Synthese von Edelmetallen - Synthesis of precious metals

Bei der Synthese von Edelmetallen werden entweder Kernreaktoren oder Teilchenbeschleuniger verwendet , um diese Elemente herzustellen.

Edelmetalle als Spaltprodukte

Ruthenium, Rhodium

Ruthenium und Rhodium sind Edelmetalle, die als kleiner Prozentsatz der Spaltprodukte aus der Kernspaltung von Uran entstehen . Die längsten Halbwertszeiten der durch Kernspaltung erzeugten Radioisotope dieser Elemente betragen 373,59 Tage für Ruthenium und 45 Tage für Rhodium. Damit ist die Gewinnung des nicht radioaktiven Isotops aus abgebranntem Kernbrennstoff nach einigen Jahren Lagerung möglich, wobei der Extrakt vor der Verwendung auf Radioaktivität überprüft werden muss.

Die Radioaktivität in MBq pro Gramm jedes der Metalle der Platingruppe, die durch die Spaltung von Uran gebildet werden. Von den gezeigten Metallen ist Ruthenium das radioaktivste. Palladium hat aufgrund der sehr langen Halbwertszeit des synthetisierten 107 Pd eine fast konstante Aktivität, während Rhodium am wenigsten radioaktiv ist.

Ruthenium

Jedes Kilogramm der Spaltprodukte von 235 U enthält 63,44 Gramm Rutheniumisotope mit Halbwertszeiten von mehr als einem Tag. Da ein typischer gebrauchter Kernbrennstoff etwa 3% Spaltprodukte enthält, enthält eine Tonne gebrauchter Brennstoff etwa 1,9 kg Ruthenium. Die 103 Ru und 106 Ru machen das Spaltruthenium sehr radioaktiv. Wenn die Spaltung augenblicklich erfolgt, hat das so gebildete Ruthenium eine Aktivität aufgrund von 103 Ru von 109 TBq g −1 und 106 Ru von 1,52 TBq g −1 . 103 Ru hat eine Halbwertszeit von etwa 39 Tagen, was bedeutet, dass es innerhalb von 390 Tagen effektiv zum einzigen stabilen Isotop von Rhodium, 103 Rh, zerfallen ist , lange bevor eine Wiederaufbereitung wahrscheinlich ist. 106 Ru hat eine Halbwertszeit von ca. 373 Tagen, dh wenn der Brennstoff vor der Wiederaufbereitung 5 Jahre abkühlen gelassen wird, bleiben nur noch ca. 3% der ursprünglichen Menge übrig; der Rest wird verfallen sein.

Rhodium

Es ist möglich, Rhodium aus gebrauchtem Kernbrennstoff zu gewinnen : 1 kg Spaltprodukte von 235 U enthält 13,3 Gramm 103 Rh. Bei 3 Gew.-% Spaltprodukten enthält eine Tonne gebrauchter Brennstoff etwa 400 Gramm Rhodium. Das am längsten lebende Radioisotop von Rhodium ist 102m Rh mit einer Halbwertszeit von 2,9 Jahren, während der Grundzustand ( 102 Rh) eine Halbwertszeit von 207 Tagen hat.

Jedes Kilogramm Spaltrhodium enthält 6,62 ng 102 Rh und 3,68 ng 102 m Rh. Da 102 Rh durch Betazerfall entweder zu 102 Ru (80%) (etwas Positronenemission wird auftreten) oder 102 Pd (20%) (einige Gammastrahlenphotonen mit etwa 500 keV werden erzeugt) zerfällt und der angeregte Zustand durch Betazerfall zerfällt ( Elektroneneinfang) bis 102 Ru (es werden einige Gammastrahlenphotonen mit etwa 1 MeV erzeugt). Wenn die Spaltung sofort erfolgt, enthalten 13,3 Gramm Rhodium 67,1 MBq (1,81 mCi) von 102 Rh und 10,8 MBq (291 µCi) von 102 mRh . Da es normal ist, gebrauchten Kernbrennstoff vor der Wiederaufbereitung etwa fünf Jahre lang stehen zu lassen, wird ein Großteil dieser Aktivität abklingen und 4,7 MBq von 102 Rh und 5,0 MBq von 102 Mio. Rh zurücklassen . Wenn das Rhodiummetall dann 20 Jahre nach der Spaltung belassen würde, würden die 13,3 Gramm Rhodiummetall 1,3 kBq 102 Rh und 500 kBq 102 Mio. Rh enthalten. Rhodium hat den höchsten Preis dieser Edelmetalle (25.000 $/kg im Jahr 2015), aber die Kosten für die Trennung des Rhodiums von den anderen Metallen müssen berücksichtigt werden.

