Un separador electromagnético de isótopos que sigue mejorando

15 de mayo de 2023

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por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge

El separador electromagnético de isótopos, o EMIS, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), hizo historia en 2018 cuando produjo 500 miligramos del raro isótopo rutenio-96, que no está disponible en ningún otro lugar del mundo.

Y la tecnología EMIS sigue mejorando, dijo Brian Egle, quien dirige la Sección de Investigación, Desarrollo y Producción de Isótopos Estables de la División de Ciencia e Ingeniería de Enriquecimiento.

"Es capaz, esencialmente, de separar toda la tabla periódica", dijo.

En un EMIS, los elementos se ponen en forma de gas y se cargan eléctricamente positivamente, luego se pasan por un campo magnético, que los separa por masa. Cada isótopo, que tiene un peso diferente, viaja a través del campo en un radio ligeramente diferente, lo que permite recolectar los diferentes isótopos por separado.

La tecnología se desarrolló para llenar un vacío dejado por el cierre en 1998 de la instalación calutron de la era del Proyecto Manhattan en Y-12, que produjo la reserva de isótopos estables de EE. UU. que ahora está disminuyendo. El desarrollo de EMIS está destinado a reducir la dependencia estadounidense de los proveedores extranjeros de isótopos estables raros y difíciles de producir. EMIS ahora puede igualar o superar la calidad de los isótopos producidos en los calutrones.

Egle llegó a ORNL en 2010 para trabajar en la primera generación de EMIS, todavía en uso en el laboratorio. Desde entonces ha trabajado en EMIS de segunda y tercera generación, cada uno mejor que el anterior, dijo.

Mientras que el EMIS original podía separar isótopos de cualquier elemento con una resolución decente, la máquina de tercera generación está optimizada para separar elementos en el extremo más pesado de la tabla periódica, como el iterbio, cuyo isótopo Yb-176 se usa en medicina nuclear y radiografía.

Además, puede separar todos los isótopos de iterbio simultáneamente, mientras que los calutrones pasaron por una serie de separaciones y pudieron capturar solo cualquier otro isótopo, números pares o impares.

Otros isótopos de iterbio, por ejemplo, se utilizan en la memoria cuántica, dijo Egle. EMIS-3 puede producirlos todos. Eso es importante porque los isótopos particulares sin un uso conocido previamente pueden ser cruciales en el futuro.

"Las cosas que no eran el isótopo objetivo hace 40 años que tenemos en el inventario pueden convertirse de repente en el facilitador de la ciencia futura", dijo Egle. "Absolutamente nunca tiramos ningún isótopo si podemos evitarlo".

A diferencia de los calutrones, los EMIS están automatizados, por lo que se espera que el costo de mano de obra asociado sea menor. Y aunque los calutrones estaban conectados entre sí, cada EMIS puede funcionar de forma independiente, por lo que se pueden producir múltiples isótopos al mismo tiempo, por ejemplo, un isótopo médico junto con un isótopo de seguridad nacional como el níquel-63, que se utiliza para detectar explosivos en los aeropuertos.

"A discreción del DOE, podríamos tener tres máquinas con iterbio, tres con níquel y una con una pequeña cantidad de un isótopo raro necesario para la investigación", dijo Egle. "Todas son máquinas independientes que pueden realizar misiones independientes en la misma instalación simultáneamente".

EMIS ocupa un lugar destacado en los planes para el Centro de Investigación y Producción de Isótopos Estables, o SIPRC, una nueva instalación en construcción ahora y que se espera que esté operativa para 2030. Su flexibilidad lo convierte en un complemento perfecto para los separadores de isótopos centrífugos gaseosos, o GCIS, el laboratorio. se está desarrollando para múltiples isótopos. El GCIS autosuficiente, que también se utilizará en SIPRC, puede producir grandes volúmenes de isótopos a bajo costo. Pero cambiar GCIS de un isótopo a otro es un proceso que puede llevar años, mientras que EMIS puede pasar de producir un isótopo a otro en cuestión de semanas.

"El EMIS llena un nicho de mercado boutique: escala de miligramos a gramos en enriquecimientos muy altos, con alta flexibilidad donde podemos cambiar a través de toda la tabla periódica con relativa rapidez", dijo Egle.

El desarrollo de EMIS-3 se desarrolló sin problemas, dijo Egle, debido a la financiación adecuada, incluida la renovación de una instalación específicamente para su producción, y debido a la experiencia y la mano de obra calificada que ORNL creció mientras desarrollaba las dos primeras generaciones.

"No solo copiamos esto de un libro", dijo. "Este es el conocimiento que hemos construido y una base de conocimiento que se puede llevar al siguiente nivel, cualquiera que sea el próximo nivel".

El laboratorio también ha establecido relaciones con proveedores para producir los componentes diseñados por ORNL para EMIS-3. Egle dijo que las partes de la tecnología provienen de una pequeña empresa de electrónica de propiedad familiar en el cercano condado de Blount, y de una instalación de electroimanes en Nueva Zelanda. Los proveedores envían módulos completamente integrados a ORNL para ensamblarlos en la máquina completa.

"Lo bueno de EMIS-3 es que es una plataforma muy sólida para un mayor desarrollo", dijo Egle. "Es extremadamente modular, y eso le da mucha flexibilidad al diseño. Cuando miras la tabla periódica completa, la flexibilidad es muy importante. Si necesitamos agregar controles de ingeniería de seguridad adicionales para diferentes toxicidades o peligros, eso es fácil de hacer. "

Egle está entusiasmado con el potencial de las futuras generaciones de EMIS y, de hecho, con el programa de isótopos estables de ORNL en general.

"El programa de isótopos estables es absolutamente fascinante; permite tantas cosas diferentes", dijo. "Puedes venir a trabajar y decir: '¿Quiero trabajar en curar el cáncer, ciencia básica, seguridad nacional...?' Prácticamente puedes tocarlo todo durante el transcurso de un día en el programa de isótopos estables. Puedes verlo en nuestro personal. La gente dice: 'Guau, ustedes están muy entusiasmados con lo que hacen'. Es fácil entusiasmarse con un espacio de misión como ese".

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge