Methoden der Isotopentrennung



I.) Auflistung der wichtigsten Methoden der Isotopentrennung


- Rektifikation ( fraktionierte Destillation )
Bsp.: Erdölaufbereitung, Darstellung D2O
- Gaszentrifugationsverfahren
Bsp.: Anreicherung des 235U - Isotops
- Elektrolyse
Bsp.: Darstellung von D2O ( 2H2O )
- Gasdiffusionsverfahren
Bsp.: Anreicherung des 235U - Isotops
- Trennrohrverfahren
Bsp.: Reindarstellung des 20Ne - Isotops
- Massenspektrometrie
Bsp.: Substanzanalyse



II.) folgende Methoden werden näher erläutert

1.) Gaszentrifugationsverfahren
2.) Gasdiffusionsverfahren
3.) Trennrohrverfahren





Literaturverzeichnis:

Beer - Glöckner - Letterer : Chemische Analytik, Kernchemie,
Modellvorstellungen (C.C. Buchner)
Eggert, John : Lehrbuch der physikalischen Chemie
( S. Hirzel , Stuttgart)
Häusler, Karl : Elementare Chemie 1 + 2 (Oldenburg)
Rudolph, Joachim : Moderne Chemie (Manfred Pawlak
Verlagsgesellschaft mbH , Herrsching)
: Knaurs Buch der modernen Chemie
(Droemer Knaur)
Franik, Roland : Chemie Mittelstufe - Ausgabe B (BSV)
Schülerduden : Die Chemie (Dudenverlag)
Volkmer, Martin : Basiswissen zum Thema Kernenergie
Methoden der Isotopentrennung

Alle Methoden der Isotopentrennung beruhen auf der Tatsache, daß die Isotope eines Elements verschiedene Massen besitzen (Massenunterschiede), und somit mit physikalischen Methoden von einander getrennt werden können.
Die Isotopentrennung wird hauptsächlich bei der Anreicherung von 235U, für den Betrieb von Leichtwasserreaktoren angewendet. Dabei muß der Gehalt an 235U 2 bis 4 % betragen. Der Gehalt an 235U in Uranerzen beträgt nur etwa 0,7 %. Den „Rest“ (99,3 %) übernimmt das Uranisotop 238U.
Die wichtigsten Methoden sind:

II.1.) Das Gaszentrifugationverfahren:

Prinzip : Auf Grund von Massenunterschieden werden die schwereren (leichteren) Teilchen, bei Umdrehungen von 500 m/s an der Peripherie, stärker an die Außenwand (Rohrachse) der Zentrifuge befördert und können somit von einander getrennt werden. (Abb.II.1.)
Anwendungsbeispiel : Trennung des 235UF6 - Moleküls vom 238UF6 - Molekül


an U-235 angereichertes UF6



an U-235 ab-
gereichertes
UF6
UF6 - Zufuhr
Außenwand der Zentrifuge
an U-235 abgereichertes UF6
26100.jpg


Abb. II.1.: Prinzip der Gaszentrifugenverfahrens

Um einen entsprechend hohen Gehalt und Kapazität an 235U zu bekommen, müssen 150 000 Zentrifugen parallel und etwa 30 Trennstufen hintereinander geschaltet werden, auf Grund des sehr geringen Gasdurchsatzes. Der Energieaufwand hält sich trotzdem sehr stark in Grenzen.

II.2.) Das Gasdiffusionsverfahren:

Diffusion bedeutet : Diffusion ist das Bestreben von Teilchen, auf Grund der Brown`schen Molekularbewegung, sich in einem Raum so weit wie möglich zu verteilen und dabei Dichte - und Konzentrationsunterschiede auszugleichen, um ein Gleichgewicht herzustellen.
Prinzip : Auf Grund einer höheren Nukleonenzahl nimmt auch die Masse des Teilchens und seiner Verbindungen zu. Sein Volumen vergrößert sich dem entsprechend und kann durch eine poröse Wand (Porendurchmesser ca. 10-5 mm) schlechter hindurch diffundieren, als das leichtere Teilchen (Gasdiffusion). (Abb.II.2.)
Anwendungsbeispiel : Trennung des 235UF6 - Moleküls vom 238 UF6 - Molekül

niedriger Druck
Membran


UF6-Gas
an U-235 abgereichertes Gas
an U-235 angereichertes Gas
hoher Druck
mittlerer Druck
26101.jpg



Legende: 26102.jpg schweres Teilchen
26103.jpg leichtes Teilchen

Abb.II.2.: Prinzip des Gasdiffusionsverfahrens

Um eine Anreicherung an 235UF6 - Isotopen von etwa 4 % zu erhalten, müssen bis zu 2500 Trennstufen hintereinander geschaltet werden. Der Energieaufwand ist durch das Komprimieren des Gases vor jeder Trennstufe deshalb sehr hoch.

II.3.) Das Trennrohrverfahren:

Das Trennrohrverfahren basiert auf der Thermodiffusion und auf der Konvektionsströmung von erwärmten bzw. erhitzen Teilchen oder ihrer Umgebung.

Thermodiffusion : Durch das teilweise Erhitzen eines Rohres, in dem ein Gasgemisch eingeschlossen ist, wird das Gleichgewicht der Teilchen des Gasgemisches gestört. Auf Grund von Massenunterschieden reichern sich die schwerere Teilchen stärker am heißen Rohrstück und die leichteren stärker am kalten Rohrstück an.
Konvektion : Konvektion ist eine Strömung, die durch Temperaturunterschiede hervorgerufen wird und Energie oder Gasteilchen transportieren kann.
Prinzip : Beim Trennrohrverfahren wird die Rohrachse durch einen elektrisch geheizten Draht erhitzt und die Wandung gekühlt. Nach einiger Zeit reichern sich schwere (leichtere) Teilchen stärker an dem geheizten Draht (an der Wand) an (Thermodiffusion). Durch die entstehende Konvektionsströmung werden die leichten (schweren) Teilchen an das obere heiße ( untere kalte ) Rohrende transportiert.
(Abb. II.3.)
Anwendungsbeispiel : Trennung der beiden Gase H35Cl und H37Cl von einander


Kühlung
leichteres Gas
Gaszufuhr
Trennrohr
geheizter Draht
schwereres Gas



















Abb. II.3.: Prinzip des Trennrohrverfahrens