Proces COLEX - COLEX process

The Proces COLEX (nebo COLEX separace) je chemická metoda izotopová separace z lithium-6 a lithium-7, na základě použití rtuť. COLEX znamená výměnu sloupců.

Od začátku atomová éra, byla vyvinuta řada metod obohacení lithiem (jako je chemická výměna, elektromagnetická, laserová, odstředivá)[1]) a proces COLEX byl dosud nejrozsáhleji implementovanou metodou.

Časný vývoj

Závod Y-12, v Oak Ridge TN.

V USA bylo ve 30. a 40. letech 20. století zkoumáno několik metod chemické výměny pro separaci izotopů lithia s cílem vyvinout způsob výroby lithia-6, aby tritium lze získat pro výzkum termonukleárních zbraní.

Nakonec byl zvolen systém COLEX s vodným hydroxidem lithným (LiOH) kontaktovaným s lithium-rtuťovým amalgámem. Tento proces byl původně používán v USA v letech 1955 až 1963 v závodě Y12 v Oak Ridge v Tennessee. Závody COLEX v Oak Ridge začaly velmi drsně v roce 1955, kdy došlo k velkým problémům s touto zcela novou, komplikovanou a potenciálně nebezpečnou technologií.[2] Zásoby lithia-6 a lithia-7 z tohoto období byly donedávna k dispozici, aby uspokojily relativně malou domácí a světovou poptávku[3]

Od té doby USA z důvodu ochrany životního prostředí v roce 1963 zastavily operace obohacování lithia.[1]

Jižní Afrika také postavil pilotní závod využívající metodu COLEX k výrobě lithia-6 pro jeho program jaderných zbraní v 70. letech.

Izotopy a použití lithia

Lithium plovoucí v oleji
Hlavní článek: Izotopy lithia

Přírodní lithium obsahuje asi 7,5% lithia-6 ( 6
3Li ), přičemž zbytek je lithium-7 ( 7
3Li ).

Přírodní lithium

Hlavní článek: Lithium

Přirozeně se vyskytující lithium má mnoho nejaderných průmyslových využití, od Li-ion baterie, keramika, maziva, sklo.

Na začátku 21. století je stálý růst světové produkce lithia stimulován hlavně poptávkou po Li-ion baterií po elektrická vozidla.

Jaderné aplikace lithia vyžadují relativně malá roční množství lithia ve formě obohaceného lithia-6 a lithia-7.

Lithium-6

Lithium-6 je cenné jako výchozí materiál pro výrobu tritia a jako absorbér neutronů při reakcích jaderné fúze.

Obohacený lithium-6 se používá jako posilovač neutronů v termonukleárních bombách a bude klíčovou součástí modulů chovu tritia (požadované obohacení od 7,5% do 30% -90%) budoucích fúzních reaktorů založených na plazmovém omezení.[1]

Oddělení lithia-6 ve velkých termonukleárních mocnostech (zejména v USA, Rusku, Číně) již přestalo, ale jeho zásoby v těchto zemích zůstávají.

Lithium-7

Vysoce obohacené lithium-7 (více než 99%) se používá jako chladivo v reaktory s roztavenou solí (MSR) a stabilizátor pH v tlakovodní reaktory (PWR).[4][5]

Pracovní princip

Lithium-6 má větší afinitu než lithium-7 k prvku rtuti.[Citace je zapotřebí ] Když se do vodného hydroxidu lithného přidá amalgám lithia a rtuti, stane se lithium-6 koncentrovanější v amalgámu a lithium-7 více v roztoku hydroxidu.

Separační metoda COLEX to využívá tím, že prochází protiproudem stékajícího amalgámu lithium-rtuť a stékajícího vodného hydroxidu lithného kaskádou stupňů. Frakce lithia-6 je přednostně odváděna rtutí, ale lithium-7 proudí většinou s hydroxidem. Na dně kolony se lithium (obohacené lithiem-6) oddělí od amalgámu a získá se rtuť, která se znovu použije v procesu. Nahoře se roztok hydroxidu lithného elektrolyzuje, aby se uvolnila frakce lithia-7.

