Een klein flesje grijs poeder, geproduceerd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, vormt de ruggengraat van een nieuw experiment om de intense magnetische velden te bestuderen die ontstaan ​​bij nucleaire botsingen.

Het nieuwe experiment in de Relativistic Heavy Ion Collider van Brookhaven National Laboratory, net afgerond, kernen van ruthenium-96 aan elkaar geslagen om een ​​vorm van materie die aanwezig is aan het begin van het universum beter te begrijpen - en daardoor het begrip van fundamentele kernfysica te vergroten.

Het experiment vereiste 500 milligram van de zeldzame isotoop, ruthenium-96, die nergens ter wereld verkrijgbaar was. De ORNL-productie-inspanning vereiste vier maanden 24-uurs productie na jaren van onderzoek en ontwikkeling om het materiaal te produceren. Rutheniummetaal zelf is een van de zeldzaamste elementen op aarde en de specifieke isotoop die Brookhaven nodig heeft, vormt minder dan vijf procent van de natuurlijk voorkomende voorraden. Om het fysica-experiment te laten slagen, het aandeel ruthenium-96 in het testmonster moest worden verhoogd tot meer dan 92 procent, onderzoekers ertoe aanzetten om nieuw ontwikkelde verrijkingsmethoden te gebruiken.

"De campagne vertegenwoordigt de eerste duurzame productie van verrijkt ruthenium in de Verenigde Staten sinds 1983, " zei David Dean, Associate Laboratory Director van ORNL's Directoraat Exacte Wetenschappen. "Voor zover wij weten, was de wereldvoorraad Ru-96 vóór deze campagne uitgeput."

De Amerikaanse voorraad stabiele isotopen is aan het slinken sinds de calutrons uit het Manhattan Project-tijdperk in het Y-12 National Security Complex in 1998 stopten met werken. en de inventaris van sommige isotopen is volledig uitgeput. Het DOE-isotopenprogramma, beheerd door het Office of Nuclear Physics binnen het Office of Science van DOE, ORNL financierde om binnenlandse capaciteiten voor stabiele isotopenverrijking te herstellen. Stabiele isotopen worden gebruikt in medische, industriële en nationale veiligheidstoepassingen.

"Er zijn verrijkte stabiele isotopen schaars of gewoon niet beschikbaar, en we willen niet afhankelijk zijn van andere landen om ze te produceren, " zei Alan Tatum, ORNL's stabiele isotopenproductiemanager. In dit geval, nergens ter wereld was er een andere productieoptie beschikbaar.

Een van de technologieën die ORNL ontwikkelde is een elektromagnetische isotopenscheider, of EMIS, gevestigd in de Enriched Stable Isotope Prototype Plant van het lab, die vorig jaar van start ging. Het EMIS-systeem werkt door een element zoals ruthenium in de gasfase te verdampen, het omzetten van de moleculen in een ionenbundel, en vervolgens de straal door magneten kanaliseren om de verschillende isotopen te scheiden.

"Als je een geladen deeltjesbundel door een magneet transporteert, het buigt de balk met een andere straal, afhankelijk van de massa, "Zei Tatum. "Elke isotoop heeft een andere massa en verzamelt zich daarom in een andere zak."

Zodra de isotopen in de zakken zijn gedeponeerd, ze worden eruit geschraapt en chemisch verwerkt om ervoor te zorgen dat de zuiverheid van het materiaal aan de nodige specificaties voldoet. Om de deadline van Brookhaven te halen, ORNL-medewerkers gingen in een 24/7 productiemodus, het uitvoeren van dit nauwgezette proces in non-stop diensten gedurende vier maanden.

Het EMIS-systeem is theoretisch in staat om bijna elk element op het periodiek systeem aan te kunnen, maar de unieke chemische eigenschappen van ruthenium maken het een van de moeilijkste materialen om te manipuleren. In vergelijking met andere edele metalen, bijvoorbeeld, ruthenium heeft een extreem hoog smelt- en kookpunt.

"Daarom zijn we hier. Als het makkelijk is, andere mensen doen het. Als het moeilijk is, we doen het, " zei Kevin Hart, vooraanstaand wetenschapper en ORNL Isotoop Programma Manager.

Brian Egel, hoofdontwerper EMIS, merkt op dat de schijnbare eenvoud van het proces zijn uitdagingen logenstraft.

"Het proces is heel eenvoudig:geladen deeltjes die door een magnetisch veld bewegen, zullen scheiden - dat is ongeveer zo basaal als het maar kan, "zei hij. "De duivel zit in de details. Er is veel onderzoek gedaan om alles precies goed te krijgen. De grondstof laten verdampen, geïoniseerd, versneld, en alle hoogspannings- en vacuümsystemen om te werken, alles tegelijkertijd, is erg moeilijk."

Het team onderzoekt nu manieren om de bundelintensiteit te verhogen en consistente bundelstromen te behouden. wat de efficiëntie en algehele betrouwbaarheid van het EMIS-systeem zal vergroten. hun voordeel, zegt Tatum, ligt in ORNL's tientallen jaren ervaring op het gebied van isotopen, evenals expertise op het gebied van natuurkunde, scheikunde en wetenschappelijk facility management.

"ORNL heeft een lange geschiedenis in isotopenproductie en onderzoek en ontwikkeling, "Zei Tatum. "Het laboratorium heeft een sterke traditie in het produceren van isotopen voor het DOE Isotope-programma om aan de isotopenbehoeften van het land te voldoen."