동위원소 분리
Isotope separation동위원소 분리는 다른 동위원소를 제거하여 화학 원소의 특정 동위원소를 농축하는 과정이다.생성된 핵종의 용도는 다양하다.가장 큰 종류는 연구에 사용된다(예: 반응 메커니즘을 알아내기 위해 "마커" 핵종의 원자가 사용되는 화학).톤수로는 천연우라늄을 농축우라늄과 열화우라늄으로 분리하는 것이 가장 큰 응용 분야다.다음 텍스트에서는 주로 우라늄 농축을 검토한다.이 과정은 원자력 발전소의 우라늄 연료 제조에 매우 중요하며, 우라늄 기반의 핵무기 제조에도 필요하다.플루토늄 기반 무기는 원자로에서 생산된 플루토늄을 사용하며, 원자로는 적절한 동위원소 혼합 또는 등급의 플루토늄을 생산하도록 작동해야 한다.서로 다른 화학 원소는 화학적 과정을 통해 정제될 수 있지만, 같은 원소의 동위원소는 거의 동일한 화학적 특성을 가지고 있기 때문에 중수소의 분리를 제외하고는 이러한 분리는 실용적이지 않다.
분리 기술
동위원소 분리 기법에는 세 가지 유형이 있다.
- 동위원소의 원자량에 직접 기반을 둔 것입니다.
- 서로 다른 원자량에 의해 생성되는 화학 반응 속도의 작은 차이를 기반으로 한다.
- 핵 공명 등 원자량에 직접 연결되지 않은 특성에 기초한 것.
세 번째 유형의 분리는 여전히 실험적이다; 실용적인 분리 기술은 모두 어떤 식으로든 원자 질량에 의존한다.따라서 일반적으로 상대적 질량 차이가 큰 동위원소를 분리하는 것이 더 쉽다.예를 들어 중수소는 일반(경량) 수소의 두 배 질량을 가지고 있으며 일반적으로 우라늄-235를 우라늄-238에서 분리하는 것보다 정화하는 것이 더 쉽다.한편, 핵분열성 플루토늄-239를 일반 불순물 플루토늄-240에서 분리하는 것은 플루토늄에서 총형 핵분열 무기를 만들 수 있다는 점에서 바람직하지만,[1] 일반적으로 실용적이지 않다는 데 동의한다.
농축 캐스케이드
모든 대규모 동위원소 분리 체계는 원하는 동위원소의 연속적인 고농도를 생성하는 다수의 유사한 단계를 사용한다.각 단계는 다음 단계로 전송되기 전에 이전 단계의 제품을 더욱 풍부하게 만듭니다.마찬가지로 각 스테이지의 테일링은 이전 스테이지로 돌아가 추가 처리를 합니다.이것은 캐스케이드라고 불리는 순차적 농축 시스템을 만듭니다.
캐스케이드 성능에 영향을 미치는 두 가지 중요한 요인이 있습니다.첫 번째는 1보다 큰 숫자인 분리 계수입니다.두 번째는 원하는 순도를 얻기 위해 필요한 단계 수입니다.
시판 재료
현재까지 3개 원소의 대규모 상업용 동위원소 분리가 발생했다.각각의 경우, 가장 일반적인 두 가지 원소 동위원소 중 가장 희귀한 것이 원자력 기술에 사용하기 위해 농축되었다.
- 우라늄 동위원소는 원자로 연료와 핵무기에 사용할 농축 우라늄을 준비하기 위해 분리되었다.
- 수소 동위원소는 원자로에서 감속재로 사용할 중수를 준비하기 위해 분리되었다.
- 삼중수소는 냉각수/감속형 원자로의 냉각수/감속기의 성가신 요소이자 귀중한 제품이다. 따라서 때때로 냉각수로부터 분리된다.
- 리튬-6은 열핵 무기에 사용하기 위해 농축되어 있다.삼중수소는 흔히 이러한 목적을 위해 농축된 리튬-6에서 생산된다.
