귀금속 합성
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1. 개요
귀금속 합성은 핵분열 생성물이나 방사선 조사를 통해 귀금속을 인공적으로 생산하는 과정을 설명한다. 우라늄 핵분열로 생성되는 루테늄과 로듐은 핵분열 생성 귀금속으로, 방사성 동위원소를 포함하며, 사용 후 핵연료에서 추출될 수 있다. 금은 연금속에서 귀금속으로 변환하려는 전통적인 목표였으나, 생산 비용이 시장 가격보다 훨씬 비싸다. 방사선 조사를 통해 수은이나 비스무트에서 금을 합성하려는 시도가 있었지만, 상업적인 생산은 현실적으로 어렵다.
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| 귀금속 합성 | |
|---|---|
| 귀금속 합성 | |
| 유형 | 방법론 |
| 사용 분야 | 화학 재료 과학 나노 기술 |
| 개요 | |
| 정의 | 원자 조작을 통해 귀금속을 생성하는 공정 |
| 관련 금속 | 금 (Au) 은 (Ag) 백금족 금속 (PGM) |
| 특징 | 높은 전도성, 내식성, 희귀성 |
| 방법 | |
| 화학적 합성 | 화학 반응을 통해 원자를 조작 |
| 물리적 합성 | 물리적 방법을 통해 원자를 재배열 |
| 생물학적 합성 | 생물학적 시스템을 활용 |
| 응용 | |
| 전자 제품 | 높은 전도성을 활용 |
| 촉매 | 화학 반응 촉진 |
| 의학 | 약물 전달 및 진단 |
| 보석류 | 장식적 가치 |
| 고려 사항 | |
| 비용 | 합성 공정의 경제성 |
| 확장성 | 대량 생산 가능성 |
| 환경 영향 | 지속 가능한 합성 방법 개발 |
2. 핵분열 생성 귀금속
루테늄(Ru)과 로듐(Rh)은 우라늄 핵분열의 생성물이다. 핵분열로 생성된 방사성 동위원소 중 루테늄은 373.59일, 로듐은 45일의 긴 반감기를 가진다.[1] 이 때문에 사용후 핵연료에서 루테늄과 로듐을 추출해 사용하려면 수년간 보관해 방사능을 낮춰야 한다. 추출 후에도 다른 원소로 인한 방사능 오염 여부를 확인해야 한다.[1]
2. 1. 루테늄 (Ruthenium)
루테늄과 로듐은 우라늄의 핵분열 생성물에서 적은 비율로 생성되는 귀금속이다. 핵분열로 생성된 이들 원소의 방사성 동위원소 중 가장 긴 반감기는 루테늄의 경우 373.59일, 로듐의 경우 45일이다. 이는 수년간 보관 후 사용후 핵연료로부터 비방사성 동위원소의 추출을 가능하게 하지만, 추출물은 사용 전에 다른 원소의 미량으로부터의 방사능 오염 여부를 확인해야 한다.[1]235U의 핵분열 생성물 1kg에는 하루 이상 반감기를 갖는 루테늄 동위원소가 63.44g 포함되어 있다. 일반적인 사용후 핵연료에는 약 3%의 핵분열 생성물이 포함되어 있으므로, 사용후 핵연료 1톤에는 약 1.9kg의 루테늄이 포함된다. 103Ru와 106Ru는 핵분열 루테늄을 매우 방사능적으로 만든다. 핵분열이 즉시 발생하면, 이렇게 생성된 루테늄은 103Ru에 의해 및 106Ru에 의해 의 방사능을 갖게 된다. 103Ru는 약 39일의 반감기를 가지며, 이는 재처리 전에 약 390일 이내에 로듐의 유일한 안정 동위 원소인 103Rh로 효과적으로 붕괴됨을 의미한다. 106Ru는 약 373일의 반감기를 가지며, 이는 재처리 전에 연료를 5년 동안 냉각시키면 원래 양의 약 3%만 남게 되고 나머지는 붕괴됨을 의미한다.[1] 비교를 위해, 자연적으로 발생하는 potassium-40|칼륨-40영어으로 인한 자연 칼륨의 방사능은 그램당 약 30 Bq이다.[2]2. 2. 로듐 (Rhodium)
루테늄과 로듐은 우라늄의 핵분열 시 핵분열 생성물에서 소량 생성되는 귀금속이다. 핵분열로 생성된 이 원소들의 방사성 동위원소 중 가장 긴 반감기는 루테늄의 경우 373.59일, 로듐의 경우 45일이다.[1] 이는 수년간 보관 후 사용후 핵연료에서 비방사성 동위원소를 추출할 수 있게 하지만, 추출물은 사용 전 다른 원소의 미량 방사능 오염 여부를 확인해야 한다.[1]재사용 핵연료에서 로듐을 추출할 수 있다. 235U의 핵분열 생성물 1kg에는 13.3g의 103Rh가 들어있다. 핵분열 생성물이 중량의 3%를 차지한다고 가정하면, 재사용 연료 1톤에는 약 400g의 로듐이 포함된다. 로듐의 방사성 동위원소 중 가장 긴 반감기를 가진 것은 102mRh(반감기 2.9년)이며, 바닥 상태(102Rh)는 반감기가 207일이다.[1]