Palladium

Palladium wird auch durch Kernspaltung in geringen Anteilen produziert, was 1 kg pro Tonne abgebrannten Brennelementes entspricht. Im Gegensatz zu Rhodium und Ruthenium hat Palladium ein radioaktives Isotop, 107 Pd, mit einer sehr langen Halbwertszeit (6,5 Millionen Jahre), so dass das so hergestellte Palladium eine sehr geringe radioaktive Intensität hat. Zusammen mit den anderen Isotopen von Palladium, die aus dem abgebrannten Brennelement zurückgewonnen werden, ergibt dies eine radioaktive Dosisleistung von 7,207 × 10 –5 Ci , was deutlich unter dem sicheren Niveau von 1 × 10 –3 Ci liegt. Außerdem hat 107 Pd eine sehr niedrige Zerfallsenergie von nur 33 keV und würde daher selbst in reinem Zustand keine Gefahr darstellen.

Silber

Silber wird durch Kernspaltung in geringen Mengen (ca. 0,1 %) produziert. Die überwiegende Mehrheit des produzierten Silbers ist Ag-109, das stabil ist, und Ag 111, das sehr schnell zu Cd 111 zerfällt. Das einzige radioaktive Isotop mit einer signifikanten Halbwertszeit ist Ag-108m (418 Jahre), aber es wird nur in gebildet Spurenmengen. Nach kurzer Lagerzeit ist das produzierte Silber fast vollständig stabil und sicher in der Anwendung. Aufgrund des bescheidenen Silberpreises wäre eine alleinige Gewinnung von Silber aus hochradioaktiven Spaltprodukten unwirtschaftlich. Bei der Rückgewinnung mit Ruthenium, Rhodium und Palladium (Silberpreis 2011: ca. 880 €/kg; Rhodium; und Ruthenium: ca die Grenzkosten für die Verarbeitung des Nebenprodukts könnten wettbewerbsfähig sein.

Durch Bestrahlung hergestellte Edelmetalle

Ruthenium

Abgesehen davon, dass es ein Spaltprodukt von Uran ist, wie oben beschrieben, besteht eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Ruthenium darin, mit Molybdän zu beginnen , das einen durchschnittlichen Preis zwischen 10 und 20 $/kg hat, im Gegensatz zu Rutheniums 1860/kg. Das Isotop 100 Mo, das in natürlichem Molybdän eine Häufigkeit von 9,6% aufweist, kann durch langsame Neutronenbestrahlung in 101 Mo umgewandelt werden. 101 Mo und sein Tochterprodukt 101 Tc haben beide Beta-Zerfall-Halbwertszeiten von etwa 14 Minuten. Das Endprodukt ist ein stabiles 101 Ru. Alternativ kann es durch die Neutroneninaktivierung von 99 Tc erzeugt werden ; das resultierende 100 Tc hat eine Halbwertszeit von 16 Sekunden und zerfällt in das stabile 100 Ru.

Rhodium

Abgesehen davon, dass es ein Spaltprodukt von Uran ist, wie oben beschrieben, besteht eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Rhodium darin, mit Ruthenium zu beginnen , das einen Preis von 1860 $/kg hat, was viel niedriger ist als der von Rhodium 765.188 $/kg. Das Isotop 102 Ru, das 31,6% des natürlichen Rutheniums bildet, kann durch langsame Neutronenbestrahlung in 103 Ru umgewandelt werden. 103 Ru zerfällt dann über Betazerfall zu 103 Rh mit einer Halbwertszeit von 39,26 Tagen. Auch die Isotope 98 Ru bis 101 Ru, die zusammen 44,2% des natürlichen Rutheniums bilden, konnten durch mehrfachen Neutroneneinfang in einem Kernreaktor in 102 Ru und anschließend in 103 Ru und dann 103 Rh umgewandelt werden.

Rhenium

Die Kosten für Rhenium betrugen im Januar 2010 6.250 USD/kg; dagegen Wolfram ist sehr günstig, mit einem Preis von unter $ 30 / kg ab Juli 2010. Die Isotope 184 W und 186 W zusammen rund 59% der natürlich vorkommenden Wolfram bilden. Bestrahlung mit langsamen Neutronen könnte diese Isotope in 185 W und 187 W umwandeln , die Halbwertszeiten von 75 Tagen bzw. 24 Stunden haben und immer einen Beta-Zerfall in die entsprechenden Rhenium-Isotope durchlaufen. Diese Isotope könnten dann weiter bestrahlt werden, um sie in Osmium umzuwandeln (siehe unten), was ihren Wert weiter erhöht. Außerdem können 182 W und 183 W, die zusammen 40,8% des natürlich vorkommenden Wolframs ausmachen, über mehrere Neutroneneinfänge in einem Kernreaktor in 184 W umgewandelt werden, die dann in Rhenium umgewandelt werden können.

