Izotopy litu są szeroko stosowane nie tylko w przemyśle jądrowym, ale także w produkcji akumulatorów. Istnieje kilka ich rodzajów, z których dwa występują w naturze. Reakcjom jądrowym z izotopami towarzyszy uwalnianie dużych ilości promieniowania, co jest obiecującym kierunkiem w energetyce.
Definicja
Izotopy litu to odmiany atomów danego pierwiastka chemicznego. Różnią się od siebie liczbą neutralnie naładowanych cząstek elementarnych (neutronów). Współczesna nauka zna 9 takich izotopów, z których siedem jest sztucznych, o masach atomowych od 4 do 12.
Spośród nich najbardziej stabilny jest 8Li. Jego okres półtrwania wynosi 0,8403 sekundy. Zidentyfikowano również 2 typy jądrowych nuklidów izomerycznych (jądra atomowe, które różnią się nie tylko liczbą neutronów, ale także protonów) - 10m1Li i 10m2 Li. Różnią się one budową atomów w przestrzeni i właściwościami.
Przebywanie na łonie natury
W warunkach naturalnych istnieją tylko 2 stabilne izotopy - o masie 6 i 7 jednostek a. jeść(6Li, 7Li). Najczęstszym z nich jest drugi izotop litu. Lit w układzie okresowym Mendelejewa ma numer seryjny 3, a jego główna liczba masowa to 7 j.m. e. m. Ten pierwiastek jest dość rzadki w skorupie ziemskiej. Jego wydobycie i przetwarzanie jest kosztowne.
Głównym surowcem do otrzymywania metalicznego litu jest jego węglan (lub węglan litu), który jest przekształcany w chlorek, a następnie poddawany elektrolizie w mieszaninie z KCl lub BaCl. Węglan jest izolowany z materiałów naturalnych (lepidolit, spodumen piroksen) przez spiekanie z CaO lub CaCO3.
W próbkach stosunek izotopów litu może się znacznie różnić. Dzieje się tak w wyniku frakcjonowania naturalnego lub sztucznego. Fakt ten jest brany pod uwagę podczas przeprowadzania dokładnych eksperymentów laboratoryjnych.
Funkcje
Izotopy litu 6Li i 7Li różnią się właściwościami jądrowymi: prawdopodobieństwem interakcji cząstek elementarnych jądra atomowego i reakcji produkty. Dlatego ich zakres jest również inny.
Gdy izotop litu 6Li jest bombardowany wolnymi neutronami, powstaje superciężki wodór (tryt). W tym przypadku cząstki alfa ulegają oddzieleniu i powstaje hel. Cząsteczki są wyrzucane w przeciwnych kierunkach. Ta reakcja jądrowa jest pokazana na poniższym rysunku.
Ta właściwość izotopu jest wykorzystywana jako alternatywa dla zastąpienia trytu w reaktorach termojądrowych i bombach, ponieważ tryt charakteryzuje się mniejsząstabilność.
Izotop litu 7Li w postaci płynnej ma wysokie ciepło właściwe i niski efektywny przekrój jądrowy. W stopie z fluorkiem sodu, cezu i berylu jest stosowany jako chłodziwo, a także jako rozpuszczalnik fluorków U i Th w reaktorach jądrowych typu ciecz-sól.
Układ rdzenia
Najczęstsze ułożenie atomów litu w przyrodzie obejmuje 3 protony i 4 neutrony. Reszta ma 3 takie cząstki. Układ jąder izotopów litu pokazano na poniższym rysunku (odpowiednio a i b).
Aby utworzyć jądro atomu Li z jądra atomu helu, konieczne i wystarczające jest dodanie 1 protonu i 1 neutronu. Cząstki te łączą swoje siły magnetyczne. Neutrony mają złożone pole magnetyczne, które składa się z 4 biegunów, więc na rysunku dla pierwszego izotopu przeciętny neutron ma trzy zajęte styki i jeden potencjalnie wolny.
Minimalna energia wiązania izotopu litu 7Li wymagana do rozszczepienia jądra pierwiastka na nukleony wynosi 37,9 MeV. Określa się to metodą obliczeniową podaną poniżej.
W tych wzorach zmienne i stałe mają następujące znaczenie:
- n – liczba neutronów;
- m – masa neutronów;
- p – liczba protonów;
- dM to różnica między masą cząstek tworzących jądro a masą jądra izotopu litu;
- 931 meV to energia odpowiadająca 1 a.u. e.m.
