COLEXプロセス
COLEX法（またはCOLEX分離法）は、水銀を用いてリチウム6とリチウム7の同位体を分離する化学的手法です。COLEXはカラム交換の略です。
原子力時代の初め以来、さまざまなリチウム濃縮方法が開発されてきました（化学交換、電磁気、レーザー、遠心分離など[ 1 ]）。COLEXプロセスはこれまでで最も広く実施されている方法です。
初期の開発
米国では、1930 年代から 1940 年代にかけて、熱核兵器研究用のトリチウムを得るために、リチウム 6 生産プロセスを開発するために、リチウム同位体を分離するためのいくつかの化学交換方法が研究されていました。
最終的に選択されたシステムは、水酸化リチウム（LiOH）水溶液をリチウム水銀アマルガムと接触させるCOLEX法でした。この法は、1955年から1963年にかけて、米国テネシー州オークリッジのY12工場で初めて使用されました。オークリッジのCOLEX工場は、この全く新しい、複雑で潜在的に危険な技術に大きな問題を抱え、1955年の操業開始当初は非常に厳しいものでした。[ 2 ]当時のリチウム6とリチウム7の備蓄は、比較的小規模な国内および世界の需要を満たすために最近まで利用可能でした[ 3 ]
それ以来、環境への懸念から、米国は1963年にリチウム濃縮事業を停止した。[ 1 ]
南アフリカも1970年代に 核兵器計画のためにリチウム6を製造するためにCOLEX法を使ったパイロットプラントを建設した。
リチウム同位体と用途
天然リチウムには約7.5％のリチウム6（6 3Li）、残りはリチウム7（7 3李）。
天然リチウム
天然に存在するリチウムは、リチウムイオン電池、セラミック、潤滑剤、ガラスに至るまで、原子力以外の産業分野でも幅広く利用されています。
21 世紀初頭、リチウムの世界生産量は主に電気自動車用のリチウムイオン電池の需要によって着実に増加しました。
リチウムの原子力応用には、濃縮リチウム6およびリチウム7の形で、比較的少量の年間リチウムが必要です。
リチウム6
リチウム6は、トリチウム製造の原料として、また核融合反応における中性子吸収体として貴重です。
濃縮リチウム6は熱核爆弾の中性子ブースターとして使用され、プラズマ閉じ込めに基づく将来の核融合炉のトリチウム増殖モジュール（必要な濃縮度は7.5％から30％～90％）の重要な構成要素となるでしょう。[ 1 ]
リチウム6の分離は主要な熱核保有国（特に米国、ロシア、中国）では現在までに停止されているが、これらの国々にはリチウム6の備蓄が残っている。
リチウム7
高濃縮リチウム7（99%以上）は溶融塩炉（MSR）の冷却材や加圧水型原子炉（PWR）のpH安定剤として使用されている。[ 4 ] [ 5 ]
動作原理
リチウム6はリチウム7よりも水銀元素との親和性が高い。リチウムと水銀のアマルガムを水酸化リチウム水溶液に加えると、アマルガム中のリチウム6の濃度が高まり、水酸化リチウム溶液中のリチウム7の濃度が高まります。
COLEX分離法は、この原理を利用し、リチウム水銀アマルガムを流下させ、水酸化リチウム水溶液を上昇させる逆流を段階的に通過させます。リチウム-6は水銀によって優先的に排出されますが、リチウム-7は主に水酸化リチウムとともに排出されます。カラムの下部では、リチウム（リチウム-6が豊富）がアマルガムから分離され、水銀は回収されてプロセスで再利用されます。上部では、水酸化リチウム溶液を電気分解してリチウム-7を分離します。
この方法で得られる濃縮度はカラムの長さ、流速、および動作温度によって変化する。[ 6 ]
メリットとデメリット
技術的および経済的な観点から見ると、COLEX分離法は、これまで最小限のコストで濃縮リチウムを工業規模で生産できる唯一の方法でした。この技術は成熟しており、1950年代と1960年代の開発以来ほとんど変わっていません。[ 7 ]
この方法にはいくつかの欠点がありますが、主なものは次のとおりです。
- 毒性と大量の水銀がプロセスに関与している
