Синтез драгоценных металлов - Synthesis of precious metals

Синтез драгоценных металлов включает в себя использование либо ядерных реакторов или ускорителей частиц для производства этих элементов.

Драгоценные металлы, образующиеся в виде продуктов деления

Рутений, родий

Рутений и родий являются драгоценными металлами , полученные в виде небольшого процента продуктов деления от ядерного деления из урана . Самые длинные периоды полураспада этих радиоактивных изотопов этих элементов , порожденных ядерного деления являются 373.59 дней для рутении и 45 дней для родия. Это делает возможным извлечение нерадиоактивного изотопа из отработавшего ядерного топлива после нескольких лет хранения, хотя перед использованием экстракт необходимо проверить на радиоактивность.

Радиоактивность в МБк на грамм каждого из металлов платиновой группы, образующихся при делении урана. Из представленных металлов рутений является наиболее радиоактивным. Палладий имеет почти постоянную активность из-за очень длительного периода полураспада синтезированного 107 Pd, в то время как родий является наименее радиоактивным.

Рутений

См. Также: Увеличение радиоактивности в воздухе в Европе осенью 2017 г.

Каждый килограмм продуктов деления 235 U будет содержать 63,44 грамма изотопов рутения с периодом полураспада более суток. Поскольку типичное отработанное ядерное топливо содержит около 3% продуктов деления, одна тонна отработанного топлива будет содержать около 1,9 кг рутения. 103 Ru и 106 Ru будет оказывать рутений деление очень радиоактивны. Если деление происходит мгновенно, то образованный таким образом рутений будет иметь активность за счет 103 Ru, равную 109 ТБк г -1 и 106 Ru, равную 1,52 ТБк г -1 . 103 Ru имеет период полураспада около 39 дней, что означает, что в течение 390 дней он будет эффективно распадаться до единственного стабильного изотопа родия, 103 Rh, задолго до того, как может произойти какая-либо переработка. 106 Ru имеет период полураспада около 373 дней, что означает, что если топливо оставить охлаждаться в течение 5 лет перед переработкой, останется только около 3% от первоначального количества; остальное распадется.

Родий

Это можно извлечь из родия отработанного ядерного топлива : 1 кг продуктов деления в 235 U содержит 13,3 граммов 103 Rh. При 3% продуктов деления по весу одна тонна отработанного топлива будет содержать около 400 граммов родия. Самый долгоживущий радиоизотоп родия - 102m Rh с периодом полураспада 2,9 года, в то время как основное состояние ( 102 Rh) имеет период полураспада 207 дней.

Каждый килограмм делящегося родия будет содержать 6,62 нг 102 Rh и 3,68 нг 102m Rh. Поскольку 102 Rh распадается в результате бета-распада до 102 Ru (80%) ( произойдет некоторая эмиссия позитронов ) или 102 Pd (20%) ( генерируются некоторые гамма- кванты с энергией около 500 кэВ), возбужденное состояние распадается в результате бета-распада ( электронный захват) до 102 Ru ( генерируются некоторые гамма- кванты с энергией около 1 МэВ). Если деление происходит мгновенно, то 13,3 грамма родия будут содержать 67,1 МБк (1,81 мКи) 102 Rh и 10,8 МБк (291 мкКи) 102m Rh. Поскольку выдерживать отработанное ядерное топливо в течение примерно пяти лет перед переработкой является нормальным явлением, большая часть этой активности распадается, оставляя 4,7 МБк для 102 Rh и 5,0 МБк для 102 млн Rh. Если металлический родий оставить на 20 лет после деления, 13,3 грамма металлического родия будут содержать 1,3 кБк 102 Rh и 500 кБк 102m Rh. Среди этих драгоценных металлов самая высокая цена на родий (25 000 долл. США за кг в 2015 г.), но необходимо учитывать стоимость отделения родия от других металлов.

