Litijev izotop: opredelitev in uporaba

Litijevi izotopi se pogosto uporabljajo ne le v jedrski industriji, temveč tudi pri proizvodnji akumulatorskih baterij. Obstaja več vrst, od katerih sta dve naravni. Jedrske reakcije z izotopi spremlja emisija velikih količin sevanja, kar je obetavno področje za energetsko industrijo.

Opredelitev

Izotopi litija so vrste atomov tega kemijskega elementa. Razlikujejo se po številu nevtralno nabitih elementarnih delcev (nevtronov). Sodobna znanost pozna devet takšnih izotopov, od tega sedem umetnih, z atomsko maso od 4 do 12.

Med njimi je najbolj stabilna ⁸Li. Njegova razpolovna doba je 0,8403 sekunde. Identificirani sta bili tudi dve vrsti jedrskih izomernih nuklidov (atomskih jeder, ki se razlikujejo ne le po številu nevtronov, temveč tudi po številu protonov) ^10m1Li in ^10m2Li. Razlikujejo se po svoji atomski zgradbi v prostoru in lastnostih.

Najdemo ga v naravi

V naravnem okolju obstajata le dva stabilna izotopa z masama 6 in 7 enot a. е. м (⁶Li, ⁷Li). Najpogostejše Med njimi je drugi izotop litij. Litij ima v Mendelejevem periodičnem sistemu vrstno število 3, njegovo osnovno masno število pa je 7a. е. м. Ta element je v zemeljski skorji precej redek. Njegovo pridobivanje in predelava sta draga.

Osnovna surovina za kovinski litij je litijev karbonat (ali litijev karbonat), ki se pretvori v klorid in nato elektrolizira s KCl ali BaCl. Karbonat se pridobiva iz naravnih materialov (lepidolit, piroksen spodumen) s sintranjem s CaO ali CaCO₃.

Razmerje litijevih izotopov v vzorcih je lahko zelo različno. Do tega pride zaradi naravne ali umetne frakcionacije. To dejstvo se upošteva pri natančnih laboratorijskih poskusih.

Značilnosti

Litijevi izotopi ⁶Li in ⁷Izotopi Li se razlikujejo po jedrskih lastnostih: verjetnost interakcije elementarnih delcev atomskega jedra in reakcijskih produktov. Zato je tudi področje uporabe različno.

Ko je litijev izotop bombardiran ⁶Li počasni nevtroni proizvajajo supertežki vodik (tritij). Pri tem se odcepijo delci alfa in nastane helij. Delci se izmetavajo v nasprotnih smereh. Ta jedrska reakcija je prikazana na spodnji sliki.

Ta lastnost izotopa se uporablja kot alternativa za zamenjavo tritija v fuzijskih reaktorjih in bombah, saj je tritij manj stabilen.

Izotop litija ⁷Li v tekoči obliki ima veliko specifično toplotno kapaciteto in majhen jedrski efektivni presek. V zlitini z natrijevim, cezijevim in berilijevim fluoridom se uporablja kot hladilno sredstvo ter topilo za U in Th fluoride v jedrskih reaktorjih s tekočo soljo.

Razporeditev jeder

Najpogostejša naravna razporeditev litijevih atomskih jeder vsebuje 3 protone in 4 nevtrone. Ostali imajo po 3 take delce. Razporeditev jeder izotopov litija je prikazana na spodnji sliki (a oziroma b).

Da bi jedro helijevega atoma tvorilo jedro atoma Li, potrebno in zadostno dodaj 1 proton in 1 nevtron. Te delce povezujejo magnetne sile. Nevtroni imajo kompleksno magnetno polje, sestavljeno iz štirih polov, zato ima srednji nevtron na sliki prvega izotopa tri zasedene kontakte in enega potencialno prostega.

Najmanjša vezavna energija izotopa litija ⁷Li, potrebno za pri 37,9 MeV se jedro elementa razcepi na nukleone. Določi se z metodo izračuna, ki je navedena spodaj.

V teh formulah imajo spremenljivke in konstante naslednji pomen:

• n je število nevtronov;
• m je masa nevtrona;
• p je število protonov;
• dM je razlika med maso delcev, ki sestavljajo jedro, in maso jedra litijevega izotopa;
• 931 MeV je energija, ki ustreza 1a. е. м.

