Das Trennrohr XXIV. Darstellung von 18 O 2 und das Problem der Anreicherung von 17 O

1 Die Trennung eines polynären Isotopengemisches durch Thermodiffusion wird am Beispiel des Sauerstoffs theoretisch und experimentell behandelt. Wegen des Vorhandenseins von drei Sauerstoffisotopen liegen sechs Molekelsorten 16 O 2 , 16 O 17 O, 16 O 18 O, 17 O 2 , 17 O 18 O, 18 O 2 vor. Es wird vorausgesetzt, dass sich an den 1000° K heissen Trennrohrdrähten aus Platin‐Iridium isotope Gleichgewichte wie\documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$$ {\rm 2}{}^{{\rm 16}}{\rm O}^{18} {\rm O \rightleftharpoons }{}^{16}{\rm O}_2 + {}^{18}{\rm O}_2 \;{\rm usw}{\rm .}$$ \end{document} im Vergleich mit den von der Thermodiffusion und der Konvektion abhängigen Gleichgewichten in einer Trennrohranlage schnell einstellen. Diese Voraussetzung wird empirisch geprüft, wobei noch kontrolliert wird, dass innerhalb des Massenspektrometers keine Verschiebung eines vorgegebenen Häufigkeitsverhältnisses der Sauerstoffmolekelsorten erfolgt. 2 Das Verhalten des hexanären Gemisches der Sauerstoffmolekeln wird unter zwei Voraussetzungen für den Thermodiffusionsfaktor α untersucht. Einmal soll α in «erster Näherung» proportional ( m i − m k )/ m sein, wobei m die mittlere Massenzahl bedeutet. Bei der «zweiten Näherung» wird α proportional ( m i − m k )/ m i + m k angesetzt. Die auf einer Horizontalstrecke d x im Temperaturfeld auftretende Entmischung bewirkt längs eines vertikalen Trennrohrelements dζ eine proportionale Entmischung. Indem man die Nullstelle von ζ so wählt, dass die atomare 17 O‐Konzentration maximal wird, lässt sich unter Umgehung einer Integration die Konzentrationsverteilung der sechs Molekelsorte als Funktion der Längskoordinate ζ der Trennanlage berechnen. Die Eigenschaften der sich so ergebenden Kurven werden diskutiert. Der Wert von ζ lässt sich empirisch bestimmen. 3 In einer Trennanlage A von 40 m Gesamtlänge wurden aus Sauerstoff mit 1,5 bis 2,5% 18 O‐Gehalt 12 Liter Konzentrat mit 30 bis 55% 18 O gewonnen. Diese wurden in einer zweiten Trennanlage B von 24 m Gesamtlänge weiterverarbeitet. Dabei traten am schweren Ende einige Liter 18 O 2 mit einer Reinheit von 99,6% aus, während am leichten Ende an 18 O abgereicherter Sauerstoff anfiel, der zur Anlage A zurückkehrte. Auf diese Weise konnte das äusserst schwierig anzureichernde Mittelisotop 17 O die Anlage B nicht verlassen, so dass es bis zu einer Maximal‐konzentration von 6,2% angereichert wurde. In diesem Stadium wurde der Versuch abgebrochen und die Verteilung der Molekelsorten längs der Trennanlage gemessen. Es ergab sich schon für die erste Näherung eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit der Theorie, die durch die zweite Näherung noch merklich verbessert wurde. 4 Aus der Theorie ergeben sich Richtlinien, um das Isotop 17 O in Form von Kohlenoxid zu gewinnen. Dazu wird vorgeschlagen die Mischmolekel 14 N 15 als Hilfsgas zu verwenden, die vom isosteren 12 C 17 O durch Thermodiffusion im Trennrohr nicht abgeschieden werden kann, während 12 C 16 O am leichten und 12 C 18 O am schweren Ende austreten müssen. Die Notwendigkeit einer Voranreicherung des 17 O und der störende Einfluss des 13 C und des B OUDOUARD ‐Gleichgewichts werden in ihren qualitativen Auswirkungen besprochen.