Litijevi izotopi se široko koriste ne samo u nuklearnoj industriji, već iu proizvodnji punjivih baterija. Ima ih nekoliko vrsta, od kojih se dvije nalaze u prirodi. Nuklearne reakcije s izotopima popraćene su oslobađanjem velikih količina zračenja, što je obećavajući smjer u energetskoj industriji.
Definicija
Izotopi litija su vrste atoma određenog kemijskog elementa. Međusobno se razlikuju po broju neutralno nabijenih elementarnih čestica (neutrona). Moderna znanost poznaje 9 takvih izotopa, od kojih je sedam umjetnih, s atomskim masama od 4 do 12.
Od njih, najstabilniji je 8Li. Njegovo vrijeme poluraspada je 0,8403 sekunde. Također su identificirane 2 vrste nuklearnih izomernih nuklida (atomske jezgre koje se razlikuju ne samo po broju neutrona, već i protona) - 10m1Li i 10m2 Li. Oni se razlikuju po strukturi atoma u prostoru i svojstvima.
Biti u prirodi
U prirodnim uvjetima postoje samo 2 stabilna izotopa - s masom od 6 i 7 jedinica a. jesti(6Li, 7Li). Najčešći od njih je drugi izotop litija. Litij u Mendeljejevljevom periodičnom sustavu ima serijski broj 3, a njegov glavni maseni broj je 7 a.u. e. m. Ovaj element je dosta rijedak u zemljinoj kori. Njegovo vađenje i prerada su skupi.
Glavna sirovina za dobivanje metalnog litija je njegov karbonat (ili litijev karbonat), koji se pretvara u klorid, a zatim elektrolizira u smjesi s KCl ili BaCl. Karbonat se izolira iz prirodnih materijala (lepidolit, spodumen piroksen) sinteriranjem s CaO ili CaCO3.
U uzorcima, omjer litijevih izotopa može jako varirati. To se događa kao rezultat prirodnog ili umjetnog frakcioniranja. Ova se činjenica uzima u obzir prilikom provođenja točnih laboratorijskih pokusa.
Značajke
Izotopi litija 6Li i 7Li razlikuju se po nuklearnim svojstvima: vjerojatnost interakcije elementarnih čestica atomske jezgre i reakcija proizvodi. Stoga je njihov opseg također drugačiji.
Kada se litijev izotop 6Li bombardira sporim neutronima, nastaje superteški vodik (tricij). U tom slučaju alfa čestice se odcjepljuju i nastaje helij. Čestice se izbacuju u suprotnim smjerovima. Ova nuklearna reakcija prikazana je na donjoj slici.
Ovo svojstvo izotopa koristi se kao alternativa za zamjenu tricija u fuzijskim reaktorima i bombama, budući da je tricij karakteriziran manjimstabilnost.
Litijev izotop 7Li u tekućem obliku ima visoku specifičnu toplinu i nizak nuklearni učinkovit presjek. U slitini s natrijem, cezijem i berilijevim fluoridom koristi se kao rashladno sredstvo, kao i otapalo za U i Th fluoride u nuklearnim reaktorima s tekućom soli.
Izgled jezgre
Najčešći raspored atoma litija u prirodi uključuje 3 protona i 4 neutrona. Ostali imaju 3 takve čestice. Raspored jezgri litijevih izotopa prikazan je na donjoj slici (a i b, redom).
Da bi se formirala jezgra atoma Li iz jezgre atoma helija, potrebno je i dovoljno dodati 1 proton i 1 neutron. Te čestice povezuju svoje magnetske sile. Neutroni imaju složeno magnetsko polje, koje se sastoji od 4 pola, tako da na slici za prvi izotop prosječni neutron ima tri zauzeta kontakta i jedan potencijalno slobodan.
Minimalna energija vezanja litijevog izotopa 7Li potrebna da se jezgra elementa podijeli na nukleone je 37,9 MeV. Određuje se dolje navedenom metodom izračuna.
