Электромагнитный сепаратор изотопов Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), или EMIS, вошел в историю в 2018 году, когда он произвел 500 миллиграммов редкого изотопа рутения-96, недоступного больше нигде в мире.

А технология EMIS продолжает совершенствоваться, говорит Брайан Эгле, который возглавляет отдел исследований, разработки и производства стабильных изотопов Отдела науки и техники по обогащению.

«Он способен, по сути, разделить всю таблицу Менделеева», — сказал он.

В ЭМИС элементы переводят в газообразное состояние и заряжают положительно электрически, а затем пропускают через магнитное поле , которое разделяет их по массе. Каждый изотоп, имеющий разный вес, проходит через поле с немного другим радиусом, что позволяет собирать разные изотопы по отдельности.

Эта технология была разработана, чтобы заполнить пробел, оставшийся после закрытия в 1998 году калютронной установки эпохи Манхэттенского проекта на Y-12, которая производила сокращающиеся в настоящее время запасы стабильных изотопов в США. Разработка EMIS призвана уменьшить зависимость США от иностранных поставщиков редких, труднопроизводимых стабильных изотопов. Теперь ЭМИС может соответствовать или превосходить качество изотопов, производимых на калютронах.

Эгле пришел в ORNL в 2010 году, чтобы работать над первым поколением EMIS, которое до сих пор используется в лаборатории. С тех пор он работал над EMIS второго и третьего поколения — по его словам, каждое лучше предыдущего.

В то время как исходная EMIS могла разделять изотопы любого элемента с приличным разрешением, машина третьего поколения оптимизирована для разделения элементов в более тяжелом конце периодической таблицы, таких как иттербий, чей изотоп Yb-176 используется в ядерной медицине и радиографии.

Более того, он может разделять все изотопы иттербия одновременно, в то время как калютроны прошли серию разделений и смогли захватить только все остальные изотопы — четные или нечетные числа.

Другие изотопы иттербия, например, используются в квантовой памяти, сказал Эгле. ЭМИС-3 может производить их все. Это важно, потому что определенные изотопы, применение которых ранее не было известно, могут иметь решающее значение в будущем.

«Вещи, которые не были целевым изотопом 40 лет назад, но которые у нас есть в инвентаре, могут внезапно стать инструментом для будущей науки», — сказал Эгле. «Мы абсолютно никогда не выбрасываем изотопы, если можем помочь».

В отличие от калютронов, ЭМИС автоматизированы, поэтому ожидается, что связанные с этим затраты на оплату труда будут ниже. И хотя калютроны были связаны друг с другом, каждый EMIS может работать независимо, поэтому одновременно можно производить несколько изотопов — например, медицинский изотоп вместе с изотопом национальной безопасности, таким как никель-63, используемый для обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах.

«По усмотрению Министерства энергетики, у нас может быть три машины, работающие на иттербии , три на никеле и одна на небольшом количестве редкого изотопа, необходимого для исследований», — сказал Эгле. «Все они независимые машины, которые могут одновременно выполнять независимые миссии на одном и том же объекте».

EMIS занимает видное место в планах Центра производства и исследований стабильных изотопов, или SIPRC, нового объекта, который сейчас строится и, как ожидается, будет введен в эксплуатацию к 2030 году. Его гибкость делает его идеальным дополнением к газовым центрифугам для сепараторов изотопов, или GCIS, лаборатории развивается для нескольких изотопов. Самодостаточная GCIS, которая также будет использоваться в SIPRC, может производить большие объемы изотопов по низкой цене. Но переход GCIS с одного изотопа на другой — это процесс, который может занять годы, тогда как EMIS может переключиться с производства одного изотопа на другой за считанные недели.

«EMIS заполняет бутик, нишевый рынок: масштаб от миллиграмма к грамму при очень высоком обогащении, с высокой гибкостью, когда мы можем относительно быстро переключаться между всей таблицей Менделеева», — сказал Эгле.

По словам Эгле, разработка ЭМИС-3 прошла гладко благодаря адекватному финансированию, включая реконструкцию объекта специально для его производства, а также благодаря опыту и квалифицированной рабочей силе ORNL росла при разработке первых двух поколений.

«Мы не просто скопировали это из книги, — сказал он. «Это знания, которые мы создали, и база знаний, которую можно вывести на следующий уровень, каким бы ни был следующий уровень».

Лаборатория также установила отношения с поставщиками для производства разработанных ОРНЛ компонентов для ЭМИС-3. Эгле сказал, что детали для этой технологии поступают как от небольшой семейной компании по производству электроники в соседнем округе Блаунт, так и от завода по производству электромагнитов в Новой Зеландии. Поставщики отправляют полностью интегрированные модули в ORNL для сборки в готовую машину.

«Преимущество EMIS-3 в том, что это очень надежная платформа для дальнейшего развития», — сказал Эгле. «Он чрезвычайно модульный, и это придает конструкции большую гибкость. Когда вы смотрите на всю периодическую таблицу, гибкость очень важна. Если нам нужно добавить дополнительные технические средства контроля безопасности для различных токсичностей или опасностей, это легко сделать. »

Эгле воодушевлен потенциалом будущих поколений EMIS — и, если уж на то пошло, программой ORNL по стабильным изотопам в целом.

«Программа стабильных изотопов абсолютно захватывающая, она позволяет сделать так много разных вещей», — сказал он. «Вы можете прийти на работу и сказать: «Хочу ли я работать над лечением рака, фундаментальной наукой, национальной безопасностью…?» Вы можете в значительной степени потрогать все это в течение дня в программе стабильных изотопов. Вы можете увидеть это в наших сотрудниках. Люди говорят: «Вау, ребята, вы очень увлечены тем, что вы делаете». Легко увлечься таким миссионерским пространством».