Τα ισότοπα λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως όχι μόνο στην πυρηνική βιομηχανία, αλλά και στην παραγωγή επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αυτών, δύο από τους οποίους βρίσκονται στη φύση. Οι πυρηνικές αντιδράσεις με ισότοπα συνοδεύονται από την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων ακτινοβολίας, η οποία είναι μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση στην ενεργειακή βιομηχανία.
Ορισμός
Τα ισότοπα λιθίου είναι ποικιλίες ατόμων ενός δεδομένου χημικού στοιχείου. Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον αριθμό των ουδέτερα φορτισμένων στοιχειωδών σωματιδίων (νετρόνια). Η σύγχρονη επιστήμη γνωρίζει 9 τέτοια ισότοπα, επτά από τα οποία είναι τεχνητά, με ατομική μάζα από 4 έως 12.
Από αυτά, το πιο σταθερό είναι το 8Li. Ο χρόνος ημιζωής του είναι 0,8403 δευτερόλεπτα. Έχουν επίσης εντοπιστεί 2 τύποι πυρηνικών ισομερών νουκλεϊδίων (ατομικοί πυρήνες που διαφέρουν όχι μόνο στον αριθμό των νετρονίων, αλλά και στον αριθμό των πρωτονίων) - 10m1Li και 10m2 Li. Διαφέρουν ως προς τη δομή των ατόμων στο διάστημα και στις ιδιότητες.
Όντας στη φύση
Σε φυσικές συνθήκες, υπάρχουν μόνο 2 σταθερά ισότοπα - με μάζα 6 και 7 μονάδες α. τρώω(6Li, 7Li). Το πιο κοινό από αυτά είναι το δεύτερο ισότοπο του λιθίου. Το λίθιο στο περιοδικό σύστημα του Mendeleev έχει αύξοντα αριθμό 3 και ο κύριος μαζικός αριθμός του είναι 7 a.u. ε. μ. Αυτό το στοιχείο είναι αρκετά σπάνιο στον φλοιό της γης. Η εξαγωγή και η επεξεργασία του είναι δαπανηρή.
Η κύρια πρώτη ύλη για τη λήψη μεταλλικού λιθίου είναι το ανθρακικό του (ή ανθρακικό λίθιο), το οποίο μετατρέπεται σε χλωρίδιο και στη συνέχεια ηλεκτρολύεται σε ένα μείγμα με KCl ή BaCl. Το ανθρακικό απομονώνεται από φυσικά υλικά (λεπιδόλιθος, σποδουμενοπυροξένιο) με πυροσυσσωμάτωση με CaO ή CaCO3.
Σε δείγματα, η αναλογία των ισοτόπων λιθίου μπορεί να ποικίλλει πολύ. Αυτό συμβαίνει ως αποτέλεσμα φυσικής ή τεχνητής κλασματοποίησης. Αυτό το γεγονός λαμβάνεται υπόψη κατά τη διεξαγωγή ακριβών εργαστηριακών πειραμάτων.
Λειτουργίες
Τα ισότοπα λιθίου 6Li και 7Li διαφέρουν στις πυρηνικές ιδιότητες: η πιθανότητα αλληλεπίδρασης στοιχειωδών σωματιδίων του ατομικού πυρήνα και η αντίδραση προϊόντα. Επομένως, το εύρος τους είναι επίσης διαφορετικό.
Όταν το ισότοπο λιθίου 6Li βομβαρδίζεται με αργά νετρόνια, παράγεται υπερβαρύ υδρογόνο (τρίτιο). Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια άλφα διασπώνται και σχηματίζεται ήλιο. Τα σωματίδια εκτοξεύονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτή η πυρηνική αντίδραση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Αυτή η ιδιότητα του ισοτόπου χρησιμοποιείται ως εναλλακτική για την αντικατάσταση του τριτίου σε αντιδραστήρες σύντηξης και βόμβες, καθώς το τρίτιο χαρακτηρίζεται από μικρότεροσταθερότητα.
