Izotopy lithia jsou široce používány nejen v jaderném průmyslu, ale také při výrobě dobíjecích baterií. Existuje několik druhů, z nichž dva se vyskytují v přírodě. Jaderné reakce s izotopy jsou doprovázeny uvolňováním velkého množství záření, což je slibný směr v energetickém průmyslu.
Definice
Izotopy lithia jsou různé druhy atomů daného chemického prvku. Liší se od sebe počtem neutrálně nabitých elementárních částic (neutronů). Moderní věda zná 9 takových izotopů, z nichž sedm je umělých, s atomovou hmotností od 4 do 12.
Z nich nejstabilnější je 8Li. Jeho poločas rozpadu je 0,8403 sekundy. Byly také identifikovány 2 typy jaderných izomerních nuklidů (atomová jádra, která se liší nejen počtem neutronů, ale i protonů) - 10m1Li a 10m2 Li. Liší se ve struktuře atomů v prostoru a ve vlastnostech.
Být v přírodě
V přírodních podmínkách existují pouze 2 stabilní izotopy - s hmotností 6 a 7 jednotek a. jíst(6Li, 7Li). Nejběžnější z nich je druhý izotop lithia. Lithium v Mendělejevově periodickém systému má pořadové číslo 3 a jeho hlavní hmotnostní číslo je 7 a.u. e. m. Tento prvek je v zemské kůře poměrně vzácný. Jeho těžba a zpracování jsou nákladné.
Hlavní surovinou pro získávání kovového lithia je jeho uhličitan (neboli uhličitan lithný), který je přeměněn na chlorid a následně elektrolyzován ve směsi s KCl nebo BaCl. Uhličitan se izoluje z přírodních materiálů (lepidolit, spodumen pyroxen) slinováním s CaO nebo CaCO3.
Ve vzorcích se poměr izotopů lithia může značně lišit. K tomu dochází v důsledku přirozené nebo umělé frakcionace. Tato skutečnost se bere v úvahu při provádění přesných laboratorních experimentů.
Funkce
Izotopy lithia 6Li a 7Li se liší jadernými vlastnostmi: pravděpodobnost interakce elementárních částic atomového jádra a reakce produkty. Proto je také jejich rozsah odlišný.
Když je izotop lithia 6Li bombardován pomalými neutrony, vzniká supertěžký vodík (tritium). V tomto případě se alfa částice odštěpují a vzniká helium. Částice jsou vyhazovány v opačných směrech. Tato jaderná reakce je znázorněna na obrázku níže.
Tato vlastnost izotopu se používá jako alternativa k nahrazení tritia ve fúzních reaktorech a bombách, protože tritium se vyznačuje menšístabilita.
Izotop lithia 7Li v kapalné formě má vysoké specifické teplo a nízký jaderně účinný průřez. Ve slitině s fluoridem sodným, cesným a berylnatým se používá jako chladivo a také jako rozpouštědlo pro fluoridy U a Th v jaderných reaktorech s kapalnou solí.
Rozvržení jádra
Nejběžnější uspořádání atomů lithia v přírodě zahrnuje 3 protony a 4 neutrony. Zbytek má 3 takové částice. Rozložení jader izotopů lithia je znázorněno na obrázku níže (a a b).
K vytvoření jádra atomu Li z jádra atomu helia je nutné a dostačující přidat 1 proton a 1 neutron. Tyto částice spojují své magnetické síly. Neutrony mají složité magnetické pole, které se skládá ze 4 pólů, takže na obrázku pro první izotop má průměrný neutron tři obsazené kontakty a jeden potenciálně volný.
Minimální vazebná energie izotopu lithia 7Li potřebná k rozdělení jádra prvku na nukleony je 37,9 MeV. Je určeno metodou výpočtu uvedenou níže.
