Değerli metallerin sentezi - Synthesis of precious metals

Sentezi değerli metaller ya da kullanılmasını içerir nükleer reaktörlerde veya parçacık hızlandırıcılarda , bu elemanların üretilmesi.

Fisyon ürünleri olarak ortaya çıkan değerli metaller

Rutenyum, rodyum

Rutenyum ve rodyum fizyon ürünleri küçük bir yüzdesi olarak değerli metaller nükleer fizyon bir uranyum . En uzun yarılanma ömürleri arasında radyoizotopların nükleer fizyon tarafından üretilen bu elemanların rutenyum için 373,59 gün ve rodyum için 45 gündür. Bu, radyoaktif olmayan izotopun kullanılmış nükleer yakıttan birkaç yıllık depolamadan sonra çıkarılmasını mümkün kılar, ancak özütün kullanımdan önce radyoaktivite açısından kontrol edilmesi gerekir.

Uranyumun fisyonuyla oluşan platin grubu metallerin her birinin gramı başına MBq cinsinden radyoaktivite. Gösterilen metaller arasında rutenyum en radyoaktif olanıdır. Palladyum, sentezlenen 107 Pd'nin çok uzun yarı ömrü nedeniyle neredeyse sabit bir aktiviteye sahipken, rodyum en az radyoaktiftir.

Rutenyum

Ayrıca bakınız: 2017 sonbaharında Avrupa'da havadaki radyoaktivite artışı

235 U'luk fisyon ürünlerinin her bir kilogramı, yarılanma ömrü bir günden uzun olan 63.44 gram rutenyum izotopu içerecektir. Tipik bir kullanılmış nükleer yakıt yaklaşık %3 fisyon ürünü içerdiğinden, bir ton kullanılmış yakıt yaklaşık 1,9 kg rutenyum içerecektir. 103 Ru ve 106 Ru fizyon rutenyum çok radyoaktif hale getirecek. Fisyon bir anda gerçekleşirse, bu şekilde oluşan rutenyum, 103 Ru 109 TBq g -1 ve 106 Ru 1.52 TBq g -1 nedeniyle bir aktiviteye sahip olacaktır . 103 Ru, yaklaşık 39 günlük bir yarı ömre sahiptir, yani 390 gün içinde , herhangi bir yeniden işleme muhtemelen gerçekleşmeden çok önce, rodyumun tek kararlı izotopu olan 103 Rh'a etkin bir şekilde bozunacaktır . 106 Ru'nun yarılanma ömrü yaklaşık 373 gündür, yani yakıt yeniden işlenmeden önce 5 yıl soğumaya bırakılırsa, orijinal miktarın yalnızca yaklaşık %3'ü kalacaktır; geri kalanı çürümüş olacak.

Rodyum

Bu çıkarmak rodyum mümkündür kullanılmış nükleer yakıt 1 kg: fizyon ürünleri arasında 235 U 13.3 gram içerir 103 Rh. Ağırlıkça %3 fisyon ürünlerinde, bir ton kullanılmış yakıt yaklaşık 400 gram rodyum içerecektir. Rodyumun en uzun ömürlü radyoizotopu, 2,9 yıllık yarılanma ömrü ile 102m Rh'dir , temel durum ( 102 Rh) ise 207 günlük bir yarı ömre sahiptir.

Her kilogram fisyon rodyum, 6.62 ng 102 Rh ve 3.68 ng 102m Rh içerecektir . Olarak 102 Rh bozunur beta bozunması birine 102 Ru (% 80) (bir pozitron emisyonu ortaya çıkar) ya da 102 (bazı Pd (% 20) gama ışını yaklaşık 500 keV fotonlar oluşturulacak) ve beta bozunması uyarılmış durum bozunmaktadır ( elektron yakalama) ila 102 Ru ( yaklaşık 1 MeV'lik bazı gama ışını fotonları üretilir). Fisyon bir anda husule geldiği takdirde, rodyum 13.3 gram 67.1 MBq (1.81 mCi) içerecektir 102 Rh ve 10.8 MBq (291 uCi) 102m Rh. Kullanılmış nükleer yakıtın yeniden işlenmeden önce yaklaşık beş yıl beklemesine izin verilmesi normal olduğundan, bu aktivitenin çoğu bozularak geride 4,7 MBq 102 Rh ve 5,0 MBq 102m Rh bırakacaktır . Rodyum metali fisyondan 20 yıl sonra bırakılırsa, 13.3 gram rodyum metali 1.3 kBq 102 Rh ve 500 kBq 102m Rh içerecektir . Rodyum bu değerli metallerin en yüksek fiyatına sahiptir (2015 yılında 25.000$/kg), ancak rodyumun diğer metallerden ayrılma maliyetinin dikkate alınması gerekmektedir.

paladyum

Paladyum ayrıca nükleer fisyonla, ton kullanılmış yakıt başına 1 kg'a varan küçük yüzdelerde üretilir. Rodyum ve rutenyumun aksine, paladyum çok uzun bir yarı ömre (6.5 milyon yıl) sahip 107 Pd radyoaktif bir izotopa sahiptir , bu nedenle bu şekilde üretilen paladyum çok düşük bir radyoaktif yoğunluğa sahiptir. Kullanılmış yakıttan geri kazanılan paladyumun diğer izotopları ile karıştırıldığında , bu, 1×10 −3 Ci güvenli seviyesinin oldukça altında olan 7.207× 10-5 Ci değerinde bir radyoaktif doz oranı verir . Ayrıca 107 Pd, yalnızca 33 keV'lik çok düşük bir bozunma enerjisine sahiptir ve bu nedenle saf olsa bile bir tehlike oluşturması pek olası değildir.

