Litijumski izotop: definicija i primjena

Litijumski izotopi se široko koriste ne samo u nuklearnoj industriji, već i u proizvodnji punjivih baterija. Postoji nekoliko vrsta njih, dve se nalaze u prirodi. Nuklearne reakcije sa izotopima praćene su oslobađanjem velike količine zračenja, što je obećavajući pravac u energetskoj industriji.

Definicije

Izotopi litijuma su vrste atoma ovog hemijskog elementa. Razlikuju se po broju neutralno nabijenih elementarnih čestica (neutrona). Savremena nauka poznaje 9 takvih izotopa, od kojih je sedam veštačkih, sa atomskom masom od 4 do 12.

Od ovih , najstabilniji je ⁸Li. Njegovo vrijeme poluraspada je 0,8403 sekunde. 2 vrste nuklearnih izomernih nuklida (atomska jezgra koja se razlikuju ne samo po broju neutrona, već i protona) – 10m1 takođe imaju ^{identifikovan je}Li i ^10m2Li. Razlikuju se po strukturi atoma u prostoru i po svojim svojstvima.

Biti u prirodi

U prirodnim uslovima postoje samo 2 stabilna izotopa – mase 6 i 7 jedinica a. e. m (⁶Li, ⁷Li). Najčešći od njih je drugi izotop litijuma. Litijum u periodnom sistemu ima redni broj 3, a njegov glavni maseni broj je 7 a. e. m. . Ovaj element je prilično rijedak u Zemljinoj kori. Njegovo vađenje i obrada su skupi.

Glavna sirovina za proizvodnju metala litijuma je njegov karbonat (ili litijum karbonat), koji se pretvara u hlorid, a zatim se njegova elektroliza vrši u smeši sa KCl ili BaCl. Karbonat se izdvaja iz prirodnih materijala (lepidolit, piroksen podumen) prilikom sinterovanja sa CaO ili CaCO₃.

U uzorcima, odnos litijumskih izotopa može značajno da varira. To se događa kao rezultat prirodne ili umjetne frakcioniranja. Ova činjenica se uzima u obzir prilikom provođenja tačnih laboratorijskih eksperimenata.

Uslovi korišćenja

Litijumski izotopi ⁶Li i ⁷Li se razlikuju po nuklearnim svojstvima: vjerovatnoći interakcije elementarnih čestica atomskog jezgra i produkata reakcije. Stoga je i opseg njihove primjene različit.

Tokom bombardovanja litijumskog izotopa ⁶Li spori neutroni proizvode superteški vodonik (tricijum). U isto vrijeme, alfa čestice se odvajaju i formira helijum. Čestice se izbacuju u suprotnim smjerovima. Ova nuklearna reakcija prikazana je na donjoj slici.

Ovo svojstvo izotopa koristi se kao alternativa zamjeni tricija u termonuklearnim reaktorima i bombama, budući da tritij karakterizira manja stabilnost.

Izotop litijuma ⁷Li u tečnom obliku ima veliki specifični toplotni kapacitet i nizak nuklearni efikasan presek. U leguri sa natrijumom, cezijumom i berilijum fluoridom koristi se kao rashladna tečnost, kao i rastvarač u i th fluorida u nuklearnim reaktorima tečne soli.

Izgled kernela

Najčešći raspored jezgara atoma litijuma u prirodi uključuje 3 protona i 4 neutrona. Ostali imaju 3 takve čestice. Raspored jezgara litijumskih izotopa prikazan je na slici ispod (a i B, respektivno).

Da bi jezgro atoma helijuma formiralo jezgro atoma Li, , neophodno je i dovoljno za dodavanje 1 protona i 1 neutrona. Ove čestice su povezane njihovim magnetnim silama. Neutroni imaju složeno magnetno polje, koje se sastoji od 4 pola, tako da na slici za prvi izotop prosječni neutron ima tri zauzeta kontakta i jedan potencijalno slobodan.

Minimalna energija vezivanja litijumskog izotopa ⁷Li, potrebno za podjela jezgra elementa na nukleone je 37,9 MeV. , Određuje se metodom izračunavanja datom u nastavku.

