Izotopii de litiu sunt folosiți pe scară largă nu numai în industria nucleară, ci și în producția de baterii reîncărcabile. Există mai multe tipuri de ele, dintre care două se găsesc în natură. Reacțiile nucleare cu izotopi sunt însoțite de eliberarea unor cantități mari de radiații, ceea ce reprezintă o direcție promițătoare în industria energetică.
Definiție
Izotopii litiului sunt varietăți de atomi ai unui element chimic dat. Ele diferă unele de altele prin numărul de particule elementare încărcate neutru (neutroni). Știința modernă cunoaște 9 astfel de izotopi, dintre care șapte sunt artificiali, cu mase atomice de la 4 la 12.
Dintre acestea, cel mai stabil este 8Li. Timpul său de înjumătățire este de 0,8403 secunde. Au fost identificate și 2 tipuri de nuclizi izomeri nucleari (nuclee atomice care diferă nu numai prin numărul de neutroni, ci și de protoni) - 10m1Li și 10m2 Li. Ele diferă în structura atomilor din spațiu și în proprietăți.
A fi în natură
În condiții naturale, există doar 2 izotopi stabili - cu o masă de 6 și 7 unități a. mânca(6Li, 7Li). Cel mai comun dintre acestea este al doilea izotop al litiului. Litiul din sistemul periodic al lui Mendeleev are numărul de serie 3, iar numărul său de masă principal este 7 a.u. e. m. Acest element este destul de rar în scoarța terestră. Extragerea și procesarea acestuia sunt costisitoare.
Materia primă principală pentru obținerea litiului metalic este carbonatul acestuia (sau carbonatul de litiu), care este transformat în clorură, iar apoi electrolizat în amestec cu KCl sau BaCl. Carbonatul este izolat din materiale naturale (lepidolit, spodumen piroxen) prin sinterizare cu CaO sau CaCO3.
În probe, raportul dintre izotopii de litiu poate varia foarte mult. Acest lucru se întâmplă ca urmare a fracției naturale sau artificiale. Acest fapt este luat în considerare atunci când se efectuează experimente de laborator precise.
Funcții
Izotopi de litiu 6Li și 7Li diferă în ceea ce privește proprietățile nucleare: probabilitatea de interacțiune a particulelor elementare ale nucleului atomic și reacția produse. Prin urmare, domeniul lor de aplicare este, de asemenea, diferit.
Când izotopul de litiu 6Li este bombardat cu neutroni lenți, se produce hidrogen supergreu (tritiu). În acest caz, particulele alfa sunt separate și se formează heliu. Particulele sunt ejectate în direcții opuse. Această reacție nucleară este prezentată în figura de mai jos.
Această proprietate a izotopului este utilizată ca alternativă pentru a înlocui tritiul în reactoarele de fuziune și bombe, deoarece tritiul este caracterizat printr-unstabilitate.
Izotopul de litiu 7Li sub formă lichidă are o căldură specifică ridicată și o secțiune transversală eficientă nucleară scăzută. Într-un aliaj cu fluorură de sodiu, cesiu și beriliu, este folosit ca agent de răcire, precum și ca solvent pentru fluorurile U și Th în reactoarele nucleare lichid-sare.
Aspect principal
Cel mai comun aranjament al atomilor de litiu din natură include 3 protoni și 4 neutroni. Restul au 3 astfel de particule. Dispunerea nucleelor izotopilor de litiu este prezentată în figura de mai jos (a și, respectiv, b).
Pentru a forma nucleul unui atom de Li din nucleul unui atom de heliu, este necesar și suficient să adăugați 1 proton și 1 neutron. Aceste particule își conectează forțele magnetice. Neutronii au un câmp magnetic complex, care constă din 4 poli, așa că în figura pentru primul izotop, neutronul mediu are trei contacte ocupate și unul potențial liber.
Energia minimă de legare a izotopului de litiu 7Li necesară pentru a diviza nucleul elementului în nucleoni este de 37,9 MeV. Acesta este determinat de metoda de calcul prezentată mai jos.
În aceste formule, variabilele și constantele au următoarea semnificație:
- n – numărul de neutroni;
- m – masa neutronilor;
- p – numărul de protoni;
- dM este diferența dintre masa particulelor care alcătuiesc nucleul și masa nucleului izotopului de litiu;
- 931 meV este energia corespunzătoare la 1 u.a. e.m.
