Lithiumisotopen worden veel gebruikt, niet alleen in de nucleaire industrie, maar ook bij de productie van oplaadbare batterijen. Er zijn verschillende soorten, waarvan er twee in de natuur voorkomen. Kernreacties met isotopen gaan gepaard met het vrijkomen van grote hoeveelheden straling, wat een veelbelovende richting is in de energie-industrie.
Definitie
Isotopen van lithium zijn variëteiten van atomen van een bepaald chemisch element. Ze verschillen van elkaar in het aantal neutraal geladen elementaire deeltjes (neutronen). De moderne wetenschap kent negen van dergelijke isotopen, waarvan zeven kunstmatig, met atoommassa's van 4 tot 12.
Hiervan is 8Li de meest stabiele. De halfwaardetijd is 0,8403 seconden. Er zijn ook 2 soorten nucleaire isomere nucliden (atoomkernen die niet alleen verschillen in het aantal neutronen, maar ook in protonen) geïdentificeerd - 10m1Li en 10m2 Li. Ze verschillen in de structuur van atomen in de ruimte en in eigenschappen.
In de natuur zijn
In natuurlijke omstandigheden zijn er slechts 2 stabiele isotopen - met een massa van 6 en 7 eenheden a. eten(6Li, 7Li). De meest voorkomende hiervan is de tweede isotoop van lithium. Lithium in het periodieke systeem van Mendelejev heeft serienummer 3 en het belangrijkste massagetal is 7 a.u. e. m. Dit element is vrij zeldzaam in de aardkorst. De extractie en verwerking ervan zijn kostbaar.
De belangrijkste grondstof voor het verkrijgen van metallisch lithium is het carbonaat (of lithiumcarbonaat), dat wordt omgezet in chloride en vervolgens wordt geëlektrolyseerd in een mengsel met KCl of BaCl. Carbonaat wordt geïsoleerd uit natuurlijke materialen (lepidoliet, spodumeenpyroxeen) door sinteren met CaO of CaCO3.
In monsters kan de verhouding van lithiumisotopen sterk variëren. Dit gebeurt als gevolg van natuurlijke of kunstmatige fractionering. Met dit feit wordt rekening gehouden bij het uitvoeren van nauwkeurige laboratoriumexperimenten.
Kenmerken
Lithiumisotopen 6Li en 7Li verschillen in nucleaire eigenschappen: de waarschijnlijkheid van interactie van elementaire deeltjes van de atoomkern en reactie producten. Daarom is hun reikwijdte ook anders.
Wanneer de lithiumisotoop 6Li wordt gebombardeerd met langzame neutronen, wordt superzware waterstof (tritium) geproduceerd. Hierbij worden alfadeeltjes afgesplitst en ontstaat helium. Deeltjes worden in tegengestelde richtingen uitgestoten. Deze kernreactie wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
Deze eigenschap van de isotoop wordt gebruikt als een alternatief om tritium in fusiereactoren en -bommen te vervangen, aangezien tritium wordt gekenmerkt door een kleinerestabiliteit.
Lithiumisotoop 7Li in vloeibare vorm heeft een hoge soortelijke warmte en een lage nucleaire effectieve doorsnede. In een legering met natrium-, cesium- en berylliumfluoride wordt het gebruikt als koelmiddel en als oplosmiddel voor U- en Th-fluoriden in kernreactoren met vloeibaar zout.
Kernindeling
De meest voorkomende rangschikking van lithiumatomen in de natuur omvat 3 protonen en 4 neutronen. De rest heeft 3 van dergelijke deeltjes. De indeling van de kernen van lithiumisotopen wordt weergegeven in de onderstaande figuur (respectievelijk a en b).
Om de kern van een Li-atoom te vormen uit de kern van een heliumatoom, is het noodzakelijk en voldoende om 1 proton en 1 neutron toe te voegen. Deze deeltjes verbinden hun magnetische krachten. Neutronen hebben een complex magnetisch veld, dat uit 4 polen bestaat, dus in de figuur voor de eerste isotoop heeft het gemiddelde neutron drie bezette contacten en één potentieel vrij.
De minimale bindingsenergie van de lithiumisotoop 7Li die nodig is om de kern van het element in nucleonen te splitsen, is 37,9 MeV. Het wordt bepaald door de onderstaande berekeningsmethode.
In deze formules hebben variabelen en constanten de volgende betekenis:
- n – aantal neutronen;
- m – neutronenmassa;
- p – aantal protonen;
- dM is het verschil tussen de massa van de deeltjes waaruit de kern bestaat en de massa van de kern van de lithiumisotoop;
- 931 meV is de energie die overeenkomt met 1 a.u. e.m.