Obohacení získané touto metodou se liší podle délky kolony, rychlosti toku a provozní teploty.[6]

Výhody a nevýhody

Z technického a ekonomického hlediska byla separace COLEX dosud jedinou metodou, která umožňuje výrobu obohaceného lithia v průmyslovém měřítku s minimálními náklady. Tato technologie je vyspělá a od svého vývoje v 50. a 60. letech se jen málo změnila.[7]

Metoda není bez řady nevýhod, z nichž hlavní jsou:

  • toxicita a velké množství rtuti, účast na procesu
  • amalgámový trend k rozkladu ve vodných roztocích
  • tvorba nebezpečného odpadu obsahujícího rtuť
  • vysoká spotřeba energie[8]

Tato technologie má potenciálně katastrofální dopady na životní prostředí. Je zapotřebí značné množství rtuti (v USA se v letech 1955 až 1963 použilo 24 milionů liber) a existuje mnoho příležitostí k únikům do životního prostředí. Vyčištění zůstává extrémně obtížné a nákladné.[7]

Navzdory zdravotním a environmentálním problémům spojeným s procesy založenými na rtuti se stále ještě provádí nějaký výzkum separace COLEX spolu s čistšími metodami obohacování lithia.[3]

Separační zařízení COLEX ve světě

V dnešní době se zdá, že Čína je jedinou zemí na světě, která oficiálně využívá k obohacení lithia proces COLEX.[7] Vzhledem k obavám o životní prostředí a relativně nízké poptávce po obohaceném lithiu je v USA od roku 1963 oficiálně zakázáno další používání procesu COLEX, což posiluje téměř jednomyslné držení Číny nad trhem s obohaceným lithiem, následovaným Ruskem.[7]

Ruské obohacovací kapacity se zaměřují na výrobu lithia-7 elektrolýzou vodného roztoku chloridu lithného pomocí rtuťové katody, která se tak liší od procesu COLEX.[9]

Přestože se americký jaderný průmysl do značné míry spoléhá na lithium obohacené o Čínu a Rusko, mohou ekologické zájmy tohoto procesu bránit budoucímu domácímu použití v průmyslovém měřítku.

S rozmachem výzkumu v obecné oblasti technologie fúzních reaktorů (ITER, DEMO) se však během posledního desetiletí obnovil zájem o lepší procesy pro 6Li-7Oddělení Li, zejména v Japonsku a USA.[3]

Odhaduje se, že Severní Korea získala prostředky na vybudování závodu na obohacování lithia-6 na základě separace COLEX.[10]

Dnes neexistují žádná průmyslová zařízení, která by mohla splnit budoucí požadavky komerčních elektráren na fúzi.[1]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d „Problémy obohacování lithia v udržitelném dodavatelském řetězci budoucích fúzních reaktorů“ (PDF). Nucleus.iaea.org. Citováno 3. října 2017.
  2. ^ „Příběh super bomby LITHIUM 6“ (PDF). Oakridgeheritage.com. Citováno 3. října 2017.
  3. ^ A b C „Separace izotopů lithia - přehled možných technik“ (PDF). Iaea.org. Citováno 3. října 2017.
  4. ^ Holden, Norman E. (leden – únor 2010). „Dopad ochuzeného 6Li na standardní atomovou hmotnost lithia“. Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii. Vyvolány 6 May 2014.
  5. ^ Správa kritických izotopů: Pro zajištění stabilního zásobování je zapotřebí správcovství lithia-7, GAO-13-716 // Vládní úřad pro vládu USA, 19. září 2013; pdf
  6. ^ "Izotopová separace s lehkým dotykem". Physicsworld.com. 2012-03-02. Citováno 3. října 2017.
  7. ^ A b C d „Obohacování izotopem lithia: Možné alternativy domácího obohacování“ (PDF). Fhr.nuc.berkeley.edu. Citováno 3. října 2017.
  8. ^ Martoyan, G. A .; Kalugin, M. M .; Gabrielyan, A. V .; Martoyan, A. G. (2016). „Vyhlídky na obohacení lithiem na 7 izotopu Li metodou elektro-migrace řízených iontů“. Iop Conference Series: Materials Science and Engineering. 112: 012035. doi:10.1088 / 1757-899X / 112/1/012035.
  9. ^ „Lithium - Světová jaderná asociace“. World-nuclear.org. Citováno 3. října 2017.
  10. ^ „Severokorejská výroba lithia 6 pro jaderné zbraně“ (PDF). Isis-online.org. Citováno 3. října 2017.