Izotop litu: definicja i zastosowanie

Izotopy litu są szeroko stosowane nie tylko w przemyśle jądrowym, ale także w produkcji akumulatorów. Istnieje kilka rodzajów, z których dwa występują w przyrodzie. Reakcje jądrowe z izotopami wiążą się z emisją dużych ilości promieniowania, stanowiąc obiecujący obszar zastosowań w energetyce.

Definicja

Izotopy litu są odmianą atomów pierwiastka chemicznego. Różnią się one liczbą neutralnie naładowanych cząstek elementarnych (neutronów). Współczesna nauka zna 9 takich izotopów, w tym siedem sztucznych, o masie atomowej od 4 do 12.

Spośród nich najbardziej stabilnymi izotopami są izotopy litu ⁸Li. Jego czas połowicznego rozpadu wynosi 0,8403 sekundy. Zidentyfikowano także dwa rodzaje nuklidów izomerycznych (jądra atomowe różniące się nie tylko liczbą neutronów, ale także liczbą protonów) ^10m1Li i ^10m2Li. Różnią się one budową atomową w przestrzeni oraz właściwościami.

Występowanie w przyrodzie

W warunkach naturalnych występują tylko 2 stabilne izotopy, o masach 6 i 7 a. е. м (⁶Li, ⁷Li). Najbardziej obfite jest drugim izotopem litu. Lit w układzie okresowym Mendelejewa ma liczbę porządkową 3, a jego fundamentalna liczba masowa wynosi 7a. е. м. Pierwiastek ten rzadko występuje w skorupie ziemskiej. Jego wydobycie i przetwarzanie jest kosztowne.

Podstawowym surowcem dla litu metalicznego jest węglan litu (lub węglan litu), który jest przekształcany w chlorek, a następnie elektrolizowany z KCl lub BaCl. Węglan jest izolowany z materiałów naturalnych (lepidolit, piroksen spodumenu) poprzez spiekanie z CaO lub CaCO₃.

Stosunek izotopów litu w próbkach może być bardzo różny. Wynika to z naturalnego lub sztucznego frakcjonowania. Fakt ten jest brany pod uwagę przy dokładnych eksperymentach laboratoryjnych.

Charakterystyka

Izotop litu ⁶Li i ⁷Li mają różne właściwości jądrowe: prawdopodobieństwo oddziaływania cząstek elementarnych jądra atomowego i produktów reakcji. Dlatego też ich zakres zastosowania jest również inny.

Kiedy izotop litu jest bombardowany ⁶Wolne neutrony Li produkują superciężki wodór (tryt). Reakcja polega na rozszczepieniu cząstek alfa w celu utworzenia helu. Cząstki są wyrzucane w przeciwnych kierunkach. Ta reakcja jądrowa jest przedstawiona na poniższym rysunku.

Ta właściwość izotopu jest używana jako alternatywa do zastąpienia trytu w reaktorach termojądrowych i bombach, ponieważ tryt jest mniej stabilny.

Izotop litu ⁷Li w postaci ciekłej ma wysoką właściwą pojemność cieplną i niski jądrowy efektywny przekrój poprzeczny. W stopie z fluorkiem sodu, cezu i berylu jest stosowany jako chłodziwo oraz jako rozpuszczalnik fluorków U i Th w reaktorach jądrowych z ciekłą solą.

Skład jąder

Najczęstszy naturalny układ jąder atomów litu zawiera 3 protony i 4 neutrony. Pozostałe mają po 3 takie cząstki. Układ jąder izotopu litu przedstawiono na poniższym rysunku (odpowiednio a i b).

W celu utworzenia z jądra atomu helu jądra atomu Li, konieczny i wystarczający dodać 1 proton i 1 neutron. Cząstki te są połączone siłami magnetycznymi. Neutrony mają złożone pole magnetyczne, które składa się z 4 biegunów, więc na rysunku pierwszego izotopu neutron środkowy ma trzy zajęte kontakty i jeden potencjalnie wolny.

Minimalna energia wiązania izotopu litu ⁷Li, konieczny dla rozszczepienie jądra pierwiastka na nukleony, wynosi 37,9 MeV. Określa się go za pomocą procedury obliczeniowej podanej poniżej.