Ισότοπο λιθίου 7Το Li σε υγρή μορφή έχει υψηλή ειδική θερμότητα και χαμηλή πυρηνική αποτελεσματική διατομή. Σε ένα κράμα με φθοριούχο νάτριο, καίσιο και βηρύλλιο, χρησιμοποιείται ως ψυκτικό υγρό, καθώς και ως διαλύτης για τα φθοριούχα U και Th σε πυρηνικούς αντιδραστήρες υγρού άλατος.
Διάταξη πυρήνα
Η πιο κοινή διάταξη ατόμων λιθίου στη φύση περιλαμβάνει 3 πρωτόνια και 4 νετρόνια. Τα υπόλοιπα έχουν 3 τέτοια σωματίδια. Η διάταξη των πυρήνων των ισοτόπων λιθίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (a και b, αντίστοιχα).
Για να σχηματιστεί ο πυρήνας ενός ατόμου Li από τον πυρήνα ενός ατόμου ηλίου, είναι απαραίτητο και αρκετό να προστεθεί 1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο. Αυτά τα σωματίδια συνδέουν τις μαγνητικές τους δυνάμεις. Τα νετρόνια έχουν ένα σύνθετο μαγνητικό πεδίο, το οποίο αποτελείται από 4 πόλους, επομένως στο σχήμα για το πρώτο ισότοπο, το μέσο νετρόνιο έχει τρεις κατειλημμένες επαφές και μία δυνητικά ελεύθερη.
Η ελάχιστη ενέργεια δέσμευσης του ισοτόπου λιθίου 7Li που απαιτείται για τον διαχωρισμό του πυρήνα του στοιχείου σε νουκλεόνια είναι 37,9 MeV. Καθορίζεται με τη μέθοδο υπολογισμού που δίνεται παρακάτω.
Σε αυτούς τους τύπους, οι μεταβλητές και οι σταθερές έχουν την εξής σημασία:
- n – αριθμός νετρονίων;
- m – μάζα νετρονίων;
- p – αριθμός πρωτονίων;
- dM είναι η διαφορά μεταξύ της μάζας των σωματιδίων που αποτελούν τον πυρήνα και της μάζας του πυρήνα του ισοτόπου λιθίου.
- Το 931 meV είναι η ενέργεια που αντιστοιχεί σε 1 a.u. π.μ.
Πυρηνικάμετασχηματισμοί
Τα ισότοπα αυτού του στοιχείου μπορούν να έχουν έως και 5 επιπλέον νετρόνια στον πυρήνα. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής αυτού του είδους λιθίου δεν υπερβαίνει τα λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Όταν συλλαμβάνεται ένα πρωτόνιο, το ισότοπο 6Li μετατρέπεται σε 7Be, το οποίο στη συνέχεια διασπάται σε ένα σωματίδιο άλφα και ένα ισότοπο ηλίου 3 Αυτός. Όταν βομβαρδίζεται από δευτερόνια, το 8Be επανεμφανίζεται. Όταν ένα δευτερόνιο συλλαμβάνεται από τον πυρήνα 7Li, λαμβάνεται ο πυρήνας 9Be, ο οποίος διασπάται αμέσως σε 2 σωματίδια άλφα και ένα νετρόνιο.
Όπως δείχνουν τα πειράματα, όταν βομβαρδίζονται ισότοπα λιθίου, μπορεί να παρατηρηθεί μεγάλη ποικιλία πυρηνικών αντιδράσεων. Αυτό απελευθερώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας.
Λήψη
Ο διαχωρισμός των ισοτόπων λιθίου μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Τα πιο συνηθισμένα είναι:
- Διαχωρισμός στη ροή ατμού. Για να γίνει αυτό, ένα διάφραγμα τοποθετείται σε ένα κυλινδρικό δοχείο κατά μήκος του άξονά του. Το αέριο μίγμα των ισοτόπων τροφοδοτείται προς τον βοηθητικό ατμό. Μερικά από τα μόρια που είναι εμπλουτισμένα στο ισότοπο φωτός συσσωρεύονται στην αριστερή πλευρά της συσκευής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια φωτός έχουν υψηλό ρυθμό διάχυσης μέσω του διαφράγματος. Εκφορτίζονται μαζί με τη ροή ατμού από το πάνω ακροφύσιο.
