ORNL producerer sjælden ruthenium -isotop til atomsprøjtningseksperiment

Et lille hætteglas med gråt pulver produceret på Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory er rygraden i et nyt eksperiment for at studere de intense magnetfelter, der er skabt ved atomkollisioner.

Det nye forsøg på Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider, lige afsluttet, knuste kerner af ruthenium-96 sammen for bedre at forstå en form for stof, der er til stede i begyndelsen af ​​universet-og derved fremme forståelsen af ​​grundlæggende atomfysik.

Forsøget krævede 500 milligram af den sjældne isotop, ruthenium-96, som ikke var tilgængelig nogen steder i verden. ORNL-produktionsindsatsen krævede fire måneders produktion døgnet rundt efter mange års forskning og udvikling for at producere materialet. Rutheniummetal i sig selv er et af de sjældneste grundstoffer på jorden, og den særlige isotop, Brookhaven kræver, udgør mindre end fem procent af de naturligt forekommende forsyninger. For at fysikeksperimentet kan lykkes, andelen af ​​ruthenium-96 i testprøven skulle øges til mere end 92 procent, får forskere til at bruge nyudviklede berigelsesmetoder.

"Kampagnen repræsenterer den første vedvarende produktion af beriget ruthenium i USA siden 1983, "sagde David Dean, Associate Laboratory Director for ORNL's Physical Sciences Directorate. "Så vidt vi ved, var verdensudbuddet af Ru-96 blevet udtømt før denne kampagne."

Det amerikanske lager af stabile isotoper er skrumpet siden kalutronerne fra Manhattan Project-æraen ved Y-12 National Security Complex stoppede med at fungere i 1998, og opgørelsen for nogle isotoper er fuldstændig opbrugt. DOE -isotopprogrammet, administreret af Office of Nuclear Physics inden for DOE's Office of Science, finansieret ORNL til at genetablere indenlandske kapaciteter til stabil isotopberigelse. Stabile isotoper bruges i medicinske, industrielle og nationale sikkerhedsapplikationer.

"Der er berigede stabile isotoper af mangel eller simpelthen utilgængelige, og vi ønsker ikke at være afhængige af, at andre lande producerer dem, "sagde Alan Tatum, ORNLs stabile isotopproduktionschef. I dette tilfælde, ingen anden produktionsmulighed var tilgængelig nogen steder i verden.

En af de teknologier, som ORNL udviklede, er en elektromagnetisk isotopseparator, eller EMIS, placeret i laboratoriets berigede stabile isotopprototypeanlæg, som startede driften sidste år. EMIS -systemet fungerer ved at fordampe et element såsom ruthenium i gasfasen, konvertere molekylerne til en ionstråle, og derefter kanalisere strålen gennem magneter for at adskille de forskellige isotoper.

"Når du transporterer en ladet partikelstråle gennem en magnet, den bøjer strålen i en anden radius afhængigt af massen, "Tatum sagde." Hver isotop har en anden masse og vil derfor samle sig i en anden lomme. "

Når isotoperne er afsat i lommerne, de skrabes ud og behandles kemisk for at sikre, at materialets renhed opfylder de nødvendige specifikationer. For at overholde Brookhavens deadline, ORNL -personale gik i en 24/7 produktionstilstand, udfører denne omhyggelige proces i non -stop -skift i fire måneder.

EMIS -systemet er teoretisk i stand til at håndtere næsten ethvert element i det periodiske system, men rutheniums unikke kemiske egenskaber gør det til et af de vanskeligste materialer at manipulere. Sammenlignet med andre ædle metaller, for eksempel, ruthenium har et ekstremt højt smelte- og kogepunkt.

"Derfor er vi her. Hvis det er let, andre mennesker gør det. Hvis det er svært, vi gør det, "sagde Kevin Hart, fornem videnskabsmand og ORNL Isotope Program Manager.

Brian Egle, hoved EMIS designingeniør, bemærker, at den tilsyneladende enkelhed i processen modsvarer dens udfordringer.

"Processen er meget enkel:Ladede partikler, der bevæger sig gennem et magnetfelt, vil adskilles - det er omtrent lige så grundlæggende som det bliver, "sagde han." Djævelen er i detaljerne. En masse forskning gik ind på at få alting helt rigtigt. At få råmaterialet fordampet, ioniseret, accelereret, og alle højspændings- og vakuumsystemer til at fungere, alt på samme tid, er meget svært. "

Teamet undersøger nu måder at øge stråleintensiteten og opretholde konsistente strålestrømme, hvilket vil øge EMIS -systemets effektivitet og generelle pålidelighed. Deres fordel, siger Tatum, ligger i ORNLs årtiers erfaring inden for isotopområdet, samt ekspertise i fysik, kemi og videnskabelig facilitetsstyring.

"ORNL har en lang historie inden for isotopproduktion og forskning og udvikling, "Tatum sagde." Laboratoriet har en stærk tradition for at producere isotoper til DOE -isotopprogrammet for at imødekomme landets isotopbehov. "