Synteza metali szlachetnych - Synthesis of precious metals

Synteza metali szlachetnych obejmuje stosowanie obu reaktorów lub akceleratorach cząstek do wytwarzania tych elementów.

Metale szlachetne występujące jako produkty rozszczepienia

Ruten, rod

Ruten i rod, są metale szlachetne, powstające w niewielkim procencie produktów rozszczepienia z rozszczepienia jądrowego z uranu . Najdłuższe czasy półtrwania tych radioizotopów tych elementów wytwarzanych przez rozszczepienie jądrowego są 373.59 dni dla rutenu i 45 dni dla rodu. Umożliwia to ekstrakcję nieradioaktywnego izotopu ze zużytego paliwa jądrowego po kilku latach przechowywania, chociaż ekstrakt musi być sprawdzony pod kątem radioaktywności przed użyciem.

Radioaktywność w MBq na gram każdego z metali z grupy platynowców, które powstają w wyniku rozszczepienia uranu. Spośród przedstawionych metali najbardziej radioaktywny jest ruten. Pallad ma prawie stałą aktywność, ze względu na bardzo długi okres półtrwania zsyntetyzowanego ¹⁰⁷ Pd, podczas gdy rod jest najmniej radioaktywny.

Ruten

Każdy kilogram produktów rozszczepienia ²³⁵ U będzie zawierał 63,44 gramy izotopów rutenu o okresie półtrwania dłuższym niż jeden dzień. Ponieważ typowe zużyte paliwo jądrowe zawiera około 3% produktów rozszczepienia, jedna tona zużytego paliwa będzie zawierać około 1,9 kg rutenu. ¹⁰³ Ru i ¹⁰⁶ Ru uczyni ruten rozszczepienie bardzo radioaktywnego. Jeśli rozszczepienie nastąpi w jednej chwili, wówczas tak powstały ruten będzie miał aktywność dzięki ¹⁰³ Ru przy 109 TBq g- ¹ i ¹⁰⁶ Ru przy 1,52 TBq g- ¹ . ¹⁰³ Ru ma okres półtrwania około 39 dni, co oznacza, że ​​w ciągu 390 dni ulegnie efektywnemu rozkładowi do jedynego stabilnego izotopu rodu, ¹⁰³ Rh, na długo przed ewentualnym ponownym przetwarzaniem. ¹⁰⁶ Ru ma okres półtrwania około 373 dni, co oznacza, że ​​jeśli paliwo pozostawi się do ostygnięcia przez 5 lat przed ponownym przetworzeniem, pozostanie tylko około 3% pierwotnej ilości; reszta ulegnie rozkładowi.

Rod

Możliwe jest rod ekstraktu z zużytego paliwa jądrowego : 1 kg produktów rozszczepienia z ²³⁵ U zawiera 13,3 g ¹⁰³ Rh. Przy 3% wagowo produktów rozszczepienia jedna tona zużytego paliwa będzie zawierać około 400 gramów rodu. Najdłużej żyjący radioizotop rodu to ^{102 m} Rh z okresem półtrwania 2,9 roku, podczas gdy stan podstawowy ( ¹⁰² Rh) ma okres półtrwania 207 dni.

Każdy kilogram rodu rozszczepionego będzie zawierał 6,62 ng ¹⁰² Rh i 3,68 ng ^{102 m} Rh. Ponieważ ¹⁰² Rh rozpada się przez rozpad beta do ¹⁰² Ru (80%) ( wystąpi pewna emisja pozytonów ) lub ¹⁰² Pd (20%) ( generowane są niektóre fotony promieniowania gamma o około 500 keV), a stan wzbudzony rozpada się przez rozpad beta ( wychwyt elektronów) do ¹⁰² Ru ( generowane są fotony promieniowania gamma o mocy około 1 MeV). Jeśli rozszczepienie nastąpi natychmiast, 13,3 grama rodu będzie zawierało 67,1 MBq (1,81 mCi) ¹⁰² Rh i 10,8 MBq (291 μCi) ^{102 m} Rh. Ponieważ normalne jest pozostawienie zużytego paliwa jądrowego na około pięć lat przed ponownym przetworzeniem, duża część tej aktywności zaniknie, pozostawiając 4,7 MBq ¹⁰² Rh i 5,0 MBq ^{102 m} Rh. Gdyby metaliczny rod został następnie pozostawiony na 20 lat po rozszczepieniu, 13,3 grama metalicznego rodu zawierałoby 1,3 kBq ¹⁰² Rh i 500 kBq ^{102 m} Rh. Rod ma najwyższą cenę spośród tych metali szlachetnych (25 000 USD/kg w 2015 r.), ale należy wziąć pod uwagę koszt oddzielenia rodu od innych metali.