Jądrowaprzekształcenia
Izotopy tego pierwiastka mogą mieć w jądrze do 5 dodatkowych neutronów. Jednak żywotność tego rodzaju litu nie przekracza kilku milisekund. Kiedy proton zostaje wychwycony, izotop 6Li zamienia się w 7Be, który następnie rozpada się na cząstkę alfa i izotop helu 3 On. Po zbombardowaniu przez deuterony, 8Pojawia się ponownie. Kiedy deuteron zostaje wychwycony przez jądro 7Li, otrzymuje się jądro 9Be, które natychmiast rozpada się na 2 cząstki alfa i neutron.
Jak pokazują eksperymenty, podczas bombardowania izotopów litu można zaobserwować wiele różnych reakcji jądrowych. To uwalnia znaczną ilość energii.
Odbierz
Oddzielenie izotopów litu można przeprowadzić na kilka sposobów. Najczęstsze z nich to:
- Separacja w strumieniu pary. Aby to zrobić, membranę umieszcza się w cylindrycznym naczyniu wzdłuż jego osi. Gazowa mieszanina izotopów kierowana jest do pary pomocniczej. Niektóre molekuły wzbogacone w lekki izotop gromadzą się po lewej stronie aparatu. Wynika to z faktu, że cząsteczki światła mają dużą szybkość dyfuzji przez membranę. Są one odprowadzane wraz ze strumieniem pary z górnej dyszy.
- Proces termodyfuzji. W tej technologii, podobnie jak w poprzedniej, wykorzystywana jest właściwość różnych prędkości poruszania się cząsteczek. Proces separacji odbywa się w kolumnach, których ściany są chłodzone. Wewnątrz nich rozgrzany do czerwoności drut jest rozciągnięty pośrodku. W wyniku naturalnej konwekcji powstają 2 przepływy – ciepły płynie wzdłużdruty w górę i zimno - wzdłuż ścian w dół. Izotopy lekkie są gromadzone i usuwane w górnej części, a ciężkie w dolnej.
- Wirowanie gazu. Mieszanina izotopów jest wirowana w wirówce, która jest cienkościennym cylindrem obracającym się z dużą prędkością. Cięższe izotopy są wyrzucane siłą odśrodkową o ścianki wirówki. Dzięki ruchowi pary są one przenoszone w dół, a lekkie izotopy z centralnej części urządzenia - w górę.
- Metoda chemiczna. Reakcja chemiczna przebiega w 2 odczynnikach znajdujących się w różnych stanach fazowych, co umożliwia rozdzielenie przepływów izotopowych. Istnieją odmiany tej technologii, w której określone izotopy są jonizowane laserem, a następnie rozdzielane polem magnetycznym.
- Elektroliza soli chlorkowych. Ta metoda jest stosowana do izotopów litu tylko w warunkach laboratoryjnych.
Aplikacja
Praktycznie wszystkie zastosowania litu są ściśle związane z jego izotopami. Odmiana elementu o liczbie masowej 6 jest wykorzystywana do następujących celów:
- jako źródło trytu (paliwo jądrowe w reaktorach);
- do przemysłowej syntezy izotopów trytu;
- do produkcji broni termojądrowej.
Izotop 7Li jest używany w następujących polach:
- do produkcji akumulatorów;
- w medycynie - do produkcji leków przeciwdepresyjnych i uspokajających;
- w reaktorach: jako chłodziwo, w celu utrzymania warunków pracy wodyreaktorów energetycznych elektrowni jądrowych, do czyszczenia chłodziwa w demineralizatorach obiegu pierwotnego reaktorów jądrowych.
Zakres izotopów litu jest coraz szerszy. W związku z tym jednym z palących problemów przemysłu jest uzyskanie substancji o wysokiej czystości, w tym produktów monoizotopowych.
W 2011 r. uruchomiono również produkcję baterii trytowych, które uzyskuje się poprzez napromieniowanie litu izotopami litu. Stosowane są tam, gdzie wymagane są niskie prądy i długa żywotność (rozruszniki serca i inne implanty, czujniki wgłębne i inny sprzęt). Okres półtrwania trytu, a tym samym żywotność baterii, wynosi 12 lat.
