Izotópok szétválasztása

Az elemek izotópjainak nagy mennyiségben való szétválasztásának igénye nem meglepő módon hadászati eredetű. Miután felfedezték az urán hasadásában rejlő lehetőségeket, hatalmas összegeket költöttek arra, hogy a 235-ös tömegszámú uránizotópot kinyerjék vagy feldúsítsák a természetes uránban. A természetben előforduló urán két leggyakoribb izotópja az ²³⁸U (99.27%) és a ²³⁵U (0.72%), melyek közül az utóbbi képes láncreakcióra (a 238-as is hasítható, de spontán módon kisebb valószínűséggel hasad). Az önfenntartó nukleáris reakció eléréséhez a 235-ös urán arányát növelni kell az anyagban, melyre többféle – igen alacsony hatásfokú – módszert dolgoztak ki a II. világháború és a hidegháború idején, főként a Manhattan Project égisze alatt futó kutatások eredményeként.

Az izotópdúsítás ipari méretekben azóta is csak a nukleáris alkalmazásokkal összefüggően valósult meg, pl. urándúsítás reaktorok üzemanyagaként és nukleáris fegyverekhez, a hidrogén izotópjainak szétválasztása a reaktorokban moderátorként alkalmazott nehézvíz előállítására és a ⁶Li dúsítása termonukleáris fegyverekhez.

Mivel az izotópok kémiailag ugyanúgy viselkednek, ezért kémiai úton történő szeparációjuk nem lehetséges. Az urán 235-ös és 238-as tömegszámú izotópjai tömegkülönbsége olyan kicsi, hogy a fizikai szétválasztás is rendkívül nehézkes, időigényes és drága. Kezdetben kézenfekvőnek tűnt, hogy az izotópok szétválasztására a fentebb megismert tömegspektrográfok módosított változatait használják, de a hatalmas energiaigény és a rendkívül kicsi hatásfok miatt ez a módszer egyáltalán nem terjedt el.

a) Centrifugálás

Egyik lehetséges módszerként a centrifugálás jöhet szóba, melynek lényege, hogy egy függőleges tengely körül forgó centrifugában a kisebb tömegű atomokra nem hat akkora centrifugális erő, ezért ezek a tengely környékén mozognak, míg a nagyobb tömegű izotópok nagyobb sugarú körön, a tartály falának közelében koncentrálódnak. A tengely közelében mozgó, könnyebb atomokat kivonják a centrifugából, a többit pedig további centrifugákba juttatják újabb dúsításra.

A módszert 1940-ben Jesse Beams alkalmazta először a klór 35-ös és 37-es tömegszámú izotópjainak szétválasztására, aki aztán kormányzati pénzt is nyert urándúsításra. A II.

világháború alatt már kiderült, hogy sem a hatásfok, sem az ipari mennyiségű termelés nem volt megoldható ezzel a módszerrel; nem tudtak olyan stabil centrifugát készíteni, ami az elvárt mennyiséget produkálta volna. Természetesen több száz, több ezer egymás után következő (ún.

kaszkád) egység működött, ami rendkívül drágává tette a berendezést.

A Szovjetúnióban az 1950-es évek elején sikerült stabil centrifugát készíteni, majd az 50-es évek végén az Egyesült Államok is megoldotta a problémát és máig ez utóbbi módszer a legelterjedtebb a világon.

b) Gázdiffúziós szeparáció

Miután az USA feladta a centrifugával való kísérletezést, érdeklődésük a gázdiffúzió felé fordult. Gázmolekulák porózus membránon való átjutására jellemző, hogy az átjutás sebessége

3. Ionok, tömegspektrometria 52 fordítottan arányos a molekulatömeggel. Porózus falú csőben különböző izotópokból álló gázt áramoltatva a kisebb tömegű izotópok gyorsabban diffundálnak át a membránon, így az izotópok szétválaszthatók.

