Wat normaal als nucleaire afvalstroom eindigt, bevat atomen waar wetenschappers nauwelijks aan kunnen komen. Een Amerikaans kernlaboratorium weet nu 95 procent van het einsteinium terug te winnen en produceert fermium met een zuiverheid van bijna 99,93 procent.
Het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) heeft zijn productie van californium-252 aangegrepen om enkele extreem zeldzame radio-isotopen terug te winnen. Het gaat onder meer om berkelium, einsteinium en fermium: materialen waarvan tijdens een volledige productiecampagne soms niet meer dan enkele picogrammen ontstaan.
ORNL is de enige producent van californium-252 in de westerse wereld. Deze krachtige neutronenbron kent verschillende toepassingen, waaronder het opstarten van kernreactoren. Maar tijdens de productie ontstaan óók andere radio-isotopen. Die bijproducten zijn voor onderzoekers bijzonder waardevol.
Zelfs een biljoenste gram is al de moeite waard
Een campagne levert milligrammen berkelium-249 en microgrammen einsteinium-253/254 op. Van fermium-257 ontstaan slechts picogrammen – een picogram is een biljoenste gram.
Juist omdat deze isotopen wereldwijd zo beperkt beschikbaar zijn, kunnen zelfs zulke hoeveelheden wetenschappelijk interessant zijn. Onderzoek met minuscule hoeveelheden berkelium leverde eerder al verrassende inzichten op in de chemie van zware elementen.
Voor berkelium voegden de onderzoekers daarom een extra kolomscheiding toe. Ook de scheiding van einsteinium werd verbeterd. Tijdens de laatste campagne kon bij iedere kolomrun uiteindelijk 95 procent van het einsteinium worden teruggewonnen.
Fermium met 99,93 procent zuiverheid
Nog opvallender is het resultaat met fermium-257. ORNL-onderzoeker Cristian Celis-Barros verving de hars in een scheidingskolom om fermium en einsteinium beter van elkaar te scheiden. Het uiteindelijke materiaal bereikte een chemische zuiverheid van bijna 99,93 procent.
De winst zit niet alleen in de opbrengst. Eenvoudigere en efficiëntere scheidingsprocessen betekenen dat medewerkers minder handelingen met sterk radioactief materiaal hoeven uit te voeren. Daarmee kan ook hun blootstelling aan straling worden beperkt.
Opent deur naar nieuwe ontdekkingen
De terugwinning kan bovendien fundamenteel onderzoek versnellen. Over fermium, dat in 1952 werd ontdekt, is relatief weinig experimentele chemische kennis beschikbaar. Niet omdat het element oninteressant is, maar vooral omdat onderzoekers nauwelijks aan geschikte atomen kunnen komen.
Oak Ridge liet eerder al zien wat een kleine hoeveelheid materiaal kan betekenen. Berkelium-249 uit het laboratorium werd gebruikt bij de ontdekking van element 117, tennessine. ORNL-materialen speelden ook een rol bij onderzoek naar andere superzware elementen.
De volgende productiecampagne voor californium-252 staat gepland voor 2027. ORNL wil de terugwinning dan verder verbeteren. Daarmee verandert een nucleaire reststroom steeds meer in een grondstof voor onderzoek naar de uiterste grenzen van het periodiek systeem.
