AVLIS

AVLIS (Atomic Vapour Laser Isotope Separation) ist ein Verfahren zur Isotopentrennung mit Lasern, bei dem Atome zunächst in die Dampfphase überführt werden. Sodann werden die Atome eines Isotopengemisches selektiv ionisiert. Nach der Ionisation eines Isotops (z. B. ²³⁵U) kann es von den nicht ionisierten Atomen des anderen Isotops (z. B. ²³⁸U) durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld getrennt werden.

AVLIS-Experiment am Lawrence Livermore National Laboratory

Bei der Nutzung der Kernenergie wird AVLIS insbesondere zur Anreicherung des thermisch spaltbaren ²³⁵U-Isotops eingesetzt. Eine andere Laseranreicherungsmethode ist das molekulare Verfahren (siehe MLIS). Beide Verfahren haben jedoch bislang keine großtechnische Bedeutung erlangt. Das Verfahren wurde ursprünglich im Lawrence Livermore National Laboratory (USA) entwickelt. Eine ähnliche, in Frankreich entwickelte Variante trägt den Namen SILVA (Séparation Isotopique par Laser de la Vapeur Atomique d'Uranium).

Herausforderungen bei der Anwendung

Bei Atomen mit höheren Massenzahlen führen Wechselwirkungen zwischen den Valenzelektronen zu zahlreichen Aufspaltungen der Energieniveaus, wodurch das Termschema sehr komplex wird. Uran besitzt sechs Valenzelektronen, sodass bis heute etwa 900 Niveaus identifiziert wurden.

In Livermore wird Uran in einem Ofen auf etwa 2500 K verdampft. Das atomare ²³⁵U im Dampf wird durch Laserlicht, welches speziell auf die Spektrallinien von ²³⁵U abgestimmt ist, ins Kontinuum angeregt. Dabei gibt das ²³⁵U ein Elektron ab und kann als Ion auf einem negativ vorgespannten metallischen Auffänger abgeschieden werden. Die Isotopieverschiebung zwischen ²³⁵U und ²³⁸U beträgt etwa 0,005 nm bei einer Wellenlänge von 600 nm, weshalb die Laserfrequenz sehr präzise und konstant gehalten werden muss.

Apparativ besteht das Verfahren aus einem Lasersystem und einem Separatorsystem. Das Lasersystem nutzt abstimmbare Farbstofflaser, die mit Kupferdampflasern gepumpt werden. Das Separatorsystem umfasst den Verdampferofen und die Kollektoren, auf denen sich die positiv geladenen ²³⁵U-Ionen ablagern.

Besonders kritisch ist die Kontrolle der Dampfdichte im fächerförmigen Atomstrahl, da Anregungsenergie und Ionenladung durch Zusammenstöße zwischen Atomen übertragen werden können, was den Trenneffekt reduziert. Die Urandampfdichte sollte daher etwa 10¹³/cm³ nicht überschreiten. Mit einem starken elektrischen Feld können die Ionen aus der Wechselwirkungszone extrahiert werden, um die Dichteeinschränkung zu verringern. Eine weitere Herausforderung ist die thermische Ionisation von Uran im heißen Ofen: Ist nur ein Bruchteil von 0,1 % des ²³⁸U ionisiert, kann das ²³⁵U/²³⁸U-Verhältnis im Endprodukt den Faktor 5 nicht überschreiten, selbst wenn 70 % des ²³⁵U ionisiert werden.

Anwendbarkeit auf andere Elemente

Obwohl AVLIS primär für Uran entwickelt wurde, kann das Verfahren grundsätzlich auch für andere Elemente und deren Isotope angewendet werden, sofern folgende Bedingungen erfüllt sind:

• Es müssen ausreichend große Isotopieverschiebungen in den Spektrallinien existieren, damit einzelne Isotope selektiv angeregt werden können.
• Das Element muss in atomarer Form verdampft werden können, ohne dass unerwünschte chemische Reaktionen oder Zersetzung auftreten.
• Die Laserfrequenzen müssen technisch realisierbar und präzise abstimmbar sein.

AVLIS wurde in Experimenten auch bei Lithium, Zink und anderen leichten bis mittleren Elementen getestet. Die großtechnische Nutzung jenseits von Uran ist bisher jedoch selten, da die Verfahren komplex und teuer sind.

Literatur

• Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor. Wiley-VCH, Berlin 2006, ISBN 3-527-40621-2