Les isotopes du lithium sont largement utilisés non seulement dans l'industrie nucléaire, mais aussi dans la production de batteries rechargeables. Il en existe plusieurs types, dont deux se trouvent dans la nature. Les réactions nucléaires avec des isotopes s'accompagnent de la libération de grandes quantités de rayonnement, ce qui est une voie prometteuse dans l'industrie énergétique.
Définition
Les isotopes du lithium sont des variétés d'atomes d'un élément chimique donné. Ils diffèrent les uns des autres par le nombre de particules élémentaires de charge neutre (neutrons). La science moderne connaît 9 de ces isotopes, dont sept sont artificiels, avec des masses atomiques de 4 à 12.
Parmi ceux-ci, le plus stable est 8Li. Sa demi-vie est de 0,8403 seconde. 2 types de nucléides nucléaires isomères (noyaux atomiques qui diffèrent non seulement par le nombre de neutrons, mais aussi de protons) ont également été identifiés - 10m1Li et 10m2 Li. Ils sont différents dans la structure des atomes dans l'espace et dans les propriétés.
Être dans la nature
Dans des conditions naturelles, il n'y a que 2 isotopes stables - avec une masse de 6 et 7 unités a. manger(6Li, 7Li). Le plus courant d'entre eux est le deuxième isotope du lithium. Le lithium dans le système périodique de Mendeleev a le numéro de série 3 et son numéro de masse principal est 7 u.a. e. m. Cet élément est assez rare dans la croûte terrestre. Son extraction et son traitement sont coûteux.
La principale matière première pour l'obtention du lithium métallique est son carbonate (ou carbonate de lithium), qui est transformé en chlorure, puis électrolysé en mélange avec du KCl ou du BaCl. Le carbonate est isolé des matériaux naturels (lépidolite, spodumène pyroxène) par frittage avec CaO ou CaCO3.
Dans les échantillons, le rapport des isotopes du lithium peut varier considérablement. Cela se produit à la suite d'un fractionnement naturel ou artificiel. Ce fait est pris en compte lors de la réalisation d'expériences de laboratoire précises.
Caractéristiques
Lithium isotopes 6Li et 7Li diffèrent par leurs propriétés nucléaires: la probabilité d'interaction des particules élémentaires du noyau atomique et la réaction des produits. Par conséquent, leur portée est également différente.
Lorsque l'isotope du lithium 6Li est bombardé de neutrons lents, de l'hydrogène superlourd (tritium) est produit. Dans ce cas, les particules alpha sont séparées et de l'hélium se forme. Les particules sont éjectées dans des directions opposées. Cette réaction nucléaire est illustrée dans la figure ci-dessous.
Cette propriété de l'isotope est utilisée comme alternative pour remplacer le tritium dans les réacteurs à fusion et les bombes, puisque le tritium se caractérise par une plus petitestabilité.
Lithium isotope 7Li sous forme liquide a une chaleur spécifique élevée et une faible section efficace nucléaire. Dans un alliage avec du fluorure de sodium, de césium et de béryllium, il est utilisé comme liquide de refroidissement, ainsi que comme solvant pour les fluorures d'U et de Th dans les réacteurs nucléaires à sels liquides.
Disposition de base
L'arrangement le plus courant des atomes de lithium dans la nature comprend 3 protons et 4 neutrons. Les autres ont 3 de ces particules. La disposition des noyaux des isotopes du lithium est illustrée dans la figure ci-dessous (a et b, respectivement).
Pour former le noyau d'un atome de Li à partir du noyau d'un atome d'hélium, il faut et il suffit d'ajouter 1 proton et 1 neutron. Ces particules relient leurs forces magnétiques. Les neutrons ont un champ magnétique complexe, qui se compose de 4 pôles, donc dans la figure du premier isotope, le neutron moyen a trois contacts occupés et un contact potentiellement libre.
L'énergie minimale de liaison de l'isotope du lithium 7Li nécessaire pour diviser le noyau de l'élément en nucléons est de 37,9 MeV. Il est déterminé par la méthode de calcul indiquée ci-dessous.
Dans ces formules, les variables et les constantes ont la signification suivante:
- n – nombre de neutrons;
- m – masse de neutrons;
- p – nombre de protons;
- dM est la différence entre la masse des particules qui composent le noyau et la masse du noyau de l'isotope du lithium;
- 931 meV est l'énergie correspondant à 1 u.a. e.m.