Gümüş

Gümüş , nükleer fisyon sonucu küçük miktarlarda (yaklaşık %0,1) üretilir. Üretilen Gümüşün büyük çoğunluğu stabil olan Ag-109 ve çok hızlı bir şekilde bozunarak Cd 111'i oluşturan Ag 111'dir. Önemli bir yarı ömre sahip tek radyoaktif izotop Ag-108m'dir (418 yıl), ancak sadece eser miktarlar. Kısa bir depolama süresinden sonra üretilen Gümüş neredeyse tamamen stabildir ve kullanımı güvenlidir. Gümüşün mütevazı fiyatı nedeniyle, yüksek radyoaktif fisyon ürünlerinden tek başına gümüşün çıkarılması ekonomik olmayacaktır. Rutenyum, rodyum ve paladyum ile geri kazanıldığında (2011'de gümüş fiyatı: yaklaşık 880 €/kg; rodyum; ve rutenyum: yaklaşık 30.000 €/kg) ekonomi önemli ölçüde değişir: gümüş, fisyon atıklarından platinoid metal geri kazanımının bir yan ürünü haline gelir ve yan ürünü işlemenin marjinal maliyeti rekabetçi olabilir.

Işınlama yoluyla üretilen değerli metaller

Rutenyum

Yukarıda açıklandığı gibi, uranyumun bir fisyon ürünü olmasının yanı sıra, rutenyum üretmenin başka bir yolu , rutenyumun 1860$/kg fiyatının aksine, ortalama fiyatı 10 ila 20$/kg arasında olan molibden ile başlamaktır . Doğal molibdende %9.6 bolluğa sahip olan izotop 100 Mo, yavaş nötron ışınlaması ile 101 Mo'ya dönüştürülebilir . 101 Mo ve onun yan ürünü 101 Tc'nin her ikisi de kabaca 14 dakikalık beta bozunma yarılanma ömrüne sahiptir. Son ürün kararlı 101 Ru'dur. Alternatif olarak, bu üretilebilir nötron inaktivasyonu ve 99 Tc ; elde edilen 100 Tc, 16 saniyelik bir yarı ömre sahiptir ve kararlı 100 Ru'ya bozunur .

Rodyum

Uranyumun yukarıda açıklandığı gibi fisyon ürünü olmasının yanı sıra, rodyum üretmenin başka bir yolu da rodyumun 765,188$/kg fiyatından çok daha düşük olan 1860$/kg fiyatına sahip rutenyum ile başlamaktır . Doğal rutenyumun %31.6'sını oluşturan 102 Ru izotopu , yavaş nötron ışınlaması ile 103 Ru'ya dönüştürülebilir . 103 Ru daha sonra beta bozunması yoluyla 103 Rh'a düşer ve yarılanma ömrü 39.26 gündür. İzotoplar 98 aracılığıyla Ru 101 birlikte doğal rutenyum% 44.2 oluşturmak Ru, aynı zamanda dönüşüyor olabilir 102 Ru ve daha sonra üzere 103 Ru ve daha sonra 103 Rh, bir nükleer reaktör içinde birden fazla nötron yakalar sayesinde.

Renyum

Ocak 2010 itibariyle renyumun maliyeti 6.250$/kg; Buna karşılık, tungsten çok ucuz, fiyatı Temmuz 2010 itibariyle 30$/kg'ın altında. 184 W ve 186 W izotopları birlikte doğal olarak oluşan tungstenin yaklaşık %59'unu oluşturuyor. Yavaş nötron ışıması, bu izotopları sırasıyla 75 gün ve 24 saat yarı ömürleri olan 185 W ve 187 W'ye dönüştürebilir ve her zaman karşılık gelen renyum izotoplarına beta bozunmasına uğrar. Bu izotoplar daha sonra onları osmiyuma dönüştürmek için daha fazla ışınlanabilir (aşağıya bakınız), bu da değerlerini daha da arttırır. Ayrıca, birlikte doğal olarak oluşan tungstenin %40.8'ini oluşturan 182 W ve 183 W, bir nükleer reaktörde çoklu nötron yakalamaları yoluyla 184 W'a dönüştürülebilir ve bu daha sonra renyuma dönüştürülebilir.

