Síntesis de metales preciosos - Synthesis of precious metals
La síntesis de metales preciosos implica el uso de reactores nucleares o aceleradores de partículas para producir estos elementos.
Metales preciosos que se presentan como productos de fisión
Rutenio, rodio
El rutenio y el rodio son metales preciosos producidos como un pequeño porcentaje de los productos de fisión de la fisión nuclear del uranio . Las semividas más largas de los radioisótopos de estos elementos generados por la fisión nuclear son 373,59 días para el rutenio y 45 días para el rodio. Esto hace posible la extracción del isótopo no radiactivo del combustible nuclear gastado después de algunos años de almacenamiento, aunque debe comprobarse la radiactividad del extracto antes de su uso.
Rutenio
Cada kilogramo de los productos de fisión de 235 U contendrá 63,44 gramos de isótopos de rutenio con vidas medias superiores a un día. Dado que un combustible nuclear usado típico contiene aproximadamente un 3% de productos de fisión, una tonelada de combustible usado contendrá aproximadamente 1,9 kg de rutenio. El 103 Ru y el 106 Ru harán que el rutenio de fisión sea muy radiactivo. Si la fisión ocurre en un instante, entonces el rutenio así formado tendrá una actividad debida a 103 Ru de 109 TBq g -1 y 106 Ru de 1,52 TBq g -1 . El 103 Ru tiene una vida media de aproximadamente 39 días, lo que significa que en 390 días habrá decaído efectivamente al único isótopo estable del rodio, el 103 Rh, mucho antes de que sea probable que se produzca el reprocesamiento. 106 Ru tiene una vida media de aproximadamente 373 días, lo que significa que si el combustible se deja enfriar durante 5 años antes de reprocesarlo, solo quedará alrededor del 3% de la cantidad original; el resto habrá decaído.
Rodio
Es posible extraer rodio del combustible nuclear usado : 1 kg de productos de fisión de 235 U contiene 13,3 gramos de 103 Rh. Con un 3% de productos de fisión en peso, una tonelada de combustible usado contendrá unos 400 gramos de rodio. El radioisótopo de rodio de vida más larga es 102m Rh con una vida media de 2,9 años, mientras que el estado fundamental ( 102 Rh) tiene una vida media de 207 días.
Cada kilogramo de rodio de fisión contendrá 6,62 ng de 102 Rh y 3,68 ng de 102 m Rh. A medida que el 102 Rh se desintegra por desintegración beta a 102 Ru (80%) ( se producirá alguna emisión de positrones ) o 102 Pd (20%) ( se generan algunos fotones de rayos gamma con aproximadamente 500 keV) y el estado excitado se desintegra por desintegración beta ( captura de electrones) a 102 Ru ( se generan algunos fotones de rayos gamma con aproximadamente 1 MeV). Si la fisión ocurre en un instante, entonces 13,3 gramos de rodio contendrán 67,1 MBq (1,81 mCi) de 102 Rh y 10,8 MBq (291 μCi) de 102 m Rh. Como es normal dejar reposar el combustible nuclear usado durante unos cinco años antes de su reprocesamiento, gran parte de esta actividad se desintegrará dejando 4,7 MBq de 102 Rh y 5,0 MBq de 102m Rh. Si el rodio metálico se dejara durante 20 años después de la fisión, los 13,3 gramos de rodio metálico contendrían 1,3 kBq de 102 Rh y 500 kBq de 102 m Rh. El rodio tiene el precio más alto de estos metales preciosos ($ 25,000 / kg en 2015), pero se debe considerar el costo de la separación del rodio de los otros metales.
Paladio
El paladio también se produce por fisión nuclear en pequeños porcentajes, que ascienden a 1 kg por tonelada de combustible gastado. A diferencia del rodio y el rutenio, el paladio tiene un isótopo radiactivo, 107 Pd, con una vida media muy larga (6,5 millones de años), por lo que el paladio producido de esta forma tiene una intensidad radiactiva muy baja. Mezclado con los otros isótopos de paladio recuperados del combustible gastado, esto da una tasa de dosis radiactiva de 7,207 × 10 −5 Ci , que está muy por debajo del nivel seguro de 1 × 10 −3 Ci. Además, 107 Pd tiene una energía de desintegración muy baja de solo 33 keV, por lo que es poco probable que represente un peligro incluso si es puro.
Plata
La plata se produce como resultado de la fisión nuclear en pequeñas cantidades (aproximadamente 0,1%). La gran mayoría de la plata producida es Ag-109, que es estable, y Ag 111, que se desintegra muy rápidamente para formar Cd 111. El único isótopo radiactivo con una vida media significativa es Ag-108m (418 años), pero solo se forma en trazas de cantidades. Después de un breve período de almacenamiento, la plata producida es casi completamente estable y segura de usar. Debido al modesto precio de la plata, la extracción de plata sola a partir de productos de fisión altamente radiactivos no sería rentable. Cuando se recupera con rutenio, rodio y paladio (precio de la plata en 2011: alrededor de 880 € / kg; rodio; y rutenio: alrededor de 30.000 € / kg) la economía cambia sustancialmente: la plata se convierte en un subproducto de la recuperación de metales platinoides a partir de desechos de fisión y el costo marginal de procesar el subproducto podría ser competitivo.
Metales preciosos producidos por irradiación
Rutenio
Además de ser un producto de fisión del uranio, como se describió anteriormente, otra forma de producir rutenio es comenzar con molibdeno , que tiene un precio promedio entre $ 10 y $ 20 / kg, en contraste con los $ 1860 / kg del rutenio. El isótopo 100 Mo, que tiene una abundancia del 9,6% en el molibdeno natural, se puede transmutar a 101 Mo mediante irradiación lenta de neutrones . 101 Mo y su producto hijo, 101 Tc, tienen vidas medias de desintegración beta de aproximadamente 14 minutos. El producto final es estable 101 Ru. Alternativamente, puede producirse mediante la inactivación de neutrones de 99 Tc ; los 100 Tc resultantes tienen una vida media de 16 segundos y decaen hasta los 100 Ru estables .
Rodio
Además de ser un producto de fisión del uranio, como se describió anteriormente, otra forma de producir rodio es comenzar con rutenio , que tiene un precio de $ 1860 / kg, que es mucho más bajo que los $ 765,188 / kg del rodio. El isótopo 102 Ru, que forma el 31,6% del rutenio natural, se puede transmutar en 103 Ru mediante irradiación lenta de neutrones . 103 Ru luego se desintegra a 103 Rh a través de la desintegración beta, con una vida media de 39,26 días. Los isótopos 98 Ru a 101 Ru, que juntos forman el 44,2% del rutenio natural, también podrían transmutarse en 102 Ru, y posteriormente en 103 Ru y luego en 103 Rh, a través de múltiples capturas de neutrones en un reactor nuclear.
Renio
El costo del renio en enero de 2010 fue de $ 6.250 / kg; por el contrario, el tungsteno es muy barato, con un precio de menos de $ 30 / kg en julio de 2010. Los isótopos 184 W y 186 W juntos constituyen aproximadamente el 59% del tungsteno natural. La irradiación de neutrones lentos podría convertir estos isótopos en 185 W y 187 W, que tienen vidas medias de 75 días y 24 horas, respectivamente, y siempre experimentan desintegración beta a los correspondientes isótopos de renio. Estos isótopos podrían luego irradiarse más para transmutarlos en osmio (ver más abajo), aumentando aún más su valor. Además, 182 W y 183 W, que juntos forman el 40,8% del tungsteno natural, pueden transmutarse a través de múltiples capturas de neutrones en un reactor nuclear en 184 W, que luego pueden transmutarse en renio.
Osmio
El costo del osmio en enero de 2010 era de $ 12,217 por kilogramo, lo que lo hace aproximadamente el doble del precio del renio , que vale $ 6,250 / kg. El renio tiene dos isótopos naturales, 185 Re y 187 Re. La irradiación por neutrones lentos transmutaría estos isótopos en 186 Re y 188 Re, que tienen vidas medias de 3 días y 17 horas, respectivamente. La vía de desintegración predominante para ambos isótopos es la desintegración beta menos en 186 Os y 188 Os.
Iridio
El costo del iridio en enero de 2010 era $ 13,117 / kg, algo más alto que el del osmio ($ 12,217 / kg). Los isótopos 190 Os y 192 Os juntos constituyen aproximadamente el 67% del osmio natural. La irradiación de neutrones lentos podría convertir estos isótopos en 191 Os y 193 Os, que tienen vidas medias de 15,4 y 30,11 días, respectivamente, y siempre sufren desintegración beta a 191 Ir y 193 Ir, respectivamente. Además, 186 Os a 189 Os podrían transmutar en 190 Os a través de múltiples capturas de neutrones en un reactor nuclear y, posteriormente, en iridio. Estos isótopos podrían luego irradiarse más para transmutarlos en platino (ver más abajo), aumentando aún más su valor.
Platino
El costo del platino en octubre de 2014 era de $ 39,900 por kilogramo, lo que lo hacía tan caro como el rodio . El iridio , por el contrario, tiene solo la mitad del valor del platino ($ 18,000 / kg). El iridio tiene dos isótopos naturales, 191 Ir y 193 Ir. La irradiación por neutrones lentos transmutaría estos isótopos en 192 Ir y 194 Ir, con vidas medias cortas de 73 días y 19 horas, respectivamente; la vía de desintegración predominante para ambos isótopos es la desintegración beta menos en 192 Pt y 194 Pt.
Oro
Chrysopoeia , la producción artificial de oro , es el objetivo simbólico de la alquimia . Tal transmutación es posible en aceleradores de partículas o reactores nucleares, aunque el costo de producción es actualmente muchas veces el precio de mercado del oro. Dado que solo hay un isótopo de oro estable, 197 Au, las reacciones nucleares deben crear este isótopo para producir oro utilizable.
Síntesis de oro en un acelerador
La síntesis de oro en un acelerador de partículas es posible de muchas formas. La fuente de neutrones de espalación tiene un objetivo de mercurio líquido que se transmutará en oro, platino e iridio, que son más bajos en número atómico que el mercurio.
Síntesis de oro en un reactor nuclear
El oro se sintetizó a partir del mercurio mediante un bombardeo de neutrones en 1941, pero los isótopos de oro producidos eran todos radiactivos . En 1924, un físico japonés, Hantaro Nagaoka , logró la misma hazaña.
Actualmente, el oro se puede fabricar en un reactor nuclear mediante la irradiación de platino o mercurio.
Solo el isótopo de mercurio 196 Hg, que se encuentra con una frecuencia del 0,15% en el mercurio natural, puede convertirse en oro mediante la captura lenta de neutrones y, tras la captura de electrones , se desintegra en el único isótopo estable del oro, 197 Au. Cuando otros isótopos de mercurio se irradian con neutrones lentos, también se someten a captura de neutrones, pero se convierten entre sí o se desintegran beta en los isótopos de talio 203 Tl y 205 Tl.
Usando neutrones rápidos , el isótopo de mercurio 198 Hg, que compone el 9,97% del mercurio natural, se puede convertir separando un neutrón y convirtiéndose en 197 Hg, que luego se desintegra en oro estable. Esta reacción, sin embargo, posee una sección transversal de activación más pequeña y es factible solo con reactores no moderados.
También es posible expulsar varios neutrones con muy alta energía en los otros isótopos de mercurio para formar 197 Hg. Sin embargo, estos neutrones de alta energía solo pueden producirse mediante aceleradores de partículas .
En 1980, Glenn Seaborg transmutó varios miles de átomos de bismuto en oro en el Laboratorio Lawrence Berkeley. Su técnica experimental fue capaz de eliminar protones y neutrones de los átomos de bismuto. La técnica de Seaborg era demasiado cara para permitir la fabricación rutinaria de oro, pero su trabajo es el más cercano hasta ahora a emular la mítica Piedra Filosofal .
Ver también
Referencias
enlaces externos
- Fuente de neutrones de espalación
- Mercurio 197
- Mercurio 197 decae en oro 197
- Kolarik, Zdenek; Renard, Edouard V. (2005). "Aplicaciones potenciales de los platinoides de fisión en la industria" (PDF) . Revisión de metales de platino . 49 (2): 79. doi : 10.1595 / 147106705X35263 .
- Kolarik, Zdenek; Renard, Edouard V. (2003). "Recuperación de platinoides de fisión de valor a partir de combustible nuclear gastado. Parte I PARTE I: Consideraciones generales y química básica" (PDF) . Revisión de metales de platino . 47 (2): 74–87.
- Kolarik, Zdenek; Renard, Edouard V. (2003). "Recuperación de platinoides de fisión de valor a partir de combustible nuclear gastado. Parte II: proceso de separación" (PDF) . Revisión de metales de platino . 47 (2): 123-131.