U ovim formulama, varijable i konstante imaju sljedeće značenje:
- n – broj neutrona;
- m – masa neutrona;
- p – broj protona;
- dM je razlika između mase čestica koje čine jezgru i mase jezgre litijevog izotopa;
- 931 meV je energija koja odgovara 1 a.u. e.m.
Nuklearnatransformacije
Izotopi ovog elementa mogu imati do 5 dodatnih neutrona u jezgri. Međutim, životni vijek ove vrste litija ne prelazi nekoliko milisekundi. Kada se proton uhvati, izotop 6Li pretvara se u 7Be, koji se zatim raspada u alfa česticu i izotop helija 3 On. Kada ga bombardiraju deuteroni, 8Be ponovno se pojavljuje. Kada jezgra zarobi deuteron 7Li, dobiva se jezgra 9Be, koja se odmah raspada na 2 alfa čestice i neutron.
Kao što pokazuju eksperimenti, prilikom bombardiranja izotopa litija, može se promatrati širok raspon nuklearnih reakcija. Time se oslobađa značajna količina energije.
Primi
Razdvajanje litijevih izotopa može se obaviti na nekoliko načina. Najčešći su:
- Razdvajanje u protoku pare. Da biste to učinili, dijafragma se postavlja u cilindričnu posudu duž svoje osi. Plinovita smjesa izotopa dovodi se prema pomoćnoj pari. Neke od molekula obogaćenih svjetlosnim izotopom nakupljaju se na lijevoj strani aparata. To je zbog činjenice da svjetlosne molekule imaju visoku brzinu difuzije kroz dijafragmu. Ispuštaju se zajedno sa strujom pare iz gornje mlaznice.
- Termodifuzijski proces. U ovoj tehnologiji, kao iu prethodnoj, koristi se svojstvo različitih brzina kretanja molekula. Proces separacije se odvija u stupovima čije se stijenke hlade. Unutar njih, u sredini je razvučena užarena žica. Kao rezultat prirodne konvekcije nastaju 2 toka - topli se krećežice gore, a hladno - uz zidove dolje. Laki izotopi se akumuliraju i uklanjaju u gornjem dijelu, a teški u donjem dijelu.
- Plinsko centrifugiranje. Mješavina izotopa se pokreće u centrifugi, koja je cilindar tankih stijenki koji se vrti velikom brzinom. Teži izotopi se centrifugalnom silom bacaju na stijenke centrifuge. Zbog kretanja pare nose se dolje, a laki izotopi iz središnjeg dijela uređaja - gore.
- Kemijska metoda. Kemijska reakcija se odvija u 2 reagensa koji su u različitim faznim stanjima, što omogućuje odvajanje tokova izotopa. Postoje varijante ove tehnologije, kada se određeni izotopi ioniziraju laserom, a zatim odvajaju magnetskim poljem.
- Elektroliza kloridnih soli. Ova metoda se koristi za izotope litija samo u laboratorijskim uvjetima.
Prijava
Praktično sve primjene litija povezane su upravo s njegovim izotopima. Varijacija elementa s masenim brojem 6 koristi se u sljedeće svrhe:
- kao izvor tricija (nuklearno gorivo u reaktorima);
- za industrijsku sintezu izotopa tricija;
- za izradu termonuklearnog oružja.
Izotop 7Li se koristi u sljedećim poljima:
- za proizvodnju punjivih baterija;
- u medicini - za proizvodnju antidepresiva i sredstava za smirenje;
- u reaktorima: kao rashladno sredstvo, za održavanje radnih uvjeta vodeenergetskih reaktora nuklearnih elektrana, za čišćenje rashladne tekućine u demineralizatorima primarnog kruga nuklearnih reaktora.
Opseg litijevih izotopa postaje sve širi. U tom smislu, jedan od gorućih problema industrije je dobivanje tvari visoke čistoće, uključujući mono-izotopske proizvode.
U 2011. godini pokrenuta je i proizvodnja tritijevih baterija koje se dobivaju zračenjem litija litijevim izotopima. Koriste se tamo gdje su potrebne niske struje i dug radni vijek (pacemakeri i drugi implantati, senzori u bušotini i druga oprema). Poluživot tricija, a time i vijek trajanja baterije, je 12 godina.
