Почему дефицит лития?

На самом деле то, что вы читали о производстве ядер, не совсем верно. Существует несколько различных процессов образования атомных ядер:

1. Нуклеосинтез Большого взрыва — это слияние ядер водорода с образованием более тяжелых элементов на ранних стадиях Вселенной, когда она остыла после Большого взрыва. Для этого процесса существуют довольно специфические тепловые требования, поэтому существовал лишь короткий промежуток времени, в течение которого могли образовываться более тяжелые элементы, а это означает, что единственный синтез, который действительно произошел в значительных количествах, - это превращение водорода (и дейтерия) в гелий. и чрезвычайно маленькое количество лития.

2. Звездный нуклеосинтез — это слияние водорода и других ядер в ядрах звезд. Это нечто отдельное от космологии Большого взрыва, поскольку звезды сформировались только через миллионы лет жизни Вселенной.

   Теперь, вопреки тому, что вы, возможно, читали, не все элементы образуются в звездном нуклеосинтезе. Происходят определенные «цепочки» ядерных реакций, и только те элементы, которые образуются в результате этих реакций, будут существовать в звезде в заметных количествах. Большинство звезд производят свою энергию, используя либо протон-протонную цепочку (в более легких звездах), либо цикл CNO .(в более тяжелых звездах), оба из которых потребляют водород и образуют гелий. Как только большая часть водорода будет израсходована, температура звезды повысится, и она начнет превращать гелий в углерод. Когда гелий закончится, он превратит углерод в кислород, затем кислород в кремний, а затем кремний в железо. (Конечно, реальный процесс более сложен — подробности см. в статьях Википедии.) По пути производятся или участвуют несколько других элементов, в том числе неон, магний, фосфор и другие, но лития среди них нет. На самом деле звезды имеют тенденцию потреблять литий , а не производить его, поэтому на самом деле звезды имеют лишь небольшое количество лития.

3. Нуклеосинтез сверхновойпредставляет собой слияние атомных ядер из-за условий высокого давления и высокой энергии, которые возникают, когда большая звезда взрывается сверхновой типа II. Между этим и нуклеосинтезом Большого взрыва есть определенное сходство, а именно высокие температуры и давления, но главное отличие состоит в том, что у взрывающейся звезды будут «запасы» тяжелых элементов, созданные за время существования ядерного синтеза. Таким образом, вместо того, чтобы просто образовать много гелия, как это произошло сразу после Большого взрыва, сверхновая сформирует целый спектр тяжелых элементов. На самом деле сверхновые звезды являются единственным естественным источником элементов тяжелее железа, поскольку для производства этих элементов в качестве продуктов синтеза на самом деле требуется затрата энергии. Я полагаю, что некоторое количество лития образовалось бы при взрыве сверхновой вместе со всеми другими элементами.

Ключевое слово в том, что вы услышали, «доступно», потому что в земле достаточно много лития, который не так просто получить. Понятие «доступный литий», вероятно, означает известные запасы земли, которые, согласно этой странице , составляют 14 миллионов тонн.

Количество, растворенное в морской воде, оценивается в 230 миллиардов тонн (что достаточно для множества аккумуляторов). Добыча морской воды пока не кажется экономически целесообразной, но люди изучают ее.

Предполагаемая концентрация лития в земной коре колеблется от 1 до 31 ppm, поэтому, если мы раскопаем всю кору, мы получим от 20 до 600 триллионов тонн. Другими словами, если бы наша цивилизация когда-нибудь дошла до того, что нам действительно нужно много лития, нам не пришлось бы далеко ходить, чтобы найти его.

Это небольшое дополнение к ответам Дэвида и Скотта.

Как обычно , страница Википедии о литии содержит полезную информацию:

Оба природных изотопа имеют аномально низкую энергию связи ядра на нуклон по сравнению с более легкими и более тяжелыми элементами, гелием и бериллием, а это означает, что единственный среди стабильных легких элементов литий может производить чистую энергию посредством ядерного деления. Два ядра лития имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем любые другие стабильные составные нуклиды, кроме дейтерия и гелия-3. В результате этого, несмотря на очень малый атомный вес, литий менее распространен в Солнечной системе, чем 25 из первых 32 химических элементов.

[...]

⁷Li — один из первичных элементов (или, точнее, первичных нуклидов), образующихся в ходе нуклеосинтеза Большого взрыва. Небольшое количество как ⁶Li, так и ⁷Li производится в звездах, но считается, что они сгорают так же быстро, как и производятся. Дополнительные небольшие количества лития как ⁶Li, так и ⁷Li могут образовываться в результате солнечного ветра, космических лучей, сталкивающихся с более тяжелыми атомами, и в результате раннего радиоактивного распада ⁷Be и ¹⁰Be Солнечной системы.

Итак, в основном, литий (едва) производится, как сказал вам Давид Заславский в своем ответе, и причина, по которой производство низкое, заключается в том, что литий едва ли стабилен.

Но, как говорит @Scott Carnahan в своем ответе, понятие дефицита лития связано с его перераспределением на земле. И причина того, что его трудно получить, заключается в его высокой химической активности, а это означает, что он в основном разбавлен повсюду и редко концентрируется в легко добываемых месторождениях. На той же странице википедии, что и выше , они говорят:

Хотя литий широко распространен на Земле, в природе он не встречается в виде элемента из-за его высокой реакционной способности.

