同位体分離

拡散法は、気体だけでなく液体にも適用され、熱平衡状態では、同じエネルギーを持つ2つの同位体の平均速度が異なるという事実に基づいています。軽い原子（またはそれらを含む分子）は、平均自由行程（クヌーセン流）よりも細孔径が小さい膜をより速く通過します。速度比は質量比の逆平方根に等しいため、分離量は小さくなります。例えば、²³⁵ UF ₆と²³⁸ UF ₆の場合、その比は1.0043です。したがって、高純度を得るには、多くのカスケードステージが必要です。この方法は、ガスを膜に通すのに必要な労力と、各ステージでガスを再圧縮する必要がある多くのステージのため、高価です。

ウラン同位体の最初の大規模分離は、マンハッタン計画の一環として設立されたクリントン・エンジニアリング・ワークスの大規模なガス拡散分離プラントで米国によって達成されました。これらのプラントでは、プロセス流体として六フッ化ウランガスが使用されました。ニッケル粉末と電着ニッケルメッシュ拡散バリアは、エドワード・アドラーとエドワード・ノリスによって開拓されました。^{[ 3 ]}エネルギー消費量が多いため、拡散によるウラン濃縮は、より効率的な方法に徐々に置き換えられました。

最後の拡散プラントは 2013 年に閉鎖されました。^{[ 4 ]}パデューカ気体拡散プラントは、軍事用原子炉の動力源として、また核爆弾の製造のために高濃縮ウランを生成するという米国政府の取り組みであり、1952 年にこの施設が設立されました。パデューカの濃縮は当初低レベルに抑えられ、この施設は、テネシー州オークリッジのオークリッジ国立研究所とオハイオ州パイクストンのポーツマス気体拡散プラントで濃縮ウランを処理する他の防衛施設への「供給施設」として運営されていました。パデューカとパイクストンの姉妹施設の目標は、1960 年代に商業用原子炉でエネルギーを生産するためにウランを濃縮し始めたときに調整されました。^{[ 5 ]}

遠心分離方式では、物質を高速回転させることで、より重い同位体が外側の放射状壁に近づくようにする。これは、ジッペ型遠心分離機を用いて気体状で行うことが多い。プラズマを遠心分離することで、同位体を分離できるだけでなく、放射性廃棄物の削減、核物質の再処理、その他の目的で元素の範囲を分離することもできる。このプロセスは「プラズマ質量分離」と呼ばれ、装置は「プラズマ質量フィルター」または「プラズマ遠心分離機」と呼ばれる（医療用遠心分離機と混同しないように）。^{[ 6 ]}

同位体の遠心分離は、1919年にアストンとリンデマン^{[ 7 ]}によって初めて提案され、最初の成功例は1936年にビームスとヘインズ^{[ 8 ]}によって塩素の同位体について報告された。しかし、マンハッタン計画中にこの技術を使用しようとする試みは実を結ばなかった。現代では、これは世界中でウラン濃縮に使用されている主な方法であり、その結果、かなり秘密裏に行われているプロセスであり、この技術のより広範な採用を妨げている。一般的に、UF6ガスの供給は、_高速で回転するシリンダーに接続されている。シリンダーの外縁付近では、U-238を含む重いガス分子が集まり、U-235を含む分子は中心部に濃縮され、その後、別のカスケードステージに供給される。^{[ 9 ]}

同位体濃縮に気体遠心分離技術を用いる方法は、拡散プラントなどの従来技術と比較して、同程度の分離度を達成するために必要なカスケード工程が少ないため、消費電力が大幅に削減されるという利点がある。また、同じ分離度を達成するために必要なエネルギーが少なく、プラント規模もはるかに小さいため、核兵器製造を目指す小国にとって経済的に実現可能な選択肢となる。パキスタンはこの方法を核兵器開発に用いたと考えられている。

南アフリカは、ヘリコン渦流分離プロセスで渦流管を使用しました。ガスは、回転速度をさらに高めて非常に高速にする特殊な形状のチャンバーに接線方向に注入され、同位体が分離されます。^{[ 10 ]}渦流管には可動部品がないため、この方法は単純ですが、エネルギー集約型で、ガス遠心分離機の約50倍です。ジェットノズルとして知られる同様のプロセスがドイツで開発され、ブラジルに実証プラントが建設され、ブラジルの原子力発電所に燃料を供給する施設の開発まで行われました。^{[ 11 ]}