Nucleairtransformaties
Isotopen van dit element kunnen tot 5 extra neutronen in de kern hebben. De levensduur van dit soort lithium is echter niet langer dan enkele milliseconden. Wanneer een proton wordt opgevangen, verandert de isotoop 6Li in 7Be, die vervolgens verv alt in een alfadeeltje en een heliumisotoop 3 Hij. Wanneer gebombardeerd door deuteronen, verschijnt 8Be weer. Wanneer een deuteron wordt gevangen door de kern 7Li, wordt de kern 9Be verkregen, die onmiddellijk verv alt in 2 alfadeeltjes en een neutron.
Zoals experimenten laten zien, kan bij het bombarderen van lithiumisotopen een grote verscheidenheid aan kernreacties worden waargenomen. Hierdoor komt een aanzienlijke hoeveelheid energie vrij.
Ontvangen
Lithium-isotoopscheiding kan op verschillende manieren worden gedaan. De meest voorkomende zijn:
- Scheiding in stoomstroom. Om dit te doen, wordt een diafragma langs zijn as in een cilindrisch vat geplaatst. Het gasvormige mengsel van isotopen wordt toegevoerd aan de hulpstoom. Een deel van de moleculen die verrijkt zijn in de lichte isotoop hopen zich op aan de linkerkant van het apparaat. Dit komt door het feit dat lichte moleculen een hoge diffusiesnelheid door het diafragma hebben. Ze worden samen met de stoomstroom uit het bovenste mondstuk afgevoerd.
- Thermodiffusieproces. In deze technologie wordt, net als in de vorige, de eigenschap van verschillende snelheden voor bewegende moleculen gebruikt. Het scheidingsproces vindt plaats in kolommen waarvan de wanden worden gekoeld. Binnenin is in het midden een gloeiend hete draad gespannen. Door natuurlijke convectie ontstaan 2 stromen - de warme beweegt meedraden omhoog, en koud - langs de muren naar beneden. Lichte isotopen worden in het bovenste deel verzameld en verwijderd, en zware isotopen in het onderste deel.
- Gascentrifugeren. Een mengsel van isotopen wordt in een centrifuge geleid, een dunwandige cilinder die met hoge snelheid ronddraait. Zwaardere isotopen worden door middelpuntvliedende kracht tegen de wanden van de centrifuge geworpen. Door de beweging van stoom worden ze naar beneden gedragen en lichte isotopen vanuit het centrale deel van het apparaat - omhoog.
- Chemische methode. De chemische reactie verloopt in 2 reagentia die zich in verschillende fasetoestanden bevinden, wat het mogelijk maakt om de isotopenstromen te scheiden. Er zijn varianten van deze technologie, waarbij bepaalde isotopen worden geïoniseerd door een laser en vervolgens worden gescheiden door een magnetisch veld.
- Elektrolyse van chloridezouten. Deze methode wordt alleen in laboratoriumomstandigheden voor lithiumisotopen gebruikt.
Toepassing
Praktisch alle toepassingen van lithium worden precies geassocieerd met zijn isotopen. Een variatie van het element met massagetal 6 wordt gebruikt voor de volgende doeleinden:
- als bron van tritium (nucleaire brandstof in reactoren);
- voor de industriële synthese van tritiumisotopen;
- voor het maken van thermonucleaire wapens.
Isotoop 7Li wordt gebruikt in de volgende velden:
- voor de productie van oplaadbare batterijen;
- in de geneeskunde - voor de vervaardiging van antidepressiva en kalmerende middelen;
- in reactoren: als koelmiddel, om de bedrijfsomstandigheden van water te handhavenkernreactoren van kerncentrales, om het koelmiddel in de demineralisatoren van het primaire circuit van kernreactoren te reinigen.
De reikwijdte van lithiumisotopen wordt steeds groter. In dit opzicht is een van de dringende problemen van de industrie het verkrijgen van een stof met een hoge zuiverheid, inclusief mono-isotopische producten.
In 2011 werd ook gestart met de productie van tritiumbatterijen, die worden verkregen door lithium te bestralen met lithiumisotopen. Ze worden gebruikt waar lage stromen en een lange levensduur vereist zijn (pacemakers en andere implantaten, sensoren in het boorgat en andere apparatuur). De halfwaardetijd van tritium, en dus de levensduur van de batterij, is 12 jaar.