A urándúsítást UF6 (urán-hexafluorid) gázzal végezték, amely az egyik legkorrozívabb gáz. Ez további problémákat vetett fel pl. a csövek korrózióvédelme és a tömítések minősége terén.

Ezeknek a főként hadászati fejlesztéseknek a manapság mindennapokban használatos

„mellékterméke” a korrózióvédő nikkel-bevonat és a Teflon.

c) Lézeres izotóp-szeparáció

Jóval a lézer megjelenése után, az 1970-es évektől kezdődően kezdték vizsgálni a lézeres urándúsítás lehetőségét. A magtömegek kis különbségének köszönhetően az atomok egyes izotópjainak energiaszintjei kismértékben el vannak tolódva egymáshoz képest. Megfelelően keskeny sávszélességű sugárzást alkalmazva az izotópok szelektíven gerjeszthetők, azaz elérhető, hogy egy keskeny sávszélességű lézerfény pl. csak a 235-ös tömegszámú uránt gerjessze, a 238-asat ne. Ezen módszer hatékony alkalmazásához természetesen az kellett, hogy kellően nagy intenzitású és precízen hangolható lézerek álljanak rendelkezésre, hogy a kis hullámhosszkülönbségű energiaszintek szelektíven gerjeszthetők (ionizálhatók) legyenek.

A folyamatban magas hőmérsékleten elpárologtatott uránatomokat használnak (AVLIS, Atomic Vapour Laser Isotope Separation). Az ionizáció több lépésben történik megfelelő hullámhosszra hangolt festéklézerek szinkronizációjával. Az ionizációs szintig gerjesztett ²³⁵U atom leadja egy elektronját, pozitív töltésű ionná válik, amit már elektromágneses módszerekkel elkülöníthetünk a 238-as tömegszámú, elektromosan semleges izotópoktól.

A dúsítás mértékét a felhasználás szabja meg, reaktorok üzemanyagaként <20 %-os, nukleáris fegyverekben 20-85 %-os dúsítású uránt használnak. Emlékeztetünk, hogy a természetes uránban a 235-ös izotóp 0.7 %-os arányban fordul elő. A dúsítás során melléktermékként keletkezett, 0.7 %-nál kisebb ²³⁵U tartalmú, ún. szegényített uránt is felhasználják. Nagy sűrűsége (az ólom sűrűségének kb. 1.7-szerese) miatt pl. páncéltörő lövedékekben alkalmazzák, hiszen ugyanakkora méret mellett nagyobb energia érhető el vele, pirofóros tulajdonsága miatt pedig ideális gyújtólövedék alapanyag is. A civil szférában elsősorban radioaktív árnyékolásra, vitorlások tőkesúlyaként ill. repülőgépekben ballasztanyagnak használják.

3.7 Ellenőrző kérdések

 Milyen – ionizációhoz vezető –folyamatokat ismer?

 Mi a csősugárzás?

 Mik a tömegspektrográfok legfontosabb értékmérői?

 Mi a sebesség és irányfókuszálás lényege?

 Sorolja fel a legfontosabb tömegspektrográf típusokat!

 Mik az izotópok, illetve mi az izotópeffektus?

 Milyen lehetőségei vannak az izotópok szétválasztásának?

3. Ionok, tömegspektrometria 53 3.8 Feladatok

 Milyen felbontású tömegspektrográf szükséges a hidrogén, a klór és az urán izotópjainak szétválasztásához?

 A Bainbridge-féle tömegspektrográfban alkalmazott sebességfókuszálás esetén milyen pontosságú (szórású) elektromos és mágneses tér szükséges 1%-os sebességszórás eléréséhez? (A D1, D2 és D3 diafragmák elegendően kicsinyek.)

 A Dempster-féle tömegspektrométerben alkalmazott irányfókuszálás esetén mekkora kilépő rés szükséges, ha r = 25 cm (lásd 3.5 ábra), és α = ±5°-os szögben érkező részecskéket kívánunk vizsgálni?