電磁分離は大規模な質量分析法であるため、質量分析法と呼ばれることもあります。これは、荷電粒子が磁場中で偏向し、その偏向量が粒子の質量に依存するという性質を利用しています。処理量が極めて少ないため、生産量に対して非常に高価ですが、非常に高い純度を実現できます。この方法は、研究用または特定の用途（同位体トレーサーなど）のために少量の純粋な同位体を処理する場合によく用いられますが、工業用途には実用的ではありません。

オークリッジ国立研究所とカリフォルニア大学バークレー校において、アーネスト・O・ローレンスは、最初の原子爆弾に使用されたウランの大部分について電磁分離法を開発した。彼の原理を用いた装置はカルトロンと呼ばれている。戦後、この方法は実用的ではないとしてほぼ放棄された。拡散法やその他の技術とともに、この方法はコストに関係なく十分な量の材料を確保することを目的としてのみ実施された。最終的に戦争遂行に最も貢献したのは、気体拡散プラントから得られた材料をさらに高純度に濃縮することであった。

この方法では、レーザーを、物質の 1 つの同位体のみを励起し、それらの原子を優先的にイオン化する波長に調整します。原子の場合、同位体に対する光の共鳴吸収は^{[ 12 ]に依存します。}

• 原子核の質量（主に軽元素で顕著）
• 原子核の体積（クーロンポテンシャルからのずれを引き起こし、より重い元素で顕著になる）
• 原子核がスピンを持つ場合、電子遷移の超微細分裂、

微調整されたレーザーが1つの同位体のみと相互作用することを可能にする。原子がイオン化された後、電場を印加することでサンプルから除去することができる。この方法はしばしばAVLIS（原子蒸気レーザー同位体分離）と略される。この方法は、1970年代から1980年代にかけてレーザー技術が向上したことによってのみ開発された。ウラン濃縮のための工業規模への開発の試みは、1990年代に「終わりのない技術的困難」と、その間に遠心分離機が技術的に成熟したために相次いで断念された。^{[ 13 ] [ 14 ]}しかし、他の同位体分離方法よりも安価で隠蔽しやすい可能性があるため、核拡散の分野の人々にとっては大きな懸念事項である。AVLISで使用される波長可変レーザーには、色素レーザー^{[ 15 ]}や、より最近ではダイオードレーザー^{[ 16 ]}がある。

レーザー分離の2つ目の方法は、分子レーザー同位体分離（MLIS）として知られています。この方法では、赤外線レーザーを六フッ化ウランガス（ウラン濃縮が必要な場合）に照射し、ウラン235原子を含む分子を励起します。2つ目のレーザーは、同じく赤外線（赤外線多光子解離）または紫外線のいずれかで、フッ素原子を遊離させ、五フッ化ウランを残し、それがガスから析出します。MLISの各段階をカスケード接続することは、他の方法よりも困難です。なぜなら、次のMLIS段階に導入する前に、_{五フッ化ウラン}を六フッ化ウランにフッ素化する必要があるからです。しかし、軽元素の場合、同位体選択性は通常十分であるため、カスケード接続は必要ありません。

MLISの代替方式はいくつか開発されている。例えば、近赤外域または可視光域のレーザーを第一レーザーとして用いる方式では、単一ステージで20:1を超える選択性が得られる。この方式はOP-IRMPD（Overtone Pre-excitation- IR Multiple Photon Dissociation ：倍音前励起-赤外多光子解離）と呼ばれている。しかし、倍音の吸収確率が小さいため、多くの光子が無駄になり、この方式は産業的に実用化には至らなかった。また、他のMLIS方式でも、高価な光子が無駄になるという問題がある。

最後に、オーストラリアのSilex Systems社が開発した「レーザー励起による同位体分離」（SILEX）プロセスが、パイロット濃縮プラントの開発のためにゼネラル・エレクトリック社にライセンス供与されました。ウランの場合、_このプロセスでは、キャリアガス中のUF6を含む低温分子ビームを使用し、_16μm付近の赤外線レーザーによって^235UF6を選択的に励起します。励起された分子とは対照的に、励起されていない重い同位体分子はキャリアガスとクラスターを形成する傾向があり、これらのクラスターは分子ビームの軸に近い位置に留まるため、スキマーを通過して励起された軽い同位体から分離されます。 

1994年以降、円偏光^{[ 17 ]}または直線偏光^{[ 18 ]}電磁場内で形成されるトロヤ波パケットを用いた重水素分離のための別のスキームが提案されている。断熱急速通過によるトロヤ波パケット形成プロセスは、還元された電子および原子核質量に非常に敏感に依存するため、同じ場周波数でも同位体に応じてトロヤ波パケットまたは反トロヤ波パケットが励起される^{[ 19 ]} 。理論的には、トロヤ波パケットとその巨大な回転電気双極子モーメントは、${\displaystyle \pi }$位相がずれ、原子ビームはシュテルン＝ゲルラッハ実験と同様の方法で電場の勾配に沿って分割された。

