L'ORNL a produit 500 milligrammes de l'isotope rare, ruthénium-96, qui n'était disponible nulle part dans le monde. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
Une petite fiole de poudre grise produite au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie est l'épine dorsale d'une nouvelle expérience pour étudier les champs magnétiques intenses créés lors des collisions nucléaires.
La nouvelle expérience du collisionneur d'ions lourds relativistes du Brookhaven National Laboratory, vient de se terminer, brisé des noyaux de ruthénium-96 pour mieux comprendre une forme de matière présente au début de l'univers et ainsi faire progresser la compréhension de la physique nucléaire fondamentale.
L'expérience a nécessité 500 milligrammes de l'isotope rare, ruthénium-96, qui n'était disponible nulle part dans le monde. L'effort de production de l'ORNL a nécessité quatre mois de production 24 heures sur 24 après des années de recherche et de développement afin de produire le matériau. Le ruthénium lui-même est l'un des éléments les plus rares sur terre et l'isotope particulier requis par Brookhaven représente moins de cinq pour cent des approvisionnements naturels. Pour que l'expérience de physique réussisse, la proportion de ruthénium-96 dans l'échantillon d'essai a dû être augmentée à plus de 92 %, incitant les chercheurs à utiliser des méthodes d'enrichissement nouvellement développées.
« La campagne représente la première production soutenue de ruthénium enrichi aux États-Unis depuis 1983, " a déclaré David Dean, Directeur de laboratoire associé à la Direction des sciences physiques de l'ORNL. "A notre connaissance, l'approvisionnement mondial de Ru-96 avait été épuisé avant cette campagne."
Le stock américain d'isotopes stables diminue depuis que les calutrons de l'ère du projet Manhattan situés au complexe de sécurité nationale Y-12 ont cessé de fonctionner en 1998, et l'inventaire de certains isotopes a été complètement épuisé. Le programme d'isotopes du DOE, géré par le Bureau de physique nucléaire au sein du Bureau des sciences du DOE, a financé l'ORNL pour rétablir les capacités nationales d'enrichissement en isotopes stables. Les isotopes stables sont utilisés en médecine, applications industrielles et de sécurité nationale.
Une équipe de chercheurs de l'ORNL comprenant Brian Egle (photo) a développé un système de séparateur d'isotopes électromagnétique qui a été utilisé pour produire du ruthénium-96. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
« Il existe des isotopes stables enrichis en nombre insuffisant ou tout simplement indisponibles, et nous ne voulons pas dépendre d'autres pays pour les produire, " a déclaré Alan Tatum, Responsable de la production d'isotopes stables de l'ORNL. Dans ce cas, aucune autre option de production n'était disponible dans le monde.
L'une des technologies développées par l'ORNL est un séparateur électromagnétique d'isotopes, ou EMIS, situé dans l'usine de prototypes d'isotopes stables enrichis du laboratoire, qui a démarré ses activités l'année dernière. Le système EMIS fonctionne en vaporisant un élément tel que le ruthénium dans la phase gazeuse, convertir les molécules en un faisceau d'ions, puis canaliser le faisceau à travers des aimants pour séparer les différents isotopes.
"Lorsque vous transportez un faisceau de particules chargées à travers un aimant, il courbe la poutre à un rayon différent en fonction de la masse, " a déclaré Tatum. "Chaque isotope a une masse différente et s'accumulera donc dans une poche différente."
Une fois les isotopes déposés dans les poches, ils sont grattés et traités chimiquement pour garantir que la pureté du matériau répond aux spécifications nécessaires. Pour respecter le délai de Brookhaven, Le personnel de l'ORNL est passé en mode de production 24h/24 et 7j/7, mener ce processus minutieux en équipes non-stop pendant quatre mois.
Le système EMIS est théoriquement capable de gérer presque tous les éléments du tableau périodique, mais les propriétés chimiques uniques du ruthénium en font l'un des matériaux les plus difficiles à manipuler. Par rapport à d'autres métaux précieux, par exemple, Le ruthénium a un point de fusion et d'ébullition extrêmement élevé.
Le système électromagnétique de séparation d'isotopes fonctionne en vaporisant un élément tel que le ruthénium dans la phase gazeuse, convertir les molécules en un faisceau d'ions, puis canaliser le faisceau à travers des aimants pour séparer les différents isotopes. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
"C'est pourquoi nous sommes ici. Si c'est facile, d'autres le font. Si c'est dur, nous le faisons, " a déclaré Kevin Hart, éminent scientifique et gestionnaire du programme d'isotopes ORNL.
Brian Egle, ingénieur de conception principal EMIS, note que l'apparente simplicité du processus dément ses défis.
"Le processus est très simple :les particules chargées se déplaçant à travers un champ magnétique se sépareront - c'est à peu près aussi basique que possible, " dit-il. " Le diable est dans les détails. De nombreuses recherches ont été effectuées pour que tout soit parfaitement correct. Faire vaporiser la matière première, ionisé, accéléré, et tous les systèmes haute tension et sous vide pour fonctionner, Tout en même temps, est très difficile."
L'équipe recherche maintenant des moyens d'augmenter l'intensité du faisceau et de maintenir des courants de faisceau constants, ce qui augmentera l'efficacité et la fiabilité globale du système EMIS. Leur avantage, dit Tatum, réside dans les décennies d'expérience de l'ORNL dans le domaine des isotopes, ainsi qu'une expertise en physique, la chimie et la gestion des installations scientifiques.
"ORNL a une longue histoire dans la production d'isotopes et la recherche et le développement, ", a déclaré Tatum. "Le laboratoire a une forte tradition de production d'isotopes pour le programme d'isotopes du DOE afin de répondre aux besoins en isotopes de la nation."