Paladium

Pallad jest również produkowany przez rozszczepienie jądrowe w niewielkich ilościach, wynoszących 1 kg na tonę wypalonego paliwa. W przeciwieństwie do rodu i rutenu, pallad ma radioaktywny izotop ¹⁰⁷ Pd, o bardzo długim okresie półtrwania (6,5 miliona lat), więc wytworzony w ten sposób pallad ma bardzo niską intensywność radioaktywności. Zmieszany z innymi izotopami palladu odzyskanymi z wypalonego paliwa daje to radioaktywną dawkę 7,207 x ^10-5 Ci , która jest znacznie poniżej bezpiecznego poziomu 1 x ^10-3 Ci. Ponadto ¹⁰⁷ Pd ma bardzo niską energię rozpadu, wynoszącą tylko 33 keV, więc jest mało prawdopodobne, aby stanowiła zagrożenie, nawet jeśli byłaby czysta.

Srebro

Srebro powstaje w wyniku rozszczepienia jądrowego w niewielkich ilościach (około 0,1%). Zdecydowana większość produkowanego srebra to Ag-109, który jest stabilny, oraz Ag 111, który rozkłada się bardzo szybko, tworząc Cd 111. Jedynym radioaktywnym izotopem o znaczącym okresie półtrwania jest Ag-108m (418 lat), ale powstaje tylko w śladowe ilości. Po krótkim okresie przechowywania wyprodukowane srebro jest prawie całkowicie stabilne i bezpieczne w użyciu. Ze względu na skromną cenę srebra wydobycie samego srebra z wysoce radioaktywnych produktów rozszczepienia byłoby nieopłacalne. Po odzyskaniu za pomocą rutenu, rodu i palladu (cena srebra w 2011 r.: około 880 €/kg; rod; i ruten: około 30 000 €/kg) ekonomia znacznie się zmienia: srebro staje się produktem ubocznym odzyskiwania metali platynoidowych z odpadów rozszczepienia i krańcowy koszt przetwarzania produktu ubocznego może być konkurencyjny.

Metale szlachetne wytwarzane przez napromienianie

Ruten

Oprócz tego, że jest produktem rozszczepienia uranu, jak opisano powyżej, innym sposobem produkcji rutenu jest rozpoczęcie od molibdenu , którego średnia cena wynosi od 10 do 20 USD/kg, w przeciwieństwie do 1860 USD/kg rutenu. Izotop ¹⁰⁰ Mo, który zawiera 9,6% naturalnego molibdenu, może zostać przekształcony w ¹⁰¹ Mo przez powolne napromieniowanie neutronami . ¹⁰¹ Mo i jego produkt potomny , ¹⁰¹ Tc, mają okres połowicznego rozpadu beta wynoszący około 14 minut. Produkt końcowy jest stabilny ¹⁰¹ Ru. Alternatywnie, może być wytwarzany przez inaktywację neutronów o ⁹⁹ Tc ; powstałe ¹⁰⁰ Tc ma okres półtrwania 16 sekund i rozpada się do stabilnego ¹⁰⁰ Ru.