V těchto vzorcích mají proměnné a konstanty následující význam:
- n – počet neutronů;
- m – hmotnost neutronů;
- p – počet protonů;
- dM je rozdíl mezi hmotností částic, které tvoří jádro, a hmotností jádra izotopu lithia;
- 931 meV je energie odpovídající 1 a.u. e.m.
Jadernátransformace
Izotopy tohoto prvku mohou mít v jádře až 5 neutronů navíc. Životnost tohoto druhu lithia však nepřesahuje několik milisekund. Když je zachycen proton, izotop 6Li se změní na 7Be, který se pak rozpadne na částici alfa a izotop helia 3 On. Při bombardování deuterony se znovu objeví 8Be. Když je deuteron zachycen jádrem 7Li, získá se jádro 9Be, které se okamžitě rozpadne na 2 částice alfa a neutron.
Jak ukazují experimenty, při bombardování izotopů lithia lze pozorovat širokou škálu jaderných reakcí. Tím se uvolní značné množství energie.
Přijmout
Oddělení izotopů lithia lze provést několika způsoby. Nejběžnější jsou:
- Oddělení v proudu páry. K tomu je membrána umístěna ve válcové nádobě podél její osy. Plynná směs izotopů je přiváděna do pomocné páry. Některé molekuly obohacené o izotop světla se hromadí na levé straně přístroje. To je způsobeno skutečností, že molekuly světla mají vysokou rychlost difúze přes membránu. Jsou vypouštěny společně s proudem páry z horní trysky.
- Proces termodifúze. V této technologii, stejně jako v předchozí, se využívá vlastnosti různých rychlostí pro pohyb molekul. Separační proces probíhá v kolonách, jejichž stěny jsou chlazeny. Uvnitř je uprostřed natažený rozžhavený drát. V důsledku přirozené konvekce vznikají 2 proudění - teplý se pohybuje podéldráty nahoru a studené - podél stěn dolů. Lehké izotopy se hromadí a odstraňují v horní části a těžké izotopy ve spodní části.
- Odstřeďování plynu. Směs izotopů běží v odstředivce, což je tenkostěnný válec rotující vysokou rychlostí. Těžší izotopy jsou vrhány odstředivou silou proti stěnám odstředivky. V důsledku pohybu páry jsou unášeny dolů a lehké izotopy ze střední části zařízení - nahoru.
- Chemická metoda. Chemická reakce probíhá ve 2 reagenciích, které jsou v různých fázových stavech, což umožňuje oddělit toky izotopů. Existují různé druhy této technologie, kdy jsou určité izotopy ionizovány laserem a poté odděleny magnetickým polem.
- Elektrolýza chloridových solí. Tato metoda se používá pro izotopy lithia pouze v laboratorních podmínkách.
Aplikace
Prakticky všechny aplikace lithia jsou spojeny přesně s jeho izotopy. Variace prvku s hmotnostním číslem 6 se používá pro následující účely:
- jako zdroj tritia (jaderné palivo v reaktorech);
- pro průmyslovou syntézu izotopů tritia;
- za výrobu termonukleárních zbraní.
Izotop 7Li se používá v následujících polích:
- pro výrobu dobíjecích baterií;
- v lékařství – pro výrobu antidepresiv a trankvilizérů;
- v reaktorech: jako chladivo k udržení provozních podmínek vodyenergetických reaktorů jaderných elektráren, k čištění chladiva v demineralizátorech primárního okruhu jaderných reaktorů.
Rozsah izotopů lithia je stále širší. V tomto ohledu je jedním z naléhavých problémů průmyslu získat látku vysoké čistoty, včetně monoizotopických produktů.
V roce 2011 byla zahájena také výroba tritiových baterií, které se získávají ozařováním lithia izotopy lithia. Používají se tam, kde jsou vyžadovány nízké proudy a dlouhá životnost (kardiostimulátory a jiné implantáty, downhole senzory a další vybavení). Poločas rozpadu tritia, a tedy i životnost baterie, je 12 let.
