon verwendet wird, um Kristallstruktur und Thermalleitvermögen zu verbessern.

Isotop-Trennung ist ein wichtiger Prozess sowohl für die friedliche als auch für militärische Kerntechnik, und deshalb ist die Fähigkeit, die eine Nation für die Isotop-Trennung hat, von äußerstem Interesse zur Nachrichtendienstgemeinschaft.

Alternativen

Die einzige Alternative zur Isotop-Trennung soll das erforderliche Isotop in seiner reinen Form verfertigen. Das kann durch das Ausstrahlen eines passenden Ziels getan werden, aber Sorge ist in der Zielauswahl und den anderen Faktoren erforderlich, um sicherzustellen, dass nur das erforderliche Isotop des Elements von Interesse erzeugt wird. Isotope anderer Elemente sind nicht ein so großes Problem, wie sie durch chemische Mittel entfernt werden können.

Das ist in der Vorbereitung von hochwertigem Plutonium 239 für den Gebrauch in Waffen besonders wichtig. Es ist nicht praktisch, um Pu-239 von Pu-240 oder Pu-241 zu trennen. Spaltbarer Pu-239 wird im Anschluss an die Neutronfestnahme durch Uran 238 erzeugt, aber weitere Neutronfestnahme wird nichtspaltbaren Pu-240 und schlechter, dann Pu-241 erzeugen, der ein ziemlich starker Neutronemitter ist. Deshalb müssen die Uran-Ziele, die verwendet sind, um militärisches Plutonium zu erzeugen, für nur eine kurze Zeit bestrahlt werden, um die Produktion dieser unerwünschten Isotope zu minimieren. Umgekehrt macht das Mischen von Plutonium mit Pu-241 es unpassend für Kernwaffen.

Praktische Methoden der Trennung

Verbreitung

Häufig getan mit Benzin, sondern auch mit Flüssigkeiten, verlässt sich die Verbreitungsmethode auf die Tatsache, dass im Thermalgleichgewicht zwei Isotope mit derselben Energie verschiedene durchschnittliche Geschwindigkeiten haben werden. Die leichteren Atome (oder die Moleküle, die sie enthalten), werden schneller reisen und werden wahrscheinlicher sein, sich durch eine Membran zu verbreiten. Der Unterschied in Geschwindigkeiten ist zur Quadratwurzel des Massenverhältnisses proportional, so ist der Betrag der Trennung klein und viele Kaskadenstufen erforderlich sind, um hohe Reinheit zu erhalten. Diese Methode ist wegen der Arbeit teuer musste Benzin durch eine Membran und die vielen notwendigen Stufen stoßen.

Die erste groß angelegte Trennung von Uran-Isotopen wurde durch die Vereinigten Staaten in großen gasartigen Verbreitungstrennungswerken an Eiche-Kamm-Laboratorien erreicht, die als ein Teil des Projektes von Manhattan gegründet wurden. Diese haben Uran hexafluoride Benzin als die Prozess-Flüssigkeit verwendet. Für Nickel-Puder und electro-abgelegte Nickel-Ineinandergreifen-Verbreitungsbarrieren wurde von Edward Adler und Edward Norris den Weg gebahnt. Sieh gasartige Verbreitung.

Schleuderwirkung

Schleuderwirkungsschemas lassen schnell das Material rotieren, das die schwereren Isotope erlaubt, näher an einer radialen Außenwand zu gehen. Das wird häufig auch in der gasartigen Form mit einer Zippe-Typ-Zentrifuge getan.