同一元素の同位体は通常、同じ化学的性質を持つと説明されるが、これは厳密には正しくない。特に、反応速度は原子量によってごくわずかに影響を受ける。

この技術は、水素などの軽い原子に対して最も効果的です。軽い同位体は重い同位体よりも反応や蒸発が速いため、分離が容易です。商業的に重水が生産されるのはこの原理によるもので、詳細はガードラー硫化物法を参照してください。また、軽い同位体は電場下でより速やかに解離します。このプロセスは、大規模なカスケード方式で、リューカン重水製造プラントで使用されていました。

室温で測定された中で最大の運動学的同位体効果の候補の一つである305は、将来的にはトリチウム（T）の分離に利用される可能性がある。トリチウム化ギ酸アニオンのHTOへの酸化に対する効果は、以下のように測定された。

水素、炭素、酸素、窒素の同位体は、適切な軽化合物を長い蒸留塔で蒸留することにより濃縮することができる。分離係数は、2つの同位体分子の蒸気圧の比である。平衡状態では、このような分離は蒸留塔の各理論段で生じ、次の段階（次の段）で同じ係数が乗じられる。基本分離係数が小さいため、多数の理論段が必要となる。そのため、蒸留塔の総高さは20～300mとなる。

重い分子の蒸気圧が低いのは、その蒸発エネルギーが高いためであり、これは分子間ポテンシャルの零点振動エネルギーが低いことに起因する。蒸気圧の式から予想されるように、この比率は低温（低圧）でより有利になる。H₂Oと D₂O_の蒸気圧比は50 °C (123 mbar) で 1.055、100 °C (1013 mbar) で 1.026 で_ある。¹² CO と^{¹³ COの}比率は、通常の沸点 (81.6 K) 付近で 1.007、^¹² CH₄と_¹³ CH₄_の比率は^、 111.7 K (沸点) 付近で 1.003 である。^{[ 20 ]}    

¹³ C 濃縮法は、(極低温)蒸留法によって 1960 年代後半にロスアラモス国立研究所の科学者によって開発されました。^{[ 21 ] [ 22 ]これは現在でも13} C 濃縮法として最も好まれている方法です。重水素濃縮法は、エネルギー需要の少ないプロセス (化学交換) によって事前に濃縮された場合にのみ、水蒸留法によって行われます。^{[ 23 ]}低い天然存在比 (0.015% D) から始めると、大量の水を蒸発させる必要が生じます。

ISOL 技術による放射性原子の生成は、研究対象元素の自由原子化学に依存するため、厚いアクチニド標的への単純な陽子照射では生成できないビームが存在する。タングステンやレニウムなどの難融性金属は、蒸気圧が低いため、高温でも標的から出てこない。このようなビームを生成するには、薄い標的が必要である。イオンガイド同位体分離オンライン (IGISOL) 技術は、1981 年にフィンランドのユヴァス​​キュラ大学サイクロトロン研究所で開発された。^{[ 26 ]}この技術では、薄いウラン標的に陽子を照射し、核反応生成物が荷電状態で標的から反跳する。反跳粒子はガスセルで停止し、セルの側面の小さな穴から出て、そこで静電的に加速され、質量分離器に注入される。この製造および抽出方法は、標準的な ISOL 技術と比較してより短い時間スケールで行われ、半減期が短い (ミリ秒未満) 同位体は IGISOL を使用して研究することができます。IGISOL は、ベルギーのルーヴェン同位体分離オンライン (LISOL) のレーザーイオン源とも組み合わされています。^{[ 27 ]}薄いターゲットソースは、一般的に厚いターゲットソースよりも放射性イオンの量が大幅に少なく、これがその主な欠点です。

実験核物理学の進歩に伴い、極めて特殊な放射性原子核の研究がますます重要になってきている。そのためには、極めて高い陽子／中性子比を持つ原子核を生成するための、より独創的な技術が必要となる。ここで説明するISOL技術の代替手段として、フラグメンテーションビーム法がある。これは、安定同位体イオンの高速ビームを薄い標的（通常はベリリウム原子）に照射し、フラグメンテーション反応によって放射性イオンを生成する方法である。この技術は、例えば、ミシガン州立大学の希少同位体ビーム施設（FRIB）や、日本の理化学研究所（RIKEN）の放射性同位体ビームファクトリー（RIBF）などで用いられている。