Гидрид лития — неорганическое бинарное соединение щелочного металла лития и водорода. В расплавленном состоянии восстанавливает оксиды металлов и неметаллов. Под действием рентгеновского и ультрафиолетового излучения окрашивается в голубой цвет. Также возможен дейтерид лития с формулой LiD, применяемый в качестве горючего в термоядерных бомбах
Содержание
Получение
Гидрид лития получают реакцией синтеза непосредственно из элементов лития и водорода:
2 L i + H 2 → 500 − 700 o C 2 L i H <\displaystyle <\mathsf <2Li+H_<2>\ <\xrightarrow <500-700^C>>\ 2LiH>>>
или восстановлением нитрида лития водородом:
L i 3 N + 3 H 2 → 300 o C 3 L i H + N H 3 <\displaystyle <\mathsf N+3H_<2>\ <\xrightarrow <300^C>>\ 3LiH+NH_<3>>>>
Физические свойства
Белый, лёгкий порошок, плавится без разложения в инертной атмосфере. Образует бесцветные кристаллы кубической сингонии, пространственная группа F m3m, параметры ячейки a = 0,4083 нм, Z = 4, структура типа NaCl.
Под действием излучения от видимого до рентгеновского кристаллы окрашиваются в интенсивный голубой цвет из-за образования твёрдого коллоидного раствора металлического лития в гидриде лития.
Химические свойства
Гидрид лития относительно устойчив в сухом воздухе. Парами воды быстро гидролизуется (с водой реакция идёт бурно, возможно самовоспламенение):
L i H + H 2 O → L i O H + H 2 <\displaystyle <\mathsf O\ <\xrightarrow <\ \ \ >>\ LiOH+H_<2>>>>
При нагревании выше 850°С (а в вакууме до 450°С) начинает распадаться на элементы:
2 L i H → 850 o C 2 L i + H 2 <\displaystyle <\mathsf <2LiH\ <\xrightarrow <850^C>>\ 2Li+H_<2>>>>
Электролизом расплава также можно разложить гидрид лития на элементы, при этом водород выделяется на аноде, т.е. в расплаве происходит электролитическая диссоциация:
С кислородом и азотом начинает взаимодействовать только при нагревании и результат зависит от температуры:
4 L i H + O 2 → 300 − 350 o C 2 L i 2 O + 2 H 2 <\displaystyle <\mathsf <4LiH+O_<2>\ <\xrightarrow <300-350^C>>\ 2Li_<2>O+2H_<2>>>> 2 L i H + O 2 → 400 − 500 o C 2 L i O H <\displaystyle <\mathsf <2LiH+O_<2>\ <\xrightarrow <400-500^C>>\ 2LiOH>>> 4 L i H + N 2 → 300 − 350 o C 2 L i 2 N H + H 2 <\displaystyle <\mathsf <4LiH+N_<2>\ <\xrightarrow <300-350^C>>\ 2Li_<2>NH+H_<2>>>> 3 L i H + N 2 → 400 − 500 o C L i 3 N + N H 3 <\displaystyle <\mathsf <3LiH+N_<2>\ <\xrightarrow <400-500^C>>\ Li_<3>N+NH_<3>>>>
Реагирует с другими неметаллами (C, P, S, Si):
2 L i H + 4 C → 400 o C L i 2 C 2 + C 2 H 2 <\displaystyle <\mathsf <2LiH+4C\ <\xrightarrow <400^C>>\ Li_<2>C_<2>+C_<2>H_<2>>>>
Восстанавливает оксиды металлов и неметаллов:
4 L i H + 3 S i O 2 → 200 o C 2 L i 2 S i O 3 + S i + 2 H 2 <\displaystyle <\mathsf <4LiH+3SiO_<2>\ <\xrightarrow <200^C>>\ 2Li_<2>SiO_<3>+Si+2H_<2>>>>
Может образовывать двойные гидриды:
4 L i H + A l C l 3 → L i [ A l H 4 ] + 3 L i C l <\displaystyle <\mathsf <4LiH+AlCl_<3>\ <\xrightarrow <\ \ >>\ Li[AlH_<4>]+3LiCl>>>
Применение
Используется как осушитель, как сырье для производства алюмогидрида лития (сильный восстановитель, используемый в органическом синтезе), как замедлитель в радиационных защитах ядерных реакторов. Также гидрид лития используется как легкий и портативный источник водорода для аэростатов и спасательного снаряжения.
