L'ORNL ha prodotto 500 milligrammi del raro isotopo, rutenio-96, che non era disponibile in nessuna parte del mondo. Credito:Oak Ridge National Laboratory
Una minuscola fiala di polvere grigia prodotta presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia è la spina dorsale di un nuovo esperimento per studiare gli intensi campi magnetici creati nelle collisioni nucleari.
Il nuovo esperimento al Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory, appena completato, frantumò insieme nuclei di rutenio-96 per comprendere meglio una forma di materia presente all'inizio dell'universo, e quindi far progredire la comprensione della fisica nucleare fondamentale.
L'esperimento ha richiesto 500 milligrammi del raro isotopo, rutenio-96, che non era disponibile in nessuna parte del mondo. Lo sforzo di produzione ORNL ha richiesto quattro mesi di produzione 24 ore su 24 dopo anni di ricerca e sviluppo per produrre il materiale. Il metallo rutenio stesso è uno degli elementi più rari sulla terra e il particolare isotopo richiesto da Brookhaven costituisce meno del cinque percento delle scorte naturali. Affinché l'esperimento di fisica abbia successo, la porzione di rutenio-96 nel campione di prova doveva essere aumentata a più del 92 percento, spingendo i ricercatori a utilizzare metodi di arricchimento di nuova concezione.
"La campagna rappresenta la prima produzione sostenuta di rutenio arricchito negli Stati Uniti dal 1983, "ha detto David Dean, Direttore Associato del Laboratorio della Direzione di Scienze Fisiche dell'ORNL. "A nostra conoscenza, la fornitura mondiale di Ru-96 era stata esaurita prima di questa campagna."
La scorta statunitense di isotopi stabili si è ridotta da quando i calutroni dell'era del Progetto Manhattan situati presso il complesso di sicurezza nazionale Y-12 hanno smesso di funzionare nel 1998, e l'inventario di alcuni isotopi è stato completamente esaurito. Il programma di isotopi DOE, gestito dall'Office of Nuclear Physics all'interno dell'Office of Science del DOE, ha finanziato l'ORNL per ristabilire le capacità nazionali per l'arricchimento isotopico stabile. Gli isotopi stabili sono utilizzati in medicina, applicazioni di sicurezza industriale e nazionale.
Un team di ricercatori dell'ORNL tra cui Brian Egle (nella foto) ha sviluppato un sistema di separatore di isotopi elettromagnetici che è stato utilizzato per produrre rutenio-96. Credito:Oak Ridge National Laboratory
"Ci sono isotopi stabili arricchiti che scarseggiano o semplicemente non sono disponibili, e non vogliamo dipendere da altri paesi per produrli, "ha detto Alan Tatum, Responsabile della produzione di isotopi stabili di ORNL. In questo caso, nessun'altra opzione di produzione era disponibile in nessuna parte del mondo.
Una delle tecnologie sviluppate da ORNL è un separatore di isotopi elettromagnetico, o EMIS, situato nell'impianto di prototipi di isotopi stabili arricchiti del laboratorio, che ha iniziato l'attività lo scorso anno. Il sistema EMIS funziona vaporizzando un elemento come il rutenio in fase gassosa, convertire le molecole in un fascio di ioni, e quindi incanalare il raggio attraverso dei magneti per separare i diversi isotopi.
"Quando si trasporta un fascio di particelle cariche attraverso un magnete, piega il raggio con un raggio diverso a seconda della massa, " Ha detto Tatum. "Ogni isotopo ha una massa diversa e quindi si raccoglierà in una tasca diversa".
Una volta che gli isotopi si sono depositati nelle tasche, vengono raschiati e trattati chimicamente per garantire che la purezza del materiale soddisfi le specifiche necessarie. Per rispettare la scadenza di Brookhaven, Il personale ORNL è entrato in una modalità di produzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7, conducendo questo meticoloso processo in turni ininterrotti per quattro mesi.
Il sistema EMIS è teoricamente in grado di gestire quasi tutti gli elementi della tavola periodica, ma le proprietà chimiche uniche del rutenio lo rendono uno dei materiali più difficili da manipolare. Rispetto ad altri metalli preziosi, ad esempio, il rutenio ha un punto di fusione e di ebollizione estremamente elevato.
Il sistema elettromagnetico del separatore di isotopi funziona vaporizzando un elemento come il rutenio in fase gassosa, convertire le molecole in un fascio di ioni, e quindi incanalare il raggio attraverso dei magneti per separare i diversi isotopi. Credito:Oak Ridge National Laboratory
"Ecco perché siamo qui. Se è facile, altre persone lo fanno. Se è difficile, noi lo facciamo, " ha detto Kevin Hart, illustre scienziato e responsabile del programma isotopi dell'ORNL.
Brian Egle, ingegnere progettista principale EMIS, osserva che l'apparente semplicità del processo cela le sue sfide.
"Il processo è molto semplice:le particelle cariche che si muovono attraverso un campo magnetico si separeranno - questo è il più semplice possibile, " ha detto. "Il diavolo è nei dettagli. Sono state fatte molte ricerche per ottenere tutto esattamente nel modo giusto. Far evaporare la materia prima, ionizzato, accelerato, e tutti i sistemi ad alta tensione e vuoto per funzionare, tutto allo stesso tempo, è molto difficile."
Il team sta ora studiando modi per aumentare l'intensità del raggio e mantenere costanti le correnti del raggio, che aumenterà l'efficienza del sistema EMIS e l'affidabilità complessiva. Il loro vantaggio, dice Tatum, risiede nella decennale esperienza di ORNL nel campo degli isotopi, oltre a competenze in fisica, gestione delle strutture chimiche e scientifiche.
"ORNL ha una lunga storia nella produzione di isotopi e nella ricerca e sviluppo, " Ha detto Tatum. "Il laboratorio ha una forte tradizione nella produzione di isotopi per il DOE Isotope Program per soddisfare le esigenze di isotopi della nazione".
