Izotopi litijuma 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 sa izotopima su praćene oslobađanjem velikih količina radijacije, što je obećavajući pravac u energetskoj industriji.
Definicija
Izotopi litijuma su varijante atoma datog hemijskog elementa. Međusobno se razlikuju po broju neutralno nabijenih elementarnih čestica (neutrona). Moderna nauka poznaje 9 takvih izotopa, od kojih je sedam veštačkih, sa atomskim masama od 4 do 12.
Od njih, najstabilniji je 8Li. Njegovo poluvrijeme je 0,8403 sekunde. Identificirane su i 2 vrste nuklearnih izomernih nuklida (atomska jezgra koja se razlikuju ne samo po broju neutrona, već i protona) - 10m1Li i 10m2 Li. Razlikuju se po strukturi atoma u prostoru i po svojstvima.
Biti u prirodi
U prirodnim uslovima postoje samo 2 stabilna izotopa - sa masom od 6 i 7 jedinica a. jesti(6Li, 7Li). Najčešći od njih je drugi izotop litija. Litijum u Mendeljejevljevom periodičnom sistemu ima serijski broj 3, a njegov glavni maseni broj je 7 a.u. e. m. Ovaj element je prilično rijedak u zemljinoj kori. Njegova ekstrakcija i prerada su skupi.
Glavna sirovina za dobijanje metalnog litijuma je njegov karbonat (ili litijum karbonat), koji se pretvara u hlorid, a zatim elektrolizuje u mešavini sa KCl ili BaCl. Karbonat se izoluje iz prirodnih materijala (lepidolit, spodumen piroksen) sinterovanjem sa CaO ili CaCO3.
U uzorcima, omjer izotopa litijuma može značajno varirati. Ovo se događa kao rezultat prirodnog ili umjetnog frakcioniranja. Ova činjenica se uzima u obzir prilikom izvođenja tačnih laboratorijskih eksperimenata.
Karakteristike
Izotopi litija 6Li i 7Li razlikuju se po nuklearnim svojstvima: vjerovatnoća interakcije elementarnih čestica atomskog jezgra i reakcija proizvodi. Stoga je i njihov opseg različit.
Kada se litijumski izotop 6Li bombarduje sporim neutronima, proizvodi se superteški vodonik (tricijum). U ovom slučaju, alfa čestice se odvajaju i formira se helijum. Čestice se izbacuju u suprotnim smjerovima. Ova nuklearna reakcija je prikazana na slici ispod.
Ovo svojstvo izotopa se koristi kao alternativa za zamjenu tricijuma u fuzijskim reaktorima i bombama, budući da je tricij karakteriziran manjimstabilnost.
Izotop litijuma 7Li u tečnom obliku ima visoku specifičnu toplotu i nizak nuklearni efektivni presek. U leguri sa natrijum, cezij i berilijum fluorid, koristi se kao rashladno sredstvo, kao i kao rastvarač za U i Th fluoride u nuklearnim reaktorima sa tečnom soli.
Izgled jezgre
Najčešći raspored atoma litijuma u prirodi uključuje 3 protona i 4 neutrona. Ostali imaju 3 takve čestice. Raspored jezgara litijumskih izotopa je prikazan na slici ispod (a i b, respektivno).
Da bi se formiralo jezgro atoma Li od jezgra atoma helijuma, potrebno je i dovoljno dodati 1 proton i 1 neutron. Ove čestice povezuju svoje magnetne sile. Neutroni imaju složeno magnetsko polje, koje se sastoji od 4 pola, tako da na slici za prvi izotop prosječan neutron ima tri zauzeta kontakta i jedan potencijalno slobodan.
Minimalna energija vezivanja litijumskog izotopa 7Li potrebna da se jezgro elementa podeli na nukleone je 37,9 MeV. Određuje se metodom obračuna koja je navedena u nastavku.
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 jezgro i mase jezgra litijumovog izotopa;
- 931 meV je energija koja odgovara 1 a.u. e.m.
Nuklearnatransformacije
Izotopi ovog elementa mogu imati do 5 dodatnih neutrona u jezgru. Međutim, životni vijek ove vrste litijuma ne prelazi nekoliko milisekundi. Kada se proton uhvati, izotop 6Li se pretvara u 7Be, koji se zatim raspada u alfa česticu i izotop helijuma 3 He. Kada ga bombardiraju deuteroni, 8Be se ponovo pojavljuje. Kada jezgro zarobi deuteron 7Li, dobija se jezgro 9Be, koje se odmah raspada na 2 alfa čestice i neutron.
Kao što pokazuju eksperimenti, prilikom bombardiranja litijumskih izotopa, može se uočiti širok spektar nuklearnih reakcija. Ovo oslobađa značajnu količinu energije.
Primi
Odvajanje litijumskih izotopa može se izvršiti na nekoliko načina. Najčešći su:
- Razdvajanje u protoku pare. Da biste to učinili, dijafragma se postavlja u cilindričnu posudu duž svoje ose. Gasovita mješavina izotopa se dovodi prema pomoćnoj pari. Neki od molekula obogaćenih svjetlosnim izotopom akumuliraju se na lijevoj strani aparata. To je zbog činjenice da svjetlosni molekuli imaju visoku stopu 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 kolonama čiji se zidovi hlade. Unutar njih, u sredini je razvučena užarena žica. Kao rezultat prirodne konvekcije, nastaju 2 toka - topli se krećežice gore, a hladno - duž zidova dole. Laki izotopi se akumuliraju i uklanjaju u gornjem dijelu, a teški u donjem dijelu.
- Gas centrifugiranje. Mješavina izotopa se pokreće u centrifugi, koja je cilindar tankih stijenki koji se okreće velikom brzinom. Teži izotopi se centrifugalnom silom bacaju na zidove centrifuge. Zbog kretanja pare nose se dole, a laki izotopi iz centralnog dela uređaja - nagore.
- Hemijska metoda. Hemijska reakcija se odvija u 2 reagensa koji su u različitim faznim stanjima, što omogućava razdvajanje tokova izotopa. Postoje varijante ove tehnologije, kada se određeni izotopi ioniziraju laserom, a zatim razdvoje magnetnim poljem.
- Elektroliza hloridnih soli. Ova metoda se koristi za izotope litijuma samo u laboratorijskim uslovima.
Prijava
Praktično sve primjene litijuma su povezane upravo s njegovim izotopima. Varijacija elementa s masenim brojem 6 koristi se za sljedeće svrhe:
- kao izvor tricijuma (nuklearno gorivo u reaktorima);
- za industrijsku sintezu izotopa tricijuma;
- 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 uslova vodeenergetskih reaktora nuklearnih elektrana, za čišćenje rashladnog sredstva u demineralizatorima primarnog kruga nuklearnih reaktora.
Opseg litijumskih izotopa postaje sve širi. U tom smislu, jedan od gorućih problema industrije je dobijanje supstance visoke čistoće, uključujući mono-izotopske proizvode.
U 2011. godini pokrenuta je i proizvodnja tricijumskih baterija, koje se dobijaju zračenjem litijuma litijumskim izotopima. Koriste se tamo gdje su potrebne male struje i dug radni vijek (pejsmejkeri i drugi implantati, senzori u bušotini i druga oprema). Poluživot tricijuma, a samim tim i vijek trajanja baterije je 12 godina.
