Синтез драгоценных металлов - Synthesis of precious metals

В синтез драгоценные металлы предполагает использование либо ядерные реакторы или же ускорители частиц производить эти элементы.

Драгоценные металлы в виде продуктов деления

Рутений, родий

Рутений и родий драгоценные металлы производятся ядерное деление из Уран, как небольшой процент продуктов деления. Самый длинный период полураспада из радиоизотопы из этих элементов, образующихся при делении ядер, составляет 373,59 суток для рутения и 45 суток для родия.[требуется разъяснение ]. Это делает возможным извлечение нерадиоактивного изотопа из отработавшего ядерного топлива через несколько лет хранения, хотя перед использованием экстракт необходимо проверить на радиоактивность.[1]

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 107Pd, а родий наименее радиоактивен.

Рутений

Смотрите также: Повышение уровня радиоактивности в воздухе в Европе осенью 2017 г.

Каждый килограмм продуктов деления 235U 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. В 103Ru и 106Ru сделает делящийся рутений очень радиоактивным. Если деление происходит мгновенно, то образовавшийся таким образом рутений будет иметь активность за счет 103Ru 109 ТБк г−1 и 106Ру 1,52 ТБк г−1. 103Период полураспада Ru составляет около 39 дней, а это означает, что в течение 390 дней он эффективно распадется до единственного стабильного изотопа родия, 103Rh, задолго до того, как может произойти какая-либо переработка. 106Период полураспада Ru составляет около 373 дней, а это означает, что если оставить топливо остыть в течение 5 лет перед переработкой, останется только около 3% от первоначального количества; остальное распадется.[1]

Родий

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

Каждый килограмм делящегося родия будет содержать 6,62 нг 102Rh и 3,68 нг 102 мRh. В качестве 102Rh распадается бета-распад либо 102Ru (80%) (некоторые позитронное излучение произойдет) или 102Pd (20%) (некоторые гамма-луч генерируются фотоны с энергией около 500 кэВ), и возбужденное состояние распадается бета-распадом (захват электрона) до 102Ру (некоторые гамма-луч генерируются фотоны с энергией около 1 МэВ). Если деление происходит мгновенно, то 13,3 грамма родия будут содержать 67,1 МБк (1,81 мКи) 102Rh и 10,8 МБк (291 мкКи) 102 мRh. Поскольку выдерживать отработанное ядерное топливо в течение пяти лет перед переработкой является нормальным явлением, большая часть этой активности распадается, оставляя 4,7 МБк. 102Rh и 5,0 МБк 102 мRh. Если металлический родий оставить на 20 лет после деления, 13,3 грамма металлического родия будут содержать 1,3 кБк 102Rh и 500 кБк 102 мRh. Среди этих драгоценных металлов самая высокая цена на родий (25 000 долл. США за кг в 2015 г.), но необходимо учитывать затраты на отделение родия от других металлов.[1]

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, 107Pd 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 Ci, что значительно ниже безопасного уровня 1 × 10−3 Ci. Также, 107Pd имеет очень низкую энергию распада, всего 33 кэВ, поэтому маловероятно, что он представляет опасность, даже если он чистый.

Серебро

Серебро образуется в результате деления ядер 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 практически 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, как описано выше, еще один способ производства рутения - это начать с молибден, который имеет среднюю цену от 10 до 20 долларов за кг, в отличие от рутения, который стоит 1860 долларов за кг.[2] Изотоп 100Mo, содержание которого в природном молибдене составляет 9,6%, может быть преобразовано в 101Mo пользователем медленный нейтрон облучение. 101Мо и его дочерний продукт, 101Tc, оба имеют период полураспада бета-распада примерно 14 минут. Конечный продукт стабильный 101RU. В качестве альтернативы он может производиться нейтронная инактивация из 99Tc; результирующий 100Tc имеет период полураспада 16 секунд и распадается до стабильного состояния. 100RU.

Родий

Помимо того, что уран является продуктом деления, как описано выше, еще один способ производства родия - это начать с рутений, цена которого составляет 1860 долларов за кг, что намного ниже, чем цена на родий в 39 900 долларов за кг. Изотоп 102Ru, который составляет 31,6% природного рутения, может быть преобразован в 103Рубин медленный нейтрон облучение. 103Ru затем распадается на 103Rh через бета-распад с периодом полураспада 39,26 дня. Изотопы 98Ру через 101Ru, который вместе составляет 44,2% природного рутения, также может быть преобразован в 102Ru, а затем 103Ру а потом 103Rh, посредством множественных захватов нейтронов в ядерном реакторе.

Рений

Цена рений на январь 2010 г. - 6250 долларов за кг; напротив, вольфрам очень дешево, по состоянию на июль 2010 года его цена составляла менее 30 долларов за кг.[3] Изотопы 184W и 186W вместе составляют примерно 59% природного вольфрама. Облучение медленными нейтронами может превратить эти изотопы в 185W и 187W, которые имеют период полураспада 75 дней и 24 часа, соответственно, и всегда подвергаются бета-распаду до соответствующих изотопов рения.[4][5] Затем эти изотопы можно было бы дополнительно облучить, чтобы превратить их в осмий (см. Ниже), что еще больше повысит их ценность. Также, 182W и 183W, который вместе составляет 40,8% встречающегося в природе вольфрама, может путем многократного захвата нейтронов в ядерном реакторе превращаться в 184W, который затем можно превратить в рений.