- Διαδικασία θερμοδιάχυσης. Σε αυτή την τεχνολογία, όπως και στην προηγούμενη, χρησιμοποιείται η ιδιότητα των διαφορετικών ταχυτήτων για την κίνηση των μορίων. Η διαδικασία διαχωρισμού λαμβάνει χώρα σε κολώνες των οποίων τα τοιχώματα ψύχονται. Μέσα τους, ένα καυτό σύρμα τεντώνεται στο κέντρο. Ως αποτέλεσμα της φυσικής μεταφοράς, προκύπτουν 2 ροές - η θερμή κινείται κατά μήκοςκαλώδια επάνω, και κρύο - κατά μήκος των τοίχων κάτω. Τα ελαφριά ισότοπα συσσωρεύονται και αφαιρούνται στο επάνω μέρος και τα βαριά ισότοπα στο κάτω μέρος.
- Φυγοκέντρηση αερίου. Ένα μείγμα ισοτόπων διοχετεύεται σε μια φυγόκεντρο, η οποία είναι ένας κύλινδρος με λεπτό τοίχωμα που περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα. Βαρύτερα ισότοπα ρίχνονται με φυγόκεντρο δύναμη στα τοιχώματα της φυγόκεντρου. Λόγω της κίνησης του ατμού, μεταφέρονται προς τα κάτω και ελαφρά ισότοπα από το κεντρικό τμήμα της συσκευής - επάνω.
- Χημική μέθοδος. Η χημική αντίδραση προχωρά σε 2 αντιδραστήρια που βρίσκονται σε διαφορετικές καταστάσεις φάσης, γεγονός που καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό των ροών ισοτόπων. Υπάρχουν ποικιλίες αυτής της τεχνολογίας, όταν ορισμένα ισότοπα ιονίζονται από ένα λέιζερ και στη συνέχεια διαχωρίζονται από ένα μαγνητικό πεδίο.
- Ηλεκτρόλυση χλωριούχων αλάτων. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για ισότοπα λιθίου μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες.
Αίτηση
Πρακτικά όλες οι εφαρμογές του λιθίου σχετίζονται ακριβώς με τα ισότοπά του. Μια παραλλαγή του στοιχείου με μαζικό αριθμό 6 χρησιμοποιείται για τους ακόλουθους σκοπούς:
- ως πηγή τριτίου (πυρηνικό καύσιμο σε αντιδραστήρες),
- για τη βιομηχανική σύνθεση ισοτόπων τριτίου;
- για την κατασκευή θερμοπυρηνικών όπλων.
Ισότοπο 7Li χρησιμοποιείται στα ακόλουθα πεδία:
- για την παραγωγή επαναφορτιζόμενων μπαταριών;
- στην ιατρική - για την παρασκευή αντικαταθλιπτικών και ηρεμιστικών;
- σε αντιδραστήρες: ως ψυκτικό, για τη διατήρηση των συνθηκών λειτουργίας του νερούαντιδραστήρες ενέργειας πυρηνικών σταθμών, για τον καθαρισμό του ψυκτικού στους απιονιστές του πρωτεύοντος κυκλώματος των πυρηνικών αντιδραστήρων.
Το εύρος των ισοτόπων λιθίου γίνεται ευρύτερο. Από αυτή την άποψη, ένα από τα πιεστικά προβλήματα της βιομηχανίας είναι η απόκτηση μιας ουσίας υψηλής καθαρότητας, συμπεριλαμβανομένων των μονοϊσοτοπικών προϊόντων.
Το 2011 ξεκίνησε και η παραγωγή μπαταριών τριτίου, οι οποίες λαμβάνονται με ακτινοβόληση λιθίου με ισότοπα λιθίου. Χρησιμοποιούνται όπου απαιτούνται χαμηλά ρεύματα και μεγάλη διάρκεια ζωής (βηματοδότες και άλλα εμφυτεύματα, αισθητήρες κάτω οπής και άλλος εξοπλισμός). Ο χρόνος ημιζωής του τριτίου, άρα και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, είναι 12 χρόνια.