핵분열 로듐 1kg에는 6.62ng의 102Rh와 3.68ng의 102mRh가 포함되어 있다. 102Rh는 베타 붕괴를 통해 102Ru(80%, 일부 양전자 방출 발생) 또는 102Pd(20%, 약 500 keV의 일부 감마선 광자 생성)로 붕괴하며, 여기 상태는 베타 붕괴(전자 포획)를 통해 102Ru로 붕괴한다(약 1 MeV의 일부 감마선 광자 생성). 핵분열이 즉시 발생하면 13.3g의 로듐에는 67.1MBq(1.81mCi)의 102Rh와 10.8MBq(291μCi)의 102mRh가 포함된다. 재처리 전 사용후 핵연료를 약 5년 동안 보관하는 것이 일반적이므로, 이 활동의 대부분은 붕괴되어 4.7MBq의 102Rh와 5.0MBq의 102mRh가 남게 된다. 핵분열 후 20년 동안 로듐 금속을 방치하면, 13.3g의 로듐 금속에는 1.3kBq의 102Rh와 500kBq의 102mRh가 포함된다. 로듐은 귀금속 중 가장 높은 가격을 가지고 있지만(2022년 440000USD/kg[3]), 다른 금속으로부터 로듐을 분리하는 비용을 고려해야 한다.[1]
3. 방사선 조사를 통한 귀금속 생산
수은을 이용한 금 합성은 1941년에 중성자 폭격을 통해 처음으로 성공했지만, 생성된 금의 동위 원소는 모두 방사성 동위 원소였다.[5] 1924년, 독일 과학자 아돌프 미에테도 같은 결과를 얻었다고 보고했으나, 이후 여러 차례의 재현 실험에서 오류로 밝혀졌다.[6][7][8]
1980년, 글렌 T. 시보그는 로렌스 버클리 연구소에서 비스무트 원자에 양성자와 중성자를 제거하는 방식으로 수천 개의 금 원자를 만들었다. 시보그의 기술은 상용화하기에는 비용이 너무 많이 들었지만, 현자의 돌에 대한 연구에 가장 근접한 성과였다.[9][10]
3. 1. 금 (Gold)
연금술의 전통적인 목표는 귀금속 합성, 즉 인공적으로 금을 생산하는 것이다. 입자 가속기나 원자로에서 이러한 변환이 가능하지만, 생산 비용은 금의 시장 가격보다 1조 배나 비쌀 것으로 추정된다. 안정적인 금 동위 원소는 197Au 하나뿐이므로, 사용 가능한 금을 생산하려면 핵반응을 통해 이 동위 원소를 생성해야 한다.[4]1941년, 중성자 폭격을 통해 수은에서 금이 합성되었지만, 생성된 금의 동위 원소는 모두 방사성 동위 원소였다.[5] 1924년, 독일 과학자 아돌프 미에테는 같은 결과를 달성했다고 보고했지만, 전 세계에서 여러 차례 복제 시도 끝에 실험 오류로 판명되었다.[6][7][8]
1980년, 글렌 T. 시보그는 로렌스 버클리 연구소에서 수천 개의 비스무트 원자를 금으로 변환했다. 그의 실험 기술은 비스무트 원자에서 양성자와 중성자를 제거하는 것이었다. 시보그의 기술은 금의 일상적인 제조를 가능하게 하기에는 너무 비쌌지만, 그의 연구는 신화적인 현자의 돌의 한 측면을 모방하는 데 가장 근접한 것이었다.[9][10]
참조
[1]
학술지
Recovery of Platinum Group Metals from High Level Radioactive Waste
http://www.platinumm[...]
[2]
학술지
The 40K activity of one gram of potassium
[3]
웹사이트
Rhodium Spot Prices Per Ounce Today, Live Bullion Price Chart USD
https://www.moneymet[...]
2022-06-23
[4]
웹사이트
Fact or Fiction?: Lead Can Be Turned Into Gold
https://www.scientif[...]
2014-01-31
[5]
학술지
Transmutation of Mercury by Fast Neutrons
[6]
간행물
Der Zerfall des Quecksilberatoms
[7]
뉴스
GOLD FROM MERCURY IMPOSSIBLE; New York University Tests Show That Transmutation Method Does Not Work. MIETHE PROCESS USED His Discovery of Gold Traces Laid to Use of Spanish Mercury, Which Contains Gold.
https://www.nytimes.[...]
2023-09-09
[8]
웹사이트
Adept Alchemy. Part II. Chapter 7. Transmutations of Mercury
http://www.rexresear[...]
2023-09-09
[9]
학술지
Energy dependence of 209Bi fragmentation in relativistic nuclear collisions
[10]
뉴스
The Philosopher's Stone
https://www.telegrap[...]
2020-09-22
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