Осмий

Цена осмий по состоянию на январь 2010 года цена составляла 12 217 долларов за килограмм, что примерно вдвое превышает цену рений, который стоит 6250 долларов за кг. Рений имеет два встречающихся в природе изотопа: 185Re и 187Re. Облучение медленными нейтронами превратит эти изотопы в 186Re и 188Re, период полураспада которых составляет 3 дня и 17 часов соответственно. Преобладающий путь распада обоих изотопов - бета-минус распад на 186Ос и 188Операционные системы.[6][7]

Иридий

Цена иридий по состоянию на январь 2010 г. составляла 13 117 долл. США / кг, что несколько выше, чем у осмий (12 217 долларов США / кг). Изотопы 190Ос и 192Осмия вместе составляют около 67% природного осмия. Облучение медленными нейтронами может превратить эти изотопы в 191Ос и 193Os, период полураспада которых составляет 15,4 и 30,11 дней соответственно, и всегда претерпевает бета-распад до 191Ir и 193Ir соответственно.[8][9] Также, 186Ос через 189Os можно было преобразовать в 190Os в результате множественных захватов нейтронов в ядерном реакторе, а затем в иридий. Затем эти изотопы можно было бы дополнительно облучить, чтобы превратить их в платину (см. Ниже), что еще больше повысит их ценность.

Платина

Цена платина по состоянию на октябрь 2014 г. стоила 39 900 долларов за килограмм, что делает его столь же дорогим, как родий. Иридий, напротив, имеет только половину стоимости платины (18 000 долл. США / кг). Иридий имеет два встречающихся в природе изотопа, 191Ir и 193Ir. Облучение медленными нейтронами превратит эти изотопы в 192Ir и 194Ir с короткими периодами полураспада 73 дня и 19 часов соответственно; преобладающий путь распада для обоих этих изотопов - бета-минус распад на 192Pt и 194Pt.[10][11]

Золото

Хризопея, искусственное производство золото, является символической целью алхимия. 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, 197Au, ядерные реакции должны создать этот изотоп, чтобы произвести пригодное для использования золото.

Синтез золота в ускорителе

Синтез золота в ускорителе частиц возможен по-разному. В Источник нейтронов расщепления имеет жидкую ртутную мишень, которая будет преобразована в золото, платину и иридий, атомные номера которых ниже, чем у ртути.[нужна цитата ]

Синтез золота в ядерном реакторе

Золото было синтезировано из Меркурий нейтронной бомбардировкой в ​​1941 г., но изотопы золота были произведены все радиоактивный.[12] В 1924 году японский физик, Хантаро Нагаока, совершил тот же подвиг.[13]

В настоящее время золото может производиться в ядерном реакторе облучение либо платина или ртуть.

Только изотоп ртути 196Hg, которая встречается с частотой 0,15% в природной ртути, может быть преобразована в золото путем медленный нейтрон захватывать, и следующие захват электронов, распадается на единственный стабильный изотоп золота, 197Au. Когда другие изотопы ртути облучаются медленными нейтронами, они также подвергаются нейтронному захвату, но либо превращаются друг в друга, либо бета-распад в таллий изотопы 203Tl и 205Tl.

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

Также возможно выбросить несколько нейтронов с очень высокой энергией в другие изотопы ртути, чтобы образовать 197Hg. Однако такие нейтроны высокой энергии могут быть произведены только ускорители частиц.[требуется разъяснение ].

В 1980 г. 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 был слишком дорог для рутинного производства золота, но его работа еще ближе всего к подражанию мифическому Философский камень.[14][15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Буш, Р. П. (1991). «Восстановление металлов платиновой группы из высокоактивных радиоактивных отходов» (PDF). Обзор платиновых металлов. 35 (4): 202–208.
  2. ^ «Молибден Прайс». Получено 25 июля, 2010.
  3. ^ «Цены на вольфрам».
  4. ^ «Вольфрам-185».
  5. ^ «Вольфрам-187».
  6. ^ «Рений-186».
  7. ^ «Рений-188».
  8. ^ «Осмий-191».
  9. ^ «Осмий-193».
  10. ^ «Иридиум 194».
  11. ^ «Иридиум 192».
  12. ^ Р. Шерр; К. Т. Бейнбридж и Х. Х. Андерсон (1941). «Трансмутация Меркурия быстрыми нейтронами». Физический обзор. 60 (7): 473–479. Bibcode:1941ПхРв ... 60..473С. Дои:10.1103 / PhysRev.60.473.
  13. ^ А. Мите, «Der Zerfall des Quecksilberatoms», Naturwissenschaften, 12 (1924): 597-598.
  14. ^ Aleklett, K .; Morrissey, D .; Loveland, W .; McGaughey, P .; Сиборг, Г. (1981). "Энергетическая зависимость 209Фрагментация Bi в релятивистских ядерных столкновениях ». Физический обзор C. 23 (3): 1044. Bibcode:1981ПхРвЦ..23.1044А. Дои:10.1103 / PhysRevC.23.1044.
  15. ^ Мэтьюз, Роберт (2 декабря 2001 г.). «Философский камень». Дейли Телеграф. Получено 22 сентября, 2020.

внешняя ссылка