En ny metod utvecklad vid Oak Ridge National Laboratory bevisar att ett försöks skräp är en annans värdefulla isotop.

En av biprodukterna från Department of Energy labs nationella plutonium-238-produktionsprogram är promethium-147, en sällsynt isotop som används i kärnkraftsbatterier och för att mäta tjockleken på material.

Det är svårt och kostsamt att göra sig av med avfall som innehåller radioaktiva ämnen som blir över efter att neptunium-237-mål bestrålats i högflödesisotopreaktorn, en DOE Office of Science-användaranläggning, att producera Pu-238 för rymdutforskning. Men förra året, ett nytt ORNL-projekt för DOE-isotopprogrammet började bryta Pm-147 från fissionsprodukterna som lämnades när Pu-238 separeras från målet.

Detta arbetes primära mål är att återupprätta inhemsk produktion av Pm-147, som är en bristvara, och det har en sidofördel:att minska koncentrationerna av radioaktiva ämnen i avfallet, så att den kan kasseras på ett säkert sätt på enklare, billigare sätt både nu och i framtiden.

"I processen att återställa en värdefull produkt som DOE Isotope Program vill ha, vi insåg att vi kan minska våra destruktionskostnader, " sa ORNLs Richard Mayes, gruppledare för Emerging Isotope Research. "Det finns viss synergi."

Pm-147 är inte den enda värdefulla metallen i Pu-238 produktionsavfallsströmmen som är av intresse för DOE Isotope Program, men det är det första Mayes team som framgångsrikt har extraherat. ORNLs Susan Hogle skrev det ursprungliga förslaget att bryta Pm-147 från Pu-238-avfall och tillhandahåller beräkningsstöd som beskriver potentiella isotoper som finns i lösningen, och Mayes har arbetat med Lætitia Delmau, interim gruppledare för Radiochemical Separations Science Group på ORNL, att utveckla en process för att extrahera och rena den.

"För närvarande, vi är de enda tillverkarna av Pm-147 i USA, och det finns en marknad för det, " sa Mayes. Forskning indikerar att det kan ha ytterligare tillämpningar inom medicinsk bildbehandling och som en radioisotop för att generera kraft för rymdsonder.

Medan Pu-238 Supply Program finansieras av NASA och hanteras av DOE:s kontor för kärnenergi, återvinningen av Pm-147 finansieras av DOE Isotope Program inom DOE:s Office of Science.

ORNL bedriver också forskning för DOE Isotope Program där neodym-146 bestrålas i High Flux Isotope Reactor, eller HFIR för att göra Pm-147. Denna process skulle ge ett nytt alternativ, stärka den inhemska försörjningskedjan för denna viktiga isotop, och minska USA:s beroende av en enda utländsk leverans.

Mayes teams ansträngningar är knutna till produktionsschemat för Pu-238, som för närvarande är mellan två och fyra bearbetningscykler per år. De uppskattar att det finns ungefär hundratals curies av Pm-147 i varje batch. Arbetar i skift dygnet runt i flera dagar, teamet använder heta celler i ORNL:s Radiochemical Engineering Development Center, eller REDC, för att isolera en koncentrerad sats av Pm-147 från lösningen av Pu-238-biprodukter.

Den satsen överförs sedan till en avskärmad grotta — en mindre typ av het cell — vid REDC, där den är renad och redo att skickas till DOE Isotope Program-kunder. Processen innebär några månaders ansträngning och runt 20 personer.

Teamet kommer att ägna nästa år åt att demonstrera om återvinningen av Pm-147 från Pu-238-biprodukter är hållbar. Om så är fallet, projektet bör växa tillsammans med Pu-238-programmet. Laboratoriets mål är att producera tillräckligt med Pu-238 för att ge 1,5 kilo plutoniumoxid per år, för att möta NASA:s krav på djupa rymdresor. ORNL-producerad plutoniumoxid finns ombord på Perseverance-rovern som nu utforskar Mars.

Delmau, som är specialiserad på radiokemiska separationer, nämnda Pm-147 är ett av ungefär ett dussin element kvar efter bearbetning av Pu-238, och att isolera enskilda element kräver arbete.

"Separationen av lantanider från varandra och från trevärda aktinider har varit en utmaning i decennier, " sa hon. "När grundämnen har samma kemiska egenskaper, det kan vara väldigt svårt att välja ut en."

Just nu, Pm-147 är den enda isotopen som skördas från avfallsströmmen, men en viktig sidovinst med projektet kan i slutändan vara en avsevärd minskning av mängden transuranmaterial som labbet måste göra sig av med. Mayes sa att framgångsrika ansträngningar med Pm-147 kan leda till utvinning av annat material vid ORNL.

"Vi har en avfallsström som har värdefulla produkter i sig - produkter som kan ha många användningsområden, ", sade han. "Våra nationella labb har resurserna och erfarenheten för att säkert och effektivt isolera dem."