Litiumin isotooppeja käytetään laajasti ydinteollisuuden lisäksi myös ladattavien akkujen tuotannossa. Niitä on useita tyyppejä, joista kaksi löytyy luonnosta. Ydinreaktioihin isotooppien kanssa vapautuu suuria määriä säteilyä, mikä on lupaava suunta energiateollisuudessa.
Määritelmä
Litiumin isotoopit ovat tietyn kemiallisen alkuaineen atomeja. Ne eroavat toisistaan neutraalisti varautuneiden alkuainehiukkasten (neutronien) lukumäärän suhteen. Nykytiede tuntee 9 tällaista isotooppia, joista seitsemän on keinotekoisia ja joiden atomimassat ovat 4-12.
Näistä vakain on 8Li. Sen puoliintumisaika on 0,8403 sekuntia. On myös tunnistettu 2 tyyppiä ydinisomeerisiä nuklideja (atomiytimiä, jotka eroavat paitsi neutronien, myös protonien lukumäärän os alta) - 10m1Li ja 10m2 Li. Ne ovat erilaisia avaruudessa olevien atomien rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan.
Luonnossa oleminen
Luonnollisissa olosuhteissa on vain 2 stabiilia isotooppia - joiden massa on 6 ja 7 yksikköä a. syödä(6Li, 7Li). Yleisin näistä on litiumin toinen isotooppi. Mendelejevin jaksollisen järjestelmän litiumin sarjanumero on 3 ja sen päämassaluku on 7 a.u. e. m. Tämä alkuaine on melko harvinainen maankuoressa. Sen louhinta ja käsittely ovat kalliita.
Pääraaka-aine metallisen litiumin saamiseksi on sen karbonaatti (tai litiumkarbonaatti), joka muunnetaan kloridiksi ja sitten elektrolysoidaan seoksessa KCl:n tai BaCl:n kanssa. Karbonaatti eristetään luonnonmateriaaleista (lepidoliitista, spodumeenipyrokseenista) sintraamalla CaO:n tai CaCO:n kanssa3.
Näytteissä litiumin isotooppien suhde voi vaihdella suuresti. Tämä tapahtuu luonnollisen tai keinotekoisen fraktioinnin seurauksena. Tämä tosiasia otetaan huomioon suoritettaessa tarkkoja laboratoriokokeita.
Ominaisuudet
Litiumin isotoopit 6Li ja 7Li eroavat ydinominaisuuksiltaan: atomin ytimen alkuainehiukkasten vuorovaikutuksen todennäköisyys ja reaktio Tuotteet. Siksi niiden soveltamisala on myös erilainen.
Kun litium-isotooppia 6Li pommitetaan hitailla neutroneilla, syntyy superraskasta vetyä (tritiumia). Tässä tapauksessa alfahiukkaset halkeavat ja muodostuu heliumia. Hiukkaset poistuvat vastakkaisiin suuntiin. Tämä ydinreaktio on esitetty alla olevassa kuvassa.
Tätä isotoopin ominaisuutta käytetään vaihtoehtona korvaamaan tritium fuusioreaktoreissa ja pommeissa, koska tritiumille on ominaista pienempivakautta.
Litiumisotooppi 7Litillä nestemäisessä muodossa on korkea ominaislämpö ja alhainen ydintehollinen poikkileikkaus. Seoksena natrium-, cesium- ja berylliumfluoridin kanssa sitä käytetään jäähdytysaineena sekä U- ja Th-fluoridien liuottimena nestesuola-ydinreaktoreissa.
Ydinasettelu
Litiumatomien yleisin järjestely luonnossa sisältää 3 protonia ja 4 neutronia. Muissa on 3 tällaista hiukkasta. Litiumisotooppien ytimien sijoittelu on esitetty alla olevassa kuvassa (a ja b).
Li-atomin ytimen muodostamiseksi heliumatomin ytimestä on välttämätöntä ja riittävää lisätä 1 protoni ja 1 neutroni. Nämä hiukkaset yhdistävät magneettiset voimansa. Neutroneilla on monimutkainen magneettikenttä, joka koostuu 4 navasta, joten ensimmäisen isotoopin kuvassa keskimääräisellä neutronilla on kolme varattua kontaktia ja yksi potentiaalisesti vapaa.
Litiumisotoopin 7Li:n vähimmäissitoutumisenergia, joka tarvitaan alkuaineen ytimen jakamiseen nukleoneiksi, on 37,9 MeV. Se määritetään alla esitetyllä laskentamenetelmällä.
Näissä kaavoissa muuttujilla ja vakioilla on seuraava merkitys:
- n – neutronien määrä;
- m – neutronin massa;
- p – protonien määrä;
- dM on ytimen muodostavien hiukkasten massan ja litiumisotoopin ytimen massan välinen ero;
- 931 meV on energia, joka vastaa 1 a.u. e.m.