Die Schleudertrennung von Isotopen wurde zuerst von Aston und Lindemann 1919 angedeutet, und die ersten erfolgreichen Experimente wurden durch Balken und Haynes auf Isotopen des Chlors 1936 berichtet. Jedoch waren Versuche, die Technologie während des Projektes von Manhattan zu verwenden, unproduktiv. In modernen Zeiten ist es die Hauptmethode verwendet weltweit, um Uran zu bereichern, und bleibt infolgedessen ein ziemlich heimlicher Prozess, ein weit verbreiteteres Auffassungsvermögen der Technologie hindernd. Im Allgemeinen wird ein Futter von UF Benzin mit einem Zylinder verbunden, der mit der hohen Geschwindigkeit rotieren gelassen wird. In der Nähe vom Außenrand des Zylinders versammeln sich schwerere Gasmoleküle, die U-238 enthalten, während sich Moleküle, die U-235 enthalten, am Zentrum konzentrieren und dann zu einer anderen Kaskadebühne gefüttert werden. Der Gebrauch der gasartigen Schleudertechnologie, um Isotope zu bereichern, ist wünschenswert, weil Macht-Verbrauch außerordentlich reduziert wird, wenn im Vergleich zu herkömmlicheren Techniken wie Verbreitungswerke da weniger Kaskadeschritte erforderlich sind, ähnliche Grade der Trennung zu erreichen. Tatsächlich haben Gaszentrifugen mit Uran hexafluoride gasartige Verbreitungstechnologie für die Uran-Bereicherung größtenteils ersetzt. Sowie weniger Energie verlangend, dieselbe Trennung zu erreichen, sind viel kleinere Skala-Werke möglich, sie eine Wirtschaftsmöglichkeit für eine kleine Nation machend, die versucht, eine Kernwaffe zu erzeugen. Wie man glaubt, hat Pakistan diese Methode im Entwickeln seiner Kernwaffen verwendet.

Wirbelwind-Tuben wurden durch Südafrika in ihrem Wirbelwind-Trennungsprozess von Helikon verwendet. Das Benzin wird tangential in einen Raum mit der speziellen Geometrie dass weitere Zunahmen seine Folge zu einer sehr hohen Rate eingespritzt, die Isotope veranlassend, sich zu trennen. Die Methode ist einfach, weil Wirbelwind-Tuben keine bewegenden Teile, aber Energie haben, die intensiv, ungefähr 50mal größer ist als Gaszentrifugen. Ein ähnlicher Prozess, der als Strahlschnauze bekannt ist, wurde in Deutschland mit einem Demonstrationswerk geschaffen, das in Brasilien gebaut ist, und sie sind so weit gegangen, eine Seite entwickelnd, um den Kernkraftwerken des Landes Brennstoff zu liefern.

Elektromagnetisch

Diese Methode ist eine Form der Massenspektrometrie, und wird manchmal auf durch diesen Namen verwiesen. Es verwendet die Tatsache, die angeklagt hat, dass Partikeln in einem magnetischen Feld abgelenkt werden und der Betrag der Ablenkung von der Masse der Partikel abhängt. Es ist für die erzeugte Menge sehr teuer, weil es einen äußerst niedrigen Durchfluss hat, aber es kann sehr hoher Reinheit erlauben, erreicht zu werden. Diese Methode wird häufig verwendet, um kleine Beträge von reinen Isotopen für die Forschung oder den spezifischen Gebrauch (wie Isotopic-Leuchtspurgeschosse) zu bearbeiten, aber ist für den Industriegebrauch unpraktisch.

Am Eiche-Kamm und an der Universität Kaliforniens, Berkeley, hat Ernest O. Lawrence elektromagnetische Trennung für viel vom in der ersten USA-Atombombe verwendeten Uran entwickelt (sieh Projekt von Manhattan). Geräte mit seinem Grundsatz werden calutrons genannt. Nach dem Krieg wurde die Methode als unpraktisch größtenteils aufgegeben. Es war nur (zusammen mit der Verbreitung und den anderen Technologien) übernommen worden, um zu versichern, dass es genug Material für den Gebrauch was für die Kosten geben würde. Sein schließlicher Hauptbeitrag zur Kriegsanstrengung sollte weiter Material von den gasartigen Verbreitungswerken bis noch höhere Niveaus der Reinheit konzentrieren.