[...]

Согласно Справочнику по литию и природному кальцию, «литий является сравнительно редким элементом, хотя он встречается во многих горных породах и некоторых рассолах, но всегда в очень низких концентрациях. лишь сравнительно немногие из них имеют фактическую или потенциальную коммерческую ценность. Многие очень маленькие, другие слишком низкого качества».

Я подойду к этому немного иначе. Содержание Li в Солнечной системе и в земной коре невелико по сравнению с такими элементами, как углерод, кислород, кремний и железо.

Литий Солнечной системы создается частично (всего 10%) первичным нуклеосинтезом, немного реакциями расщепления космических лучей на ядрах в межзвездной среде, но в основном в недрах относительно маломассивных звезд асимптотической ветви гигантов (АВГ) и в вспышки новых (например , Prantzos 2012 ). Основным механизмом реакции является синтез гелия-4 и гелия-3 с образованием бериллия-7. Затем он подвергается захвату электронов литием-7.

Хотя внутри звезд много гелия-4, гелия-3 на самом деле не так много, за исключением тех мест, где он производится в ядрах/оболочках, сжигающих водород, но эти области также достаточно горячие, чтобы быстро уничтожить литий-7 за счет обратного захвата протонов. к ядрам гелия-4 . Таким образом, нужны особые условия, при которых материал, богатый бериллием, из ядра/оболочки смешивается вверх и подвергается захвату электронов в областях, достаточно холодных для выживания лития ( Cameron & Fowler, 1971 ). Это может произойти в AGB-звездах с "горящим дном" массой около$4<M/M_{\odot}<8$, которые некоторое время подвергаются оболочке H- и He-горения (например , Garcia-Hernandez et al. 2013 ). Конвективная оболочка спускается к оболочке, горящей водородом, вытягивает материал, богатый бериллием, который затем становится литием-7. Этот процесс имеет ограниченную эффективность, поскольку та же самая конвекция возвращает большое количество Li-7 обратно для сжигания. Таким образом, хотя звезды AGB могут эффективно выбрасывать обогащенный материал в космос своими массивными ветрами, этот материал не настолько обогащен литием.

Механизм Кэмерона и Фаулера также может иметь место во взрывах новых, когда вещество переносится от компаньона на поверхность белого карлика и детонирует. В аккрецированном материале должен быть гелий-3, поэтому он также должен был поступать из регионов, где произошло неполное сгорание водорода. Быстрый взрывной выброс снаряда, обогащенного бериллием, затем приводит к обогащению ISM литием-7. Оказывается, особые условия, необходимые для аккреции материала с большим количеством Не-3, не приводят к достаточному производству лития, чтобы увеличить содержание лития в межзвездной среде сверх того, что мы видим.

Но я думаю, что основная суть вопроса заключается в том, почему Li просто не образуется в результате какой-то реакции синтеза, такой как гелий или углерод?

Ответ в том, что это так! Например, Li-7 производится как часть ветви PPII цепи pp при температурах между$1.4\times10^7$К и$2.3\times 10^{7}$К. Но при этих температурах Li-7 быстро сплавляется с протоном, образуя два ядра He-4.

Так что основная проблема в том, что в звездных недрах Ли-7 сгорает при температурах выше$3\times 10^{6}$K, но любые реакции синтеза, в результате которых образуется Li (или элементы тяжелее Li), требуют гораздо более высоких температур, чем эта.

Распространенная ошибка, стоящая за этим утверждением, заключается в том, что литий рассматривается как топливо, которое потребляется и выбрасывается. В конце концов, так работает масло. Для этого не хватает дешевого лития. Но, как и сталь, литий будет переработан.

Лития в земной коре больше, чем свинца. Однако он более реакционноспособен, чем такие металлы, и менее распространен, чем другие химически активные металлы, такие как натрий. Из-за этого он не имеет тенденции накапливаться в богатых геологических отложениях в форме, облегчающей его извлечение. Его легкость может быть еще одним фактором.

Реакционноспособные металлы, такие как литий, могут образовывать соли, которые растворяются в воде. Затем они остаются в отложениях, когда закрытые участки воды высыхают. Литий в 1000 раз менее распространен в земной коре, чем другие химически активные металлы, такие как натрий, кальций и калий, поэтому он все еще встречается в таких месторождениях в относительно небольших количествах.

Однако некоторые соединения лития настолько растворимы, что присутствуют в некоторых высохших морских отложениях. Говорят, что около половины доступного лития на Земле находится под боливийским десертом, и если добыча его в будущем станет такой же важной, как добыча нефти сейчас, то вряд ли возникнет такой большой дефицит.

Согласно этой истории NPR , недостатка в литии для аккумуляторов нет:

«Я не знаю ни одного серьезного человека в автомобильной или литиевой промышленности, который считал бы, что существует серьезная долгосрочная проблема с поставками», — говорит он. «На самом деле, в течение следующих 10 лет, вероятно, будет переизбыток лития, потому что сейчас на рынок вышло так много компаний».

По словам Флетчера, в отличие от добычи других природных ресурсов, концентрирование лития является «экологически безопасным» процессом. «Это почти настолько низкое воздействие, насколько это возможно при добыче полезных ископаемых. На самом деле они просто качают воду… и в литий-ионном аккумуляторе действительно нет токсичных химикатов».