일부 동위원소 정제 원소는 특히 반도체 산업에서는 결정 구조와 [2]열전도율을 개선하기 위해 정제된 실리콘을 사용하고 열전도율이 높은 다이아몬드를 만들기 위해 동위원소 순도가 높은 탄소를 사용하는 등 전문적인 용도로 소량 사용된다.
동위원소 분리는 평화 및 군사 핵 기술 모두에 중요한 과정이며, 따라서 동위원소 분리에 대한 국가의 능력은 정보 기관에게 매우 중요한 관심사이다.
대체 수단
동위원소 분리에 대한 유일한 대안은 순수한 형태로 필요한 동위원소를 제조하는 것이다.이는 적절한 대상을 조사함으로써 수행될 수 있지만 대상 요소의 필수 동위원소만 생성되도록 대상 선정 및 기타 요인에 주의가 필요하다.다른 원소의 동위원소는 화학적인 방법으로 제거될 수 있기 때문에 큰 문제는 아니다.
이것은 특히 무기 사용을 위한 고급 플루토늄-239의 준비와 관련이 있다.Pu-239를 Pu-240 또는 Pu-241에서 분리하는 것은 실용적이지 않습니다.핵분열 Pu-239는 우라늄-238에 의한 중성자 포집 후에 생성되지만, 추가적인 중성자 포집에서는 핵분열이 적고 상당히 강한 중성자 방출체인 Pu-240과 자체 가열 및 방사선 독성 문제를 일으키는 강력한 알파 방출체인 Am-241로 분해되는 Pu-241이 생성된다.따라서 군사용 플루토늄 생산에 사용되는 우라늄 표적은 이러한 원치 않는 동위원소 생산을 최소화하기 위해 단시간만 조사해야 한다.반대로 플루토늄과 Pu-240을 혼합하면 핵무기에 덜 적합하다.
원하는 목표가 원자폭탄이 아니라 원자력발전소를 운영하는 것이라면 경수로에서 사용하는 우라늄 농축의 대안은 프로튬보다 중성자 흡수 단면이 낮은 중성자 감속제를 사용하는 것이다.CANDU형 원자로에 사용되는 중수나 마그녹스 또는 RBMK 원자로에 사용되는 흑연 등이 선택 사항이다.그러나 중수를 얻으려면 동위원소 분리도 필요하며, 수소 동위원소의 경우 원자량의 변동이 크기 때문에 더 쉽다.마그녹스 원자로와 RBMK 원자로는 모두 천연 우라늄으로 가동할 때 바람직하지 않은 특성을 가지고 있었고, 이는 결국 이 연료를 저농축 우라늄으로 대체함으로써 앞서 말한 농축의 이점을 부정했다.CANDU와 같은 가압 중수로는 여전히 사용 중이며, 원자폭탄 국가가 된 이후 국내 우라늄 자원을 제한하고 부분적인 핵금수 조치를 받고 있는 인도는 특히 원자력을 중수 감속형 원자로에 의존하고 있다.중수로의 가장 큰 단점은 중수로의 막대한 초기 비용이다.
실용적인 분리 방법
확산
종종 기체뿐만 아니라 액체에서도 이루어지는 확산 방법은 열 평형에서 동일한 에너지를 가진 두 개의 동위원소가 다른 평균 속도를 가질 것이라는 사실에 의존한다.가벼운 원자(또는 그것들을 포함하는 분자)는 더 빨리 이동하고 막을 통해 확산될 가능성이 더 높습니다.속도 차이는 질량비의 제곱근에 비례하므로 분리량이 적고 높은 순도를 얻으려면 계단식 단계가 많이 필요합니다.이 방법은 가스를 막에 밀어 넣는 작업과 여러 단계로 인해 비용이 많이 듭니다.
미국은 맨해튼 프로젝트의 일환으로 설립된 오크리지 연구소의 대규모 가스 확산 분리 공장에서 우라늄 동위원소의 첫 번째 대규모 분리를 달성했다.이것들은 프로세스 액체로 6불화우라늄 가스를 사용했다.니켈 분말과 전착 니켈 망사 확산 장벽은 에드워드 애들러와 에드워드 [3]노리스가 개척했습니다.기체 확산 참조.
