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May 08, 2023

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Pour rendre les États-Unis autosuffisants en éléments exotiques rares, l'Oak Ridge

Pour rendre les États-Unis autosuffisants en éléments exotiques rares, le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) a développé un séparateur d'isotopes électromagnétiques (EMIS) de dernière génération pour récolter des isotopes stables sur l'ensemble du tableau périodique.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les scientifiques travaillant sur ce qui est devenu le projet Manhattan pour développer la première bombe atomique au monde pour les alliés avaient besoin d'un moyen de séparer l'isotope fissile uranium-235 de l'isotope non fissile uranium-238. Avec des ressources essentiellement illimitées, à l'exception du temps, ils ont essayé plusieurs techniques différentes, dont l'une était une dérivation du cyclotron appelé le cyclotron (calutron) de l'Université de Californie.

Le calutron fonctionnait en induisant une charge électrique dans les atomes gazeux puis en les accélérant dans un champ électrique. Ces atomes en vitesse sont ensuite déviés par un champ magnétique. L'astuce est que plus l'atome est lourd, moins il est dévié. Dans le cas de l'uranium, les atomes d'U²³⁸ Les atomes d'U²³⁵ dévient moins que les atomes d'U²³⁵, les séparant.

Si cette méthode de production d'uranium fissile a été largement abandonnée au profit d'autres méthodes après la guerre, le principe a été développé par l'ORNL pour produire des isotopes stables. C'est-à-dire des échantillons purs d'isotopes spécifiques qui sont complètement non radioactifs. Ceux-ci sont utilisés dans une grande variété d'applications, y compris la gestion de l'eau et des sols, les études environnementales, l'évaluation nutritionnelle et la médecine légale.

Cependant, l'ORNL a fermé son calutron de l'ère de Manhattan en 1998, rendant les États-Unis dépendants de sources étrangères pour ces isotopes difficiles à produire afin de reconstituer les approvisionnements nationaux en baisse. Le premier d'entre eux a produit 500 milligrammes de l'isotope rare ruthénium-96 en 2018, qui n'était disponible nulle part dans le monde.

Aujourd'hui, les dernières unités EMIS-3 de troisième génération à Oak Ridge peuvent surpasser les anciens calutrons, qui étaient un peu capricieux. Ils avaient du mal à résoudre la différence entre les isotopes qui étaient proches les uns des autres en masse et ne pouvaient parfois séparer que tous les autres isotopes dans une séquence. Cela signifiait que les isotopes devaient être traités et retraités par lots pour obtenir une séparation appropriée.

Les nouvelles machines sont bien meilleures dans ce domaine et peuvent traiter des éléments à l'extrémité la plus lourde du tableau périodique, comme l'ytterbium-176, qui est utilisé en médecine nucléaire et en radiologie. D'autres isotopes d'ytterbium sont également utilisés en informatique quantique.

De plus, l'EMIS-3 peut séparer différents isotopes simultanément, car chaque unité EMIS peut fonctionner indépendamment au lieu de devoir être accrochée l'une à l'autre en séquence pour faire le travail. Ils peuvent également être reconfigurés en quelques semaines, contrairement aux séparateurs d'isotopes à centrifugation gazeuse (GCIS) qui prennent des années.

Une nouvelle installation SIGE est en construction et devrait être opérationnelle d'ici 2030.

"La bonne chose à propos d'EMIS-3 est qu'il s'agit d'une plate-forme très solide pour un développement ultérieur", a déclaré Brian Egle, responsable de la section de recherche, de développement et de production d'isotopes stables de la division Science et ingénierie de l'enrichissement d'Oak Ridge. "Il est extrêmement modulaire, ce qui donne à la conception une grande flexibilité. Lorsque vous examinez l'ensemble du tableau périodique, la flexibilité est très importante. Si nous devons ajouter des contrôles techniques de sécurité supplémentaires pour différentes toxicités ou dangers, cela se fait facilement. "

Source : ORNL