Osmiyum

Maliyeti osmiyum Ocak 2010 itibarıyla arasında kabaca iki katı fiyat verme, kilogram başına $ 12.217 oldu renyum 6250 / kg $ değerinde. Renyum, 185 Re ve 187 Re olmak üzere doğal olarak oluşan iki izotopa sahiptir . Yavaş nötronlarla yapılan ışınlama, bu izotopları sırasıyla 3 gün ve 17 saat yarı ömürleri olan 186 Re ve 188 Re'ye dönüştürecektir . Bu izotopların her ikisi için de baskın bozunma yolu, 186 Os ve 188 Os'a beta-eksi bozunmadır .

İridyum

Ocak 2010 itibariyle iridyum maliyeti 13.117$/kg, osmiyumdan (12,217$/kg) biraz daha yüksekti . 190 Os ve 192 Os izotopları birlikte doğal olarak oluşan osmiyumun yaklaşık %67'sini oluşturur. Yavaş nötron ışıması, bu izotopları sırasıyla 15.4 ve 30.11 günlük yarı ömürleri olan 191 Os ve 193 Os'a dönüştürebilir ve her zaman sırasıyla 191 Ir ve 193 Ir'ye beta bozunmasına uğrar . Ayrıca, 186 Os ila 189 Os , bir nükleer reaktörde çoklu nötron yakalamaları yoluyla 190 Os'a ve ardından iridyuma dönüştürülebilir. Bu izotoplar daha sonra platine dönüştürmek için daha fazla ışınlanabilir (aşağıya bakınız), bu da değerlerini daha da arttırır.

Platin

Ekim 2014 itibariyle platinin maliyeti kilogram başına 39.900 dolardı ve bu da onu rodyum kadar pahalı hale getiriyordu . İridyum , aksine, platinin değerinin sadece yaklaşık yarısına sahiptir (18.000$/kg). İridyum, 191 Ir ve 193 Ir olmak üzere iki doğal izotopa sahiptir . Yavaş nötronlar tarafından yapılan ışınlama, bu izotopları sırasıyla 73 gün ve 19 saatlik kısa yarı ömürleri ile 192 Ir ve 194 Ir'ye dönüştürecektir ; bu izotopların her ikisi için de baskın bozunma yolu, beta eksi 192 Pt ve 194 Pt'ye bozunmadır .

Altın

Altının yapay üretimi olan Chrysopoeia , simyanın sembolik amacıdır . Üretim maliyeti şu anda altının piyasa fiyatının birçok katı olmasına rağmen, parçacık hızlandırıcılarda veya nükleer reaktörlerde bu tür bir dönüşüm mümkündür. Tek bir kararlı altın izotopu olduğundan, 197 Au, kullanılabilir altın üretmek için nükleer reaksiyonlar bu izotopu oluşturmalıdır.

Bir hızlandırıcıda altın sentezi

Bir parçacık hızlandırıcıda altın sentezi birçok şekilde mümkündür. Ufalanmasının Nötron kaynağı cıva daha atom sayısı daha azdır, altın, platin, iridyum, dönüşüyor bir sıvı civa hedef vardır.

Bir nükleer reaktörde altın sentezi

Altın den sentezlendi cıva 1941 yılında nötron bombardımanı ile değil altın izotopları üretilen tüm idi radyoaktif . 1924'te Japon fizikçi Hantaro Nagaoka da aynı başarıya ulaştı .

Altın şu anda bir nükleer reaktör içinde imal edilebilir ışınlama ya platin veya cıva.

Sadece doğal cıvada %0,15'lik bir frekansla meydana gelen 196 Hg cıva izotopu , yavaş nötron yakalama ile altına dönüştürülebilir ve elektron yakalamayı takiben , altının tek kararlı izotopu olan 197 Au'ya bozunur . Diğer cıva izotopları yavaş nötronlarla ışınlandığında, nötron yakalamaya da uğrarlar, ancak ya birbirlerine dönüşürler ya da beta bozunumu 203 Tl ve 205 Tl talyum izotoplarına dönüşürler .

Kullanılarak hızlı nötronları , cıva izotop 198 doğal cıva 9.97% oluşturan Hg, bir nötron kapalı bölme ile dönüştürülür ve olma olabilir 197 daha sonra stabil altın ayrışan Hg. Bununla birlikte, bu reaksiyon, daha küçük bir aktivasyon kesitine sahiptir ve sadece ılıman olmayan reaktörler ile mümkündür.

197 Hg oluşturmak için diğer cıva izotoplarına çok yüksek enerjili birkaç nötron atmak da mümkündür . Ancak bu tür yüksek enerjili nötronlar ancak parçacık hızlandırıcılar tarafından üretilebilir .

1980'de Glenn Seaborg , Lawrence Berkeley Laboratuvarı'nda birkaç bin bizmut atomunu altına dönüştürdü. Deneysel tekniği, bizmut atomlarından protonları ve nötronları çıkarmayı başardı. Seaborg'un tekniği , rutin altının üretimini sağlamak için çok pahalıydı, ancak eseri, efsanevi Felsefe Taşı'nı taklit etmeye henüz en yakın olanı .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar