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Apr 11, 2023

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Para hacer que los Estados Unidos sean autosuficientes en elementos exóticos raros, Oak Ridge

Para que Estados Unidos sea autosuficiente en elementos exóticos raros, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) ha desarrollado un separador electromagnético de isótopos (EMIS) de última generación para recolectar isótopos estables en toda la tabla periódica.

Durante la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabajaban en lo que se convirtió en el Proyecto Manhattan para desarrollar la primera bomba atómica del mundo para los aliados necesitaban una forma de separar el isótopo fisionable uranio-235 del isótopo no fisionable uranio-238. Con lo que eran esencialmente recursos ilimitados a excepción del tiempo, probaron varias técnicas diferentes, una de las cuales era una derivación del ciclotrón llamada ciclotrón de la Universidad de California (calutrón).

El calutrón funcionaba induciendo una carga eléctrica en átomos gaseosos y luego acelerándolos en un campo eléctrico. Estos átomos veloces luego son desviados por un campo magnético. Lo inteligente es que cuanto más pesado es el átomo, menos se desvía. En el caso del uranio, los átomos de U²³⁸ Los átomos de U²³⁵ se desvían menos que los átomos de U²³⁵, separándolos.

Aunque este método de producción de uranio fisible se abandonó en gran medida en favor de otros métodos después de la guerra, ORNL desarrolló el principio para producir isótopos estables. Es decir, muestras puras de isótopos específicos que son completamente no radiactivos. Estos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la gestión del agua y el suelo, estudios ambientales, evaluación de la nutrición y análisis forense.

Sin embargo, ORNL cerró su calutrón de la era de Manhattan en 1998, lo que hizo que EE. UU. dependiera de fuentes extranjeras para estos isótopos difíciles de producir para reponer los suministros domésticos cada vez más escasos. El primero de ellos produjo 500 miligramos del raro isótopo rutenio-96 en 2018, que no estaba disponible en ninguna parte del mundo.

Hoy en día, las últimas unidades EMIS-3 de tercera generación en Oak Ridge pueden superar a los antiguos calutrones, que eran un poco quisquillosos. Tuvieron problemas para resolver la diferencia entre los isótopos que estaban muy juntos en masa y, a veces, solo podían separar todos los demás isótopos en una secuencia. Esto significaba que los isótopos debían procesarse y reprocesarse en lotes para lograr la separación adecuada.

Las nuevas máquinas son mucho mejores en esto y pueden manejar elementos en el extremo más pesado de la tabla periódica, como el iterbio-176, que se usa en medicina nuclear y radiología. Otros isótopos de iterbio también se utilizan en la computación cuántica.

Además, el EMIS-3 puede separar diferentes isótopos simultáneamente porque cada unidad EMIS puede funcionar de forma independiente en lugar de tener que conectarse entre sí en secuencia para realizar el trabajo. También se pueden reconfigurar en semanas a diferencia de los separadores de isótopos centrífugos gaseosos (GCIS) que tardan años.

Se está construyendo una nueva instalación EMIS y se espera que esté operativa para 2030.

"Lo bueno de EMIS-3 es que es una plataforma muy sólida para un mayor desarrollo", dijo Brian Egle, jefe de la Sección de Investigación, Desarrollo y Producción de Isótopos Estables de la División de Ciencia e Ingeniería de Enriquecimiento de Oak Ridge. "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. "

Fuente: ORNL