Литиевите изотопи се използват широко не само в ядрената индустрия, но и в производството на акумулаторни батерии. Има няколко вида от тях, два от които се срещат в природата. Ядрените реакции с изотопи са придружени от отделяне на големи количества радиация, което е обещаващо направление в енергийната индустрия.
Определение
Изотопите на лития са разновидности на атомите на даден химичен елемент. Те се различават един от друг по броя на неутрално заредените елементарни частици (неутрони). Съвременната наука познава 9 такива изотопа, седем от които са изкуствени, с атомна маса от 4 до 12.
От тях най-стабилният е 8Li. Неговият полуживот е 0,8403 секунди. Идентифицирани са и 2 вида ядрени изомерни нуклиди (атомни ядра, които се различават не само по броя на неутроните, но и протоните) - 10m1Li и 10m2 Ли. Те са различни по структура на атомите в пространството и по свойства.
Да бъдеш сред природата
В естествени условия има само 2 стабилни изотопа - с маса 6 и 7 единици a. Яжте(6Li, 7Li). Най-често срещаният от тях е вторият изотоп на лития. Литият в периодичната система на Менделеев има сериен номер 3, а основният му масов номер е 7 a.u. д. м. Този елемент е доста рядък в земната кора. Добивът и обработката му са скъпи.
Основната суровина за получаване на метален литий е неговият карбонат (или литиев карбонат), който се превръща в хлорид и след това се електролизира в смес с KCl или BaCl. Карбонатът се изолира от естествени материали (лепидолит, сподумен пироксен) чрез синтероване с CaO или CaCO3.
В пробите съотношението на литиевите изотопи може да варира значително. Това се случва в резултат на естествено или изкуствено фракциониране. Този факт се взема предвид при провеждането на точни лабораторни експерименти.
Функции
Литиеви изотопи 6Li и 7Li се различават по ядрени свойства: вероятността за взаимодействие на елементарните частици на атомното ядро и реакция продукти. Следователно техният обхват също е различен.
Когато литиевият изотоп 6Li е бомбардиран с бавни неутрони, се получава свръхтежък водород (тритий). В този случай алфа частиците се отцепват и се образува хелий. Частиците се изхвърлят в противоположни посоки. Тази ядрена реакция е показана на фигурата по-долу.
Това свойство на изотопа се използва като алтернатива за замяна на тритий в термоядрен реактори и бомби, тъй като тритият се характеризира с по-малъкстабилност.
Литиев изотоп 7Li в течна форма има висока специфична топлина и ниско ядрено ефективно напречно сечение. В сплав с натриев, цезий и берилиев флуорид се използва като охлаждаща течност, както и разтворител за U и Th флуориди в ядрени реактори с течна сол.
Основно оформление
Най-често срещаното подреждане на литиевите атоми в природата включва 3 протона и 4 неутрона. Останалите имат 3 такива частици. Разположението на ядрата на литиевите изотопи е показано на фигурата по-долу (съответно a и b).
За да се образува ядрото на литиев атом от ядрото на хелиев атом, е необходимо и достатъчно да се добавят 1 протон и 1 неутрон. Тези частици свързват своите магнитни сили. Неутроните имат сложно магнитно поле, което се състои от 4 полюса, така че на фигурата за първия изотоп средният неутрон има три заети контакта и един потенциално свободен.
Минималната енергия на свързване на литиевия изотоп 7Li, необходима за разделяне на ядрото на елемента на нуклони, е 37,9 MeV. Определя се по метода на изчисление, даден по-долу.
В тези формули променливите и константите имат следното значение:
- n – брой неутрони;
- m – неутронна маса;
- p – брой протони;
- dM е разликата между масата на частиците, които изграждат ядрото, и масата на ядрото на литиевия изотоп;
- 931 meV е енергията, съответстваща на 1 a.u. e.m.
Ядренотрансформации
Изотопите на този елемент могат да имат до 5 допълнителни неутрона в ядрото. Въпреки това, животът на този вид литий не надвишава няколко милисекунди. Когато се улови протон, изотопът 6Li се превръща в 7Be, който след това се разпада на алфа частица и хелиев изотоп 3 Той. Когато бъде бомбардиран от деутрони, 8Be се появява отново. Когато деутеронът бъде уловен от ядрото 7Li, ядрото се получава 9Be, което незабавно се разпада на 2 алфа частици и неутрон.
Както показват експериментите, при бомбардиране на литиеви изотопи може да се наблюдава голямо разнообразие от ядрени реакции. Това освобождава значително количество енергия.
Получаване
Разделянето на литиевите изотопи може да се извърши по няколко начина. Най-често срещаните са:
- Разделяне в парния поток. За да направите това, диафрагма се поставя в цилиндричен съд по оста му. Газообразната смес от изотопи се подава към спомагателната пара. Част от молекулите, обогатени със светлинния изотоп, се натрупват от лявата страна на апарата. Това се дължи на факта, че леките молекули имат висока скорост на дифузия през диафрагмата. Те се изпускат заедно с парния поток от горната дюза.
- Термодифузионен процес. В тази технология, както и в предишната, се използва свойството на различни скорости за движение на молекули. Процесът на разделяне протича в колони, чиито стени се охлаждат. Вътре в тях в центъра е опъната нагорещена тел. В резултат на естествената конвекция възникват 2 потока - топлият се движижици нагоре, а студено - по стените надолу. Леките изотопи се натрупват и отстраняват в горната част, а тежките изотопи в долната.
- Газово центрофугиране. Смес от изотопи се пуска в центрофуга, която представлява тънкостенен цилиндър, въртящ се с висока скорост. По-тежките изотопи се хвърлят с центробежна сила към стените на центрофугата. Благодарение на движението на парата те се пренасят надолу, а леките изотопи от централната част на устройството - нагоре.
- Химичен метод. Химическата реакция протича в 2 реагента, които са в различни фазови състояния, което прави възможно разделянето на изотопните потоци. Има разновидности на тази технология, когато определени изотопи се йонизират с лазер и след това се разделят с магнитно поле.
- Електролиза на хлоридни соли. Този метод се използва за литиеви изотопи само в лабораторни условия.
Заявление
Практически всички приложения на лития са свързани именно с неговите изотопи. Вариант на елемента с масово число 6 се използва за следните цели:
- като източник на тритий (ядрено гориво в реакторите);
- за промишлен синтез на тритиеви изотопи;
- за производство на термоядрени оръжия.
Изотоп 7Li се използва в следните полета:
- за производство на акумулаторни батерии;
- в медицината - за производство на антидепресанти и транквиланти;
- в реакторите: като охлаждаща течност, за поддържане на работните условия на водатаенергийни реактори на атомни електроцентрали, за почистване на охлаждащата течност в деминерализаторите на първи контур на ядрени реактори.
Обхватът на литиевите изотопи става все по-широк. В тази връзка един от належащите проблеми на индустрията е получаването на вещество с висока чистота, включително моноизотопни продукти.
През 2011 г. стартира и производството на тритиеви батерии, които се получават чрез облъчване на литий с литиеви изотопи. Използват се там, където се изискват ниски токове и дълъг експлоатационен живот (пейсмейкъри и други импланти, сондажни сензори и друго оборудване). Полуживотът на трития и следователно животът на батерията е 12 години.