원심력
원심 방식은 물질을 빠르게 회전시켜 무거운 동위원소가 외경벽에 가까워지도록 합니다.이 역시 종종 지페형 원심분리기를 사용하여 기체 형태로 이루어집니다.
플라즈마 원심분리는 방사성 폐기물 감소, 핵 재처리 및 기타 목적을 위한 원소 범위뿐만 아니라 동위원소를 분리할 수 있다.이 과정은 "플라스마 질량 분리"라고 불리며, 이 장치는 "플라스마 질량 필터" 또는 "플라스마 원심 분리기"라고 불립니다(의학과 [4]혼동하지 마십시오).
동위원소의 원심 분리는 1919년 Aston과[5] Lindemann에 의해 처음 제안되었고 1936년 Beams와 Haynes에[6] 의해 염소 동위원소에 대한 첫 번째 실험이 성공적으로 보고되었다.그러나 맨해튼 프로젝트 동안 이 기술을 사용하려는 시도는 비생산적이었다.현대에는 우라늄을 농축하기 위해 전 세계적으로 사용되는 주요 방법이며, 그 결과 상당히 비밀스러운 과정으로 남아 있어 기술의 광범위한 이용을 방해하고 있다.일반적으로 UF 가스의 공급은6 고속으로 회전하는 실린더에 연결됩니다.U-238을 포함한 원통형 중가스 분자의 바깥쪽 가장자리 부근에서 U-235를 포함한 분자가 중심에 집중된 후 다른 캐스케이드 [7]단계로 공급된다.동위원소를 농축하기 위해 가스 원심 기술을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 유사한 분리 정도에 도달하기 위해 필요한 캐스케이드 단계가 적기 때문에 확산 플랜트와 같은 기존 기술에 비해 전력 소비량이 크게 감소하기 때문이다.실제로 6불화우라늄을 이용한 가스 원심분리기는 우라늄 [citation needed]농축용 가스 확산 기술을 크게 대체했다.동일한 분리를 달성하기 위해 적은 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라, 훨씬 더 작은 규모의 발전소가 가능하기 때문에 핵무기 생산을 시도하는 작은 나라에게는 경제적인 가능성이 된다.파키스탄은 핵무기 개발에 이 방법을 사용한 것으로 알려져 있다.
소용돌이 튜브는 남아프리카공화국이 헬리콘 소용돌이를 분리하는 과정에서 사용했다.가스는 특수 기하학적 구조를 가진 챔버에 접선 방향으로 주입되어 회전 속도가 매우 높아져 동위원소가 분리됩니다.소용돌이 튜브는 움직이는 부품이 없지만 가스 원심분리기의 약 50배인 에너지 집약적이기 때문에 방법은 간단하다.제트 노즐로 알려진 유사한 과정이 독일에서 만들어졌고 브라질에 시범 공장이 세워졌고, 그들은 심지어 독일의 원자력 발전소에 연료를 공급하는 부지를 개발하기도 했다.
전자파

전자파 분리는 대규모 질량 분석법이기 때문에 질량 분석법이라고 부르기도 합니다.그것은 하전 입자가 자기장에서 편향되고 편향의 양은 입자의 질량에 따라 달라진다는 사실을 이용한다.스루풋이 매우 낮기 때문에 생산량에 비해 매우 비싸지만, 매우 높은 순도를 달성할 수 있습니다.이 방법은 연구 또는 특정 용도(동위원소 추적기 등)를 위한 소량의 순수 동위원소 처리에 자주 사용되지만 산업용으로는 실용적이지 않다.