- アマルガムは水溶液中で分解する傾向がある
- 危険な水銀含有廃棄物の生成
- 高いエネルギー消費量[ 8 ]
この技術は、環境に壊滅的な影響を与える可能性があります。相当量の水銀が必要であり（1955年から1963年の間に米国で2,400万ポンドが使用されました）、環境への漏洩の機会が数多く存在します。浄化は依然として極めて困難で、費用も高額です。[ 7 ]
水銀を使用するプロセスに伴う健康と環境への懸念にもかかわらず、COLEX分離とよりクリーンなリチウム濃縮方法についての研究はまだ行われている。[ 3 ]
世界のCOLEX分離施設
現在、リチウムを濃縮するためにCOLEX法を公式に採用している国は世界で中国のみであると思われる。[ 7 ]環境問題と濃縮リチウムの需要が比較的低いことから、1963年以降、米国ではCOLEX法のさらなる使用が正式に禁止されており、これにより中国は濃縮リチウム市場をほぼ独占的に掌握しており、ロシアがそれに続いている。[ 7 ]
ロシアの濃縮能力は、水銀陰極を用いた塩化リチウム水溶液の電気分解によるリチウム7生産に重点を置いており、これはCOLEXプロセスとは異なる。[ 9 ]
米国の原子力産業は中国とロシアの濃縮リチウムに大きく依存しているが、COLEXプロセスに関する環境への懸念から、将来的に国内で産業規模で使用することが妨げられる可能性がある。
しかし、核融合炉技術（ITER、DEMO）の一般的な分野での研究が活発化するにつれ、特に日本と米国では、過去10年間で6Li - 7Li分離のより優れたプロセスへの関心が新たに高まっています。 [ 3 ]
北朝鮮は、COLEX分離に基づいてリチウム6濃縮工場を建設する手段を獲得したと評価されている。[ 10 ]
商業用核融合発電所の将来の要求を満たす産業規模の施設は今のところ存在しない。[ 1 ]
参照
参考文献
- ^ a b c d「将来の核融合炉の持続可能なサプライチェーンにおけるリチウム濃縮の問題」(PDF) . Nucleus.iaea.org . 2017年9月13日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年10月3日閲覧。
- ^ 「リチウム6スーパー爆弾物語」(PDF) . Oakridgeheritage.com . 2017年9月13日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年10月3日閲覧。
- ^ a b c「リチウム同位体分離：可能な技術のレビュー」（PDF）Iaea.org . 2017年10月3日閲覧。
- ^ホールデン、ノーマン・E. (2010年1月～2月). 「劣化リチウム6がリチウムの標準原子量に与える影響」. 国際純正応用化学連合. 2014年5月6日閲覧。
- ^重要同位元素の管理：リチウム7の安定供給を確保するには管理が必要、GAO-13-716 // 米国会計検査院、2013年9月19日; pdf
- ^ 「軽いタッチで同位体分離」 Physicsworld.com 2012年3月2日. 2017年10月3日閲覧。
- ^ a b c d「リチウム同位体濃縮：実現可能な国内濃縮の代替手段」（PDF） Fhr.nuc.berkeley.edu 2017年10月3日閲覧。
- ^ Martoyan, GA; Kalugin, MM; Gabrielyan, AV; Martoyan, AG (2016). 「制御イオン電気移動法による 7 Li同位体のリチウム濃縮の見通し」 . IOPカンファレンスシリーズ：材料科学と工学. 112 012035. doi : 10.1088/1757-899X/112/1/012035 .
- ^ 「リチウム - 世界原子力協会」 World-nuclear.org 2017年10月3日閲覧。
- ^ 「北朝鮮の核兵器用リチウム6生産」（PDF） Isis-online.org 2017年10月3日閲覧。
