Un separatore isotopico elettromagnetico che continua a migliorare

15 maggio 2023

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dal Laboratorio nazionale di Oak Ridge

Il separatore isotopico elettromagnetico dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), o EMIS, ha fatto la storia nel 2018 quando ha prodotto 500 milligrammi del raro isotopo rutenio-96, non disponibile in nessun'altra parte del mondo.

E la tecnologia EMIS continua a migliorare, ha affermato Brian Egle, che dirige la sezione Ricerca, sviluppo e produzione di isotopi stabili della Divisione di scienza e ingegneria dell'arricchimento.

"È in grado, essenzialmente, di separare l'intera tavola periodica", ha detto.

In un EMIS, gli elementi vengono messi in forma gassosa e caricati elettricamente positivamente, quindi sottoposti a un campo magnetico, che li separa in massa. Ciascun isotopo, avendo un peso diverso, viaggia attraverso il campo con un raggio leggermente diverso, consentendo la raccolta separata dei diversi isotopi.

La tecnologia è stata sviluppata per colmare una lacuna lasciata dalla chiusura nel 1998 dell’impianto di calutron dell’era del Progetto Manhattan a Y-12, che produceva le scorte statunitensi di isotopi stabili, ora in diminuzione. Lo sviluppo dell’EMIS ha lo scopo di ridurre la dipendenza degli Stati Uniti dai fornitori stranieri per isotopi stabili rari e difficili da produrre. EMIS ora può eguagliare o superare la qualità degli isotopi prodotti nei calutroni.

Egle è arrivata all'ORNL nel 2010 per lavorare sulla prima generazione di EMIS, ancora in uso nel laboratorio. Da allora ha lavorato sugli EMIS di seconda e terza generazione, ciascuno migliore dell'altro, ha detto.

Mentre l’EMIS originale poteva separare gli isotopi di qualsiasi elemento con una risoluzione decente, la macchina di terza generazione è ottimizzata per separare gli elementi all’estremità più pesante della tavola periodica, come l’itterbio, il cui isotopo Yb-176 è utilizzato nella medicina nucleare e nella radiografia.

Inoltre, può separare simultaneamente tutti gli isotopi dell'itterbio, mentre i calutroni hanno attraversato una serie di separazioni e sono stati in grado di catturare solo tutti gli altri isotopi, numeri pari o dispari.

Altri isotopi dell'itterbio, ad esempio, sono utilizzati nella memoria quantistica, ha detto Egle. EMIS-3 può produrli tutti. Questo è importante perché particolari isotopi di cui non si conosceva l'uso potrebbero rivelarsi cruciali in futuro.

"Cose che 40 anni fa non erano l'isotopo target che abbiamo in inventario possono improvvisamente diventare abilitanti per la scienza futura", ha detto Egle. "Non buttiamo mai via alcun isotopo se possiamo evitarlo."

A differenza dei calutroni, gli EMIS sono automatizzati, quindi si prevede che il costo della manodopera associato sarà inferiore. E mentre i calutroni erano collegati insieme, ciascun EMIS può funzionare in modo indipendente, quindi è possibile produrre più isotopi contemporaneamente, ad esempio un isotopo medico insieme a un isotopo di sicurezza nazionale come il nichel-63, utilizzato per rilevare esplosivi negli aeroporti.

"A discrezione del DOE, potremmo avere tre macchine che utilizzano l'itterbio, tre che utilizzano il nichel e una che utilizza una piccola quantità di un isotopo raro necessario per la ricerca", ha detto Egle. "Sono tutte macchine indipendenti che possono svolgere simultaneamente missioni indipendenti nella stessa struttura."

EMIS occupa un posto di rilievo nei progetti del Centro di ricerca e produzione di isotopi stabili, o SIPRC, una nuova struttura in costruzione attualmente e che dovrebbe essere operativa entro il 2030. La sua flessibilità lo rende un complemento perfetto per i separatori isotopici centrifughi gassosi, o GCIS, il laboratorio si sta sviluppando per più isotopi. Il GCIS autosufficiente, che sarà utilizzato anche nel SIPRC, può produrre elevati volumi di isotopi a basso costo. Ma cambiare GCIS da un isotopo a un altro è un processo che può richiedere anni, mentre EMIS può passare dalla produzione di un isotopo a un altro nel giro di poche settimane.