Syntéza drahých kovů - Synthesis of precious metals

Syntéza drahých kovů zahrnuje použití buď jaderných reaktorů nebo urychlovače částic na výrobu těchto prvků.

Vzácné kovy vyskytující se jako štěpné produkty

Ruthenium, rhodium

Ruthenium a rhodium , jsou drahé kovy, vyrobená jako malé procento štěpných produktů z jaderného štěpení z uranu . Nejdelší poločasy těchto radioizotopů těchto prvků vytvořených jaderným štěpením jsou 373.59 dny ruthenia a 45 dní pro rhodia. To umožňuje extrakci neradioaktivního izotopu z vyhořelého jaderného paliva po několika letech skladování, přestože extrakt musí být před použitím zkontrolován na radioaktivitu.

Radioaktivita v MBq na gram každého z kovů skupiny platiny, které vznikají štěpením uranu. Ze zobrazených kovů je nejvíce radioaktivní ruthenium. Palladium má téměř konstantní aktivitu díky velmi dlouhému poločasu syntetizovaného 107 Pd, zatímco rhodium je nejméně radioaktivní.

Ruthenium

Viz také: Zvýšení radioaktivity ve vzduchu v Evropě na podzim 2017

Každý kilogram štěpných produktů 235 U bude obsahovat 63,44 gramů izotopů ruthenia s poloviční životností delší než jeden den. Protože typické použité jaderné palivo obsahuje asi 3% štěpných produktů, jedna tuna použitého paliva bude obsahovat asi 1,9 kg ruthenia. Díky 103 Ru a 106 Ru bude štěpení ruthenia velmi radioaktivní. Pokud ke štěpení dojde v okamžiku, pak takto vytvořené ruthenium bude mít aktivitu díky 103 Ru 109 TBq g −1 a 106 Ru 1,52 TBq g −1 . 103 Ru má poločas rozpadu přibližně 39 dní, což znamená, že během 390 dnů se účinně rozpadne na jediný stabilní izotop rhodia, 103 Rh, a to mnohem dříve, než pravděpodobně dojde k jakémukoli přepracování. 106 Ru má poločas rozpadu přibližně 373 dní, což znamená, že pokud je palivo ponecháno 5 let vychladnout, než dojde k přepracování, zůstanou pouze asi 3% původního množství; zbytek se rozpadne.

Rhodium

Je možné extrahovat rhodium z jaderného paliva : 1 kg štěpných produktů z 235 U obsahuje 13,3 g 103 Rh. Při 3% hmotnostních štěpných produktů bude jedna tuna použitého paliva obsahovat asi 400 gramů rhodia. Nejdelší radioizotop rhodia je 102 m Rh s poločasem 2,9 roku, zatímco základní stav ( 102 Rh) má poločas rozpadu 207 dní.

Každý kilogram štěpného rhodia bude obsahovat 6,62 ng 102 Rh a 3,68 ng 102 m Rh. Protože 102 Rh se rozpadá beta rozpadem buď na 102 Ru (80%) (dojde k nějaké pozitronové emisi ) nebo 102 Pd (20%) ( generují se některé gama paprskové fotony s asi 500 keV) a excitovaný stav se rozpadá beta rozpadem ( zachycení elektronů) na 102 Ru ( generuje se několik fotonů gama záření s přibližně 1 MeV). Pokud ke štěpení dojde v okamžiku, pak 13,3 gramů rhodia bude obsahovat 67,1 MBq (1,81 mCi) 102 Rh a 10,8 MBq (291 μCi) 102m Rh. Protože je normální ponechat použité jaderné palivo před přepracováním asi pět let stát, velká část této činnosti se rozpadne a zůstane 4,7 MBq 102 Rh a 5,0 MBq 102m Rh. Pokud by byl potom rhodiový kov ponechán 20 let po štěpení, 13,3 gramů rhodiového kovu by obsahovalo 1,3 kBq 102 Rh a 500 kBq 102m Rh. Rhodium má nejvyšší cenu těchto drahých kovů (25 000 $/kg v roce 2015), ale je třeba vzít v úvahu náklady na oddělení rhodia od ostatních kovů.