Дейтерид лития-6
Дейтерид лития-6 6 LiD (или 6 Li 2 H) используется как термоядерное топливо в термоядерном оружии.
Безопасность
Вещество токсично. ПДК 0,03 мг/дм³. При контакте с кожей и слизистыми оболочками (в чистом виде) гидрид лития может вызвать химический ожог.
ЛД50 на белых мышах — 140—143 мг/кг.
Имелись также данные о том, что гидрид лития является генетическим ядом, а также — антагонистом ионов натрия, которые, в свою очередь и являются обязательным макроэлементом для живых организмов.
Использование ядерных устройств в военных целях основано на свойстве атомов тяжелых химических элементов распадаться на атомы более легких элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гама- и рентгеновского диапазона), а также в виде кинетической энергии разлетающихся элементарных частиц (нейтронов, протонов и электронов) и ядер атомов более легких элементов (цезия, стронция, иода и других)
Наиболее востребованными тяжелыми элементами являются уран и плутоний. Их изотопы при делении своего ядра выделяют от 2 до 3 нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление ядер соседних атомов и т.д. В веществе возникает самораспространяющаяся (т.н. цепная) реакция с выделением большого количества энергии. Для запуска реакции требуется определенная критическая масса, объем которой будет достаточен для захвата нейтронов ядрами атомов без вылета нейтронов за пределы вещества. Критическая масса может быть уменьшена с помощью отражателя нейтронов и инициирующего источника нейтронов
Запуск реакции деления производится путем соединения двух подкритических масс в одну надкритическую или путем обжатия сферической оболочки надкритической массы в сферу, увеличивая тем самым концентрацию делящегося вещества в заданном объеме. Соединение или обжатие делящегося вещества осуществляется с помощью направленного взрыва химического взрывчатого вещества.
Кроме реакции деления тяжелых элементов, в ядерных зарядах применяется реакция синтеза легких элементов. Термоядерный синтез требует нагрева и сжатия вещества до нескольких десятков миллионов градусов и атмосфер, что можно обеспечить только за счет энергии, выделяющейся при реакции деления. Поэтому термоядерные заряды конструируются по двухступенчатой схеме. В качестве легких элементов используют изотопы водорода тритий и дейтерий (требующие минимальных значений температуры и давления для запуска реакции синтеза) или химическое соединение — дейтерид лития (последний под действием нейтронов от взрыва первой ступени делится на тритий и гелий). Энергия в реакции синтеза выделяется в виде электромагнитного излучения и кинетической энергии нейтронов, электронов и ядер атомов гелия (т.н. альфа-частиц). Энерговыделение реакции синтеза в расчете на единицу массы в четыре раза превышает подобный показатель реакции деления
Тритий и продукт его самораспада дейтерий используют также в качестве источника нейтронов для инициации реакции деления. Тритий или смесь изотопов водорода под действием сжатия плутониевой оболочки частично вступает в реакцию синтеза с выделением нейтронов, которые переводят плутоний в надкритичное состояние.
Основными компонентами современных ядерных зарядов являются следующие:
— стабильный (самопроизвольно не делящийся) изотоп урана U-238, добываемый из урановой руды или (в виде примеси) из фосфатной руды; — радиоактивный (самопроизвольно делящийся) изотоп урана U-235, добываемый из урановой руды или нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах; — радиоактивный изотоп плутония Pu-239, нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах; — стабильный изотоп водорода дейтерий D, добываемый из природной воды или нарабатываемый из протия в ядерных реакторах; — радиоактивный изотоп водорода тритий T, нарабатываемй из дейтерия в ядерных реакторах; — стабильный изотоп лития Li-6, добываемый из руды; — стабильный изотоп бериллия Be-9, добываемый из руды; — октоген и триаминотринитробензол, химические взрывчатые вещества.