Rod

Oprócz tego, że jest to produkt rozszczepienia uranu, jak opisano powyżej, innym sposobem produkcji rodu jest rozpoczęcie od rutenu , którego cena wynosi 1860 USD/kg, czyli znacznie mniej niż 765 188 USD/kg rodu. Izotop ¹⁰² Ru, który stanowi 31,6% naturalnego rutenu, może zostać przekształcony w ¹⁰³ Ru przez powolne napromieniowanie neutronami . ¹⁰³ Ru rozpada się następnie do ¹⁰³ Rh poprzez rozpad beta, z okresem półtrwania 39,26 dni. Izotopy ⁹⁸ Ru do ¹⁰¹ Ru, które razem tworzą 44,2% naturalnego rutenu, mogą być również transmutowane do ¹⁰² Ru, a następnie do ¹⁰³ Ru, a następnie ¹⁰³ Rh, poprzez wielokrotne wychwytywanie neutronów w reaktorze jądrowym.

Ren

Koszt renu w styczniu 2010 r. wynosił 6250 USD/kg; z kolei wolfram jest bardzo tani, z ceną poniżej 30 USD/kg w lipcu 2010 r. Izotopy ¹⁸⁴ W i ¹⁸⁶ W razem stanowią około 59% naturalnie występującego wolframu. Napromieniowanie wolnymi neutronami może przekształcić te izotopy w ¹⁸⁵ W i ¹⁸⁷ W, które mają okres półtrwania odpowiednio 75 dni i 24 godziny i zawsze ulegają rozpadowi beta do odpowiednich izotopów renu. Te izotopy można następnie napromieniować w celu przekształcenia ich w osm (patrz poniżej), zwiększając ich wartość. Ponadto, ¹⁸² W i ¹⁸³ W, które razem tworzą 40,8% naturalnie występującego wolframu, mogą, poprzez wielokrotne wychwytywanie neutronów w reaktorze jądrowym, zostać transmutowane w ¹⁸⁴ W, które następnie mogą zostać przekształcone w ren.

Osm

Koszt osmu w styczniu 2010 r. wynosił 12 217 USD za kilogram, co oznacza, że ​​jest mniej więcej dwa razy wyższy niż cena renu , który jest wart 6250 USD/kg. Ren ma dwa naturalnie występujące izotopy, ¹⁸⁵ Re i ¹⁸⁷ Re. Napromieniowanie przez powolne neutrony przekształciłoby te izotopy w ¹⁸⁶ Re i ¹⁸⁸ Re, których okres półtrwania wynosi odpowiednio 3 dni i 17 godzin. Dominującym rozpad droga dla obu tych izotopów jest rozpad beta minus do ¹⁸⁶ Os i ¹⁸⁸ Os.

Iryd

Koszt irydu w styczniu 2010 r. wynosił 13 117 USD/kg, nieco więcej niż koszt osmu (12 217 USD/kg). Izotopy ¹⁹⁰ Os i ¹⁹² Os razem stanowią około 67% naturalnie występującego osmu. Napromieniowanie wolnymi neutronami może przekształcić te izotopy w ¹⁹¹ Os i ¹⁹³ Os, które mają okresy półtrwania odpowiednio 15,4 i 30,11 dni i zawsze ulegają rozpadowi beta do odpowiednio ¹⁹¹ Ir i ¹⁹³ Ir. Ponadto ¹⁸⁶ Os do ¹⁸⁹ Os może zostać przekształcone w ¹⁹⁰ Os poprzez wielokrotne wychwytywanie neutronów w reaktorze jądrowym, a następnie w iryd. Te izotopy można następnie napromieniować w celu przekształcenia ich w platynę (patrz poniżej), co dodatkowo zwiększy ich wartość.

Platyna

Koszt platyny w październiku 2014 r. wynosił 39 900 USD za kilogram, co czyniło ją równie kosztowną jak rod . Z kolei iryd ma tylko połowę wartości platyny (18 000 USD/kg). Iryd ma dwa naturalnie występujące izotopy, ¹⁹¹ Ir i ¹⁹³ Ir. Napromieniowanie przez powolne neutrony przekształciłoby te izotopy w ¹⁹² Ir i ¹⁹⁴ Ir, z krótkim okresem półtrwania wynoszącym odpowiednio 73 dni i 19 godzin; przeważającym ścieżka zaniku obu tych izotopów jest beta-minus rozpad w ¹⁹² Pt i ¹⁹⁴ Pt.