오크리지와 버클리 캘리포니아 대학에서 어니스트 O. 로렌스는 미국 최초의 원자폭탄에 사용된 우라늄의 대부분을 전자파 분리를 개발했다(맨하탄 프로젝트 참조).그의 원리를 이용한 장치들은 칼루트론이라고 불린다.전쟁 후 그 방법은 실용적이지 않아 대부분 폐기되었다.이 작업은 (확산 및 기타 기술과 함께) 비용이 얼마가 들더라도 사용할 수 있는 충분한 재료가 확보되도록 하기 위해 수행되었을 뿐입니다.전쟁 노력에 대한 주요 최종 기여는 가스 확산 플랜트의 재료를 더 높은 순도로 농축하는 것이었다.
레이저
이 방법에서는 레이저를 재료의 1개의 동위원소만을 들뜨게 하고 이들 원자를 우선적으로 이온화하는 파장으로 조정한다.동위원소에 대한 빛의 공명 흡수는 전자와 핵 사이의 질량과 특정 초미세 상호작용에 따라 달라지며, 미세 조정된 레이저가 하나의 동위원소와만 상호작용할 수 있습니다.원자가 이온화된 후 전계를 가하여 시료에서 제거할 수 있습니다.이 방법은 종종 AVLIS(원자증기 레이저 동위원소 분리)로 약칭된다.이 방식은 레이저 기술이 발전하면서 최근에야 개발돼 현재 널리 쓰이지 않고 있다.그러나 다른 동위원소 분리 방법보다 더 저렴하고 더 쉽게 숨길 수 있기 때문에 핵 확산 분야의 사람들에게는 주요 관심사이다.AVLIS에서 사용되는 조정 가능한 레이저에는 염료[8] 레이저와 최근의 다이오드 [9]레이저가 있습니다.
레이저 분리의 두 번째 방법은 분자 레이저 동위원소 분리(MLIS)로 알려져 있다.이 방법에서는 U-235 원자를 포함하는 자극 분자인 6불화우라늄 가스에 적외선 레이저를 발사한다.두 번째 레이저는 불소 원자를 방출하여 5불화우라늄을 남기고, 그 후 기체 밖으로 침전합니다.MLIS 스테이지를 캐스케이드하는 것은5 UF를 UF로 되돌린6 후 다음 MLIS 스테이지를 도입해야 하기 때문에 다른 방법보다 어렵습니다.단일 단계에서 95% 이상의 농도를 얻을 수 있는 (근적외선 또는 가시적 영역의 첫 번째 레이저 사용) 대체 MLIS 계획이 현재 개발되고 있지만, 그 방법은 아직 산업적 타당성에 도달하지 못했다.이 메서드는 OP-IRMPD(Overtone Pre-excitation: 오버톤프리 들뜸)라고 불립니다.IR 다중 광자 분리).
마지막으로 호주의 Silex Systems가 개발한 '레이저 여진에 의한 동위원소 분리'(SILX) 프로세스는 General Electric에 파일럿 농축 플랜트 개발을 위한 허가를 받았다.이 방법은 6불화우라늄을 원료로 사용하며, 1개의 동위원소가 우선적으로 이온화된 후 자석을 이용해 동위원소를 분리한다.그 과정의 더 자세한 내용은 공개되지 않았다.
최근에는[when?] 원편광 전자장에서의 트로이파패킷을 이용한 중수소 분리에 대한 또 다른 방법이 제안되었다.단열 급속 통로에 의한 트로이아파 패킷의 형성 과정은 전자와 핵 질량의 감소에 매우 민감하게 의존하며, 이는 동위원소의 종류에 따라 동일한 필드 주파수를 갖는 트로이아파 또는 트로이아파 패킷의 들뜸으로 이어집니다. 다음 전기 쌍극자와 그 거대한 하는 전기 쌍극자 모멘트는를 일으켜 스턴-게라크 [citation needed]실험과 유사하게 전기장의 구배에서 이러한 원자의 빔이 분할됩니다
화학적 방법
단일 원소의 동위원소는 일반적으로 동일한 화학적 특성을 갖는 것으로 설명되지만, 이는 엄밀하게는 사실이 아니다.특히, 반응 속도는 원자 질량에 의해 매우 약간 영향을 받는다.
