Proces COLEX - COLEX process
Proces COLEX (lub rozdzielenie COLEX ) jest metodą chemicznego rozdzielania izotopów z litu-6 i litu-7 , w oparciu o wykorzystanie rtęci . COLEX oznacza wymianę kolumn.
Od początku ery atomowej opracowywano różnorodne metody wzbogacania litu (m.in. wymiana chemiczna, elektromagnetyczna, laserowa, odśrodkowa), a proces COLEX jest do tej pory najszerzej wdrażany.
Wczesny rozwój
W Stanach Zjednoczonych w latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku badano kilka metod wymiany chemicznej w celu rozdzielania izotopów litu, aby opracować proces produkcji litu-6, tak aby tryt można było uzyskać do badań nad bronią termojądrową.
Ostatecznie wybrano system COLEX z wodnym wodorotlenkiem litu (LiOH) kontaktowanym z amalgamatem litowo-rtęciowym. Proces ten był początkowo stosowany w Stanach Zjednoczonych w latach 1955–1963 w fabryce Y12 w Oak Ridge w stanie Tennessee. Zakłady COLEX w Oak Ridge miały bardzo trudny początek w 1955 r., Kiedy wystąpiły poważne problemy z tą całkowicie nową, skomplikowaną i potencjalnie niebezpieczną technologią. Zapasy litu-6 i litu-7 z tego okresu były do niedawna dostępne, aby zaspokoić stosunkowo niewielki popyt krajowy i światowy
Od tego czasu, ze względu na ochronę środowiska, w 1963 roku Stany Zjednoczone zaprzestały działalności związanej ze wzbogacaniem litu.
Republika Południowej Afryki zbudowała również pilotażową fabrykę przy użyciu metody COLEX do produkcji litu-6 na potrzeby programu broni jądrowej w latach 70.
Izotopy i zastosowania litu
Naturalny lit zawiera około 7,5% litu-6 ( 6
3Li ), a reszta to lit-7 (7
3Li ).
Lit naturalny
Naturalnie występujący lit ma wiele zastosowań w przemyśle niejądrowym, od akumulatorów litowo-jonowych , ceramiki, smarów po szkło.
Na początku XXI wieku stały wzrost światowej produkcji litu stymulowany jest głównie popytem na akumulatory litowo-jonowe do pojazdów elektrycznych .
Jądrowe zastosowania litu wymagają stosunkowo niewielkich rocznych ilości litu w postaci wzbogaconego litu-6 i litu-7.
Lit-6
Lit-6 jest cenny jako materiał źródłowy do produkcji trytu oraz jako pochłaniacz neutronów w reakcjach syntezy jądrowej.
Wzbogacony lit-6 jest używany jako wzmacniacz neutronów w bombach termojądrowych i będzie kluczowym składnikiem modułów hodowlanych trytu (wymagane wzbogacenie od 7,5% do 30% -90%) przyszłych reaktorów termojądrowych opartych na utrzymywaniu plazmy.
W dużych potęgach termojądrowych (zwłaszcza w USA, Rosji, Chinach) ustał już rozdział litu-6, ale jego zapasy pozostają w tych krajach.
Lit-7
Wysoko wzbogacony lit-7 (ponad 99%) jest stosowany jako chłodziwo w reaktorach ze stopioną solą (MSR) i stabilizator pH w ciśnieniowych reaktorach wodnych (PWR).
Zasada działania
Lit-6 ma większe powinowactwo do rtęci niż lit-7. Kiedy amalgamat litu i rtęci jest dodawany do wodnego roztworu wodorotlenku litu, lit-6 staje się bardziej stężony w amalgamacie, a lit-7 bardziej w roztworze wodorotlenku.
Metoda separacji COLEX wykorzystuje to poprzez przepuszczanie przeciwprądu spływającego amalgamatu litowo-rtęciowego i wodnego wodorotlenku litu przepływającego w górę przez kaskadę stopni. Frakcja litu-6 jest preferencyjnie odprowadzana przez rtęć, ale lit-7 płynie głównie z wodorotlenkiem. W dolnej części kolumny lit (wzbogacony litem-6) jest oddzielany od amalgamatu, a rtęć jest odzyskiwana w celu ponownego wykorzystania w procesie. U góry roztwór wodorotlenku litu poddaje się elektrolizie w celu uwolnienia frakcji litu-7.
Wzbogacenie uzyskane tą metodą zmienia się w zależności od długości kolumny, prędkości przepływu i temperatury roboczej.
Zalety i wady
Z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia separacja COLEX była dotychczas jedyną metodą umożliwiającą produkcję wzbogaconego litu na skalę przemysłową przy minimalnych kosztach. Technologia jest dojrzała i niewiele się zmieniła od czasu jej opracowania w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku.
Metoda nie jest pozbawiona wielu wad, z których główne to:
- toksyczność i duże ilości rtęci biorącej udział w procesie
- tendencja amalgamatu do rozkładu w roztworach wodnych
- tworzenie niebezpiecznych odpadów zawierających rtęć
- wysokie zużycie energii
Technologia ma potencjalnie katastrofalne skutki dla środowiska. Wymagana jest znaczna ilość rtęci (w USA w latach 1955–1963 zużyto 24 miliony funtów) i istnieje wiele możliwości wycieków do środowiska. Porządkowanie pozostaje niezwykle trudne i kosztowne.
Pomimo problemów zdrowotnych i środowiskowych związanych z procesami wykorzystującymi rtęć, nadal trwają badania nad separacją COLEX oraz czystszymi metodami wzbogacania litu.
Urządzenia do separacji COLEX na świecie
Obecnie wydaje się, że Chiny są jedynym krajem na świecie, który oficjalnie stosuje proces COLEX do wzbogacania litu. Ze względu na troskę o środowisko i stosunkowo niski popyt na wzbogacony lit dalsze stosowanie procesu COLEX jest oficjalnie zakazane w USA od 1963 roku, co wzmacnia niemal jednomyślne panowanie Chin nad rynkiem wzbogaconego litu, a następnie w Rosji.
Rosyjskie zdolności w zakresie wzbogacania koncentrują się na produkcji litu-7 poprzez elektrolizę wodnego roztworu chlorku litu przy użyciu katody rtęciowej, która jest tym samym inna niż w procesie COLEX.
Chociaż amerykański przemysł jądrowy jest w dużym stopniu uzależniony od litu wzbogaconego z Chin i Rosji, ekologiczne obawy związane z tym procesem mogą utrudnić przyszłe wykorzystanie w kraju na skalę przemysłową.
Jednak wraz z ożywieniem w badaniach w ogólnym obszarze technologii reaktora syntezy jądrowej (ITER, DEMO) nie została odnowiona zainteresowanie podczas ostatniej dekady w lepszych procesach 6 Li 7 Li separacji, zwłaszcza w Japonii i Stanach Zjednoczonych.
Ocenia się, że Korea Północna pozyskała środki potrzebne do budowy zakładu wzbogacania litu-6 w oparciu o separację COLEX.
Obecnie nie istnieją żadne obiekty na skalę przemysłową, które mogłyby sprostać przyszłym wymaganiom komercyjnych elektrowni termojądrowych.