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米国が希少な外来元素を自給自足できるようにするために、オークリッジ国立研究所 (ORNL) は、周期表全体にわたって安定した同位体を収集するための最新世代の電磁同位体分離装置 (EMIS) を開発しました。

第二次世界大戦中、同盟国向けに世界初の原子爆弾を開発するマンハッタン計画に取り組んでいた科学者たちは、核分裂性同位体ウラン 235 を非核分裂性同位体ウラン 238 から分離する方法を必要としていました。 時間を除けば本質的には無限のリソースを使って、彼らはいくつかの異なる技術を試しましたが、その 1 つはカリフォルニア大学サイクロトロン (カルトロン) と呼ばれるサイクロトロンの派生型でした。

カルトロンは、ガス原子に電荷を誘導し、電場で加速することによって機能します。 これらの加速原子は磁場によってそらされます。 賢い点は、原子が重ければ重いほど、偏向が少なくなるということです。 ウランの場合、U238 原子、U235 原子は U235 原子よりも偏向が少なく、分離されます。

この核分裂性ウランの製造方法は戦後、他の方法が優先されてほとんど放棄されましたが、この原理は安定同位体を製造するために ORNL によって開発されました。 つまり、完全に非放射性の特定の同位体の純粋なサンプルです。 これらは、水と土壌の管理、環境研究、栄養評価、法医学など、幅広い用途で使用されています。

しかし、ORNLは1998年にマンハッタン時代のカルトロンを閉鎖し、米国は減少する国内供給を補充するためにこれらの製造困難な同位体を海外供給源に依存するようになった。 2018 年に最初の実験では、世界中のどこでも入手できなかった希少同位体ルテニウム 96 が 500 ミリグラム生成されました。

現在、オーク リッジにある最新の第 3 世代 EMIS-3 ユニットは、少し気難しい古いカルトロンを上回る性能を発揮します。 彼らは、質量が近い同位体間の違いを解決するのに苦労し、場合によっては、連続した同位体を 1 つおきに分離することしかできませんでした。 これは、適切な分離を達成するには、同位体をバッチで処理および再処理する必要があることを意味しました。

新しい機械はこの点ではるかに優れており、核医学や放射線医学で使用されるイッテルビウム 176 など、周期表の重い方の元素を処理できます。 他のイッテルビウム同位体も量子コンピューティングで使用されます。

さらに、EMIS-3 は、各 EMIS ユニットが順番に相互に接続する必要がなく、独立して動作できるため、異なる同位体を同時に分離できます。 また、ガス状遠心同位体分離器 (GCIS) は数年かかりますが、再構成も数週間で完了します。

新しいEMIS施設が建設中で、2030年までに稼働する予定です。

「EMIS-3の良いところは、さらなる開発のための非常に強固なプラットフォームであることです」とオークリッジの濃縮科学工学部門の安定同位体研究、開発、生産セクションの責任者であるブライアン・イーグルは述べた。 「これは非常にモジュール式であり、それにより設計に多くの柔軟性が与えられます。周期表全体を見るとき、柔軟性は非常に重要です。さまざまな毒性や危険に対して追加の安全工学制御を追加する必要がある場合、それは簡単に行うことができます。」 」

出典: ORNL