Laser

In dieser Methode wird ein Laser auf eine Wellenlänge abgestimmt, die nur ein Isotop des Materials erregt und jene Atome bevorzugt ionisiert. Die widerhallende Absorption des Lichtes für ein Isotop ist auf seine Masse und bestimmte hyperfeine Wechselwirkungen zwischen Elektronen und dem Kern abhängig, fein abgestimmten Lasern erlaubend, mit nur einem Isotop aufeinander zu wirken. Nachdem das Atom ionisiert wird, kann es von der Probe durch die Verwendung eines elektrischen Feldes entfernt werden. Diese Methode wird häufig als AVLIS (Atomdampf-Laserisotop-Trennung) abgekürzt. Diese Methode ist nur kürzlich entwickelt worden, weil sich Lasertechnologie verbessert hat, und zurzeit umfassend nicht verwendet wird. Jedoch ist es eine Hauptsorge zu denjenigen im Feld der Kernproliferation, weil es preiswerter und leichter verborgen sein kann als andere Methoden der Isotop-Trennung. Stimmbare in AVLIS verwendete Laser schließen den Färbemittel-Laser und mehr kürzlich die Diode-Laser ein.

Eine zweite Methode der Lasertrennung ist als MLIS, Molekulare Laserisotop-Trennung bekannt. In dieser Methode wird ein Infrarotlaser an Uran hexafluoride Benzin, aufregende Moleküle geleitet, die ein U-235 Atom enthalten. Ein zweiter Laser befreit ein Fluor-Atom, Uran pentafluoride verlassend, der sich dann aus dem Benzin niederschlägt. Kaskadierung der MLIS Stufen ist schwieriger als mit anderen Methoden, weil der UF refluorinated (zurück zu UF) sein muss, bevor er in die folgende MLIS Bühne eingeführt wird. MLIS alternative Schemas werden zurzeit entwickelt (das Verwenden eines ersten Lasers im nah-infraroten oder sichtbaren Gebiet), wo eine Bereicherung von mehr als 95 % in einer einzelnen Bühne erhalten werden kann, aber die Methoden haben Industriedurchführbarkeit nicht (noch) erreicht. Diese Methode wird OP-IRMPD (Oberton-Vorerregung - IR Vielfache Foton-Trennung) genannt.

Schließlich ist der SILEX-Prozess, der durch Silex Systeme in Australien entwickelt ist, kürzlich von General Electric für die Entwicklung eines Versuchsbereicherungswerks lizenziert worden. Die Methode verwendet Uran hexafluoride als ein feedstock, und verwendet Magnete, um die Isotope zu trennen, nachdem ein Isotop bevorzugt ionisiert wird. Weitere Details des Prozesses werden nicht bekannt gegeben.

Chemische Methoden

Obwohl Isotope eines einzelnen Elements normalerweise beschrieben werden als, dieselben chemischen Eigenschaften zu haben, ist das nicht ausschließlich wahr. Insbesondere Reaktionsraten werden durch die Atommasse sehr ein bisschen betroffen.

Techniken damit sind für leichte Atome wie Wasserstoff am wirksamsten. Leichtere Isotope neigen dazu, zu reagieren oder schneller zu verdampfen als schwere Isotope, ihnen erlaubend, getrennt zu werden. Das ist, wie schweres Wasser gewerblich erzeugt wird, sieh Sulfid von Girdler für Details in einer Prozession gehen. Leichtere Isotope auch disassociate schneller unter einem elektrischen Feld. Dieser Prozess in einer großen Kaskade wurde an der schweren Wasserproduktionsstätte an Rjukan verwendet.

Ein Kandidat für die größte kinetische isotopic Wirkung, die jemals bei der Raumtemperatur, 305 gemessen ist, kann schließlich für die Trennung von Tritium (T) verwendet werden. Die Effekten für die Oxydation von triated formate Anionen zu HTO wurden als gemessen:

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Ernst

Isotope von Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff können durch das Abkühlen dieses Benzins oder Zusammensetzungen fast zu ihrer liquification Temperatur in sehr hohen Säulen (200 bis 700 Fuß hoch - 70 zu 200 Metern) gereinigt werden. Die schwereren Isotope sinken und der leichtere Isotop-Anstieg, wo sie leicht gesammelt werden. Der Prozess wurde gegen Ende der 1960er Jahre von Wissenschaftlern an Los Alamos National Laboratory.http://www.lanl.gov/quarterly/q_w03/spotlight.shtml entwickelt Dieser Prozess wird auch "kälteerzeugende Destillation" .http://www.lanl.gov/orgs/pa/News/080801.html genannt

Der SWU (separative Arbeitseinheit)

Separative Work Unit (SWU) ist eine komplizierte Einheit, die eine Funktion des Betrags von Uran bearbeitet und der Grad ist, zu dem es, d. h. das Ausmaß der Zunahme in der Konzentration des U-235 Isotops hinsichtlich des Rests bereichert wird.