이를 이용한 기술은 수소와 같은 가벼운 원자에 가장 효과적이다.가벼운 동위원소는 무거운 동위원소보다 더 빨리 반응하거나 증발하기 때문에 분리될 수 있다.상업적으로 중수가 생산되는 방식입니다. 자세한 내용은 황화거들러 공정을 참조하십시오.더 가벼운 동위원소는 또한 전기장에서 더 빨리 분리된다.이 과정은 Rjukan의 중수 생산 공장에서 대규모 캐스케이드 방식으로 사용되었다.
상온에서 측정된 가장 큰 운동 동위원소 효과의 후보 305는 결국 삼중수소(T) 분리에 사용될 수 있다.HTO에 대한 삼중수소 포름 음이온의 산화에 대한 영향은 다음과 같이 측정되었다.
k(HCO2−) = 9.54−1−1 Ms k(H)/k(D) = 38 k(DCO2−) = 9.54−1−1 밀리초 k(D)/k(T) = 8.1 k(TCO)2− = 9.54−1−1 Ms k(H)/k(T) = 305
중력
탄소, 산소 및 질소의 동위원소는 매우 높은(200~700피트(60~200m) 기둥에서 이러한 가스 또는 화합물을 액상화 온도에 가깝게 냉각시킴으로써 정화할 수 있다.무거운 동위원소는 가라앉고 가벼운 동위원소는 쉽게 수집되는 곳에서 상승한다.이 과정은 1960년대 후반 로스 알라모스 국립 [10]연구소의 과학자들에 의해 개발되었다.이 과정을 "저온 증류"[11]라고도 합니다.
SWU(별도의 작업 단위)
분리 작업 단위(SWU)는 처리되는 우라늄의 양과 우라늄이 농축되는 정도, 즉 나머지에 대한 U-235 동위원소 농도 증가의 정도에 따른 함수인 복잡한 단위이다.
단위는 엄밀하게 킬로그램 분리 작업 단위이며, 사료와 제품 수량을 킬로그램으로 나타낼 때 분리 작업량(농축에 사용되는 에너지 표시)을 측정합니다.분석 xf의 공급 질량 F를 제품 분석 xp의 질량 P와 W 및 분석 xw의 낭비로 분리하는 데 소비된 노력은 SWU = WV(xw) + PV(xp) - FV(xf), 여기서 V(X)는 "값"과 같이 정의됩니다.
분리 작업은 SWU, kg SW 또는 kg UTA(독일어 Urantrennarbeit에서)로 표시됩니다.
- 1 SWU = 1 kg SW = 1 kg UTA
- 1 kSWU = 1.0 t SW = 1 t UTA
- 1 MSWU = 1 kt SW = 1 kt UTA
예를 들어 천연 우라늄 100kg(220파운드)으로 시작하는 경우 U-235 함량이 4.5%로 농축된 우라늄 10kg(22파운드)을 생산하는 데 약 60 SWU가 필요합니다.
연구용 동위원소 분리기
특정 동위원소의 방사성 빔은 실험 물리학, 생물학, 재료 과학 분야에서 널리 사용된다.이러한 방사성 원자의 생성과 연구를 위한 이온 빔의 형성은 전 세계의 많은 연구소에서 행해지는 전분야의 연구이다.첫 번째 동위원소 분리기는 코펜하겐 사이클로트론에서 보어와 동료들에 의해 전자기 분리 원리를 사용하여 개발되었다.오늘날 전 세계에는 방사성 이온 빔을 공급하는 많은 연구소가 있다.주요 동위원소 분리기 온라인(ISOL)은 [12]CERN의 ISOLDE이며, 이는 제네바 시 인근 프랑코-스위스 국경을 가로질러 퍼져 있는 유럽 공동 시설이다.이 실험실은 주로 탄화우라늄 표적의 양성자 분쇄를 사용하여 지구에서는 자연적으로 발견되지 않는 광범위한 방사성 핵분열 파편을 생산한다.스팔레이션(고에너지 양성자 폭탄) 중에는 핵반응에서 생성된 방사성 원자가 방출되도록 탄화우라늄 표적을 수천도까지 가열한다.