Палладий

Палладий также производится делением ядер в небольших количествах, составляющих 1 кг на тонну отработавшего топлива. В отличие от родия и рутения, палладий имеет радиоактивный изотоп 107 Pd с очень длительным периодом полураспада (6,5 миллионов лет), поэтому полученный таким образом палладий имеет очень низкую радиоактивную интенсивность. В смеси с другими изотопами палладия, извлеченного из отработавшего топлива, это дает мощность дозы радиоактивного излучения 7,207 × 10 -5 Ки , что значительно ниже безопасного уровня 1 × 10 -3 Ки. Кроме того, 107 Pd имеет очень низкую энергию распада, всего 33 кэВ, и поэтому вряд ли представляет опасность, даже если он чистый.

Серебряный

Серебро образуется в результате ядерного деления в небольших количествах (примерно 0,1%). Подавляющее большинство производимого серебра - это стабильный Ag-109 и Ag 111, который очень быстро распадается с образованием Cd 111. Единственным радиоактивным изотопом со значительным периодом полураспада является Ag-108m (418 лет), но он образуется только в следовые количества. После непродолжительного хранения произведенное Серебро почти полностью стабильно и безопасно в использовании. Из-за скромной цены на серебро извлечение только серебра из высокорадиоактивных продуктов деления было бы неэкономичным. При извлечении рутением, родием и палладием (цена серебра в 2011 году: около 880 евро / кг; родий и рутений: около 30 000 евро / кг) экономические показатели существенно меняются: серебро становится побочным продуктом извлечения платиноидного металла из отходов деления и предельные затраты на переработку побочного продукта могут быть конкурентоспособными.

Драгоценные металлы, полученные облучением

Рутений

Помимо того, что уран является продуктом деления урана, как описано выше, еще один способ производства рутения - это начать с молибдена , цена которого составляет в среднем от 10 до 20 долларов за кг, в отличие от рутения, который стоит 1860 долларов за кг. Изотоп 100 Mo, содержание которого в природном молибдене составляет 9,6%, можно превратить в 101 Mo с помощью облучения медленными нейтронами . У 101 Mo и его дочернего продукта 101 Tc период полураспада бета-распада составляет примерно 14 минут. Конечный продукт - стабильный 101 Ru. В качестве альтернативы, он может быть получен путем инактивации нейтронов от 99 Тс ; полученные 100 Tc имеют период полураспада 16 секунд и распадаются до стабильных 100 Ru.

Родий

Помимо того, что уран является продуктом деления урана, как описано выше, другой способ производства родия - это начать с рутения , который стоит 1860 долларов за кг, что намного ниже, чем у родия 765 188 долларов за кг. Изотоп 102 Ru, который составляет 31,6% природного рутения, может быть преобразован в 103 Ru путем облучения медленными нейтронами . 103 Ru затем распадается до 103 Rh посредством бета-распада с периодом полураспада 39,26 дня. Изотопы от 98 Ru до 101 Ru, которые вместе образуют 44,2% природного рутения, также могут быть преобразованы в 102 Ru, а затем в 103 Ru и затем 103 Rh посредством множественных захватов нейтронов в ядерном реакторе.

Рений

Стоимость рения по состоянию на январь 2010 г. составляла 6250 долларов США / кг; Напротив, вольфрам очень дешев, по состоянию на июль 2010 года его цена составляла менее 30 долларов за кг. Изотопы 184 Вт и 186 Вт вместе составляют примерно 59% природного вольфрама. Облучение медленными нейтронами может преобразовать эти изотопы в 185 Вт и 187 Вт, которые имеют период полураспада 75 дней и 24 часа, соответственно, и всегда претерпевают бета-распад до соответствующих изотопов рения. Затем эти изотопы можно было бы дополнительно облучить, чтобы превратить их в осмий (см. Ниже), что еще больше повысит их ценность. Кроме того, 182 Вт и 183 Вт, которые вместе образуют 40,8% встречающегося в природе вольфрама, могут путем многократного захвата нейтронов в ядерном реакторе быть преобразованы в 184 Вт, которые затем могут быть преобразованы в рений.

