процесс КОЛЕКС
Процесс COLEX (или разделение COLEX ) — химический метод изотопного разделения лития -6 и лития-7 , основанный на использовании ртути . COLEX означает замену колонки.
С начала атомной эры были разработаны разнообразные методы обогащения лития (такие как химический обмен, электромагнитный, лазерный, центробежный и др.). [1] ), а процесс COLEX на сегодняшний день является наиболее широко применяемым методом.
Раннее развитие
[ редактировать ]
В США в 1930-х и 1940-х годах исследовались несколько методов химического обмена для разделения изотопов лития с целью разработки процесса производства лития-6, чтобы тритий можно было получить для исследований термоядерного оружия.
В конечном итоге была выбрана система COLEX, в которой водный гидроксид лития (LiOH) контактировал с литий-ртутной амальгамой. Этот процесс первоначально использовался в США между 1955 и 1963 годами на заводе Y12 в Ок-Ридже, штат Теннесси . Заводы COLEX в Ок-Ридже в 1955 году начали очень тяжело, столкнувшись с серьезными проблемами в этой совершенно новой, сложной и потенциально опасной технологии. [2] Запасы лития-6 и лития-7 того периода до недавнего времени были доступны для удовлетворения относительно небольшого внутреннего и мирового спроса. [3]
С тех пор из-за экологических проблем США прекратили операции по обогащению лития в 1963 году. [1]
Южная Африка также построила пилотный завод по методу COLEX для производства лития-6 для своей программы создания ядерного оружия в 1970-х годах.
Изотопы лития и его использование
[ редактировать ]
Природный литий содержит около 7,5% лития-6 ( 6
3 Li ), а остальное — литий-7 ( 7
3Ли ) .
Природный литий
[ редактировать ]Встречающийся в природе литий имеет множество неядерных промышленных применений: от литий-ионных батарей , керамики, смазочных материалов до стекла.
В начале XXI века устойчивый рост мирового производства лития в основном стимулируется спросом на литий-ионные аккумуляторы для электромобилей .
Ядерное применение лития требует относительно небольших ежегодных количеств лития в форме обогащенных лития-6 и лития-7.
Литий-6
[ редактировать ]Литий-6 ценен как исходный материал для производства трития и как поглотитель нейтронов в реакциях ядерного синтеза.
Обогащенный литий-6 используется в качестве ускорителя нейтронов в термоядерных бомбах и станет ключевым компонентом модулей воспроизводства трития (требуемое обогащение от 7,5% до 30-90%) будущих термоядерных реакторов на основе удержания плазмы. [1]
Выделение лития-6 к настоящему времени прекратилось в крупных термоядерных державах (особенно в США, России, Китае), но его запасы в этих странах остаются.
Литий-7
[ редактировать ]Высокообогащенный литий-7 (более 99%) используется в качестве теплоносителя в реакторах на расплавах солей (MSR) и стабилизатора pH в реакторах с водой под давлением (PWR). [4] [5]
Принцип работы
[ редактировать ]Литий-6 имеет большее сродство к элементу ртути, чем литий-7. [ нужна ссылка ] Когда амальгаму лития и ртути добавляют к водному гидроксиду лития, литий-6 становится более концентрированным в амальгаме, а литий-7 — в растворе гидроксида.
В методе разделения COLEX это используется путем пропускания встречного потока литий-ртутной амальгамы, стекающей вниз, и водного гидроксида лития, проходящего вверх через каскад ступеней. Фракция лития-6 преимущественно осушается ртутью, а литий-7 течет преимущественно с гидроксидом. В нижней части колонны литий (обогащенный литием-6) отделяется от амальгамы, а ртуть извлекается для повторного использования в процессе. В верхней части раствор гидроксида лития подвергается электролизу с выделением фракции лития-7.
