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May 08, 2023

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To make the United States self-sufficient in rare exotic elements, the Oak Ridge

Per rendere gli Stati Uniti autosufficienti per quanto riguarda gli elementi esotici rari, l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ha sviluppato un separatore isotopico elettromagnetico di ultima generazione (EMIS) per raccogliere isotopi stabili attraverso l’intera tavola periodica.

Durante la seconda guerra mondiale, gli scienziati che lavoravano a quello che divenne il Progetto Manhattan per sviluppare la prima bomba atomica al mondo per gli alleati avevano bisogno di un modo per separare l'isotopo fissile dell'uranio-235 dall'isotopo non fissile dell'uranio-238. Con risorse essenzialmente illimitate, tranne il tempo, provarono diverse tecniche, una delle quali era una derivazione del ciclotrone chiamata ciclotrone (calutron) dell'Università della California.

Il calutrone funzionava inducendo una carica elettrica negli atomi gassosi e poi accelerandoli in un campo elettrico. Questi atomi in velocità vengono quindi deviati da un campo magnetico. La cosa intelligente è che più pesante è l'atomo, meno viene deviato. Nel caso dell'uranio, gli atomi U²³⁸ Gli atomi U²³⁵ deviano meno degli atomi U²³⁵, separandoli.

Sebbene questo metodo di produzione dell'uranio fissile sia stato in gran parte abbandonato a favore di altri metodi dopo la guerra, il principio è stato sviluppato dall'ORNL per produrre isotopi stabili. Cioè campioni puri di isotopi specifici completamente non radioattivi. Questi vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui la gestione dell'acqua e del suolo, gli studi ambientali, la valutazione nutrizionale e la medicina legale.

Tuttavia, l’ORNL ha chiuso il suo calutron dell’era di Manhattan nel 1998, rendendo gli Stati Uniti dipendenti da fonti straniere per questi isotopi difficili da produrre per ricostituire le scorte nazionali in diminuzione. Il primo di questi ha prodotto nel 2018 500 milligrammi del raro isotopo rutenio-96, che non era disponibile in nessuna parte del mondo.

Oggi, le ultime unità EMIS-3 di terza generazione di Oak Ridge possono superare le prestazioni dei vecchi calutroni, che erano un po’ complicati. Hanno avuto difficoltà a risolvere la differenza tra isotopi che erano vicini tra loro in massa e talvolta riuscivano solo a separare ogni altro isotopo in una sequenza. Ciò significava che gli isotopi dovevano essere elaborati e rielaborati in lotti per ottenere la corretta separazione.

Le nuove macchine sono molto migliori in questo e possono gestire gli elementi all’estremità più pesante della tavola periodica, come l’itterbio-176, che viene utilizzato in medicina nucleare e radiologia. Anche altri isotopi dell'itterbio vengono utilizzati nell'informatica quantistica.

Inoltre, l'EMIS-3 può separare diversi isotopi simultaneamente perché ciascuna unità EMIS può funzionare in modo indipendente invece di dover essere agganciata l'una all'altra in sequenza per portare a termine il lavoro. Possono anche essere riconfigurati in poche settimane, a differenza dei separatori isotopici centrifughi gassosi (GCIS) che richiedono anni.

Una nuova struttura EMIS è in costruzione e dovrebbe essere operativa entro il 2030.

"La cosa bella di EMIS-3 è che è una piattaforma molto solida per ulteriori sviluppi", ha affermato Brian Egle, capo della sezione di ricerca, sviluppo e produzione di isotopi stabili della divisione di scienza e ingegneria di arricchimento di Oak Ridge. "È estremamente modulare e ciò conferisce al progetto molta flessibilità. Quando si osserva l'intera tavola periodica, la flessibilità è molto importante. Se dobbiamo aggiungere ulteriori controlli tecnici di sicurezza per diverse tossicità o pericoli, è possibile farlo facilmente. "

Fonte: ORNL