Liitiumi isotoope kasutatakse laialdaselt mitte ainult tuumatööstuses, vaid ka laetavate akude tootmisel. Neid on mitut tüüpi, millest kahte leidub looduses. Tuumareaktsioonidega isotoopidega kaasneb suure hulga kiirguse eraldumine, mis on energiatööstuses paljulubav suund.
Definitsioon
Liitiumi isotoobid on teatud keemilise elemendi aatomite variatsioonid. Need erinevad üksteisest neutraalselt laetud elementaarosakeste (neutronite) arvu poolest. Kaasaegne teadus teab 9 sellist isotoopi, millest seitse on kunstlikud ja mille aatommass on 4–12.
Neist kõige stabiilsem on 8Li. Selle poolväärtusaeg on 0,8403 sekundit. Samuti on tuvastatud 2 tüüpi tuumaisomeerseid nukliide (aatomi tuumad, mis erinevad mitte ainult neutronite, vaid ka prootonite arvu poolest) - 10m1Li ja 10m2 Li. Need erinevad ruumi aatomite struktuuri ja omaduste poolest.
Looduses viibimine
Looduslikes tingimustes on ainult 2 stabiilset isotoopi – massiga 6 ja 7 ühikut a. sööma(6Li, 7Li). Kõige tavalisem neist on liitiumi teine isotoop. Mendelejevi perioodilise süsteemi liitiumil on seerianumber 3 ja selle põhimassinumber on 7 a.u. e.m. See element on maakoores üsna haruldane. Selle kaevandamine ja töötlemine on kulukas.
Peamine tooraine metallilise liitiumi saamiseks on selle karbonaat (või liitiumkarbonaat), mis muundatakse kloriidiks ja seejärel elektrolüüsitakse segus KCl või BaCl-ga. Karbonaat eraldatakse looduslikest materjalidest (lepidoliit, spodumeenpürokseen) paagutades CaO või CaCO-ga3.
Proovides võib liitiumi isotoopide suhe olla väga erinev. See tekib loodusliku või kunstliku fraktsioneerimise tulemusena. Seda asjaolu võetakse täpsete laborikatsete tegemisel arvesse.
Funktsioonid
Liitiumi isotoobid 6Li ja 7Li erinevad tuumaomaduste poolest: aatomituuma elementaarosakeste interaktsiooni tõenäosus ja reaktsioon tooted. Seetõttu on ka nende ulatus erinev.
Kui liitiumi isotoopi 6Li pommitatakse aeglaste neutronitega, tekib üliraske vesinik (triitium). Sel juhul eralduvad alfaosakesed ja moodustub heelium. Osakesed paiskuvad välja vastassuundades. See tuumareaktsioon on näidatud alloleval joonisel.
Seda isotoobi omadust kasutatakse alternatiivina triitiumi asendamiseks termotuumasünteesi reaktorites ja pommides, kuna triitiumile on iseloomulik väiksemstabiilsus.
Liitiumi isotoop 7Lil vedelal kujul on kõrge erisoojuse ja väikese tuumaefektiivse ristlõikega. Naatriumi, tseesiumi ja berülliumfluoriidiga sulamis kasutatakse seda jahutusvedelikuna, samuti U- ja Th-fluoriidide lahustina vedel-soola tuumareaktorites.
Tuumpaigutus
Liitiumi aatomite kõige levinum paigutus looduses sisaldab 3 prootonit ja 4 neutronit. Ülejäänutel on 3 sellist osakest. Liitiumi isotoopide tuumade paigutus on näidatud alloleval joonisel (vastav alt a ja b).
Li aatomi tuuma moodustamiseks heeliumi aatomi tuumast on vajalik ja piisav lisada 1 prooton ja 1 neutron. Need osakesed ühendavad oma magnetjõude. Neutronitel on keeruline magnetväli, mis koosneb 4 poolusest, nii et esimese isotoobi joonisel on keskmisel neutronil kolm hõivatud kontakti ja üks potentsiaalselt vaba.
Liitiumi isotoobi 7Li minimaalne sidumisenergia, mis on vajalik elemendi tuuma jagamiseks nukleoniteks, on 37,9 MeV. See määratakse kindlaks allpool toodud arvutusmeetodiga.