Die Einheit ist ausschließlich: Kilogramm Separative Arbeitseinheit, und misst es die Menge der Separative-Arbeit (bezeichnend für die Energie, die in der Bereicherung verwendet ist), wenn Futter und Produktmengen in Kilogrammen ausgedrückt werden. Die Anstrengung, die im Trennen einer Masse F des Futters der Feinprobe xf in eine Masse P des Produktes ausgegeben ist, prüft xp und Verschwendung der Masse W und prüft xw wird in Bezug auf die Zahl von Separative-Arbeitseinheiten ausgedrückt, die erforderlich, durch den Ausdruck SWU = WV (xw) + PV (xp) - FV (xf) gegeben sind, wo V (x) die "Wertfunktion ist," hat als V (x) = (1 - 2x) ln ((1 - x)/x) definiert.

Arbeit von Separative wird in SWUs, Kg KURZWELLIG, oder Kg UTA (vom deutschen Urantrennarbeit) ausgedrückt

• 1 SWU = 1 Kg KURZWELLIG = 1 Kg UTA
• 1 kSWU = 1.0 t KURZWELLIGE = 1 t UTA
• 1 MSWU = 1 kt KURZWELLIGER = 1 kt UTA

Wenn, zum Beispiel, Sie mit 100 Kilogrammen (220 Pfunde) natürliches Uran beginnen, braucht man ungefähr 60 SWU, um 10 Kilogramme (22 Pfunde) Uran zu erzeugen, das im U-235 Inhalt zu 4.5% bereichert ist

Isotop-Separatoren für die Forschung

Radioaktive Balken von spezifischen Isotopen werden in den Feldern der experimentellen Physik, Biologie und Material-Wissenschaft weit verwendet. Die Produktion und Bildung dieser radioaktiven Atome in einen ionischen Balken für die Studie sind ein komplettes Forschungsgebiet, das an vielen Laboratorien weltweit ausgeführt ist. Der erste Isotop-Separator wurde am Kopenhagener Zyklotron von Bohr und Mitarbeitern entwickelt, die den Grundsatz der elektromagnetischen Trennung verwenden. Heute gibt es viele Laboratorien um die Welt, die Balken von radioaktiven Ionen für den Gebrauch liefern. Wohl ist hauptsächlicher Isotope Separator On-Line (ISOL) ISOLDE an CERN http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/, der eine gemeinsame europäische Möglichkeitsausbreitung über die Franco-schweizerische Grenze in der Nähe von der Stadt Genf ist. Dieses Laboratorium verwendet hauptsächlich Proton spallation Uran-Karbid-Ziele, um eine breite Reihe von radioaktiven Spaltungsbruchstücken zu erzeugen, die natürlich auf der Erde nicht gefunden werden. Während spallation (Beschießung mit hohen Energieprotonen) wird ein Uran-Karbid-Ziel zu mehreren tausend Graden geheizt, so dass radioaktive in der Kernreaktion erzeugte Atome veröffentlicht werden. Einmal aus dem Ziel reist der Dampf von radioaktiven Atomen zu einer ionizer Höhle. Diese ionizer Höhle ist eine dünne Tube, die aus einem niedrigen Arbeitsfunktionsmetallberücksichtigen von Kollisionen mit den Wänden gemacht ist, um ein einzelnes Elektron von einem freien Atom zu befreien. Einmal ionisiert werden die radioaktiven Arten durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt und in einen elektromagnetischen Separator eingespritzt. Da Ionen, die in den Separator eingehen, der approxiamtely gleichen Energie sind, werden jene Ionen mit einer kleineren Masse durch das magnetische Feld durch einen größeren Betrag abgelenkt als diejenigen mit einer schwereren Masse. Dieser sich unterscheidende Radius der Krümmung berücksichtigt isobaric Reinigung, um stattzufinden. Einmal gereinigter isobarically, der Ion-Balken wird dann an die individuellen Experimente gesandt. Um die Reinheit des isobaric Balkens zu vergrößern, kann Laserionisation innerhalb der ionizer Höhle stattfinden, um eine einzelne Element-Kette von Interesse auswählend zu ionisieren. An CERN wird dieses Gerät Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) genannt. Zurzeit entscheiden sich mehr als 60 % aller Experimente dafür, den RILIS zu verwenden, um die Reinheit von radioaktiven Balken zu vergrößern.