Критическая масса шара, выполненного из U-235 с диаметром 17 см, составляет 50 кг, критическая масса шара, выполненного из Pu-239 с диаметром 10 см — 11 кг. С помощью отражателя нейтронов из бериллия и источника нейтронов из трития критическую массу можно снизить соответственно до 35 и 6 кг.
Для устранения риска самопроизвольного срабатывания ядерных зарядов в них используют т.н. оружейный Pu-239, очищенный от других, менее стабильных изотопов плутония до уровня 94%. С периодичность 30 лет плутоний очищают от продуктов самопроизвольного ядерного распада его изотопов. С целью увеличения механической прочности плутоний сплавляют с 1 массовым процентом галлия и покрывают тонким слоем никеля для защиты от окисления
Температура радиационного саморазогрева плутония в процессе хранения ядерных зарядов не превышает 100 градусов Цельсия, что ниже температуры разложения химического ВВ.
Самыми первыми конструкциями ядерных зарядов деления были «Малыш» и «Толстяк», разработанные в США в середине 1940-х годов. Последний тип заряда отличался от первого сложной аппаратурой синхронизации подрыва многочисленных электродетонаторов и большим поперечным габаритом.
«Толстяк» был выполнен по имплозивной схеме – полую сферу из делящегося вещества (плутоний Pu-239) окружали оболочка из урана U-238 (толкатель), оболочка из алюминия (гаситель) и оболочка (генератор имплозии), набранная из пяти- и шестигранных сегментов химического взрывчатого вещества, на внешней поверхности которых были установлены электродетонаторы. Каждый сегмент представлял собой детонационную линзу из двух видов ВВ с различной скоростью детонации, преобразовывавших расходящуюся волну давления в сферическую сходящуюся волну, равномерно сжимавшую алюминиевую оболочку, которая в свою очередь сжимала урановую оболочку, а та – плутониевую сферу до смыкания её внутренней полости. Алюминиевый гаситель был использован, чтобы воспринять отдачу волны давления при её переходе в материал с большей плотностью, урановый толкатель – для инерционного удержания плутония в ходе реакции деления. Во внутренней полости плутониевой сферы был расположен источник нейтронов, изготовленный из радиоактивного изотопа полония Po-210 и бериллия, который под действием альфа-излучения полония испускал нейтроны. Коэффициент использования делящегося вещества составлял порядка 5 процентов, период полураспада радиоактивных осадков — 24 тысячи лет
Бериллиевый отражатель нейтронов представляет собой металлическую оболочку толщиной до 40 мм, источник нейтронов – газообразный тритий, заполняющий полость в плутонии, или пропитанный тритием гидрид железа с титаном, хранящийся в отдельном баллоне (бустере) и выделяющий тритий под действием нагрева электричеством непосредственно перед применением ядерного заряда, после чего тритий по газопроводу подается внутрь заряда. Последнее техническое решение позволяет кратно варьировать мощность ядерного заряда в зависимости от объема перекачиваемого трития, а также облегчает замену газовой смеси на новую каждые 4-5 лет, поскольку период полураспада трития составляет 12 лет. Избыточное количество трития в составе бустера позволяет снизить критическую массу плутония до 3 кг и существенно повысить действие такого поражающего фактора как нейтронное излучение (за счет снижения действия других поражающих факторов — ударной волны и светового излучения). В результате оптимизации конструкции коэффициент использования делящегося вещества увеличился до 20%, в случае избытка трития – до 40%.