목표물을 벗어나면 방사성 원자의 증기는 이온화 공동으로 이동한다.이 이오나이저 캐비티는 높은 작업 기능을 가진 내화 금속으로 만들어진 얇은 튜브로 벽과 충돌하여 자유 원자(표면 이온화 효과)로부터 단일 전자를 방출할 수 있습니다.일단 이온화되면, 방사성 종은 정전장에 의해 가속되어 전자 분리기에 주입된다.세퍼레이터에 들어가는 이온은 에너지가 거의 같기 때문에 질량이 작은 이온은 질량이 큰 이온보다 자기장에 의해 더 많이 편향됩니다.이 다른 곡률 반경은 이소바릭 정화를 가능하게 한다.일단 등압적으로 정제되면 이온빔은 개별 실험으로 보내진다.이소바릭 빔의 순도를 높이기 위해 레이저 이온화가 이오나이저 캐비티 내에서 일어나 관심 있는 단일 소자 사슬을 선택적으로 이온화할 수 있다.CERN에서는 이 장치를 RILIS([13]Resonance Ionization Laser Ion Source)라고 합니다.현재 모든 실험의 60% 이상이 방사성 빔의 순도를 높이기 위해 RILIS를 사용하는 것을 선택하고 있습니다.
ISOL 설비의 빔 생산 능력
ISOL 기술에 의한 방사성 원자의 생산은 연구 대상 원소의 자유 원자 화학에 의존하기 때문에, 두꺼운 액티니드 타겟의 단순한 양성자 폭격으로는 생성되지 않는 특정 빔이 있다.텅스텐, 레늄 등의 내화금속은 증기압이 낮아 고온에서도 타깃에서 나오지 않는다.이러한 유형의 빔을 생산하려면 얇은 타깃이 필요합니다.이온 가이드 동위원소 분리기 온라인(IGISOL) 기술은 1981년 핀란드의 이베스카일래 [14]사이클로트론 대학 연구소에서 개발되었다.이 기술에서는 얇은 우라늄 표적이 양성자의 폭격을 받고 핵반응 생성물이 충전된 상태에서 표적에서 반동한다.반동은 가스 셀에서 정지된 후 셀 측면의 작은 구멍을 통해 나와 정전적으로 가속되고 질량 분리기에 주입됩니다.이 생산 및 추출 방법은 표준 ISOL 기술에 비해 짧은 시간 단위로 이루어지며, IGISOL을 사용하여 짧은 반감기(밀리초 미만)의 동위원소를 연구할 수 있습니다.또한 IGISOL은 벨기에의 [15]Leuven 동위원소 분리기 On Line(LISOL)의 레이저 이온원과 결합되었습니다.일반적으로 얇은 표적 선원은 두꺼운 표적 선원에 비해 상당히 적은 양의 방사성 이온을 공급하며 이것이 주된 결점이다.
실험적인 핵물리학이 진행됨에 따라 방사성 핵 중 가장 이국적인 것을 연구하는 것이 점점 더 중요해지고 있다.그러기 위해서는 양성자/중성자 비율이 극단적으로 높은 핵을 만들기 위해 보다 창의적인 기술이 필요하다.여기서 설명하는 ISL 기술의 대안은 파편화 빔의 것으로, 방사성 이온은 얇은 표적(보통 베릴륨 원자)에 충돌하는 안정 이온의 빠른 빔에 대한 파편화 반응에 의해 생성된다.예를 들어, 이 기술은 미시간 주립 대학의 NSCL(National Superchonducting Cyclotron Laboratory) 및 일본의 RIKEN의 RIBF(Radio Iconomitive Beam Factory)에서 사용됩니다.
레퍼런스
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외부 링크
- 삼중수소 농도에 대한 운동 동위원소 효과의 활용, GM Brown, TJ Meyer 등, 2001.
- 우라늄 생산
- 세계 원자력 협회의 우라늄 농축
- 알소스 디지털 라이브러리를 구성하는 우라늄 동위원소의 전자파 분리에 대한 주석 달린 참고 문헌