Nucléairetransformations
Les isotopes de cet élément peuvent avoir jusqu'à 5 neutrons supplémentaires dans le noyau. Cependant, la durée de vie de ce type de lithium ne dépasse pas quelques millisecondes. Lorsqu'un proton est capturé, l'isotope 6Li se transforme en 7Be, qui se désintègre ensuite en une particule alpha et un isotope d'hélium 3 Il. Lorsqu'il est bombardé par des deutérons, 8Be réapparaît. Lorsqu'un deutéron est capturé par le noyau 7Li, le noyau est obtenu 9Be, qui se désintègre immédiatement en 2 particules alpha et un neutron.
Comme le montrent les expériences, lors du bombardement d'isotopes de lithium, une grande variété de réactions nucléaires peut être observée. Cela libère une quantité importante d'énergie.
Recevoir
La séparation des isotopes du lithium peut se faire de plusieurs manières. Les plus courants sont:
- Séparation dans le flux de vapeur. Pour ce faire, un diaphragme est placé dans une cuve cylindrique selon son axe. Le mélange gazeux d'isotopes est acheminé vers la vapeur auxiliaire. Certaines des molécules enrichies en isotope léger s'accumulent sur le côté gauche de l'appareil. Cela est dû au fait que les molécules légères ont un taux de diffusion élevé à travers le diaphragme. Ils sont évacués avec le débit de vapeur de la buse supérieure.
- Procédé de thermodiffusion. Dans cette technologie, comme dans la précédente, la propriété des différentes vitesses de déplacement des molécules est utilisée. Le processus de séparation a lieu dans des colonnes dont les parois sont refroidies. À l'intérieur d'eux, un fil chauffé au rouge est tendu au centre. En raison de la convection naturelle, 2 flux apparaissent - le chaud se déplace le longfils et froid - le long des murs vers le bas. Les isotopes légers sont accumulés et éliminés dans la partie supérieure, et les isotopes lourds dans la partie inférieure.
- Centrifugation gazeuse. Un mélange d'isotopes est exécuté dans une centrifugeuse, qui est un cylindre à paroi mince tournant à grande vitesse. Les isotopes plus lourds sont projetés par la force centrifuge contre les parois de la centrifugeuse. En raison du mouvement de la vapeur, ils sont entraînés vers le bas et les isotopes légers de la partie centrale de l'appareil vers le haut.
- Méthode chimique. La réaction chimique se déroule dans 2 réactifs qui sont dans des états de phase différents, ce qui permet de séparer les flux isotopiques. Il existe des variétés de cette technologie, lorsque certains isotopes sont ionisés par un laser puis séparés par un champ magnétique.
- Électrolyse des sels de chlorure. Cette méthode est utilisée pour les isotopes du lithium uniquement dans des conditions de laboratoire.
Demande
Pratiquement toutes les applications du lithium sont précisément associées à ses isotopes. Une variante de l'élément avec un nombre de masse de 6 est utilisée aux fins suivantes:
- comme source de tritium (combustible nucléaire dans les réacteurs);
- pour la synthèse industrielle des isotopes du tritium;
- pour fabriquer des armes thermonucléaires.
Isotope 7Li est utilisé dans les champs suivants:
- pour la production de piles rechargeables;
- en médecine - pour la fabrication d'antidépresseurs et de tranquillisants;
- dans les réacteurs: comme fluide caloporteur, pour maintenir les conditions de fonctionnement de l'eauréacteurs de puissance des centrales nucléaires, pour nettoyer le fluide caloporteur des déminéralisateurs du circuit primaire des réacteurs nucléaires.
Le champ d'application des isotopes du lithium s'élargit. À cet égard, l'un des problèmes pressants de l'industrie est d'obtenir une substance de haute pureté, y compris des produits mono-isotopiques.
En 2011, la production de batteries au tritium a également été lancée, qui sont obtenues en irradiant du lithium avec des isotopes du lithium. Ils sont utilisés là où des courants faibles et une longue durée de vie sont nécessaires (stimulateurs cardiaques et autres implants, capteurs de fond de trou et autres équipements). La demi-vie du tritium, et donc la durée de vie de la batterie, est de 12 ans.