Обогащение, получаемое с помощью этого метода, зависит от длины колонки, скорости потока и рабочей температуры. [6]
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]С технической и экономической точки зрения разделение COLEX до сих пор было единственным методом, позволяющим производить обогащенный литий в промышленных масштабах с минимальными затратами. Технология является зрелой и мало изменилась с момента ее разработки в 1950-х и 1960-х годах. [7]
Метод не лишен ряда недостатков, основными из которых являются:
- токсичность и большое количество ртути, участвующей в процессе
- склонность амальгамы к разложению в водных растворах
- образование опасных ртутьсодержащих отходов
- высокое энергопотребление [8]
Эта технология может иметь потенциально катастрофические последствия для окружающей среды. Требуется значительное количество ртути (24 миллиона фунтов было использовано в США в период с 1955 по 1963 год), и существует много возможностей для ее утечек в окружающую среду. Очистка остается чрезвычайно сложной и дорогостоящей. [7]
Несмотря на проблемы со здоровьем и окружающей средой, связанные с процессами, основанными на ртути, некоторые исследования по разделению COLEX и более чистым методам обогащения лития все еще проводятся. [3]
Сепарационные мощности COLEX в мире
[ редактировать ]Сегодня кажется, что Китай — единственная страна в мире, которая официально использует процесс COLEX для обогащения лития. [7] Из-за экологических проблем и относительно низкого спроса на обогащенный литий дальнейшее использование процесса COLEX официально запрещено в США с 1963 года, что усиливает почти единодушное влияние Китая на рынок обогащенного лития, за которым следует Россия. [7]
Российские обогатительные мощности ориентированы на производство лития-7 электролизом водного раствора хлорида лития с использованием ртутного катода, что, таким образом, отличается от процесса COLEX. [9]
Хотя атомная промышленность США в значительной степени зависит от обогащенного лития в Китае и России, экологические проблемы, связанные с этим процессом, могут препятствовать его будущему использованию внутри страны в промышленных масштабах.
Однако с ростом исследований в общей области технологии термоядерных реакторов (ИТЭР, ДЕМО) в последнее десятилетие возобновился интерес к более совершенным процессам термоядерного синтеза. 6 Что- 7 Разделение Ли, особенно в Японии и США. [3]
По оценкам, Северная Корея закупила средства для строительства завода по обогащению лития-6 на базе разделения COLEX. [10]
Сегодня не существует объектов промышленного масштаба, которые могли бы удовлетворить будущие потребности коммерческих термоядерных электростанций. [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д «Проблемы обогащения лития в устойчивой цепочке поставок будущих термоядерных реакторов» (PDF) . Nucleus.iaea.org . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2017 года . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ «История супербомбы LITHIUM 6» (PDF) . Oakridgeheritage.com . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2017 года . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с «Разделение изотопов лития. Обзор возможных методов» (PDF) . Iaea.org . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ Холден, Норман Э. (январь – февраль 2010 г.). «Влияние обедненного 6Li на стандартный атомный вес лития». Международный союз теоретической и прикладной химии. Проверено 6 мая 2014 г.
- ^ Управление критическими изотопами: управление литием-7 необходимо для обеспечения стабильных поставок, GAO-13-716 // Счетная палата правительства США, 19 сентября 2013 г.; PDF
- ^ «Разделение изотопов легким прикосновением» . Physicsworld.com . 2012-03-02 . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д «Обогащение изотопов лития: возможные альтернативы обогащения в стране» (PDF) . Fhr.nuc.berkeley.edu . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ Мартоян, Г.А.; Калугин, М.М.; Габриелян, А.В.; Мартоян, АГ (2016). «Перспективы обогащения лития по изотопу 7 Li методом управляемой электромиграции ионов» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 112 : 012035. doi : 10.1088/1757-899X/112/1/012035 .
- ^ «Литий – Всемирная ядерная ассоциация» . World-nuclear.org . Проверено 3 октября 2017 г.
- ^ «Производство лития-6 в Северной Корее для ядерного оружия» (PDF) . Isis-online.org . Проверено 3 октября 2017 г.