Пушечная схема была упрощена за счет перехода к радиально-осевой имплозии посредством выполнения массива делящегося вещества в виде полого цилиндра, сминаемого взрывом двух торцевых и одного аксиального заряда ВВ
Имплозивная схема была оптимизирована (SWAN) за счет выполнения внешней оболочки ВВ в форме эллипсоида, позволившего уменьшить количество детонационных линз до двух единиц, разнесенных к полюсам эллипсоида — разность в скорости прохождения детонационной волны в поперечном сечении детонационной линзы обеспечивает одновременный подход ударной волны к сферической поверхности внутреннего слоя ВВ, детонация которого равномерно обжимает оболочку из бериллия (совмещающего функции отражателя нейтронов и гасителя отдачи волны давления) и сферу из плутония с внутренней полостью, заполненную тритием или его смесью с дейтерием
Наиболее компактной реализацией имплозивной схемы (примененной в советском 152-мм снаряде) является выполнение взрывчато-бериллиево-плутониевой сборки в виде полого эллипсоида с переменной толщиной стенки, обеспечивающей расчетную деформацию сборки под действием ударной волны от взрыва ВВ в конечную сферическую конструкцию
Несмотря на различные технические усовершенствования мощность ядерных зарядов деления оставалась ограниченной уровнем 100 Ктн в тротиловом эквиваленте из-за неустранимого разлета внешних слоев делящегося вещества в процессе взрыва с исключением вещества из реакции деления.
Однако мощность «слойки» также была ограничена уровнем 1 Мтн из-за начала протекания реакции деления и синтеза во внутренних слоях и разлета непрореагировавших внешних слоев. С целью преодоления этого ограничения была разработана схема обжатия легких элементов реакции синтеза рентгеновским излучением (вторая ступень) от реакции деления тяжелых элементов (первая ступень). Огромное давление потока рентгеновских фотонов, выделяющихся в реакции деления, позволяет 10-кратно обжать дейтерид лития с увеличением плотности в 1000 раз и нагреть в процессе сжатия, после чего литий подвергается воздействию потока нейтронов от реакции деления, превращаясь в тритий, который вступает в реакции синтеза с дейтерием. Двухступенчатая схема термоядерного заряда является наиболее чистой по выходу радиоактивности, поскольку вторичные нейтроны от реакции синтеза дожигают непрореагировавший уран/плутоний до короткоживущих радиоактивных элементов, а сами нейтроны гасятся в воздухе при пробеге порядка 1,5 км.
С целью равномерного обжима второй ступени корпус термоядерного заряда выполняют в форме скорлупы арахиса, располагая сборку первой ступени в геометрическом фокусе одной части скорлупы, а сборку второй ступени – в геометрическом фокусе другой части скорлупы. Сборки подвешены в объеме корпуса с помощью наполнителя из пенопласта или аэрогеля. По правилам оптики рентгеновское излучение от взрыва первой ступени концентрируется в сужении между двумя частями скорлупы и равномерно распределяется по поверхности второй ступени. С целью увеличения отражательной способности в рентгеновском диапазоне внутренняя поверхность корпуса заряда и внешняя поверхность сборки второй ступени покрываются слоем из плотного вещества: свинца, вольфрама или урана U-238. В последнем случае термоядерный заряд становится трехступенчатым – под действием нейтронов от реакции синтеза U-238 превращается в U-235, атомы которого вступают в реакцию деления и увеличивают мощность взрыва
Трехступенчатая схема была заложена в конструкции советской авиабомбы АН-602, расчетная мощность которой составляла 100 Мтн. Перед проведением испытания третья ступень была исключена из её состава путем замены урана U-238 на свинец из-за риска расширения зоны радиоактивных осадков от деления U-238 за пределы испытательного полигона. Фактическая мощность двухступенчатой модификации АН-602 составила 58 Мтн. Дальнейшее наращивание мощности термоядерных зарядов можно производить путем увеличения количества термоядерных зарядов в составе объединенного взрывного устройства. Однако в этом нет необходимости по причине отсутствия адекватных им целей – современный аналог АН-602, размещенный на борту подводного аппарата «Посейдон», имеет радиус разрушений ударной волной зданий и сооружений в 72 км и радиус пожаров в 150 км, что вполне достаточно для уничтожения таких мегаполисов как Нью-Йорк или Токио
Конструкция подобного заряда может быть выполнена в виде имплозивной сборки, включающее две эллипсоидные детонационные линзы (химическое ВВ из октогена, инертный материал из полипропилена), три сферические оболочки (нейтронный отражатель из бериллия, пьезоэлектрический генератор из иодида цезия, делящееся вещество из плутония) и внутреннюю сферу (термоядерное топливо из дейтерида лития)
Под действием сходящейся волны давления иодид цезия вырабатывает сверхмощный электромагнитный импульс, поток электронов генерирует в плутонии гамма-излучение, выбивающее нейтроны из ядер, инициируя тем самым самораспространяющуюся реакцию деления, рентгеновское излучение сжимает и нагревает дейтерид лития, поток нейтронов вырабатывает из лития тритий, который вступает в реакцию с дейтерием. Центростремительная направленность реакций деления и синтеза обеспечивает 100-процентное использование термоядерного топлива.