Palladium

Palladium se také vyrábí štěpením jader v malých procentech, což činí 1 kg na tunu vyhořelého paliva. Na rozdíl od rhodia a ruthenia má palladium radioaktivní izotop 107 Pd s velmi dlouhým poločasem rozpadu (6,5 milionu let), takže palladium vyrobené tímto způsobem má velmi nízkou radioaktivní intenzitu. Ve směsi s ostatními izotopy palladia získanými z vyhořelého paliva to dává rychlost radioaktivní dávky 7,207 × 10 −5 Ci , což je hluboko pod bezpečnou úrovní 1 × 10 −3 Ci. Také 107 Pd má velmi nízkou energii rozpadu pouze 33 keV, a proto by bylo nepravděpodobné, že by představovalo nebezpečí, i kdyby bylo čisté.

stříbrný

Stříbro se vyrábí v důsledku jaderného štěpení v malých množstvích (přibližně 0,1%). Drtivá většina vyrobeného stříbra je Ag-109, který je stabilní, a Ag 111, který se velmi rychle rozpadá za vzniku Cd 111. Jediný radioaktivní izotop s významným poločasem rozpadu je Ag-108m (418 let), ale vzniká pouze v r. stopová množství. Po krátké době skladování je vyrobený Silver téměř zcela stabilní a bezpečný pro použití. Kvůli nízké ceně stříbra by byla těžba samotného stříbra z vysoce radioaktivních štěpných produktů neekonomická. Když se získá zpět pomocí ruthenia, rhodia a palladia (cena stříbra v roce 2011: asi 880 EUR/kg; rhodium; a ruthenium: asi 30 000 EUR/kg), ekonomika se podstatně změní: stříbro se stává vedlejším produktem získávání kovů platinoidů ze štěpného odpadu a mezní náklady na zpracování vedlejšího produktu by mohly být konkurenceschopné.

Vzácné kovy vyráběné ozařováním

Ruthenium

Kromě toho, že jde o štěpný produkt uranu, jak je popsáno výše, je dalším způsobem, jak vyrábět ruthenium, začít s molybdenem , jehož cena se pohybuje v průměru mezi 10 a 20 dolary/kg, na rozdíl od 1860 dolarů za kg ruthenia. Izotop 100 Mo, který má množství 9,6% v přírodním molybdenu, lze transmutovat na 101 Mo pomalým neutronovým ozářením. Oba produkty 101 Mo a jeho dceřiný produkt, 101 Tc, mají poločas rozpadu beta přibližně 14 minut. Konečný produkt je stabilní 101 Ru. Alternativně, může být produkován neutrony inaktivace z 99 Tc ; výsledných 100 Tc má poločas rozpadu 16 sekund a rozpadá se na stabilních 100 Ru.

Rhodium

Kromě toho, že jde o štěpný produkt uranu, jak je popsáno výše, je dalším způsobem výroby rhodia začít s rutheniem , jehož cena je 1860 $/kg, což je mnohem nižší cena, než je rhodium 765 188 $/kg. Izotop 102 Ru, který tvoří 31,6% přírodního ruthenia, lze transmutovat na 103 Ru pomalým ozařováním neutronů . 103 Ru se poté rozpadá na 103 Rh prostřednictvím beta rozpadu s poločasem rozpadu 39,26 dne. Izotopy 98 Ru až 101 Ru, které dohromady tvoří 44,2% přírodního ruthenia, lze také transmutovat na 102 Ru a následně na 103 Ru a poté 103 Rh prostřednictvím vícenásobných záchytů neutronů v jaderném reaktoru.

Rhenium

Náklady na rhenium v lednu 2010 činily 6 250 $/kg; Naproti tomu wolfram je velmi levný, s cenou pod 30 USD/kg od července 2010. Izotopy 184 W a 186 W dohromady tvoří zhruba 59% přirozeně se vyskytujícího wolframu. Ozařování pomalými neutrony by mohlo tyto izotopy převést na 185 W a 187 W, které mají poločas 75 dní, respektive 24 hodin, a vždy podléhají beta rozpadu na odpovídající izotopy rhenia. Tyto izotopy by pak mohly být dále ozařovány, aby je transmutovaly na osmium (viz níže), čímž se jejich hodnota dále zvýší. Také 182 W a 183 W, které dohromady tvoří 40,8% přirozeně se vyskytujícího wolframu, lze prostřednictvím vícenásobných záchytů neutronů v jaderném reaktoru transmutovat na 184 W, které pak lze transmutovat na rhenium.

