Isotopentrennung – einfach erklärt

Grundprinzip der Isotopentrennung

Isotopentrennung bezeichnet Verfahren, mit denen die Isotope eines chemischen Elements voneinander getrennt werden. Dabei müssen die Isotope keine Radioisotope sein.

Meist entsteht kein reines Isotop. Stattdessen wird eine ursprüngliche Stoffmenge in zwei Fraktionen aufgeteilt: In einer Fraktion ist ein bestimmtes Isotop angereichert, sein Anteil ist also gegenüber der Ausgangsmenge erhöht; in der anderen Fraktion ist es entsprechend abgereichert. Der Anteil des angereicherten Isotops an der gesamten Stoffmenge einer Fraktion heißt Anreicherungsgrad. Wird das Verfahren mit der angereicherten Teilmenge mehrfach wiederholt, sind höhere Anreicherungsgrade möglich.

Isotope desselben Elements unterscheiden sich chemisch fast nicht. Die Trennung nutzt deshalb fast immer physikalische Prozesse und die kleinen Dichteunterschiede zwischen Isotopen. Bei sehr leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium ist der relative Massenunterschied so groß, dass er sich auch im chemischen Verhalten bemerkbar machen kann.

Wichtige Trennverfahren

Zur Isotopentrennung werden je nach Zweck verschiedene Verfahren eingesetzt:

Massenspektrometrie für analytische Zwecke.
Zentrifugieren mit Gaszentrifugen.
Gasdiffusionsverfahren nach dem Membranverfahren.
Trenndüsenverfahren.
Fraktionierte Destillation, beispielsweise für Quecksilberisotope und schweres Wasser.
Elektrolyse, beispielsweise zur Anreicherung von Deuterium.
Photochemische Trennung: Laserlicht regt bestimmte Isotope in einem Gemisch selektiv an. Diese angeregten Isotope sind reaktiver und können durch Folgereaktionen entfernt werden.
Thermophorese beziehungsweise Thermodiffusion, einschließlich des Trennrohrs nach Clusius und Dickel; dieses Verfahren wurde bereits 1938 erfolgreich demonstriert.

Anwendungen in Technik, Forschung und Medizin

Die mengenmäßig mit Abstand wichtigste Isotopentrennung ist die Uran-Anreicherung. Dabei wird der Anteil von Uran-235 erhöht, um Kernbrennstoff für Kernkraftwerke herzustellen. Für Kernwaffen kann Lithium an Lithium-6 angereichert werden. Kernfusionsreaktoren werden auf Dauer ebenfalls angereichertes Lithium benötigen, um im Blanket Tritium als Fusionsbrennstoff zu erbrüten. Dafür ist auch die Trennung der Wasserstoffisotope Protium, Deuterium und Tritium notwendig.

Natururanreaktoren benötigen keine Urananreicherung. Bei den meisten ist aber eine Trennung von Protium und Deuterium erforderlich, weil sie mit schwerem Wasser moderiert werden. Graphitmoderierte Reaktoren benötigen dagegen kein schweres Wasser, sondern nur besonders reinen Kohlenstoff mit normaler Isotopenzusammensetzung. Graphitmoderierte Natururanreaktoren wie Magnox und UNGG setzten sich letztlich nicht als Leistungsreaktoren durch; beim RBMK wurde das Design bereits im Planungsstadium geändert. Forschungsreaktoren sowie Reaktoren zur vorwiegenden Plutoniumproduktion sind seit Chicago Pile 1 und teilweise bis heute oft graphitmoderierte Natururanreaktoren.

In der Forschung werden hochangereicherte oder fast reine Isotope unter anderem im Avogadroprojekt eingesetzt: Dort entstehen Massennormale aus an Silicium-28 hoch angereichertem Silicium. Auch „Isotop Labeling“ beziehungsweise „isotope labeling“ benötigt angereicherte oder hochreine Isotopenzusammensetzungen und wird vor allem als Grundlagenforschung betrieben.

Bei deuterierten Wirkstoffen („deuterated drugs“) werden Kohlenwasserstoffe verwendet, die statt normalem Protium Deuterium enthalten. Dadurch ändern sich Eigenschaften der Pharmakokinetik. Nachdem deutetrabenazine 2017 von der FDA zugelassen wurde, wird diese Technik auch pharmazeutisch genutzt und erhöht den Bedarf an der Trennung von Deuterium und Protium.

Natürliche Isotopenunterschiede

Kein bisher beobachteter natürlicher Prozess trennt Isotope desselben Elements vollständig. Natürliche Vorgänge können Isotope aber schwach und messbar anreichern oder abreichern. Solche Unterschiede werden mit geeigneten Analysetechniken genutzt.

Schweres Wasser hat einen höheren Gefrier- und Siedepunkt als normales Wasser. In der Natur kommt meist halbschweres Wasser vor, bei dem nur ein H durch D ersetzt ist; deshalb ist der Effekt geringer, als eine Betrachtung der Siede- und Gefrierpunkte von reinem schwerem Wasser erwarten ließe.

Bei organischen Systemen unterscheidet sich die Reaktionskinetik von ^{12}C und ^{13}C leicht, aber messbar. Der Wert δ^{13}C kann bei Biomasse und Gewebeproben Hinweise auf Herkunft oder Ernährung geben. Besonders bedeutsam ist der Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen sowie bei den Gliedern der Nahrungskette, die sich mittelbar von ihnen ernähren.

Sauerstoff- und Stickstoffisotope als Hinweise

In der Paläoklimatologie werden natürliche Unterschiede der Sauerstoffisotope genutzt. H_{2}^{16}O verdunstet geringfügig schneller als H_{2}^{18}O. Das Verhältnis von ^{18}O zu ^{16}O in beispielsweise Eisbohrkernen, die Luft aus der Atmosphäre zur Zeit ihrer Entstehung eingeschlossen haben, kann daher auf Verdunstung und auf die durchschnittliche Temperatur bei der Eisbildung hinweisen. In Fachpublikationen wird dieser Unterschied üblicherweise mit δ^{18}O bezeichnet.

Auch im Stickstoffkreislauf wird das schwerere ^{15}N an verschiedenen Stellen gegenüber ^{14}N angereichert. Tiere höherer Trophiestufen, darunter der Mensch, sind daher verhältnismäßig reicher an ^{15}N. Die Analyse der Isotopenhäufigkeit konnte beispielsweise belegen, dass Homo neanderthalensis wie der moderne Mensch, Homo sapiens, ein Apex-Predator war. Auch die Herstellung von Stickstoffdünger durch das Haber-Bosch-Verfahren verändert δ^{15}N teilweise messbar.