Zmienne i stałe w tych wzorach mają następujące znaczenie:

• n - liczba neutronów;
• m jest masą neutronu;
• p - liczba protonów;
• dM to różnica między masą cząstek tworzących jądro a masą jądra izotopu litu;
• 931 MeV to energia odpowiadająca 1a. е. м.

przemiany jądrowe

Izotopy tego pierwiastka mogą mieć do 5 dodatkowych neutronów w jądrze. Czas życia tego gatunku litu nie przekracza jednak kilku milisekund. Podczas przechwytywania protonu, izotop ⁶Li zmienia się w ⁷Be, który następnie rozpada się na cząstkę alfa i izotop helu ³On. W przypadku bombardowania deuteronami, powstaje ponownie ⁸Bądź. Kiedy deuteron zostaje pochwycony przez jądro ⁷Jądro Li jest otrzymywane przez jądro ⁹Be, który natychmiast rozpada się na 2 cząstki alfa i neutron.

Jak wykazały eksperymenty, podczas bombardowania izotopami litu można zaobserwować wiele różnych reakcji jądrowych. Uwalniana jest znaczna ilość energii.

Uzyskanie

Rozdzielanie izotopów litu może być przeprowadzone za pomocą kilku metod. Do najczęściej spotykanych należą:

• Rozdzielanie w przepływie pary. W tym celu w naczyniu cylindrycznym umieszcza się membranę wzdłuż jego osi. Gazowa mieszanina izotopów jest podawana do pary pomocniczej. Po lewej stronie gromadzi się frakcja cząsteczek wzbogaconych w lekki izotop. Dzieje się tak dlatego, że szybkość dyfuzji przez diafragmę jest wysoka dla cząsteczek światła. Są one wydalane ze strumieniem pary z górnego wylotu.
• Proces termodyfuzji. Technika ta, podobnie jak poprzednia, wykorzystuje własność różnych prędkości poruszających się cząsteczek. Proces separacji odbywa się w kolumnach, w których ściany są chłodzone. Wewnątrz membrany, wzdłuż jej środka rozciągnięty jest rozgrzany do czerwoności drut. W wyniku konwekcji naturalnej występują 2 przepływy - cieplejszy przesuwa się do góry wzdłuż przewodu, a chłodniejszy do dołu wzdłuż ścian. górna część mieści i rozprasza izotopy lekkie, dolna część mieści izotopy ciężkie.
• Wirowanie gazu. Mieszaninę izotopów odwirowuje się w wirówce, która jest cienkościennym cylindrem wirującym z dużą prędkością. Cięższe izotopy są wyrzucane przez siłę odśrodkową na ściany wirówki. Poprzez ruch pary wodnej są one przenoszone w dół, podczas gdy lżejsze izotopy są przenoszone w górę z centralnej części aparatu.
• Sposób chemiczny. W reakcji chemicznej biorą udział 2 reagenty, które znajdują się w różnych stanach fazowych, co pozwala na rozdzielenie strumieni izotopów. Istnieją odmiany tej technologii, które wytwarzają jonizację pewnych izotopów za pomocą lasera, a następnie ich rozdzielenie za pomocą pola magnetycznego.
• Elektroliza soli chlorkowych. Metoda ta jest stosowana tylko dla izotopów litu w warunkach laboratoryjnych.

Aplikacje

Praktycznie wszystkie zastosowania litu dotyczą jego izotopów. Wariant elementu o liczbie masowej 6 jest wykorzystywany do następujących celów:

• Jako źródło trytu (paliwo jądrowe w reaktorach);
• do przemysłowej syntezy izotopów trytu;
• do produkcji broni termonuklearnej.

Izotop ⁷Li znajdują zastosowanie w następujących obszarach:

• do produkcji baterii wielokrotnego ładowania
• w medycynie do produkcji leki przeciwdepresyjne i uspokajające;
• w reaktorach: jako chłodziwo, w celu utrzymania trybu pracy wodnych reaktorów energetycznych elektrowni jądrowych, do oczyszczania chłodziwa w demineralizatorach obiegu pierwotnego reaktorów jądrowych.

Zakres zastosowań izotopów litu jest coraz szerszy. Jednym z najbardziej palących problemów przemysłowych jest otrzymywanie substancji o wysokiej czystości, w tym produktów monoizotopowych.

W 2011 roku wprowadzono również na rynek baterie trytowe, które są produkowane przez napromieniowanie izotopami litu. Stosowane są tam, gdzie wymagane są niskie prądy i długa żywotność (rozruszniki serca i inne implanty, czujniki otworowe i inne urządzenia). Czas połowicznego rozpadu trytu, a więc i żywotność Akumulator, ma 12 lat.