Osmium

Náklady na osmium v lednu 2010 činily 12 217 $ za kilogram, což je zhruba dvojnásobek ceny rhenia , které má hodnotu 6 250 $/kg. Rhenium má dva přirozeně se vyskytující izotopy, 185 Re a 187 Re. Ozařování pomalými neutrony by přeměnilo tyto izotopy na 186 Re a 188 Re, které mají poločas rozpadu 3 dny a 17 hodin. Převládající cestou rozpadu pro oba tyto izotopy je beta-minus rozpad do 186 Os a 188 Os.

Iridium

Náklady na iridium v lednu 2010 byly 13 117 USD/kg, o něco vyšší než náklady na osmium (12 217 USD/kg). Izotopy 190 Os a 192 Os dohromady tvoří zhruba 67% přirozeně se vyskytujícího osmiia. Ozařování Slow-neutron mohla převést tyto izotopy do 191 Os a 193 výstupů, které mají poločasy 15,4 a 30,11 dnů, v tomto pořadí, a vždy podstoupit beta rozpad do 191 Ir a 193 Ir, resp. Také 186 Os až 189 Os bylo možné transmutovat na 190 Os prostřednictvím několika záchytů neutronů v jaderném reaktoru a následně do iridia. Tyto izotopy by pak mohly být dále ozářeny za účelem jejich transmutace na platinu (viz níže), čímž se jejich hodnota dále zvýší.

Platina

Náklady na platinu v říjnu 2014 byly 39 900 $ za kilogram, což je stejně drahé jako rhodium . Iridium má naopak jen asi poloviční hodnotu než platina (18 000 $/kg). Iridium má dva přirozeně se vyskytující izotopy, 191 Ir a 193 Ir. Ozařování pomalými neutrony by transmutovalo tyto izotopy na 192 Ir a 194 Ir s krátkými poločasy 73 dní a 19 hodin; převládající cestou rozpadu pro oba tyto izotopy je beta-minus rozpad na 192 Pt a 194 Pt.

Zlato

Chrysopoeia , umělá produkce zlata , je symbolickým cílem alchymie . Taková transmutace je možná v urychlovačích částic nebo jaderných reaktorech, ačkoli výrobní náklady jsou v současné době mnohonásobně vyšší než tržní cena zlata. Protože existuje pouze jeden stabilní izotop zlata, 197 Au, jaderné reakce musí tento izotop vytvořit, aby mohly produkovat použitelné zlato.

Syntéza zlata v urychlovači

Syntéza zlata v urychlovači částic je možná mnoha způsoby. Spallation neutronů Zdroj má tekutou cíl rtuti, které budou přeměněny na zlato, platina, iridium, které jsou nižší, než atomové číslo rtuti.

Syntéza zlata v jaderném reaktoru

Zlato bylo syntetizováno ze rtuti neutronovým bombardováním v roce 1941, ale všechny vyrobené izotopy zlata byly radioaktivní . V roce 1924 dosáhl stejného výkonu japonský fyzik Hantaro Nagaoka .

Zlato lze v současné době vyrábět v jaderném reaktoru ozařováním buď platinou, nebo rtutí.

Pouze izotop rtuti 196 Hg, který se vyskytuje s frekvencí 0,15% v přírodní rtuti, lze převést na zlato pomalým neutronovým záchytem a po zachycení elektronů se rozpadnout na jediný stabilní izotop zlata, 197 Au. Když jsou jiné izotopy rtuti ozářeny pomalými neutrony, podrobí se také zachycení neutronů, ale buď se přemění na sebe, nebo beta rozpadem na izotopy thalia 203 Tl a 205 Tl.

Pomocí rychlých neutronů lze izotop rtuti 198 Hg, který tvoří 9,97% přírodní rtuti, přeměnit odštěpením neutronu a získáním 197 Hg, který se poté rozkládá na stabilní zlato. Tato reakce má však menší aktivační průřez a je proveditelná pouze u nemoderovaných reaktorů.

Je také možné vysunout několik neutronů s velmi vysokou energií do ostatních izotopů rtuti za vzniku 197 Hg. Takové vysokoenergetické neutrony však mohou produkovat pouze urychlovače částic .

V roce 1980 proměnil Glenn Seaborg v laboratoři Lawrence Berkeley několik tisíc atomů vizmutu na zlato. Jeho experimentální technika dokázala odstranit protony a neutrony z atomů vizmutu. Seaborgova technika byla příliš drahá na to, aby umožnila rutinní výrobu zlata, ale jeho práce je zatím nejblíže napodobování mýtického kamene mudrců .

Viz také

Reference

externí odkazy