Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - H. 11. 13 mars 1948 - Isotopanrikning genom jonvandring i vattenlösning, smälta och fast fas, av Torbjörn Vestermark
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
12(5
TEKNISK TIDSKRIFT
Isotopanrikning genom
jonvandring i vattenlösning,
smälta och fast fas
Civilingenjör Torbjörn Vestermark, Stockholm
539.155.2
År 1921 framkastade Lindemann1 tanken att isotopa
joner i lösning borde ha olika rörligheter i elektriska fält.
På kinetiska grunder visades, att en lättare isotop borde
röra sig snabbare än en tyngre, och att förhållandet
mellan hastigheterna borde vara
= m = i/Mt
w, X Mi
w är jonvandringshastigheten, M jonmassan (ev. solvatation
inräknad). Index l betecknar den lätta isotopen, t den tunga.
Lindemann förutsåg, att diffusion och konvektion kunde
förstöra anrikningsresultaten och föreslog därför, att
elektrolysen borde utföras i en agargel.
Under 1920- och 1930-talen nedlades mycket
experimentarbete på att utnyttja effekten. Kendall t.ex.2 lät ett skikt
klor joner vandra genom 30 m agargel (100 dagar!) och
sökte genom kemisk atomviktsbestämning visa, att den
lättare klorisotopen, Cl85, hade anrikats i fronten av
skiktet. Detta misslyckades helt, och varken Kendall eller
någon annan lyckades påvisa någon anrikning i liknande
försök. Man drog då slutsatsen, att om en differens i
jonrörlighet existerade, denna helt maskerats av diffusion och
konvektion vid experimenten. Under det senaste kriget
visades emellertid i USA av Brewer, Madorsky och
West-haver3 en bestämd skillnad existera mellan de isotopa
kaliumjonernas vandringshastigheter. Effekten har senare
utnyttjats i en rad framgångsrika anrikningsförsök4-6.
Oberoende av amerikanerna har tysken A Klemm7-10
visat, att skillnader i jonvandringshastighet existera i fast
fas och i smältor. Skillnaderna äro här avsevärt större än i
vattenlösning.
Jonvandring i vattenlösning
Brewer och hans medarbetare4 har, som ovan sagts,
huvudsakligen arbetat med kalium, som har tre isotoper:
K39 (93,4 %), K40 (0,011 %) och K41 (6,6 %). De flesta
försöken har haft till syfte att anrika den lättaste av
isotoperna, K39. Principen i dessa försök är följande: genom
Fig. 1. pH-reglerad cell för
anrikning av K39.
Fig. 2. Gränsskiktscell för anrikning av K39. Anoden
"spolas" med KCl; klorgasen suges bort med vattensug.
ett rör, väl packat med fin sand, anordnas en ström av
elektrolyt i riktning från katod till anod med en sådan
hastighet, att nettotransporten av kaliumjoner reduceras
till noll. Under dessa förhållanden kommer den snabbare
K^-jonen att långsamt röra sig mot elektrolytströmmen
medan den långsammare, K41, kommer att drivas med den.
Detta resulterar i att isotopförhållandet K™/K11 med tiden
ökas i katodrummet.
Fig. 1 visar en cell avsedd för anrikning av K30. Den
arbetar med kaliumsulfatlösning som elektrolyt.
Lösningens koncentration är 1 : 60 eller ungefär 0,9 — n. Det
horisontella röret är omsorgsfullt packat med fin sand (100—
140 mesh), som hålles sammanpressad mellan sintrade
glasplattor. Anodrummet (till höger i bilden) är försett
med ett vätskeöverfall, så att nivån i detta exakt fixeras.
Hela cellen är nedsänkt i ett termostatbad. När
spänningen anslutits, kommer kaliumjonerna att vandra mot
katoden och sulfatjonerna mot anoden. Motströmmen mot
kaliumjonerna fås genom att man till katodrummet
droppar svavelsyra med en sådan hastighet, att pH hela tiden
är konstant. Tilldroppningen regleras antingen manuellt,
genom att man tillser att hastigheten är sådan, att pH
slår om från surt till alkaliskt mellan dropparna
(pH-för-ändringarna följes med kemiska indikatorer), eller också
begagnar man en vätgaselektrodstyrd elektrisk regulator.
Den tilldroppade svavelsyrans koncentration beräknas så,
att inga kemiska koncentrationsförändringar får inträda
eller med andra ord att ingen nettotransport av
kaliumjoner äger rum. Syrabildningen vid anoden neutraliseras
i regel med kalilut, men i den cell fig. 1 visar "spolar"
man dessutom anodrummet med kaliumsulfatlösning,
varigenom luttillsatsens hastighet ej blir kritisk. Dessa
anordningar medföra, att anodrummet alltid kommer att
innehålla kalium av naturligt isotopförhållande.
En annan cellkonstruktion visas i fig. 2. Cellen arbetar
med kaliumkloridlösning och saltsyra. Den senare har
skiktats över kaliumkloridlösningen i katodrummet.
Härvid utbildas ett skarpt gränsskikt, vars rörelser indikerar
obalansen mellan det elektriska fältet och motströmmen.
Håller man gränsskiktets läge konstant genom att välja
rätt nivåskillnad mellan katod- och anodrummens
vätskeöverfall, uppfyller man det för isotopanrikningen
nödvändiga villkoret, att nettotransporten av kaliumjoner skall
vara noll. Gränsskiktscellerna torde vara att föredra, när
man arbetar med element, vars hydroxider är svårlösliga.
En för många experiment representativ anrikningskurva
visas i fig. 3. Man har masspektrografiskt fastställt
isotopförhållandet K^/K41 i prov, som vid olika tidpunkter
uttagits ur katodrummet. Kurvorna utgår från det naturliga
isotopförhållandet 14,20 och det största isotopförhållande,
som uppnåtts vid de försök figuren avser, är 21,5 efter
475 h elektrolystid. Separationsfaktorn vid tidpunkten i
fråga är förhållandet mellan de båda talen, eller 1,51.
Strömstyrkan vid försöken uppgick till 0,5—0,7 A och
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>