isotopseparasjon

Elektromagnetiske isotopseparatorer er bygd etter samme prinsipp som massespektrometre. De gir nær fullstendig separasjon av isotopene, men utbyttet blir lite. I vanlige massespektrometre separeres omkring 10^–9 gram i timen. I store separatorer av denne typen (calutroner) kan man oppnå å separere noen få gram i timen.

Metoden ble benyttet for å produsere ²³⁵U til atombomber under andre verdenskrig. Ved Oak Ridge-anleggene i USA produserte man i 1945 ca. 3 kg ²³⁵U per dag med calutroner, som disse separatorene ble kalt. Denne metoden er imidlertid kostbar og energikrevende, og den benyttes nå bare for å separere spesielle nuklider for vitenskapelig anvendelse.

Ved gassdiffusjon gjennom en porøs skillevegg vil lette isotoper diffundere raskere enn tunge, fordi de molekylene som inneholder den letteste isotopen i middel, har større termisk hastighet enn de som inneholder den tyngste isotopen. Effekten er liten, særlig for tunge atomer hvor den relative masseforskjellen mellom isotopene er liten, som for eksempel masseforskjellen mellom ²³⁵U og ²³⁸U. For at metoden skal fungere for uran, må uran konvertteres til molekyler som lettt lar seg gassifisere, for eksempel UF_⁴ eller UF₆. Metoden er både energi- og plasskrevende, men brukes i stor utstrekning for fremstilling av reaktorbrensel i USA. I Europa startet Frankrike, i samarbeid med blant annet Sverige, anlegget Eurodif, som baserte seg på denne metoden. Produksjonen ble nedlagt i 2012 og erstattet av et annet anlegg, Georges Besse II (startet opp i 2011), som bruker sentrifugering som anrikningsmetode. Denne metoden bruker 50 ganger mindre energi og trenger mindre kjølevann under operasjon.

Ved termodiffusjon mellom en kald og en varm vegg vil gassen ved den varme veggen bli anriket på den letteste isotopen, mens den tyngste isotopen søker mot den kaldeste veggen. Prosessen er mindre effektiv enn gassdiffusjon gjennom membran, men har den fordel at den også kan brukes for væsker. Den kan dessuten lettere utnyttes i mindre anlegg.

I separasjonsdyser benytter man seg av at lette isotoper diffunderer raskere ut til siden enn tunge når gass blåses ut av en dyse i en kraftig strøm. Gasstrålen deles slik at den sentrale strålen som inneholder den tunge isotopen, går én vei og randstrålen, som er anriket på den lette isotopen, ledes en annen vei. Metoden er mer energikrevende enn vanlig gassdiffusjon, men kan anvendes i mindre anlegg og krever mindre installasjonsomkostninger.

Isotopsentrifuger består av en sylinder som roterer med stor hastighet. Gass som skal sentrifugeres, ledes inn nær aksen. Den tyngste isotopen presses sterkest utover, mens gass som er anriket på den letteste isotopen, tappes ut innerst. Anrikningsgraden øker sterkt med økende omløpshastighet. Det største problemet med denne metoden er å finne materialer som tåler den store omløpshastigheten. Forsøk med nyere fiberstoffer som tåler omløpshastigheter på opptil 1700 per sekund i sentrifuger av denne størrelsen, har vist seg meget lovende. Metoden er særlig utviklet som et britisk-nederlandsk-tysk samarbeidsprosjekt med betegnelsen Urenco. I 1977 ble, som ledd i dette prosjektet, det første større sentrifugeringsanlegget for uran satt i drift i Capenhorst i England. Det regnes som sannsynlig at metoden etter hvert vil fortrenge diffusjonsmetodene som til nå har vært mest brukt.

I 1980-årene ble det utviklet en ny type sentrifuge for ioneseparering, plasmasentrifuge I denne frigjøres stoffet som skal separeres fra en katode som oppvarmes ved laserbestråling. De frigjorte ionene akselereres og ledes som et plasma inn i et magnetfelt, der de beveger seg videre i en spiralbane med stor rotasjonshastighet.

Ved kjemisk anrikning utnyttes det forholdet at den kjemiske likevekten ved en reaksjon avhenger av atommassen. Av den grunn vil mengdeforholdet mellom to isotoper være forskjellig i de to reaksjonsproduktene når likevekt er oppnådd. Effekten er liten, men metoden er enkel og har utstrakt anvendelse for anrikning av karbon, nitrogen og hydrogen.

Separasjon ved elektrolyse utnytter at ioner av en tung isotop under påvirkning av et elektrisk felt beveger seg langsommere enn ioner av en lettere isotop. Elektrolyttvæsken blir derfor anriket på den tunge isotopen og elektrolyseproduktet på den lette. Metoden er energikrevende og kostbar, men den brukes likevel, fordi anrikningen kan skje som en biprosess, der elektrolysen primært brukes til andre formål. Den har blant annet blitt brukt av Norsk Hydro til produksjon av deuterium og tungtvann som et biprodukt, ved fremstilling av hydrogen som brukes for å lage ammoniakk.