Lithiumisotope werden nicht nur in der Nuklearindustrie, sondern auch bei der Herstellung von wiederaufladbaren Batterien verwendet. Es gibt mehrere Arten von ihnen, von denen zwei in der Natur vorkommen. Kernreaktionen mit Isotopen werden von der Freisetzung großer Strahlungsmengen begleitet, was eine vielversprechende Richtung in der Energiewirtschaft darstellt.
Definition
Lithiumisotope sind Sorten von Atomen eines bestimmten chemischen Elements. Sie unterscheiden sich in der Anzahl neutral geladener Elementarteilchen (Neutronen). Die moderne Wissenschaft kennt 9 solcher Isotope, von denen sieben künstlich sind, mit Atommassen von 4 bis 12.
Von diesen ist 8Li am stabilsten. Seine Halbwertszeit beträgt 0,8403 Sekunden. 2 Arten von nuklearen isomeren Nukliden (Atomkerne, die sich nicht nur in der Anzahl der Neutronen, sondern auch in der Anzahl der Protonen unterscheiden) wurden ebenfalls identifiziert - 10m1Li und 10m2 Li. Sie unterscheiden sich in der Struktur der Atome im Raum und in ihren Eigenschaften.
In der Natur sein
Unter natürlichen Bedingungen gibt es nur 2 stabile Isotope - mit einer Masse von 6 und 7 Einheiten a. Essen(6Li, 7Li). Das häufigste davon ist das zweite Isotop von Lithium. Lithium in Mendeleevs Periodensystem hat die Seriennummer 3 und seine Hauptmassennummer ist 7 a.u. e. m. Dieses Element ist in der Erdkruste ziemlich selten. Seine Gewinnung und Verarbeitung sind kostspielig.
Der Hauptrohstoff zur Gewinnung von metallischem Lithium ist sein Carbonat (oder Lithiumcarbonat), das in Chlorid umgewandelt und dann in einer Mischung mit KCl oder BaCl elektrolysiert wird. Karbonat wird aus natürlichen Materialien (Lepidolith, Spodumenpyroxen) durch Sintern mit CaO oder CaCO isoliert3.
In Proben kann das Verhältnis der Lithium-Isotope stark variieren. Dies geschieht durch natürliche oder künstliche Fraktionierung. Diese Tatsache wird bei der Durchführung genauer Laborexperimente berücksichtigt.
Funktionen
Lithiumisotope 6Li und 7Li unterscheiden sich in Kerneigenschaften: die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung von Elementarteilchen des Atomkerns und Reaktion Produkte. Daher ist auch ihr Geltungsbereich unterschiedlich.
Wenn das Lithium-Isotop 6Li mit langsamen Neutronen beschossen wird, entsteht superschwerer Wasserstoff (Tritium). Dabei werden Alphateilchen abgesp alten und Helium gebildet. Partikel werden in entgegengesetzte Richtungen ausgestoßen. Diese Kernreaktion ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Diese Eigenschaft des Isotops wird alternativ zum Ersatz von Tritium in Fusionsreaktoren und Bomben genutzt, da sich Tritium durch eine kleinere auszeichnetStabilität.
Lithiumisotop 7Li in flüssiger Form hat eine hohe spezifische Wärme und einen niedrigen nuklearen Wirkungsquerschnitt. In einer Legierung mit Natrium-, Cäsium- und Berylliumfluorid dient es als Kühlmittel sowie als Lösungsmittel für U- und Th-Fluoride in Flüssigsalz-Kernreaktoren.
Kernlayout
Die häufigste Anordnung von Lithiumatomen in der Natur umfasst 3 Protonen und 4 Neutronen. Der Rest hat 3 solcher Teilchen. Die Anordnung der Kerne von Lithiumisotopen ist in der folgenden Abbildung dargestellt (a bzw. b).
Um aus dem Kern eines Heliumatoms den Kern eines Li-Atoms zu bilden, ist es notwendig und ausreichend, 1 Proton und 1 Neutron hinzuzufügen. Diese Teilchen verbinden ihre magnetischen Kräfte. Neutronen haben ein komplexes Magnetfeld, das aus 4 Polen besteht, daher hat das durchschnittliche Neutron in der Abbildung für das erste Isotop drei besetzte Kontakte und einen potenziell freien.
Die minimale Bindungsenergie des Lithiumisotops 7Li, die erforderlich ist, um den Kern des Elements in Nukleonen zu sp alten, beträgt 37,9 MeV. Sie wird nach der unten angegebenen Berechnungsmethode ermittelt.
In diesen Formeln haben Variablen und Konstanten folgende Bedeutung:
- n – Anzahl der Neutronen;
- m – Neutronenmasse;
- p – Anzahl der Protonen;
- dM ist die Differenz zwischen der Masse der Teilchen, aus denen der Kern besteht, und der Masse des Kerns des Lithiumisotops;
- 931 meV ist die Energie, die 1 a.u. e.m.
