Kemisten Kevin Gaddis har anpassat komponenter i ett högtrycks-jonkromatografisystem för att motstå de extrema förhållandena i en het cell. Det pumpdrivna systemet kunde minska tiden som behövs för isotopseparationer med 75 %. Kredit:Carlos Jones/ORNL, USA:s energidepartement
Högtryckjonkromatografi – med hjälp av en högtryckspump för att möjliggöra snabbare separation av joner – är ett av de snabbaste och mest effektiva sätten att göra kemisk separation.
Problemet:Moderna elektroniska HPIC:er är inte byggda för att motstå den höga strålningsmiljön i en het cell eller några av de starka kemiska lösningsmedel som används för att separera radioisotoper från föroreningar.
"Strålningen i en het cell skulle förstöra dessa komponenter, sa Kevin Gaddis, berikad isotopkemitekniker.
Så ORNL-tekniker som bearbetar radioisotoper från bestrålade mål – som aktinium-225 från toriummål – har varit tvungna att förlita sig på en långsammare metod:gravitation. Istället för att använda den elektriska pumpen för att driva lösningar som innehåller biprodukter från det bestrålade toriummålet genom en kolonn, lösningarna matas från toppen, med separationerna som droppar ut.
"Ibland kan det vara tråkigt, " sa Gaddis. "Det tar ett tag."
Gaddis, en av ORNL-forskarna som arbetar med produktionsprojektet Tri-Lab Ac-225 med forskare från Los Alamos och Brookhaven, sökte ett sätt att dra fördel av modern HPIC-teknik för att påskynda produktionen av Ac-225, som det finns stor efterfrågan på på grund av dess användning i cancerbehandlingar.
Kemisten Kevin Gaddis byggde en kontrollpanel för HPIC som använder lufttryck istället för elektronik, så att den kan användas inuti en het cell under bearbetningen av aktinium-225. Kredit:Carlos Jones/ORNL, USA:s energidepartement
De senaste fyra åren, han har byggt en automatiserad HPIC som kan användas i en het cell – och nu har han en testad prototyp, uppfinningspapper och ett patentombud.
"Många företag försöker komma in i separationer, " sa Gaddis - men såvitt han vet, hans HPIC är den enda som är anpassad för användning i en het cell.
Gaddis började med att designa systemet så att datorn och den elektroniska pumpen kunde placeras utanför värmecellen, för att ge operatören tillgång. Han tog bort den del av systemet som kommer att ligga inuti "ned till bara ben, " bygga en förenklad kontrollpanel med luftmanövrerade ventiler för att styra vätskeflödet genom systemet och för att byta kemikalier som pumpas in. Komponenten som håller kolonnerna, som Ac-225 och andra biprodukter flödar in i när de separeras, är utformad så att varje kolumn kan röra sig självständigt utan att träffa en annan när den flyttas av operatören med de automatiska manipulatorarmarna.
"På det sättet, det är väldigt lätt att ladda, och vi kan samla in en ren produkt, " han sa.
Att bearbetningen måste styras av manipulatorarmar, inte av mänskliga händer, presenterade utmaningar i designen. Förutom avståndet mellan pelarna och behovet av lättvridbara ventilomkopplare, locken som tätar kolonnerna måste kunna gängas säkert av manipulatorerna. Det slutade med att Gaddis lät 3D-skriva ut anpassade kepsar på plats.
"Vår nr 1 oro var, "Kan vi fixa en läcka inuti cellen med manipulatorn?" sa Gaddis. "En läcka kan slösa bort eller förorena Ac-225."
Initialt, Kevin Gaddis anpassade HPIC kommer endast att användas för den fjärde av sex separationer i aktinium-225-bearbetning, men han hoppas att det senare kommer att användas för andra separationer - och andra isotoper. Kredit:Carlos Jones/ORNL, USA:s energidepartement
Under testning tidigare i år i en specialiserad mock-up-anläggning för heta celler på ORNL, Gaddis inducerade en läcka och kunde snabbt fixa den med manipulatorn som höll i en skiftnyckel.
Ett test i anläggningen där Gaddis körde kallt vatten genom systemet visade att det kunde utföra det fjärde separationssteget i flerstegsprocessen – avlägsnande av intilliggande lantanider – på 75 procent kortare tid än att använda det gravitationsmatade systemet. Hans forskning presenterades vid en konferens, och han planerar att publicera den också.
"Helst, om vi kan minska separationen från fyra timmar till en timme, vi kan få ut mer produkt, " sa han. "Ac-225 är väldigt efterfrågad, och den har så kort halveringstid - knappt 10 dagar. Timmar har betydelse."
Efter att ha implementerat förslag från flera kollegor med erfarenhet av värmecellsarbete, Gaddis hoppas kunna ha det automatiserade HPIC-systemet installerat i den heta cell som används för produktion av Ac-225 till hösten. Det är också hans förhoppning att systemet kan användas för fler av de sex separationer som krävs för att bearbeta Ac-225 — och, i sista hand, vid separation av andra isotoper.
"Jag skulle gärna raka mer ledigt, "Sade han. "All tid är värdefull."
Gaddis kom till ORNL för fem år sedan efter att ha arbetat som kemitekniker på DuPonts Industrial Biosciences-anläggning i Vonore, Tenn.
"Innan jag någonsin kom till ORNL, Jag bestämde mig för att jag kan jobba på vilket kemijobb som helst, men om jag kan göra något för att antingen hjälpa människor eller hjälpa planeten, Jag skulle gärna göra det, " Sa Gaddis. "Att kunna arbeta med isotoper som används för att bota cancer, HIV, och andra sjukdomar är underbart. Jag blir glad varje dag att gå till jobbet."