Jedrske pretvorbe

Izotopi tega elementa imajo lahko v jedru do 5 dodatnih nevtronov. Vendar življenjska doba te vrste litija ne presega nekaj milisekund. Ob zajetju protona izotop ⁶Li se spremeni v ⁷Be, ki nato razpade na delec alfa in izotop helija ³On. Pri bombardiranju z deuteroni ponovno nastane ⁸Bodite. Ob zajetju deuterona z jedrom ⁷Li povzroči nastanek jedra ⁹Be, ki takoj razpade na dva delca alfa in nevtron.

Kot kažejo poskusi, lahko pri bombardiranju izotopov litija opazujemo veliko različnih jedrskih reakcij. Sprosti se precejšnja količina energije.

Pridobivanje

Litijeve izotope je mogoče ločiti na več načinov. Najpogostejše med njimi so:

• Ločevanje v toku pare. To dosežemo tako, da vzdolž osi valjaste posode namestimo membrano. Plinska mešanica izotopov se dovaja v pomožno parno napravo. Na levi strani se del molekul, obogaten z lahkim izotopom, kopiči. To je posledica visoke stopnje difuzije skozi membrano posode za obogatitev izotopov. Ti procesi potekajo skupaj s pretokom pare iz zgornje cevi.
• Termodifuzijski proces. Pri tej tehnologiji se tako kot pri prejšnji uporablja lastnost različnih hitrosti gibajočih se molekul. Postopek ločevanja poteka v kolonah z ohlajenimi stenami. V njih je na sredini žareča žica. Naravna konvekcija ustvarja dva tokova - toplejši se giblje navzgor po žici, hladnejši pa navzdol po stenah. V zgornjem delu se zbirajo in ločujejo lahki izotopi, v spodnjem delu pa se zbirajo in ločujejo težji izotopi.
• Centrifugiranje plina. Mešanico izotopov centrifugiramo v centrifugi, ki je tankostenski valj, ki se vrti z veliko hitrostjo. Težje izotope centrifugalna sila odnaša proti stenam centrifuge. Zaradi gibanja pare se prenašajo navzdol, medtem ko se lahki izotopi iz osrednjega dela naprave premikajo navzgor.
• Kemični proces. Kemijska reakcija poteka v dveh reaktantih različnih faznih stanj, kar omogoča ločevanje tokov izotopov. Obstaja različica te tehnologije, pri kateri se določeni izotopi ionizirajo z laserjem in ločijo z magnetnim poljem.
• Elektroliza kloridnih soli. Ta metoda se uporablja samo za litijeve izotope v laboratorijskih pogojih.

Aplikacija

Skoraj vse aplikacije litija vključujejo njegove izotope. Različni element z masnim številom 6 se uporablja za naslednje namene:

• kot vir tritija (jedrsko gorivo v reaktorjih);
• za industrijsko sintezo izotopov tritija;
• za proizvodnjo fuzijskega orožja.

Izotop ⁷Li se uporablja v naslednjih aplikacijah

• za proizvodnjo baterij za ponovno polnjenje;
• v medicini za proizvodnjo antidepresivi in pomirjevala;
• v reaktorjih: kot hladilno sredstvo, za vzdrževanje obratovalnih režimov vodnih reaktorjev jedrskih elektrarn, za čiščenje hladilnega sredstva v demineralizatorjih primarnega kroga jedrskih reaktorjev.

Področje uporabe litijevih izotopov postaja vse širše. V zvezi s tem je eden od perečih problemov industrije pridobivanje snovi visoke čistosti, vključno z monoizotopskimi produkti.

Leta 2011 se je začela tudi proizvodnja tritijevih baterij, ki se proizvajajo z obsevanjem litija z litijevimi izotopi. Uporabljajo se tam, kjer so potrebni nizki tokovi in dolga življenjska doba (srčni spodbujevalniki in drugi vsadki, senzorji za vrtine in druga oprema). Razpolovna doba tritija in s tem obdobje službovanja baterije je 12 let.