Осмий

Стоимость осмия по состоянию на январь 2010 года составляла 12 217 долларов за килограмм, что примерно вдвое превышает цену рения , который стоит 6250 долларов за килограмм. Рений имеет два встречающихся в природе изотопа: 185 Re и 187 Re. Облучение медленными нейтронами преобразовало бы эти изотопы в 186 Re и 188 Re, период полураспада которых составляет 3 дня и 17 часов соответственно. Преобладающий путь распада для обоих этих изотопов - бета-минус распад на 186 Os и 188 Os.

Иридий

Стоимость иридия по состоянию на январь 2010 г. составляла 13 117 долларов за кг, что несколько выше, чем стоимость осмия (12 217 долларов за кг). Изотопы 190 Os и 192 Os вместе составляют примерно 67% природного осмия. Облучение медленными нейтронами может преобразовать эти изотопы в 191 Os и 193 Os, которые имеют период полураспада 15,4 и 30,11 дня соответственно и всегда претерпевают бета-распад до 191 Ir и 193 Ir соответственно. Кроме того, от 186 Os до 189 Os можно преобразовать в 190 Os в результате многократного захвата нейтронов в ядерном реакторе, а затем в иридий. Затем эти изотопы можно подвергнуть дальнейшему облучению, чтобы превратить их в платину (см. Ниже), что еще больше повысит их ценность.

Платина

Стоимость платины по состоянию на октябрь 2014 года составляла 39 900 долларов за килограмм, что делает ее такой же дорогой, как и родий . Иридий , напротив, имеет только половину стоимости платины (18 000 долларов за кг). Иридий имеет два встречающихся в природе изотопа: 191 Ir и 193 Ir. Облучение медленными нейтронами преобразовало бы эти изотопы в 192 Ir и 194 Ir с короткими периодами полураспада 73 дня и 19 часов соответственно; преобладающим путем распада обоих этих изотопов является бета-минус распад на 192 Pt и 194 Pt.

Золото

Хризопея , искусственное производство золота , является символической целью алхимии . Такая трансмутация возможна в ускорителях частиц или ядерных реакторах, хотя стоимость производства в настоящее время во много раз превышает рыночную цену золота. Поскольку существует только один стабильный изотоп золота, 197 Au, ядерные реакции должны создать этот изотоп, чтобы получить золото, пригодное для использования.

Синтез золота в ускорителе

Синтез золота в ускорителе частиц возможен по-разному. Расщепления источник нейтронов имеет цель жидкой ртути , которая будет превращается в золото, платину, иридий и, которые ниже в атомный номер , чем ртуть.

Синтез золота в ядерном реакторе

Золото было синтезировано из ртути нейтронной бомбардировкой в ​​1941 году, но все полученные изотопы золота были радиоактивными . В 1924 году японский физик Хантаро Нагаока совершил такой же подвиг.

Золото может быть изготовлено в настоящее время в ядерном реакторе за счет облучения либо платины или ртути.

Только изотоп ртути 196 Hg, который встречается с частотой 0,15% в природной ртути, может быть преобразован в золото путем медленного захвата нейтронов и после захвата электрона распадется на единственный стабильный изотоп золота, 197 Au. Когда другие изотопы ртути облучаются медленными нейтронами, они также подвергаются нейтронному захвату, но либо превращаются друг в друга, либо бета-распадом в изотопы таллия 203 Tl и 205 Tl.

Используя быстрые нейтроны , изотоп ртути 198 Hg, который составляет 9,97% естественной ртути, может быть преобразован путем отщепления нейтрона и превращения в 197 Hg, который затем распадается на стабильное золото. Эта реакция, однако, имеет меньшее сечение активации и возможна только в немодерируемых реакторах.

Также возможно выбросить несколько нейтронов с очень высокой энергией в другие изотопы ртути с образованием 197 Hg. Однако такие высокоэнергетические нейтроны могут быть получены только на ускорителях элементарных частиц .

В 1980 году Гленн Сиборг преобразовал несколько тысяч атомов висмута в золото в лаборатории Лоуренса Беркли. Его экспериментальная техника позволила удалить протоны и нейтроны из атомов висмута. Техника Сиборга была слишком дорогой, чтобы обеспечить рутинное производство золота, но его работа еще ближе всего к подражанию мифическому Философскому Камню .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки