Síntese de metais preciosos

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A síntese de metais preciosos envolve o uso de reatores nucleares ou aceleradores de partículas para produzir esses elementos.

Metais preciosos que ocorrem como produtos de fissão

Rutênio, ródio

Rutênio e ródio são metais preciosos produzidos como uma pequena porcentagem dos produtos da fissão nuclear do urânio . As meias-vidas mais longas dos radioisótopos desses elementos gerados pela fissão nuclear são 373,59 dias para o rutênio e 45 dias para o ródio [ clarificação necessária ] . Isso torna possível a extração do isótopo não radioativo do combustível nuclear usado após alguns anos de armazenamento, embora o extrato deva ser verificado quanto à radioatividade a partir de vestígios de outros elementos antes do uso. [1]

A radioatividade em MBq por grama de cada um dos metais do grupo da platina que são formados pela fissão do urânio. Dos metais mostrados, o rutênio é o mais radioativo. O paládio tem uma atividade quase constante, devido à meia-vida muito longa do 107 Pd sintetizado, enquanto o ródio é o menos radioativo.

Rutênio

Cada quilo dos produtos da fissão de 235 U conterá 63,44 gramas de isótopos de rutênio com meia-vida superior a um dia. Como um combustível nuclear usado típico contém cerca de 3% de produtos de fissão, uma tonelada de combustível usado conterá cerca de 1,9 kg de rutênio. O 103 Ru e o 106 Ru tornarão o rutênio de fissão muito radioativo. Se a fissão ocorrer em um instante, o rutênio assim formado terá uma atividade devido a 103 Ru de 109 TBq g −1 e 106 Ru de 1,52 TBq g −1 . 103O Ru tem uma meia-vida de cerca de 39 dias, o que significa que dentro de 390 dias ele terá efetivamente decaído para o único isótopo estável de ródio, 103 Rh, bem antes de qualquer reprocessamento ocorrer. 106 Ru tem uma meia-vida de cerca de 373 dias, o que significa que se o combustível for resfriado por 5 anos antes do reprocessamento, apenas cerca de 3% da quantidade original permanecerá; o resto terá decaído. [1] Para colocar os valores na tabela em perspectiva, a atividade no potássio natural (devido à ocorrência natural40
K
) é de cerca de 30 Bq por grama.

Ródio

É possível extrair ródio do combustível nuclear usado : 1 kg de produtos de fissão de 235 U contém 13,3 gramas de 103 Rh. Com 3% de produtos de fissão em peso, uma tonelada de combustível usado conterá cerca de 400 gramas de ródio. O radioisótopo de ródio de vida mais longa é 102m Rh com meia-vida de 2,9 anos, enquanto o estado fundamental ( 102 Rh) tem meia-vida de 207 dias. [1]

Cada quilograma de ródio de fissão conterá 6,62 ng de 102 Rh e 3,68 ng de 102m Rh. Como 102 Rh decai por decaimento beta para 102 Ru (80%) (alguma emissão de pósitrons ocorrerá) ou 102 Pd (20%) (alguns fótons de raios gama com cerca de 500 keV são gerados) e o estado excitado decai por decaimento beta ( captura de elétrons) para 102 Ru (alguns fótons de raios gama com cerca de 1 MeV são gerados). Se a fissão ocorrer em um instante, então 13,3 gramas de ródio conterão 67,1 MBq (1,81 mCi) de 102 Rh e 10,8 MBq (291 μCi) de 102 mRh. Como é normal permitir que o combustível nuclear usado permaneça por cerca de cinco anos antes do reprocessamento, grande parte dessa atividade decairá deixando 4,7 MBq de 102 Rh e 5,0 MBq de 102m Rh. Se o ródio metálico fosse deixado por 20 anos após a fissão, os 13,3 gramas de ródio metálico conteriam 1,3 kBq de 102 Rh e 500 kBq de 102 m Rh. O ródio tem o preço mais alto desses metais preciosos (US$ 440.000/kg em 2022 [2] ), mas o custo da separação do ródio dos outros metais precisa ser considerado, embora os preços altos recentes possam criar oportunidade para consideração. [1]

Paládio

O paládio também é produzido por fissão nuclear em pequenas porcentagens, chegando a 1 kg por tonelada de combustível irradiado. Ao contrário do ródio e do rutênio, o paládio possui um isótopo radioativo, 107 Pd, com meia-vida muito longa (6,5 milhões de anos), de modo que o paládio produzido dessa maneira tem uma atividade específica muito baixa. Misturado com os outros isótopos de paládio recuperados do combustível irradiado, isso dá uma atividade de 7,207 × 10-5 Ci . [ clarificação necessária ] Além disso, 107 Pd tem uma energia de decaimento muito baixa de apenas 33 keV. Mas, para garantir a segurança, o 107 Pd pode ser convertido em 108 Pd, um isótopo estável.

Prata

A prata é produzida como resultado da fissão nuclear em pequenas quantidades (aproximadamente 0,1%). A grande maioria da prata produzida é Ag-109, que é estável, e Ag-111, que decai muito rapidamente para formar Cd-111. Os únicos isótopos radioativos com uma meia-vida significativa produzida são os metaestáveisAg-110m (249,8 d) e Ag-108m (418 anos), sendo o primeiro produzido por captura de nêutrons do Ag-109, e o último formado apenas em quantidades vestigiais. Após um curto período de armazenamento, a prata produzida é quase totalmente estável e segura de usar. Por causa do preço modesto da prata, a extração de prata sozinha de produtos de fissão altamente radioativos seria antieconômica. Quando recuperado com rutênio, ródio e paládio (preço da prata em 2011: cerca de 880 €/kg; ródio; e rutênio: cerca de 30.000 €/kg) a economia muda substancialmente: a prata torna-se um subproduto da recuperação do metal platinóide de resíduos de fissão e o custo marginal de processamento do subproduto poderia ser competitivo.

Metais preciosos produzidos por irradiação

Rutênio

Além de ser um produto da fissão do urânio, conforme descrito acima, outra forma de produzir o rutênio é começar com o molibdênio , que tem um preço médio entre US$ 10 e US$ 20/kg, em contraste com os US$ 1.860/kg do rutênio. [3] O isótopo 100 Mo, que tem uma abundância de 9,6% em molibdênio natural, pode ser transmutado em 101 Mo por irradiação lenta de nêutrons . 101 Mo e seu produto filho, 101 Tc, ambos têm meia-vida de decaimento beta de aproximadamente 14 minutos. O produto final é estável 101 Ru. Alternativamente, pode ser produzido pela inativação de nêutrons de 99Tc ; o resultado100 Tc tem uma meia-vida de 16 segundos e decai para o estável 100 Ru. Dado que o Tecnécio-99 está entre os produtos de fissão de longa duração mais problemáticos e - ao contrário do seu isómero nuclear 99m
Tc
- não tem aplicações conhecidas, a produção de Rutênio a partir de Tecnécio derivado de resíduos nucleares parece particularmente promissora. No entanto, se o rutênio que pode ser usado sem ter que esperar pela ocorrência de decaimentos nucleares é necessário, é necessário um alvo de tecnécio-99 particularmente isotópico e quimicamente puro.99m
Tc
tem importantes aplicações médicas e a produção de99
O desperdício
dele é inevitável. Se o rutênio for produzido a partir de tal fonte, uma substância relativamente pura99
A matéria-prima Tc
pode ser garantida e pode ser possível gerar benefícios econômicos tanto com o descarte de resíduos de99
Tc
e a subsequente venda de Ruthenium.

Ródio

Além de ser um produto da fissão do urânio, conforme descrito acima, outra forma de produzir o ródio é começar com o rutênio , que tem um preço de US$ 1.860/kg, muito inferior aos US$ 765.188/kg do ródio. O isótopo 102 Ru, que forma 31,6% do rutênio natural, pode ser transmutado em 103 Ru por irradiação lenta de nêutrons . O 103 Ru então decai para 103 Rh via decaimento beta, com meia-vida de 39,26 dias. Os isótopos 98 Ru a 101 Ru, que juntos formam 44,2% do rutênio natural, também podem ser transmutados em 102 Ru e, posteriormente, em 103 Ru e depois em 103Rh, através de múltiplas capturas de nêutrons em um reator nuclear. Como o Rutênio também pode ser produzido a partir de matérias-primas de menor valor, como Tecnécio ou Molibdênio (como descrito acima), pode ser possível produzir Ródio de valor muito alto por meio de captura sucessiva de nêutrons (e decaimentos beta) de molibdênio de baixo valor ou até mesmo de tecnécio "resíduo".

Rênio

O custo do rênio em janeiro de 2010 era de US$ 6.250/kg; por outro lado, o tungstênio é muito barato, com um preço abaixo de US$ 30/kg em julho de 2010. [4] Os isótopos 184 W e 186 W juntos representam cerca de 59% do tungstênio natural. A irradiação de nêutrons lentos poderia converter esses isótopos em 185 W e 187 W, que têm meias-vidas de 75 dias e 24 horas, respectivamente, e sempre sofrem decaimento beta para os isótopos de rênio correspondentes. [5] [6] Esses isótopos podem então ser irradiados para transmutá-los em ósmio (veja abaixo), aumentando ainda mais seu valor. Além disso, 182 W e 183W, que juntos formam 40,8% de tungstênio de ocorrência natural, pode, através de múltiplas capturas de nêutrons em um reator nuclear, ser transmutado em 184 W, que pode então ser transmutado em rênio.

Ósmio

O custo do ósmio em janeiro de 2010 era de US$ 12.217 por quilo, tornando-o aproximadamente o dobro do preço do rênio , que vale US$ 6.250/kg. Rênio tem dois isótopos naturais, 185 Re e 187 Re. A irradiação por nêutrons lentos transmutaria esses isótopos em 186 Re e 188 Re, que têm meia-vida de 3 dias e 17 horas, respectivamente. A via de decaimento predominante para esses dois isótopos é o decaimento beta-menos em 186 Os e 188 Os. [7] [8]

Irídio

O custo do irídio em janeiro de 2010 foi de US$ 13.117/kg, um pouco superior ao do ósmio (US$ 12.217/kg). Os isótopos 190 Os e 192 Os juntos compõem cerca de 67% do ósmio de ocorrência natural. A irradiação de nêutrons lentos poderia converter esses isótopos em 191 Os e 193 Os, que têm meias-vidas de 15,4 e 30,11 dias, respectivamente, e sempre sofrem decaimento beta para 191 Ir e 193 Ir, respectivamente. [9] [10] Além disso, 186 Os a 189 Os podem ser transmutados em 190Os através de múltiplas capturas de nêutrons em um reator nuclear e, posteriormente, em irídio. Esses isótopos podem então ser irradiados para transmutá-los em platina (veja abaixo), aumentando ainda mais seu valor.

Platina

O custo da platina em outubro de 2014 era de US$ 39.900 por quilo, tornando-o tão caro quanto o ródio . O irídio , por outro lado, tem apenas cerca de metade do valor da platina (US$ 18.000/kg). O irídio tem dois isótopos naturais, 191 Ir e 193 Ir. A irradiação por nêutrons lentos transmutaria esses isótopos em 192 Ir e 194 Ir, com meias-vidas curtas de 73 dias e 19 horas, respectivamente; a via de decaimento predominante para esses dois isótopos é o decaimento beta-menos em 192 Pt e 194 Pt. [11] [12]

Ouro

A crisopeia , a produção artificial de ouro , é o objetivo simbólico da alquimia . Tal transmutação é possível em aceleradores de partículas ou reatores nucleares, embora o custo de produção seja atualmente muitas vezes superior ao preço de mercado do ouro. Como existe apenas um isótopo de ouro estável, 197 Au, as reações nucleares devem criar esse isótopo para produzir ouro utilizável.

Síntese de ouro em um acelerador

A síntese de ouro em um acelerador de partículas é possível de várias maneiras. A Spallation Neutron Source tem um alvo de mercúrio líquido que será transmutado em ouro, platina e irídio, que são menores em número atômico que o mercúrio. [ citação necessária ]

Síntese de ouro em um reator nuclear

O ouro foi sintetizado a partir de mercúrio por bombardeio de nêutrons em 1941, mas os isótopos de ouro produzidos eram todos radioativos . [13] Em 1924, um cientista alemão, Adolf Miethe , realizou o mesmo feito. [14]

Em 1980, Glenn Seaborg transmutou vários milhares de átomos de bismuto em ouro no Laboratório Lawrence Berkeley. Sua técnica experimental foi capaz de remover prótons e nêutrons dos átomos de bismuto. A técnica de Seaborg era muito cara para permitir a fabricação rotineira de ouro, mas seu trabalho é o mais próximo ainda de emular um aspecto da mítica Pedra Filosofal . [15] [16]

Veja também

Referências

  1. ^ a b c d Bush, RP (1991). "Recuperação de Metais do Grupo da Platina de Resíduos Radioativos de Alto Nível" (PDF) . Revisão de Metais de Platina . 35 (4): 202–208.
  2. ^ "Preços à vista de ródio por onça hoje, gráfico de preços de barras ao vivo USD" . Troca de metais monetários . Recuperado 2022-06-23 .
  3. ^ "Preço do molibdênio" . Recuperado em 25 de julho de 2010 .
  4. ^ "Preços de tungstênio" .
  5. ^ "Tungstênio-185" .
  6. ^ "Tungstênio-187" .
  7. ^ "Rênio-186" .
  8. ^ "Rênio-188" .
  9. ^ "Ósmio-191" .
  10. ^ "Ósmio-193" .
  11. ^ "Iridium 194" .
  12. ^ "Iridium 192" .
  13. ^ R. Sherr; KT Bainbridge & HH Anderson (1941). "Transmutação de Mercúrio por Nêutrons Rápidos". Revisão Física . 60 (7): 473–479. Bibcode : 1941PhRv...60..473S . doi : 10.1103/PhysRev.60.473 .
  14. ^ A.Miethe, ”Der Zerfall des Quecksilberatoms,” Naturwissenschaften, 12 (1924): 597-598
  15. ^ Aleklett, K.; Morrissey, D.; Loveland, W.; McGaughey, P.; Seaborg, G. (1981). "Dependência energética da fragmentação 209 Bi em colisões nucleares relativísticas". Revisão Física C . 23 (3): 1044. Bibcode : 1981PhRvC..23.1044A . doi : 10.1103/PhysRevC.23.1044 .
  16. ^ Matthews, Robert (2 de dezembro de 2001). "A Pedra Filosofal" . O Telégrafo Diário . Recuperado em 22 de setembro de 2020 .

Links externos