U ovim formulama varijable i konstante imaju sljedeće značenje:

• n je broj neutrona;
• m je masa neutrona;
• P je broj protona;
• dM je razlika između mase čestica koje čine jezgro i mase jezgra litijumskog izotopa;
• 931 MeV je energija koja odgovara 1 a. e. m.

Nuklearne transformacije

Izotopi ovog elementa mogu imati do 5 dodatnih neutrona u jezgru. Međutim, životni vijek takve raznolikosti litijuma ne prelazi nekoliko milisekundi. Kada se proton uhvati, izotop ⁶Li pretvara u ⁷Be, koji se zatim raspada u alfa česticu i izotop helijuma ³On. Kada bombardovani deuteronima ^{, 8}Be se ponovo pojavljuje. Kada jezgro uhvati deuteron ⁷Li ispada jezgro ⁹Be, koji se odmah raspada na 2 alfa čestice i neutron.

Eksperimenti pokazuju da se tokom bombardovanja litijumskih izotopa može uočiti širok spektar nuklearnih reakcija. Istovremeno se oslobađa značajna količina energije.

Prijem

Odvajanje litijumskih izotopa može se nositi napolje na nekoliko načina. Najčešći od njih su:

• Odvajanje u toku pare. Da biste to uradili, dijafragma se postavlja u cilindričnu posudu duž svoje ose. Gasovita mješavina izotopa dovodi se prema pomoćnoj pari. U levom delu uređaja akumulira se deo molekula obogaćenih svetlosnim izotopom. To je zbog činjenice da molekuli svjetlosti imaju tendenciju da imaju visoku stopu difuzije kroz dijafragmu. Uklanjaju se zajedno sa strujom pare iz gornje grane cijevi.
• Proces termodifuzije. U ovoj tehnologiji, kao i u prethodnoj, primjenjuje se svojstvo različitih brzina za pokretne molekule. Proces odvajanja odvija se u stubovima u kojima se zidovi hlade. Unutar njih je užarena žica rastegnuta duž centra. Kao rezultat prirodne konvekcije nastaju 2 toka – topla teče duž žice, a hladna teče niz zidove. U gornjem delu se akumuliraju i uklanjaju laki izotopi, au donjem delu teški izotopi.
• Gasna centrifugacija. Mješavina izotopa pokreće se u centrifugi, koja je cilindar sa tankim zidovima koji se okreće velikom brzinom. Teži izotopi bacaju se centrifugalnom silom na zidove centrifuge. Usled kretanja pare, oni se prenose, a laki izotopi iz centralnog dela aparata se prenose prema gore.
• Hemijska metoda. Hemijska reakcija odvija se u 2 reagensa u različitim faznim stanjima, što omogućava odvajanje izotopskih tokova. Postoje varijante ove tehnologije kada se određeni izotopi jonizuju laserom, a zatim odvajaju magnetnim poljem.
• Elektroliza soli hlorida. Ova metoda se koristi za izotope litijuma samo u laboratorijskim uslovima.

Aplikacije

Gotovo sve primjene litijuma povezane su sa njegovim izotopima. Tip elementa sa masenim brojem 6 koristi se za sljedeće svrhe:

• kao izvor tricija (nuklearno gorivo u reaktorima);
• za industrijsku sintezu izotopa tricija;
• za proizvodnju termonuklearnog oružja.

Izotop ⁷Li se primjenjuje u sljedećim područjima:

• za proizvodnju punjivih baterija;
• u medicini – za proizvodnju antidepresiva i sredstava za smirenje;
• u reaktorima: kao rashladna tečnost, za održavanje radnih uslova vodnih reaktora nuklearnih elektrana, za čišćenje rashladne tečnosti u demineralizatorima prvog kruga nuklearnih reaktora.

Obim primjene litijumskih izotopa postaje širi. U tom smislu, jedan od gorućih problema industrije je proizvodnja supstanci visoke čistoće, uključujući mono-izotopske proizvode.

U 2011. godini započeta je i proizvodnja tricijumskih baterija, koja su ozračena litijumskim izotopima litijuma. Koriste se tamo gdje su potrebne niske struje i dug vijek trajanja (pejsmejkeri i drugi implantati, senzori bušotine i druga oprema). Poluživot tricijuma, i stoga trajanje baterije je 12 godina.