Дальнейшее развитие конструкций ядерных зарядов в направлении минимизации мощности и радиоактивности возможно за счет замены плутония на устройство лазерного сжатия капсулы со смесью трития и дейтерия.
О том, что при реакции соединения ядер тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития — должна высвободиться энергия, во много раз большая, чем при распаде ядер урана, знали намного раньше, чем начались работы по созданию водородной бомбы. Но на пути этого превращения лежало одно неразрешимое, казалось, противоречие. Для того чтобы смогли слиться ядра дейтерия и трития, нужна температура порядка 50 млн градусов. Но для того чтобы реакция пошла, нужно еще, чтобы атомы столкнулись. Вероятность такого столкновения (и последующего слияния) тем больше, чем плотнее «упакованы» атомы в веществе. Расчеты показали, что это возможно только в том случае, если вещество находится хотя бы в жидком состоянии. А изотопы водорода становятся жидкостями лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.
Фото В.Гинзбурга и И.Фабелинского из архива А.Леонтовича
Американцы взорвали первый термоядерный заряд на атолле Эниветок 1 ноября 1952 г. Однако следует заметить, что американская «бомба» представляла собой лабораторный образец, фактически «дом, наполненный жидким дейтерием», выполненный в виде специальной конструкции. В проекте советской водородной бомбы, разработанной группой И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова, изначально рассматривалось использование не жидкого дейтерия или тяжелой воды, а твердого соединения дейтерида лития. Эта идея связывается, и безусловно правильно связывается, с именем В.Л. Гинзбурга. Как утверждает в своих воспоминаниях один из непосредственных участников этого проекта В.И. Ритус, Виталий Лазаревич на его прямой вопрос, кто вообще предложил использовать именно дейтерид лития, т.е. твердое вещество, а не тяжелую воду, ответил: «Я не знаю». Далее он пишет: «Что же касается самой идеи использовать в качестве носителя дейтерия твердое вещество — дейтерид лития, а не тяжелую воду, то в какой-то степени она тривиальна. Почему? Потому что в любом химическом справочнике или даже Большой советской энциклопедии в статье на слово «литий» написано, что гидрид лития используется для безбаллонной транспортировки водорода. Иначе говоря, если вы хотите перевезти из одного места в другое какое-то количество водорода, то вместо того, чтобы везти сжатый водород в баллоне, удобнее взять твердое вещество — гидрид лития, перевезти его в нужное вам место, полить его там водичкой, и один килограмм LiH даст вам 2,8 м 3 водорода». Иными словами, свой вклад В.Л. Гинзбург видит в следующем: кто-то уже сказал, что дейтерий нужно вносить в виде дейтерида лития — твердого вещества, а не в виде тяжелой воды. Однако основной изотоп лития 7 Li, наиболее распространенный в природе, подавляет термоядерную реакцию. Виталий Лазаревич предложил использовать дейтерид лития, содержащий шестой изотоп лития 6 Li, который охотно делится нейтроном n + Li — 4 Не + t + 4.8 МэВ с выделением энергии. Более того, образующийся тритий вступает в термоядерную реакцию с дейтерием и снова с выделением энергии: t + d — n + 4 Не + 17.6 МэВ. Существенно при этом, что сечение этой реакции в 100 раз больше сечения dd-реакции. Таким образом, предложение Гинзбурга состояло в том, чтобы очищать литий от его основного, седьмого изотопа и вносить дейтерий в виде твердого вещества 6 LiD. Для реализации этой идеи в СССР были построены заводы по разделению изотопов лития.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Фото В.Гинзбурга и И.Фабелинского из архива А.Леонтовича