Złoto

Chryzopea , sztuczna produkcja złota , jest symbolicznym celem alchemii . Taka transmutacja jest możliwa w akceleratorach cząstek lub reaktorach jądrowych, chociaż koszt produkcji jest obecnie wielokrotnie wyższy niż cena rynkowa złota. Ponieważ istnieje tylko jeden stabilny izotop złota, ¹⁹⁷ Au, reakcje jądrowe muszą wytworzyć ten izotop, aby wytworzyć użyteczne złoto.

Synteza złota w akceleratorze

Synteza złota w akceleratorze cząstek jest możliwa na wiele sposobów. Kruszenia źródło neutronów jest ciekły celu rtęci, która zostanie przekształcona w złoto, platyna, iryd, oraz które są niższe niż w liczbie atomowej rtęci.

Synteza złota w reaktorze jądrowym

Złoto zsyntetyzowano z rtęci przez bombardowanie neutronami w 1941 r., ale wyprodukowane izotopy złota były wszystkie radioaktywne . W 1924 roku japoński fizyk Hantaro Nagaoka dokonał tego samego wyczynu.

Złoto może być obecnie produkowane w reaktorze jądrowym przez napromieniowanie jednej platyny lub rtęcią.

Tylko izotop rtęci ¹⁹⁶ Hg, który występuje z częstotliwością 0,15% w rtęci naturalnej, może zostać przekształcony w złoto przez powolne wychwytywanie neutronów , a po wychwytywaniu elektronów rozpada się na jedyny stabilny izotop złota, ¹⁹⁷ Au. Kiedy inne izotopy rtęci są napromieniowane wolnymi neutronami, również ulegają wychwytywaniu neutronów, ale albo przekształcają się w siebie, albo ulegają rozpadowi beta w izotopy talu ²⁰³ Tl i ²⁰⁵ Tl.

Używając prędkich neutronów , izotop rtęci ¹⁹⁸ Hg, który stanowi 9,97% naturalnej rtęci, może zostać przekształcony poprzez odszczepienie neutronu i stanie się ¹⁹⁷ Hg, który następnie rozpada się na stabilne złoto. Reakcja ta ma jednak mniejszy przekrój aktywacyjny i jest możliwa do wykonania tylko w reaktorach niemoderowanych.

Możliwe jest również wyrzucenie kilku neutronów o bardzo wysokiej energii do innych izotopów rtęci, aby utworzyć ¹⁹⁷ Hg. Jednak takie wysokoenergetyczne neutrony mogą być wytwarzane tylko przez akceleratory cząstek ..

W 1980 roku Glenn Seaborg przekształcił kilka tysięcy atomów bizmutu w złoto w laboratorium Lawrence Berkeley. Jego technika eksperymentalna umożliwiła usunięcie protonów i neutronów z atomów bizmutu. Technika Seaborga była zbyt kosztowna, aby umożliwić rutynową produkcję złota, ale jego praca jest jak dotąd najbardziej zbliżona do naśladowania mitycznego Kamienia Filozoficznego .

Zobacz też

• Transmutacja jądrowa
• Metale szlachetne

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Spalacyjne źródło neutronów
• Merkury 197
• Merkury 197 rozpada się na złoto 197
• Kolarika, Zdenka; Renard, Edouard V. (2005). „Potencjalne zastosowania platynoidów rozszczepienia w przemyśle” (PDF) . Przegląd metali platynowych . 49 (2): 79. doi : 10.1595/147106705X35263 .
• Kolarika, Zdenka; Renard, Edouard V. (2003). „Odzyskiwanie wartości platynoidów rozszczepiania ze zużytego paliwa jądrowego. Część I CZĘŚĆ I: Uwagi ogólne i podstawowa chemia” (PDF) . Przegląd metali platynowych . 47 (2): 74–87.
• Kolarika, Zdenka; Renard, Edouard V. (2003). „Odzyskiwanie wartości platynoidów rozszczepienia ze zużytego paliwa jądrowego. Część II: Proces separacji” (PDF) . Przegląd metali platynowych . 47 (2): 123–131.