改良を続ける電磁同位体分離装置

2023 年 5 月 15 日

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オークリッジ国立研究所による

オークリッジ国立研究所 (ORNL) の電磁同位体分離装置 (EMIS) は、2018 年に世界のどこでも入手できない希少同位体ルテニウム 96 を 500 ミリグラム生産し、歴史に名を残しました。

そして、EMIS技術はますます改良され続けていると、濃縮科学工学部門の安定同位体研究、開発、生産部門の責任者であるブライアン・イーグル氏は述べた。

「本質的に、周期表全体を分離することができる」と彼は言う。

EMIS では、元素がガスの形になって正に帯電した後、磁場にさらされて質量ごとに分離されます。 それぞれの同位体は異なる重量を持ち、わずかに異なる半径でフィールドを通過するため、異なる同位体を個別に収集できます。

この技術は、現在減少しつつある米国の安定同位体の備蓄を生産していたY-12のマンハッタン計画時代のカルトロン施設が1998年に閉鎖されたことによって生じた穴を埋めるために開発された。 EMIS開発は、希少で生産が難しい安定同位体に対する米国の海外供給者への依存を減らすことを目的としている。 EMIS は現在、カルトロンで生成される同位体の品質と同等またはそれを超えることができます。

Egle 氏は 2010 年に ORNL に来て、現在も研究室で使用されている第 1 世代の EMIS に取り組んでいます。 それ以来、彼は第 2 世代と第 3 世代の EMIS に取り組んできましたが、それぞれが前世代よりも優れていると彼は言いました。

オリジナルの EMIS は適切な解像度であらゆる元素の同位体を分離できましたが、第 3 世代のマシンは、核医学や放射線写真で使用される同位体 Yb-176 であるイッテルビウムなど、周期表の重い端にある元素を分離するために最適化されています。

さらに、カルトロンは一連の分離を経て、偶数または奇数のすべての同位体しか捕捉できなかったのに対し、イッテルビウムのすべての同位体を同時に分離することができます。

イーグル氏によると、例えばイッテルビウムの他の同位体は量子メモリに使用されているという。 EMIS-3 はそれらすべてを生成できます。 これまで用途が知られていなかった特定の同位体が将来的に重要になる可能性があるため、これは重要です。

「40年前には標的同位体ではなかったものの在庫があれば、突然将来の科学を可能にするものになる可能性がある」とイーグル氏は語った。 「私たちは、できる限り同位体を決して捨てません。」

カルトロンとは異なり、EMIS は自動化されているため、関連する人件費が削減されることが期待されます。 また、カルトロンは相互に接続されていますが、各 EMIS は独立して実行できるため、複数の同位体を同時に生成できます。たとえば、空港で爆発物の検出に使用されるニッケル 63 などの国家安全保障用同位体と医療用同位体を同時に生成することができます。

「DOEの裁量により、3台のマシンでイッテルビウムを実行し、3台のマシンでニッケルを実行し、1台のマシンで研究に必要な少量の希少同位体を実行することができる」とイーグル氏は述べた。 「それらはすべて独立したマシンであり、同じ施設内で独立したミッションを同時に実行できます。」

EMIS は、安定同位体生産研究センター (SIPRC) の計画に大きく取り上げられています。この施設は現在建設中で、2030 年までに稼働が予定されています。その柔軟性により、実験室の気体遠心分離同位体分離装置 (GCIS) を完全に補完します。複数の同位体を対象に開発中です。 SIPRC でも使用される自給自足型 GCIS は、低コストで大量の同位体を生成できます。 しかし、GCIS がある同位体から別の同位体に切り替えるプロセスには数年かかる場合がありますが、EMIS は数週間である同位体生成から別の同位体に切り替えることができます。

「EMISは、非常に高い濃縮度でミリグラムからグラムのスケールで、周期表全体を比較的迅速に切り替えることができる高い柔軟性を備えた、ブティックなニッチ市場を満たします」とイーグル氏は述べた。

イーグル氏は、EMIS-3の開発は、その生産専用の施設の改修を含む十分な資金と、最初の2世代の開発中にORNLが成長した専門知識と熟練した労働力のおかげで順調に進んだと述べた。

「私たちはこれを本からコピーしただけではありません」と彼は言いました。 「これは私たちが構築した知識であり、次のレベルが何であれ、次のレベルに進むことができる知識ベースです。」

このラボは、EMIS-3 用の ORNL 設計コンポーネントを製造するベンダーとの関係も確立しています。 イーグル氏によると、この技術の部品は近くのブラウント郡にある家族経営の小さなエレクトロニクス会社から来ており、遠くはニュージーランドの電磁石施設からも来ているという。 ベンダーは完全に統合されたモジュールを ORNL に送り、完全なマシンに組み立てられます。

「EMIS-3 の良い点は、これが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 Egle 氏は言います。 「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。」 」

イーグル氏は、次世代の EMIS の可能性、さらに言えば、ORNL の安定同位体プログラム全般について興奮しています。

「安定同位体プログラムは本当に魅力的です。非常に多くの異なることが可能になります。」と彼は言いました。 「職場に来て『がんの治療、基礎科学、国家安全保障に取り組みたいですか？』と言うのです。」 安定同位体プログラムでは、1 日のうちにほとんどすべての物質に触れることができます。それは私たちのスタッフにも見られます。人々は「すごいね、君たちは自分たちのやっていることにとても興奮しているよ」と言います。 このようなミッション空間に興奮するのは簡単です。」

オークリッジ国立研究所提供