Anreicherung

Unter dem Begriff Anreicherung fasst man physikalische und chemische Methoden zusammen, die den Anteil eines bestimmten Isotopes in einem Isotopengemisch erhöhen. Die Anreicherung findet vor allem im Bereich der Energiegewinnung durch Kernspaltung und Kernfusion Anwendung, also für Kernreaktoren und Kernwaffen.

Die relativen Massenunterschiede zwischen den Isotopen der schweren Elemente sind sehr klein, so dass keine chemischen sondern physikalische Methoden zum Einsatz kommen. Das wichtigste und wahrscheinlich einzige schwere Element, für das Isotopentrennung im technischen Maßstab durchgeführt wird, ist das Uran. Natururan besteht zu etwa 99.3% aus ²³⁸U, zu 0.7% aus ²³⁵U und zu einem geringen Anteil aus ²³⁴U. Für die Spaltung in Kernreaktoren und Kernwaffen wird ²³⁵U benötigt, in Kernwaffen in hoher Anreicherung (typischerweise mindestens 90%). Kernreaktoren werden meistens mit Uran beschickt, das eine Anreicherung von 3.5% ²³⁵U hat. In Schwerwasser- und Graphit-moderierten Reaktoren kann auch Natururan zum Einsatz kommen.

Als Abfallprodukt der Urananreicherung entsteht abgereichertes Uran mit einem ²³⁵U-Gehalt von ca 0.3%, das u.a. in Uranmunition verwendet wird.

Diffusionsmethoden

Bei der Gasdiffusionsmethode lässt man gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆) durch eine poröse Membran diffundieren. Die treibende Kraft hierbei ist der Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran. Moleküle, die ²³⁵U enthalten, sind leichter als die ²³⁸U-enthaltenden und diffundieren schneller. Die Anreicherung, die in einem einzelnen Schritt erreicht werden kann, ist sehr gering, so dass dieser Vorgang einige tausend mal wiederholt werden muss.

Anstelle des Druckunterschiedes kann auch ein Temperaturgefälle zur Isotopentrennung mittels Diffusion ausgenutzt werden. Bei der thermischen Diffusionsmethode wird ein Gas oder eine Flüssigkeit in einem engen Raumbereich zwischen zwei vertikalen Platten von einer dieser Platten erhitzt und von der anderen gekühlt. Moleküle, die das leichtere Isotop enthalten, diffundieren bevorzugt zur kälteren Platte, die anderen zur wärmeren Platte. Darüber hinaus bildet sich an der wärmeren Platte eine leichte aufwärtsgerichtete Konvektion, so dass sich im oberen Bereich der Zelle die Moleküle mit den schwerereren Isotopen konzentrieren und die anderen im unteren Bereich.

Gaszentrifugen

Unter dem Einfluss der hohen Beschleunigung in einer Gaszentrifuge sammeln sich die schwereren ²³⁸UF₆-Moleküle im äußeren Bereich des zylindrischen Rotors und die leichteren ²³⁵UF₆-Moleküle weiter innen.

Elektromagnetische Anreicherung

Wie in einem Massenspektrometer werden bei der elektromagnetischen Anreicherung Uranatome zunächst ionisiert, dann in einem elektrischen Feld beschleunigt und anschließend in einem magnetischen Feld nach der Massenzahl getrennt. Dieser Aufbau zur Isotopentrennung wird auch Calutron genannt.

Laser-Anreicherung

Die Laseranreicherung beruht auf der Isotopieverschiebung der Absorptionsspektren von Atomen und Molekülen. Sind die spektroskopischen Bedingungen geeignet, d.h., überlappen die Absorptionslinien der Isotope oder isotopen Verbindungen hinreichend wenig und steht außerdem ein Laser geeigneter Wellenlänge und Schmalbandigkeit zur Verfügung, so ist eine isotopenselektive Anregung möglich. Für die Trennung wird dann ausgenutzt, dass sich die angeregte Spezies von der nicht angeregten in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften wesentlich unterscheidet. Laserverfahren zeichnen sich durch eine hohe Selektivität aus.

Grundsätzlich lassen sich zwei Konzepte unterscheiden: die Photoionisation von Urandampf (atomares Verfahren; AVLIS) und die Photodissoziation von UF₆ (molekulares Verfahren; MLIS). Theoretisch erlaubt das Laserverfahren eine Isotopentrennung in einem einzigen Schritt. Praktisch hängt die Zahl der erforderlichen Stufen davon ab, inwieweit sich die idealen Verhältnisse realisieren lassen.

Beim atomaren Verfahren werden die Atome eines Isotopengemisches selektiv ionisiert. Nach der Ionisation eines Isotops (²³⁵U) kann es leicht von den nicht ionisierten Atomen des anderen Isotops (²³⁸U) durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld getrennt werden.

Beim molekularen Verfahren wird das ²³⁵U enthaltende Molekül zunächst durch einen ersten Laser angeregt und dann durch einen zweiten Laser zur Abspaltung eines Fluor-Atoms gebracht. Das entstehende feste ²³⁵UF₅ kann leicht aus dem Gas gefiltert werden.

Nach anfänglicher Euphorie über die Vorteile dieser Verfahren gegenüber herkömmlichen, etablierten Anreicherungsverfahren ist man inzwischen wieder skeptischer geworden hinsichtlich der industriellen Realisierbarkeit zu akzeptablen Kosten. Einige der umfassenden Forschungs- und Entwicklungsprogramme wurden bereits wieder eingestellt.

Bedeutung der Anreicherung für den Bau von Kernwaffen

Anreicherung ist keine Voraussetzung für den Bau von Kernwaffen, denn auch in einem mit Natururan betriebenen Graphit-moderierten Reaktor bildet sich waffenfähiges Plutonium durch Neutroneneinfang von ²³⁸U. Der Bau einer Anreicherungsanlage lässt sich wahrscheinlich jedoch besser verheimlichen als der Bau eines Kernreaktors, der für eine ²³⁵U-Kernwaffe nicht erforderlich ist.

Siehe auch:Deuterium (Die Anreicherung von Deuterium ist dort beschrieben.)