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Dec 05, 2023

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Um die Vereinigten Staaten mit seltenen exotischen Elementen unabhängig zu machen, wurde das Oak Ridge gegründet

Um die Vereinigten Staaten hinsichtlich seltener exotischer Elemente unabhängig zu machen, hat das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) einen elektromagnetischen Isotopenseparator (EMIS) der neuesten Generation entwickelt, um stabile Isotope im gesamten Periodensystem zu gewinnen.

Während des Zweiten Weltkriegs benötigten die Wissenschaftler, die am Manhattan-Projekt zur Entwicklung der weltweit ersten Atombombe für die Alliierten arbeiteten, eine Möglichkeit, das spaltbare Isotop Uran-235 vom nicht spaltbaren Isotop Uran-238 zu trennen. Mit praktisch unbegrenzten Ressourcen bis auf die Zeit probierten sie verschiedene Techniken aus, darunter eine Ableitung des Zyklotrons namens California University Cyclotron (Calutron).

Das Calutron funktionierte, indem es in gasförmigen Atomen eine elektrische Ladung induzierte und diese dann in einem elektrischen Feld beschleunigte. Diese beschleunigten Atome werden dann durch ein Magnetfeld abgelenkt. Der Clou daran: Je schwerer das Atom ist, desto weniger wird es abgelenkt. Im Fall von Uran werden die U²³⁸-Atome U²³⁵-Atome weniger stark abgelenkt als die U²³⁵-Atome, wodurch diese abgetrennt werden.

Obwohl diese Methode zur Herstellung von spaltbarem Uran nach dem Krieg weitgehend zugunsten anderer Methoden aufgegeben wurde, wurde das Prinzip von ORNL zur Herstellung stabiler Isotope entwickelt. Das heißt, reine Proben bestimmter Isotope, die völlig nicht radioaktiv sind. Diese werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Wasser- und Bodenmanagement, Umweltstudien, Ernährungsbewertung und Forensik.

Allerdings hat die ORNL 1998 ihr Calutron aus der Manhattan-Ära abgeschaltet, was die USA für diese schwer zu produzierenden Isotope von ausländischen Quellen abhängig machte, um die schwindenden inländischen Vorräte wieder aufzufüllen. Die erste davon produzierte 2018 500 Milligramm des seltenen Isotops Ruthenium-96, das nirgendwo auf der Welt verfügbar war.

Heute können die neuesten EMIS-3-Einheiten der dritten Generation in Oak Ridge die alten Calutrons übertreffen, die etwas heikel waren. Sie hatten Schwierigkeiten, den Unterschied zwischen Isotopen aufzulösen, deren Masse nahe beieinander lag, und manchmal konnten sie nur jedes andere Isotop in einer Sequenz trennen. Das bedeutete, dass Isotope in Chargen verarbeitet und erneut verarbeitet werden mussten, um eine ordnungsgemäße Trennung zu erreichen.

Die neuen Maschinen sind darin viel besser und können mit Elementen am schwereren Ende des Periodensystems umgehen, wie zum Beispiel Ytterbium-176, das in der Nuklearmedizin und Radiologie verwendet wird. Auch andere Ytterbium-Isotope werden im Quantencomputing verwendet.

Darüber hinaus kann EMIS-3 verschiedene Isotope gleichzeitig trennen, da jede EMIS-Einheit unabhängig voneinander arbeiten kann und nicht nacheinander aneinander angeschlossen werden muss, um die Aufgabe zu erledigen. Sie können im Gegensatz zu Gaszentrifugen-Isotopenseparatoren (GCIS), die Jahre dauern, auch innerhalb von Wochen umkonfiguriert werden.

Eine neue EMIS-Anlage befindet sich im Bau und soll bis 2030 betriebsbereit sein.

„Das Schöne an EMIS-3 ist, dass es eine sehr solide Plattform für die weitere Entwicklung ist“, sagte Brian Egle, Leiter der Abteilung für Forschung, Entwicklung und Produktion stabiler Isotope in der Enrichment Science and Engineering Division von Oak Ridge. „Es ist extrem modular aufgebaut, und das gibt dem Design viel Flexibilität. Wenn man das gesamte Periodensystem betrachtet, ist Flexibilität sehr wichtig. Wenn wir zusätzliche sicherheitstechnische Kontrollen für verschiedene Toxizitäten oder Gefahren hinzufügen müssen, ist das einfach.“ "

Quelle: ORNL