Процесс Colex (или разделение Colex ) представляет собой химический метод разделения изотопов из лития-6 и лития-7 , основанный на использовании ртути . COLEX означает замену колонки.
С начала атомной эры были разработаны различные методы обогащения лития (такие как химический обмен, электромагнитный, лазерный, центробежный [1] ), и до сих пор процесс COLEX был наиболее широко применяемым методом.
Ранняя разработка
В США в 1930-х и 1940-х годах изучались несколько методов химического обмена для разделения изотопов лития с целью разработки процесса производства лития-6, чтобы можно было получить тритий для исследований в области термоядерного оружия.
В конечном итоге выбранной системой был процесс COLEX, в котором водный гидроксид лития (LiOH) контактировал с литий-ртутной амальгамой. Первоначально этот процесс использовался в США между 1955 и 1963 годами на заводе Y12 в Ок-Ридже, штат Теннесси. У заводов COLEX в Ок-Ридже в 1955 году были очень тяжелые проблемы с этой совершенно новой, сложной и потенциально опасной технологией. [2] Запасы лития-6 и лития-7 того периода были доступны до недавнего времени 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 экспериментальную установку с использованием метода COLEX для производства лития-6 для своей программы создания ядерного оружия в 1970-х годах.
Изотопы лития и их использование
Природный литий содержит около 7,5% лития-6 ( 6
3Li ), остальное - литий-7 (7
3Ли ).
Натуральный литий
Литий, встречающийся в природе, находит множество неядерных промышленных применений, от литий-ионных аккумуляторов , керамики, смазочных материалов до стекла.
В начале 21 века устойчивый рост мирового производства лития в основном стимулируется спросом на литий-ионные аккумуляторы для электромобилей .
Для ядерных применений лития требуется относительно небольшое годовое количество лития в виде обогащенного лития-6 и лития-7.
Литий-6
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 будет ключевым компонентом модулей воспроизводства трития (необходимое обогащение от 7,5% до 30% -90%) будущих термоядерных реакторов на основе удержания плазмы. [1]
К настоящему времени выделение лития-6 в крупных термоядерных державах (особенно в США, России, Китае) прекращено, но его запасы остаются в этих странах.
Литий-7
Высокообогащенный литий-7 (более 99%) используется в качестве охлаждающей жидкости в реакторах с расплавом солей (MSR) и стабилизатора pH в реакторах с водой под давлением (PWR). [4] [5]
Принцип работы
Литий-6 имеет большее сродство к ртути, чем литий-7. [ цитата необходима ] Когда амальгама лития и ртути добавляется к водному гидроксиду лития, литий-6 становится более концентрированным в амальгаме, а литий-7 больше в растворе гидроксида.
Метод разделения COLEX использует это, пропуская противоток литий-ртутной амальгамы, текущей вниз, и водного гидроксида лития, поднимающегося вверх через каскад ступеней. Фракция лития-6 предпочтительно выводится ртутью, но литий-7 течет в основном с гидроксидом. В нижней части колонны литий (обогащенный литием-6) отделяется от амальгамы, а ртуть извлекается для повторного использования в процессе. Вверху 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
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 потребление энергии [8]
Эта технология имеет потенциально катастрофические последствия для окружающей среды. Требуется значительное количество ртути (24 миллиона фунтов использовалось в США в период с 1955 по 1963 год), и существует множество возможностей утечки в окружающую среду. Очистка остается чрезвычайно сложной и дорогой. [7]
Несмотря на проблемы со здоровьем и окружающей средой, связанные с процессами на основе ртути, некоторые исследования по разделению COLEX вместе с более чистыми методами обогащения лития все еще проводятся. [3]
Сепарационные предприятия COLEX в мире
В настоящее время 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 укрепляет почти единодушное влияние Китая на рынке обогащенного лития, за которым следует Россия. [7]
Российские обогатительные мощности сосредоточены на производстве лития-7 путем электролиза водного раствора хлорида лития с использованием ртутного катода, что, таким образом, отличается от процесса COLEX. [9]
Хотя ядерная промышленность США в значительной степени полагается на обогащенный литий из Китая и России, экологические проблемы этого процесса могут помешать будущему внутреннему использованию в промышленных масштабах.
Тем не менее, с разбегом в исследованиях в общей области технологии термоядерного реактора (ИТЭР, DEMO) вновь пробудились интерес в течение последнего десятилетия в лучших процессах для 6 Li- 7 разделения Ли, особенно в Японии и США. [3]
Северная Корея получила необходимые средства для строительства завода по обогащению лития-6 на основе разделения COLEX. [10]
Сегодня не существует промышленных установок, которые могли бы удовлетворить будущие потребности коммерческих термоядерных электростанций. [1]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c d «Проблемы обогащения лития в устойчивой цепочке поставок термоядерных реакторов будущего» (PDF) . Nucleus.iaea.org . Проверено 3 октября 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ "История супер бомбы LITHIUM 6" (PDF) . Oakridgeheritage.com . Проверено 3 октября 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б в "Разделение изотопов лития Обзор возможных методов" (PDF) . Iaea.org . Проверено 3 октября 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ 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.
- ^ 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 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б в г «Обогащение изотопом лития: возможные альтернативы обогащения внутри страны» (PDF) . Fhr.nuc.berkeley.edu . Проверено 3 октября 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Мартоян Г.А.; Калугин ММ; Габриелян, АВ; Мартоян, АГ (2016). «Перспективы обогащения лития по изотопу 7 Li методом контролируемой 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 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ «Производство лития-6 в Северной Корее для ядерного оружия» (PDF) . Isis-online.org . Проверено 3 октября 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )