Un séparateur électromagnétique d'isotopes qui ne cesse de s'améliorer

15 mai 2023

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par le laboratoire national d'Oak Ridge

Le séparateur électromagnétique d'isotopes d'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ou EMIS, est entré dans l'histoire en 2018 lorsqu'il a produit 500 milligrammes de l'isotope rare ruthénium-96, indisponible nulle part ailleurs dans le monde.

Et la technologie EMIS ne cesse de s'améliorer, a déclaré Brian Egle, qui dirige la section Recherche, développement et production d'isotopes stables de la Division de la science et de l'ingénierie de l'enrichissement.

"Il est capable, essentiellement, de séparer l'ensemble du tableau périodique", a-t-il déclaré.

Dans un SIGE, les éléments sont mis sous forme gazeuse et chargés électriquement positivement, puis soumis à un champ magnétique qui les sépare en masse. Chaque isotope, ayant un poids différent, se déplace à travers le champ à un rayon légèrement différent, permettant aux différents isotopes d'être collectés séparément.

La technologie a été développée pour combler un vide laissé par la fermeture en 1998 de l'installation de calutron de l'ère du projet Manhattan à Y-12, qui produisait le stock américain d'isotopes stables, désormais en baisse. Le développement du SIGE vise à réduire la dépendance des États-Unis vis-à-vis des fournisseurs étrangers pour les isotopes stables rares et difficiles à produire. L'EMIS peut maintenant égaler ou dépasser la qualité des isotopes produits aux calutrons.

Egle est venu à l'ORNL en 2010 pour travailler sur la première génération d'EMIS, toujours utilisée au laboratoire. Il a depuis travaillé sur les SIGE de deuxième et de troisième génération, chacun meilleur que le précédent, a-t-il déclaré.

Alors que l'EMIS original pouvait séparer les isotopes de n'importe quel élément à une résolution décente, la machine de troisième génération est optimisée pour séparer les éléments à l'extrémité la plus lourde du tableau périodique, comme l'ytterbium, dont l'isotope Yb-176 est utilisé en médecine nucléaire et en radiographie.

De plus, il peut séparer simultanément tous les isotopes de l'ytterbium, alors que les calutrons ont subi une série de séparations et n'ont pu capturer que tous les autres isotopes, pairs ou impairs.

D'autres isotopes de l'ytterbium, par exemple, sont utilisés dans la mémoire quantique, a déclaré Egle. EMIS-3 peut tous les produire. C'est important parce que des isotopes particuliers sans utilisation connue auparavant pourraient être cruciaux à l'avenir.

"Les choses qui n'étaient pas l'isotope cible il y a 40 ans que nous avons en inventaire peuvent tout à coup devenir le catalyseur de la science future", a déclaré Egle. "Nous ne jetons absolument jamais d'isotopes si nous pouvons l'aider."

Contrairement aux calutrons, les SIGE sont automatisés, de sorte que le coût de la main-d'œuvre associée devrait être inférieur. Et bien que les calutrons soient reliés entre eux, chaque SIGE peut fonctionner indépendamment, de sorte que plusieurs isotopes peuvent être produits en même temps, par exemple, un isotope médical aux côtés d'un isotope de sécurité nationale tel que le nickel-63, utilisé pour détecter les explosifs dans les aéroports.

« À la discrétion du DOE, nous pourrions avoir trois machines fonctionnant à l'ytterbium, trois fonctionnant au nickel et une fonctionnant avec une petite quantité d'un isotope rare nécessaire à la recherche », a déclaré Egle. "Ce sont toutes des machines indépendantes qui peuvent effectuer simultanément des missions indépendantes dans la même installation."

Le SIGE figure en bonne place dans les plans du Centre de recherche et de production d'isotopes stables, ou SIPRC, une nouvelle installation en cours de construction et qui devrait être opérationnelle d'ici 2030. Sa flexibilité en fait un complément parfait aux séparateurs d'isotopes à centrifugeuse gazeuse, ou GCIS, le laboratoire se développe pour plusieurs isotopes. Le GCIS autosuffisant, qui sera également utilisé dans le SIPRC, peut produire de grands volumes d'isotopes à faible coût. Mais changer le GCIS d'un isotope à un autre est un processus qui peut prendre des années, alors que l'EMIS peut passer de la production d'un isotope à un autre en quelques semaines.

"L'EMIS remplit une boutique, un marché de niche : une échelle de milligrammes à grammes à des enrichissements très élevés, avec une grande flexibilité où nous pouvons basculer relativement rapidement sur l'ensemble du tableau périodique", a déclaré Egle.

Le développement d'EMIS-3 s'est déroulé sans heurts, a déclaré Egle, grâce à un financement adéquat - y compris la rénovation d'une installation spécifiquement pour sa production - et à l'expertise et à la main-d'œuvre qualifiée de l'ORNL qui s'est développée tout en développant les deux premières générations.

"Nous ne nous sommes pas contentés de copier cela dans un livre", a-t-il déclaré. "Ce sont les connaissances que nous avons construites et une base de connaissances qui peut être portée au niveau supérieur, quel que soit le niveau suivant."

Le laboratoire a également établi des relations avec des fournisseurs pour produire les composants conçus par l'ORNL pour EMIS-3. Egle a déclaré que les pièces de la technologie provenaient d'aussi près qu'une petite entreprise familiale d'électronique du comté voisin de Blount et d'aussi loin qu'une usine d'électroaimants en Nouvelle-Zélande. Les fournisseurs envoient des modules entièrement intégrés à l'ORNL pour qu'ils soient assemblés dans la machine complète.

"La bonne chose à propos d'EMIS-3 est qu'il s'agit d'une plate-forme très solide pour un développement ultérieur", a déclaré Egle. "Il est extrêmement modulaire, ce qui donne à la conception une grande flexibilité. Lorsque vous examinez l'ensemble du tableau périodique, la flexibilité est très importante. Si nous devons ajouter des contrôles techniques de sécurité supplémentaires pour différentes toxicités ou dangers, cela se fait facilement. "

Egle est enthousiasmé par le potentiel des futures générations d'EMIS et, d'ailleurs, par le programme d'isotopes stables de l'ORNL en général.

« Le programme des isotopes stables est absolument fascinant ; il permet tellement de choses différentes », a-t-il déclaré. "Vous pouvez venir travailler et dire : 'Est-ce que je veux travailler sur la guérison du cancer, la science fondamentale, la sécurité nationale… ?' Vous pouvez à peu près tout toucher au cours d'une journée dans le programme des isotopes stables. Vous pouvez le voir dans notre personnel. Les gens disent : « Wow, vous êtes très excités par ce que vous faites. Il est facile de s'enthousiasmer pour un espace de mission comme celui-là. »

Fourni par le laboratoire national d'Oak Ridge