Nucleartransformări
Izotopii acestui element pot avea până la 5 neutroni în plus în nucleu. Cu toate acestea, durata de viață a acestui tip de litiu nu depășește câteva milisecunde. Când un proton este capturat, izotopul 6Li se transformă în 7Be, care apoi se descompune într-o particulă alfa și un izotop de heliu 3 El. Când este bombardat de deuteroni, 8Be reapare. Când un deuteron este capturat de nucleul 7Li, se obține nucleul 9Be, care se descompune imediat în 2 particule alfa și un neutron.
După cum arată experimentele, la bombardarea izotopilor de litiu, pot fi observate o mare varietate de reacții nucleare. Acest lucru eliberează o cantitate semnificativă de energie.
Primire
Separarea izotopilor de litiu se poate face în mai multe moduri. Cele mai comune sunt:
- Separare în fluxul de abur. Pentru a face acest lucru, o diafragmă este plasată într-un vas cilindric de-a lungul axei sale. Amestecul gazos de izotopi este alimentat către aburul auxiliar. Unele dintre moleculele îmbogățite în izotop de lumină se acumulează pe partea stângă a aparatului. Acest lucru se datorează faptului că moleculele luminoase au o rată mare de difuzie prin diafragmă. Acestea sunt evacuate împreună cu fluxul de abur din duza superioară.
- Proces de termodifuzie. În această tehnologie, ca și în cea anterioară, se folosește proprietatea diferitelor viteze pentru mișcarea moleculelor. Procesul de separare are loc în stâlpi ai căror pereți sunt răciți. În interiorul lor, în centru este întins un fir roșu. Ca urmare a convecției naturale, apar 2 fluxuri - cel cald se mișcă de-a lungulfire în sus și rece - de-a lungul pereților în jos. Izotopii ușori sunt acumulați și îndepărtați în partea superioară, iar izotopii grei în partea inferioară.
- Centrifugare cu gaz. Un amestec de izotopi este rulat într-o centrifugă, care este un cilindru cu pereți subțiri care se rotește la viteză mare. Izotopii mai grei sunt aruncați prin forța centrifugă împotriva pereților centrifugei. Datorită mișcării aburului, aceștia sunt transportați în jos, iar izotopii ușori din partea centrală a dispozitivului - în sus.
- Metoda chimică. Reacția chimică se desfășoară în 2 reactivi care sunt în diferite stări de fază, ceea ce face posibilă separarea fluxurilor izotopice. Există varietăți ale acestei tehnologii, când anumiți izotopi sunt ionizați de un laser și apoi separați de un câmp magnetic.
- Electroliza sărurilor clorurate. Această metodă este utilizată pentru izotopii de litiu numai în condiții de laborator.
Aplicație
Practic toate aplicațiile litiului sunt asociate exact cu izotopii săi. O variație a elementului cu un număr de masă de 6 este utilizată în următoarele scopuri:
- ca sursă de tritiu (combustibil nuclear în reactoare);
- pentru sinteza industrială a izotopilor de tritiu;
- pentru fabricarea de arme termonucleare.
Izotop 7Li este folosit în următoarele câmpuri:
- pentru producția de baterii reîncărcabile;
- în medicină - pentru fabricarea de antidepresive și tranchilizante;
- în reactoare: ca agent de răcire, pentru a menține condițiile de funcționare a apeireactoare de putere ale centralelor nucleare, pentru curățarea lichidului de răcire din demineralizatoarele din circuitul primar al reactoarelor nucleare.
Domeniul de aplicare al izotopilor de litiu devine din ce în ce mai larg. În acest sens, una dintre problemele stringente ale industriei este obținerea unei substanțe de în altă puritate, inclusiv produse monoizotopice.
În 2011 a fost lansată și producția de baterii cu tritiu, care se obțin prin iradierea litiului cu izotopi de litiu. Ele sunt utilizate acolo unde sunt necesari curenți scăzuti și o durată lungă de viață (stimulatoare cardiace și alte implanturi, senzori de fund și alte echipamente). Timpul de înjumătățire al tritiului și, prin urmare, durata de viață a bateriei este de 12 ani.
