Изотоп лития: определение и применение

Изотопы лития находят широкое применение не только в ядерной промышленности, но и при производстве перезаряжаемых аккумуляторов. Существует несколько их типов, из них два встречаются в природе. Ядерные реакции с изотопами сопровождаются выделением большого количества излучения, что является перспективным направлением в энергетической промышленности.

Определение

Изотопы лития – это разновидности атомов данного химического элемента. Они отличаются между собой количеством нейтрально заряженных элементарных частиц (нейтронов). Современной науке известно 9 таких изотопов, семь из которых – искусственные, с атомной массой от 4 до 12.

Из них наиболее устойчивым является ⁸Li. Его период полураспада составляет 0,8403 секунды. Выявлены также 2 вида ядерных изомерных нуклидов (атомных ядер, которые отличаются не только количеством нейтронов, но и протонов) – ^10m1Li и ^10m2Li. Они различны по строению атомов в пространстве и по свойствам.

Нахождение в природе

В природных условиях есть только 2 стабильных изотопа – с массой 6 и 7 единиц а. е. м (⁶Li, ⁷Li). Наиболее распространенным из них является второй изотоп лития. Литий в периодической системе Менделеева имеет порядковый номер 3, а его основное массовое число – 7 а. е. м. Этот элемент довольно редко встречается в земной коре. Его добыча и переработка являются дорогостоящими.

Основным сырьем для получения металлического лития служит его карбонат (или углекислый литий), который переводят в хлорид, а затем производят его электролиз в смеси с KCl или BaCl. Карбонат выделяют из природных материалов (лепидолит, пироксен сподумен) при спекании с CaO или CaCO₃.

В образцах соотношение изотопов лития может сильно варьироваться. Это происходит в результате природного или искусственного фракционирования. Данный факт учитывается при проведении точных лабораторных опытов.

Характеристики

Изотопы лития ⁶Li и ⁷Li отличаются ядерными свойствами: вероятностью взаимодействия элементарных частиц атомного ядра и продуктами реакций. Поэтому сфера их применения также различна.

При бомбардировке изотопа лития ⁶Li медленными нейтронами получают сверхтяжелый водород (тритий). При этом происходит отщепление альфа-частиц и образование гелия. Частицы выбрасываются в противоположных направлениях. Данная ядерная реакция показана на рисунке ниже.

Это свойство изотопа применяется в качестве альтернативы для замены трития в термоядерных реакторах и бомбах, так как для трития характерна меньшая стабильность.

Изотоп лития ⁷Li в жидком виде обладает большой удельной теплоемкостью и низким ядерным эффективным сечением. В сплаве с натрием, цезием и фторидом бериллия он применяется в качестве теплоносителя, а также растворителя фторидов U и Th в жидкосолевых ядерных реакторах.

Компоновка ядер

Наиболее распространенная в природе компоновка ядер атомов лития включает 3 протона и 4 нейтрона. Остальные имеют по 3 таких частицы. Компоновка ядер изотопов лития показана на рисунке ниже (а и б соответственно).

Чтобы из ядра атома гелия образовалось ядро атома Li, необходимо и достаточно добавить 1 протон и 1 нейтрон. Эти частицы соединяют их магнитные силы. Нейтроны имеют сложное магнитное поле, которое состоит из 4 полюсов, поэтому на рисунке у первого изотопа средний нейтрон обладает тремя занятыми контактами и одним потенциально свободным.

Минимальная энергия связи изотопа лития ⁷Li, необходимая для расщепления ядра элемента на нуклоны, составляет 37,9 МэВ. Ее определяют по методике расчета, приведенной ниже.

В этих формулах переменные и постоянные величины имеют следующий смысл:

• n – количество нейтронов;
• m – масса нейтрона;
• p – количество протонов;
• dM – разница между массой частиц, составляющих ядро, и массой ядра изотопа лития;
• 931 мэВ – энергия, соответствующая 1 а. е. м.

Ядерные превращения

Изотопы этого элемента могут иметь до 5 лишних нейтронов в ядре. Однако время существования такой разновидности лития не превышает нескольких миллисекунд. При захвате протона изотоп ⁶Li превращается в ⁷Be, который затем распадается на альфа-частицу и изотоп гелия ³He. При бомбардировке дейтронами вновь возникает ⁸Be. При захвате дейтрона ядром ⁷Li получается ядро ⁹Be, которое сразу распадается на 2 альфа-частицы и нейтрон.

Как показывают эксперименты, при бомбардировке изотопов лития можно наблюдать большое разнообразие ядерных реакций. При этом выделяется значительное количество энергии.

Получение

Разделение изотопов лития может осуществляться несколькими способами. Наиболее распространенными из них являются:

• Разделение в потоке пара. Для этого в цилиндрическом сосуде помещают диафрагму вдоль его оси. Газообразная смесь изотопов подается навстречу вспомогательному пару. В левой части аппарата скапливается часть молекул, обогащенных легким изотопом. Это происходит из-за того, что легким молекулам свойственна большая скорость диффузии через диафрагму. Они выводятся вместе с потоком пара из верхнего патрубка.
• Термодиффузионный процесс. В этой технологии, как и в предыдущей, применяется свойство различных скоростей для движущихся молекул. Процесс разделения происходит в колоннах, у которых охлаждаются стенки. Внутри них по центру протянута раскаленная проволока. В результате естественной конвекции возникает 2 потока – теплый движется вдоль проволоки вверх, а холодный – вдоль стенок вниз. В верхней части скапливаются и выводятся легкие изотопы, а в нижней – тяжелые.
• Центрифугирование газа. Смесь изотопов прогоняют в центрифуге, которая представляет собой тонкостенный цилиндр, вращающийся с большой скоростью. Более тяжелые изотопы отбрасываются центробежной силой к стенкам центрифуги. За счет движения пара они уносятся вниз, а легкие изотопы из центральной части аппарат – вверх.
• Химический способ. Химическая реакция протекает в 2 реактивах, находящихся в разном фазовом состоянии, что позволяет разделить потоки изотопов. Существуют разновидности этой технологии, когда производят ионизацию определенных изотопов лазером и последующее их разделение магнитным полем.
• Электролиз хлористых солей. Данный метод применяется для изотопов лития только в лабораторных условиях.

Применение

Практически все сферы применения лития связаны именно с его изотопами. Разновидность элемента с массовым числом 6 используется в следующих целях:

• в качестве источника трития (ядерное топливо в реакторах);
• для промышленного синтеза изотопов трития;
• для изготовления термоядерного оружия.

Изотоп ⁷Li применяется в следующих областях:

• для производства перезаряжаемых аккумуляторных батарей;
• в медицине – для изготовления антидепрессантов и транквилизаторов;
• в реакторах: в качестве теплоносителя, для поддержания эксплуатационных режимов водяных энергетических реакторов АЭС, для очистки теплоносителя в деминерализаторах первого контура ядерных реакторов.

Сфера применения изотопов лития становится все шире. В связи с этим одной из насущных проблем промышленности является получение вещества высокой чистоты, включая моно-изотопные продукты.

В 2011 году также начат выпуск тритиевых аккумуляторов, которые получают облучением лития изотопами лития. Они используются там, где требуются малые токи и длительный срок службы (кардиостимуляторы и прочие имплантаты, скважинные датчики и другая аппаратура). Период полураспада трития, а следовательно, и срок службы аккумулятора, составляет 12 лет.