NuklearTransformationen
Isotope dieses Elements können bis zu 5 zusätzliche Neutronen im Kern haben. Die Lebensdauer dieser Art von Lithium übersteigt jedoch einige Millisekunden nicht. Wenn ein Proton eingefangen wird, verwandelt sich das Isotop 6Li in 7Be, das dann in ein Alphateilchen und ein Heliumisotop zerfällt 3 Er. Wenn es von Deuteronen bombardiert wird, erscheint 8Be wieder. Wenn ein Deuteron vom Kern 7Li eingefangen wird, entsteht der Kern 9Be, der sofort in 2 Alphateilchen und ein Neutron zerfällt.
Wie Experimente zeigen, können beim Beschuss von Lithiumisotopen verschiedenste Kernreaktionen beobachtet werden. Dadurch wird eine beträchtliche Menge an Energie freigesetzt.
Empfangen
Lithium-Isotopentrennung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Die häufigsten sind:
- Ablösung im Dampfstrom. Dazu wird ein Diaphragma entlang seiner Achse in ein zylindrisches Gefäß eingebracht. Das gasförmige Isotopengemisch wird dem Hilfsdampf zugeführt. Einige der mit dem leichten Isotop angereicherten Moleküle sammeln sich auf der linken Seite der Apparatur an. Dies liegt daran, dass Lichtmoleküle eine hohe Diffusionsrate durch die Membran haben. Sie werden zusammen mit dem Dampfstrom aus der oberen Düse ausgestoßen.
- Thermodiffusionsprozess. Bei dieser Technologie wird wie bei der vorherigen die Eigenschaft unterschiedlicher Geschwindigkeiten für die Bewegung von Molekülen genutzt. Der Trennprozess findet in Kolonnen statt, deren Wände gekühlt werden. In ihnen ist in der Mitte ein glühender Draht gespannt. Durch natürliche Konvektion entstehen 2 Strömungen - die warme bewegt sich mitDrähte hoch und k alt - entlang der Wände nach unten. Leichte Isotope werden im oberen Teil angesammelt und entfernt, schwere Isotope im unteren Teil.
- Gaszentrifugation. Ein Isotopengemisch wird in einer Zentrifuge, einem dünnwandigen Zylinder, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, laufen gelassen. Schwerere Isotope werden durch die Zentrifugalkraft gegen die Wände der Zentrifuge geschleudert. Aufgrund der Dampfbewegung werden sie nach unten und leichte Isotope aus dem zentralen Teil des Geräts nach oben getragen.
- Chemische Methode. Die chemische Reaktion läuft in 2 Reagenzien ab, die sich in unterschiedlichen Phasenzuständen befinden, was es ermöglicht, die Isotopenströme zu trennen. Es gibt Varianten dieser Technologie, bei der bestimmte Isotope durch einen Laser ionisiert und dann durch ein Magnetfeld getrennt werden.
- Elektrolyse von Chloridsalzen. Diese Methode wird für Lithiumisotope nur unter Laborbedingungen verwendet.
Bewerbung
Praktisch alle Anwendungen von Lithium werden genau mit seinen Isotopen in Verbindung gebracht. Eine Variation des Elements mit der Massenzahl 6 wird für folgende Zwecke verwendet:
- als Tritiumquelle (Kernbrennstoff in Reaktoren);
- für die industrielle Synthese von Tritiumisotopen;
- zur Herstellung thermonuklearer Waffen.
Isotop 7Li wird in folgenden Feldern verwendet:
- zur Herstellung von wiederaufladbaren Batterien;
- in der Medizin - zur Herstellung von Antidepressiva und Beruhigungsmitteln;
- in Reaktoren: als Kühlmittel, um die Betriebsbedingungen von Wasser aufrechtzuerh altenLeistungsreaktoren von Kernkraftwerken, zur Reinigung des Kühlmittels in den Vollentsalzern des Primärkreislaufs von Kernreaktoren.
Der Anwendungsbereich von Lithiumisotopen wird immer größer. In dieser Hinsicht besteht eines der dringendsten Probleme der Industrie darin, eine Substanz von hoher Reinheit zu erh alten, einschließlich monoisotopischer Produkte.
Im Jahr 2011 wurde auch die Produktion von Tritiumbatterien gestartet, die durch Bestrahlung von Lithium mit Lithiumisotopen gewonnen werden. Sie werden dort eingesetzt, wo niedrige Ströme und eine lange Lebensdauer erforderlich sind (Herzschrittmacher und andere Implantate, Bohrlochsensoren und andere Geräte). Die Halbwertszeit von Tritium und damit die Lebensdauer der Batterie beträgt 12 Jahre.
