知乎日报

每日提供高质量新闻资讯

头图

用高能粒子轰击重元素制作黄金,能赚钱吗?

Stevebidmead / CC0

用高能粒子轰击重元素制作黄金,能赚钱吗,或者会亏得一塌糊涂吗?

赵东东,高能物理PhD

少侠,现有技术条件下,如果你真打算通过粒子加速器或者核反应堆搞“点石成金”,这个看起来似乎“很有钱途”的行当,那你真是会亏得一塌糊涂。接下来咱们就聊聊,在你的炼金术创业之路上,包括电费在内,都会遇到哪些问题。

当代几大炼金术集团,及其麾下两位头牌打手(确信)

1. 金元素的产量极低。

通过粒子加速器,或者核反应堆中的中子,“轰击”靶物质,确实可以做到字面意义上的“点石成金”。早在 1941 年[1],Sherr 等人就通过中子轰击汞,成功造出了金元素。到 1980 年时,美国伯克利国家实验室使用 Bevalac 重离子加速器,通过轰击铋靶,获得了金元素[2]这一实验的成本约为 10000 美元,将铋靶中十亿分之一的铋元素,转化为了总价值 0.01 美元的金。考虑到近几十年来,硬件方面的技术进步,跟通货膨胀比起来小的可以,现在的花费大概要两三倍于 1980 年。

美国百年来的累计通胀

重离子轰击铋,转化率这么低,那快中子轰击汞靶呢?能不能保证反应后大部分的产物是金元素?很遗憾,答案是“并不”。下图是在 Geant4 中做的一个简单的模拟:在边长 1 米的汞中,放入快中子放射源。柱形图为经过五万次模拟后,核反应的产物分布图。可以看到,你想要的金元素,相比于汞和铊的各类同位素而言,产量低得惊人。

快中子与汞发生反应后的产物分布图(注意:Y 轴为指数坐标)

所以,你遇到了“创业路上”的第一个拦路虎:极低的产出率。即使在不考虑成本的情况下,其大规模生产的效率也无法让投资人满意,扑街。

2. 生产环节中的有害物质:金的放射性同位素。

不过,无论如何,毕竟还是获取了微量的金元素,也算是在创业长征路上,迈出了第一步。然而,不幸的是,在金的诸多同位素中,除了金 -197,其余皆有放射性。也就是说,你辛辛苦苦生产出的金子里,有相当一部分,是具有放射性的,且这些放射性同位素半衰期很短,最长的金 195 也仅有 186 天。因此,你遇到了“创业路上”的又一个拦路虎:如何从生产的金元素中,提取你所需的金 -197?一旦产品中含有金的放射性同位素,那显然不会有客户会购买你家的产品。毕竟,现在可不是 1930 年的美国,那个喝水都要来点镭元素的年代了。因此,这批货市场价为零,扑街。

小伙子,来点镭水儿吗?喝掉下巴的那种。

3. 汞金铂分离提纯。

聪 (zhí) 明 (zhuó) 的小伙伴,在看到这些金的放射性同位素并不长的半衰期后,决定放置产品一段时间,坐等衰变结束。在经过漫长的等待后,这些同位素衰变为稳定的汞和铂,那么新的问题又来了:汞因为其沸点较低,可以通过简单的蒸馏法分离出来。金铂合金则需要较为复杂的方法[3],来进行提纯。所以,这一步骤使得生产成本再次增加,扑街。

4. 电费问题。

看到这里,可能大部分小伙伴都觉得,相比材料成本和辐射防护成本,电费就不算是什么大问题了。然而很遗憾,电费问题确实也是个问题。好消息是,目前的医用加速器,都在向小型化和低耗能的方向发展。Mevion 是其中较为成功的一个设备公司,其 CEO 在 2016 年的一篇报道中,曾经很开心地提到[4]

The smaller accelerators also draw significantly less power, with Jachinowski saying that electrical costs can be slashed from $1 million annually to about $80,000.

美国的工业用电价格并不贵,根据新浪 2019 年的一篇文章[5],其工业电价约为人民币 45 分 / 千瓦时,和题主提到的深圳工业用电价格,相差不大。嗯~看起来不错呢,一年的电费开支可以从一百万美元降到八万美元。但这样紧凑型的质子加速器,其目的应该主要是用于医用放射性核素的生产。如果用来产生中子,再进行中子与靶物质的核反应,那产出金元素的效率只会更低。寄希望于这种耗能较低的小型质子加速器,并不现实。因此,百万美元的电费账单,可能还是会出现在你的办公桌上。

此外,你生产核素时,用加速器的方式,跟放疗医院也是完全不同的:

  • 质子放疗时,每个病人每次也就被照射几分钟不到,一天中绝大部分时间,是处于待机状态。
  • 你要通过加速器照射靶物质生产黄金,那几乎就是长时间运行加速器了。

以 1941 年,Sherr 等人的实验为例[1],为了获取微量的金的放射性同位素,汞与快中子持续进行了 78 小时的反应。如果你的加速器每天持续工作 12 小时 (如果设备能撑得住的话),那你一年在加速器上的电费开支,绝对不会低于一所放疗医院的电费开支。更别提长时间运行所带来的设备折旧成本,以及维护成本。要知道,加速器这种成本高昂的设备,其核心部件的更换和维护费用,可都是厂家垄断的。

嗯……有个这钱,为啥不直接去买黄金?