Osmium

Die Kosten für Osmium betrugen im Januar 2010 12.217 US-Dollar pro Kilogramm, was ungefähr dem doppelten Preis von Rhenium entspricht , das 6.250 US-Dollar/kg wert ist. Rhenium hat zwei natürlich vorkommende Isotope, 185 Re und 187 Re. Die Bestrahlung mit langsamen Neutronen würde diese Isotope in 186 Re und 188 Re umwandeln, die Halbwertszeiten von 3 Tagen bzw. 17 Stunden haben. Der vorherrschende Zerfallsweg für diese beiden Isotope ist der Beta-Minus-Zerfall in 186 Os und 188 Os.

Iridium

Die Kosten für Iridium betrugen im Januar 2010 13.117 USD/kg und waren damit etwas höher als die von Osmium (12.217 USD/kg). Die Isotope 190 Os und 192 Os machen zusammen etwa 67% des natürlich vorkommenden Osmiums aus. Bestrahlung mit langsamen Neutronen könnte diese Isotope in 191 Os und 193 Os umwandeln , die Halbwertszeiten von 15,4 bzw. 30,11 Tagen haben und immer einem Betazerfall in 191 Ir bzw. 193 Ir unterliegen . Außerdem könnten 186 Os bis 189 Os durch mehrfachen Neutroneneinfang in einem Kernreaktor in 190 Os und anschließend in Iridium umgewandelt werden. Diese Isotope könnten dann weiter bestrahlt werden, um sie in Platin umzuwandeln (siehe unten), was ihren Wert weiter erhöht.

Platin

Im Oktober 2014 kostete Platin 39.900 US-Dollar pro Kilogramm und war damit genauso teuer wie Rhodium . Iridium hingegen hat nur etwa die Hälfte des Wertes von Platin (18.000 USD/kg). Iridium hat zwei natürlich vorkommende Isotope, 191 Ir und 193 Ir. Die Bestrahlung mit langsamen Neutronen würde diese Isotope in 192 Ir und 194 Ir mit kurzen Halbwertszeiten von 73 Tagen bzw. 19 Stunden umwandeln; der vorherrschende Zerfallsweg für diese beiden Isotope ist der Beta-Minus-Zerfall in 192 Pt und 194 Pt.

Gold

Chrysopoeia , die künstliche Gewinnung von Gold , ist das symbolische Ziel der Alchemie . Eine solche Transmutation ist in Teilchenbeschleunigern oder Kernreaktoren möglich, obwohl die Produktionskosten derzeit ein Vielfaches des Marktpreises von Gold betragen. Da es nur ein stabiles Goldisotop, 197 Au, gibt, müssen Kernreaktionen dieses Isotop erzeugen, um brauchbares Gold zu produzieren.

Goldsynthese in einem Beschleuniger

Die Goldsynthese in einem Teilchenbeschleuniger ist auf viele Arten möglich. Die Spallations-Neutronenquelle hat ein flüssiges Quecksilber-Target, das in Gold, Platin und Iridium umgewandelt wird, die eine niedrigere Ordnungszahl als Quecksilber haben.

Goldsynthese in einem Kernreaktor

Gold wurde 1941 durch Neutronenbeschuss aus Quecksilber synthetisiert , aber die produzierten Goldisotope waren alle radioaktiv . 1924 gelang dem japanischen Physiker Hantaro Nagaoka das gleiche Kunststück.

Gold kann derzeit in einem Kernreaktor durch Bestrahlung von Platin oder Quecksilber hergestellt werden.

Nur das Quecksilber Isotop 196 Hg, die mit einer Frequenz von 0,15% in der natürlichen Quecksilber auftritt, kann durch in Gold umgewandelt werden langsamen Neutronen - Einfang und nach Elektroneneinfang , Zerfall in Gold ist nur eine stabile Isotop 197 Au. Wenn andere Quecksilberisotope mit langsamen Neutronen bestrahlt werden, unterliegen sie ebenfalls einem Neutroneneinfang, wandeln sich jedoch entweder ineinander um oder zerfallen durch Beta-Zerfall in die Thallium- Isotope 203 Tl und 205 Tl.

Mit schnellen Neutronen kann das Quecksilberisotop 198 Hg, das 9,97% des natürlichen Quecksilbers ausmacht, durch Abspaltung eines Neutrons in 197 Hg umgewandelt werden, das dann in stabiles Gold zerfällt. Diese Reaktion besitzt jedoch einen kleineren Aktivierungsquerschnitt und ist nur mit unmoderierten Reaktoren durchführbar.

Es ist auch möglich, mehrere Neutronen mit sehr hoher Energie in die anderen Quecksilberisotope auszustoßen, um 197 Hg zu bilden . Solche hochenergetischen Neutronen können jedoch nur von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden .

1980 wandelte Glenn Seaborg im Lawrence Berkeley Laboratory mehrere tausend Bismutatome in Gold um. Seine experimentelle Technik war in der Lage, Protonen und Neutronen aus den Bismutatomen zu entfernen. Seaborgs Technik war viel zu teuer, um die routinemäßige Herstellung von Gold zu ermöglichen, aber seine Arbeit kommt dem mythischen Stein der Weisen am nächsten .

Siehe auch

Verweise

Externe Links