Ydinvoimamuunnokset
Tämän alkuaineen isotoopeilla voi olla jopa 5 ylimääräistä neutronia ytimessä. Tämän tyyppisen litiumin käyttöikä ei kuitenkaan ylitä muutamaa millisekuntia. Kun protoni vangitaan, isotooppi 6Li muuttuu 7Be:ksi, joka sitten hajoaa alfahiukkaseksi ja heliumisotoopiksi 3 Hän. Kun deuteronit pommittavat, 8Be ilmestyy uudelleen. Kun ydin 7Li vangitsee deuteronin, saadaan ydin 9Be, joka hajoaa välittömästi kahdeksi alfahiukkaseksi ja neutroniksi.
Kuten kokeet osoittavat, litiumisotooppeja pommittaessa voidaan havaita monenlaisia ydinreaktioita. Tämä vapauttaa huomattavan määrän energiaa.
Vastaanota
Litiumisotooppierotus voidaan tehdä useilla tavoilla. Yleisimmät ovat:
- Höyryvirtauksen erottelu. Tätä varten kalvo asetetaan sylinterimäiseen astiaan sen akselia pitkin. Isotooppien kaasumainen seos syötetään apuhöyryä kohti. Osa valoisotoopilla rikastetuista molekyyleistä kerääntyy laitteen vasemmalle puolelle. Tämä johtuu siitä, että valomolekyyleillä on korkea diffuusionopeus kalvon läpi. Ne poistuvat yhdessä yläsuuttimen höyryvirran kanssa.
- Termodiffuusioprosessi. Tässä tekniikassa, kuten edellisessä, käytetään eri nopeuksien ominaisuutta molekyylien liikkumiseen. Erotusprosessi tapahtuu kolonneissa, joiden seinät jäähdytetään. Niiden sisällä keskelle on venytetty kuuma lanka. Luonnollisen konvektion seurauksena syntyy 2 virtausta - lämmin kulkee mukanajohdot ylös ja kylmä - seiniä pitkin alas. Kevyet isotoopit kerääntyvät ja poistetaan yläosaan ja raskaat isotoopit alaosaan.
- Kaasusentrifugointi. Isotooppiseosta ajetaan sentrifugissa, joka on ohutseinämäinen sylinteri, joka pyörii suurella nopeudella. Raskaammat isotoopit heitetään keskipakovoimalla sentrifugin seinämiä vasten. Höyryn liikkeen vuoksi ne kulkeutuvat alaspäin ja kevyet isotoopit laitteen keskiosasta ylös.
- Kemiallinen menetelmä. Kemiallinen reaktio etenee kahdessa reagenssissa, jotka ovat eri faasitilassa, mikä mahdollistaa isotooppivirtojen erottamisen. Tästä tekniikasta on olemassa erilaisia muotoja, kun tietyt isotoopit ionisoidaan laserilla ja sitten erotetaan magneettikentällä.
- Kloridisuolojen elektrolyysi. Tätä menetelmää käytetään litiumisotoopeille vain laboratorio-olosuhteissa.
Hakemus
Käytännössä kaikki litiumin sovellukset liittyvät juuri sen isotoopeihin. Elementin muunnelmaa, jonka massaluku on 6, käytetään seuraaviin tarkoituksiin:
- tritiumin lähteenä (ydinpolttoaine reaktoreissa);
- tritiumisotooppien teolliseen synteesiin;
- lämpöydinaseiden valmistukseen.
Isotooppi 7Li:tä käytetään seuraavissa kentissä:
- ladattavien akkujen tuotantoon;
- lääketieteessä - masennuslääkkeiden ja rauhoittavien lääkkeiden valmistukseen;
- reaktoreissa: jäähdytysnesteenä veden käyttöolosuhteiden ylläpitämiseksiydinvoimaloiden voimareaktorit, ydinreaktorien primääripiirin demineralisaattorien jäähdytysaineen puhdistamiseen.
Litiumisotooppien valikoima laajenee. Tässä suhteessa yksi teollisuuden kiireellisistä ongelmista on saada aikaan erittäin puhdasta ainetta, mukaan lukien monoisotooppiset tuotteet.
Vuonna 2011 aloitettiin myös tritiumparistojen valmistus, jotka saadaan säteilyttämällä litiumia litiumisotoopeilla. Niitä käytetään, kun vaaditaan alhaisia virtoja ja pitkää käyttöikää (tahdistimet ja muut implantit, reikäanturit ja muut laitteet). Tritiumin puoliintumisaika ja siten akun käyttöikä on 12 vuotta.