Balken-Produktionsfähigkeit zu ISOL Möglichkeiten

Da die Produktion von radioaktiven Atomen durch die ISOL Technik von der freien Atom-Chemie des zu studierenden Elements abhängt, gibt es bestimmte Balken, die durch die einfache Protonenbeschießung von dicken Actinide-Zielen nicht erzeugt werden können. Widerspenstige Metalle wie Wolfram und Rhenium erscheinen aus dem Ziel sogar bei hohen Temperaturen wegen ihres niedrigen Dampf-Drucks nicht. Um diese Typen von Balken zu erzeugen, ist ein dünnes Ziel erforderlich. Die Technik von Ion Guide Isotope Separator On Line (IGISOL) wurde 1981 an der Universität des Zyklotron-Laboratoriums von Jyvaskyla in Finnland http://www.jyu.fi/science/laitokset/fysiikka/en/research/accelerator/igisol entwickelt. In dieser Technik wird ein dünnes Uran-Ziel mit Protonen und Kernreaktionsproduktrückstoß aus dem Ziel in einem beladenen Staat bombardiert. Der Rückstoß wird in einer Gaszelle angehalten und geht dann durch ein kleines Loch in der Seite der Zelle ab, wo sie elektrostatisch beschleunigt und in einen Massenseparator eingespritzt werden. Diese Methode der Produktion und Förderung findet auf einer kürzeren Zeitskala im Vergleich zur ISOL Standardtechnik statt, und Isotope mit kurzen Halbwertzeiten (U-Boot-Millisekunde) können mit einem IGISOL studiert werden. Ein IGISOL ist auch mit einer Laserion-Quelle an Leuven Isotope Separator On Line (LISOL) in Belgien http://fys.kuleuven.be/iks/lisol/equipment/equipment.htm verbunden worden. Dünne Zielquellen stellen allgemein bedeutsam niedrigere Mengen von radioaktiven Ionen zur Verfügung als dicke Zielquellen, und das ist ihr Hauptnachteil.

Als experimentelle Kernphysik fortschreitet, wird es immer wichtiger, den exotischsten von radioaktiven Kernen zu studieren. Um so zu tun, sind erfinderischere Techniken erforderlich, Kerne mit äußersten Verhältnissen des Protons/Neutrons zu schaffen. Die viel versprechendste Technik ist bis heute durch das Verwenden vielfacher Ziele. Durch das erste Produzieren eines radioaktiven Balkens durch eine ISOL Methode und dann reaccellerating es, um es ein sekundäres dünnes Ziel treffen zu lassen, können sehr exotische Kerne erzeugt werden. National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) an der Michiganer Staatlichen Universität ist ein gutes Beispiel solch einer Möglichkeit. Höher die Energie der Wechselwirkung allgemein das exotischere der Kern erzeugt. Es wird dann notwendig im Stande zu sein, diese Kerne zu verlangsamen, sobald sie erzeugt worden sind. Pioniere an der japanischen Möglichkeit RIKEN waren erst, um einen riesigen Gasfänger und neuartige elektrische Felder zu verwenden, um das zu tun, das die Standardtechnik wird.

Links

• Anwendung von kinetischen Isotop-Effekten für die Konzentration von Tritium, GM Brown, TJ Meyer u. a. 2001.
• Uran-Produktion
• Uran-Bereicherung von der Weltkernvereinigung
• Die kommentierte Bibliografie auf der elektromagnetischen Trennung von Uran-Isotopen bildet die Alsos Digitalbibliothek