Nendes valemites on muutujatel ja konstantidel järgmine tähendus:
- n – neutronite arv;
- m – neutroni mass;
- p – prootonite arv;
- dM on vahe tuuma moodustavate osakeste massi ja liitiumi isotoobi tuuma massi vahel;
- 931 meV on energia, mis vastab 1 a.u. e.m.
Tuumateisendused
Selle elemendi isotoopidel võib tuumas olla kuni 5 lisaneutronit. Seda tüüpi liitiumi eluiga ei ületa aga mõnda millisekundit. Prootoni kinnipüüdmisel muutub isotoop 6Li 7Be-ks, mis seejärel laguneb alfaosakeseks ja heeliumi isotoobiks 3 Ta. Deuteronide pommitamisel ilmub uuesti 8Be. Kui deuteroni tuum hõivab 7Li, saadakse tuum 9Be, mis laguneb kohe kaheks alfaosakeseks ja neutroniks.
Nagu katsed näitavad, võib liitiumi isotoopide pommitamisel täheldada mitmesuguseid tuumareaktsioone. See vabastab märkimisväärsel hulgal energiat.
Võta vastu
Liitiumi isotoopide eraldamist saab teha mitmel viisil. Kõige levinumad on:
- Auruvoolu eraldamine. Selleks asetatakse membraan piki selle telge silindrilisse anumasse. Isotoopide gaasiline segu juhitakse abiauru suunas. Osa valguse isotoobiga rikastatud molekule koguneb aparaadi vasakule küljele. See on tingitud asjaolust, et valguse molekulidel on diafragma kaudu suur difusioonikiirus. Need tühjendatakse koos auruvooluga ülemisest otsikust.
- Termodifusiooniprotsess. Selles tehnoloogias, nagu ka eelmises, kasutatakse molekulide liikumiseks erineva kiiruse omadust. Eraldusprotsess toimub kolonnides, mille seinu jahutatakse. Nende sees on keskele venitatud tulikuum traat. Loodusliku konvektsiooni tulemusena tekib 2 voolu - soe liigub kaasajuhtmed üles ja külm - mööda seinu alla. Kerged isotoobid kogunevad ja eemaldatakse ülemises osas ning rasked isotoobid alumisse ossa.
- Gaasi tsentrifuugimine. Isotoopide segu juhitakse tsentrifuugis, mis on õhukese seinaga silinder, mis pöörleb suurel kiirusel. Raskemad isotoobid paisatakse tsentrifugaaljõu toimel vastu tsentrifuugi seinu. Auru liikumise tõttu kanduvad need alla ja kerged isotoobid seadme keskosast üles.
- Keemiline meetod. Keemiline reaktsioon toimub 2 reagendis, mis on erinevates faasides, mis võimaldab eraldada isotoopide voogusid. Sellel tehnoloogial on erinevaid variante, kui teatud isotoobid ioniseeritakse laseriga ja eraldatakse seejärel magnetväljaga.
- Kloriidsoolade elektrolüüs. Seda meetodit kasutatakse liitiumi isotoopide puhul ainult laboritingimustes.
Rakendus
Praktiliselt kõik liitiumi rakendused on seotud just selle isotoopidega. Elemendi variatsiooni massinumbriga 6 kasutatakse järgmistel eesmärkidel:
- triitiumi allikana (tuumakütus reaktorites);
- triitiumi isotoopide tööstuslikuks sünteesiks;
- termotuumarelvade valmistamiseks.
Isotoop 7Li kasutatakse järgmistel väljadel:
- laetavate akude tootmiseks;
- meditsiinis - antidepressantide ja rahustite tootmiseks;
- reaktorites: jahutusvedelikuna, vee töötingimuste säilitamisekstuumaelektrijaamade jõureaktorid, jahutusvedeliku puhastamiseks tuumareaktorite primaarahela demineralisaatorites.
Liitiumi isotoopide ulatus on muutumas laiemaks. Sellega seoses on üks tööstuse pakilisemaid probleeme kõrge puhtusastmega aine, sealhulgas monoisotoopsete toodete saamine.
2011. aastal alustati ka triitiumpatareide tootmist, mis saadakse liitiumi kiiritamisel liitiumi isotoopidega. Neid kasutatakse seal, kus on vaja väikest voolu ja pikka kasutusiga (südamestimulaatorid ja muud implantaadid, süvendusandurid ja muud seadmed). Triitiumi poolestusaeg ja seega ka aku eluiga on 12 aastat.
