本技术公开了一种用于锂同位素的同位素分离的方法。特别地，所公开的方法涉及基于相变温差的在流体介质中的锂同位素的分离。
背景技术：
1、业界需要对同位素进行分离，主要是将较轻的同位素与元素分离。在核能应用(包括聚变和裂变)中，需要分离自然界中的锂的同位素，即，锂-6(6li)和锂-7(7li)。天然锂包含7.4％的6li和92.6％的7li。
2、在核聚变发电中，锂用于产生氚，而氚是聚变发电机的主要燃料。然而，锂最常见的同位素7li由于其较小的横截面，是氚的不良增殖堆(breeder)，因此期望使用6li作为氚增殖毯(breeding blanket)。由于这种同位素相当不常见，因此需要对锂进行浓缩。通过浓缩，样品中6li的浓度增加。在固体增殖堆中，浓度可能必须增加到30％至60％之间；然而，在液体增殖堆中，浓度可能不得不高达90％。
3、锂浓缩在其他应用中是有用的。在利用核裂变原理的发电机中，纯度约为99％的7li被用作中子吸收器，以控制酸度和中子减速，并作为熔盐反应堆中的冷却剂。
4、目前对浓缩锂的需求正在增加，因为具有6li的锂离子电池工作效率更高，并且随着聚变反应堆成为现实，预计未来几年内这种需求会增加更多。
5、目前，浓缩锂是由20世纪50年代至70年代之间美国使用昂贵的colex工艺生产的库存供应的。6li的市场价格约为每10克500美元，考虑到聚变发电厂每千兆瓦能量所需的浓缩锂的数量约为60吨，这一成本令人望而却步。
6、目前，似乎没有方法可以生产聚变发电厂所需数量的浓缩锂。除此之外，已经开发的方法还存在两个问题：它们非常昂贵，而且对环境污染严重。
7、浓缩锂主要通过colex、orex和elex这三种方法生产。colex和orex是基于lioh或licl溶液和锂汞合金的逆流流动的化学交换过程。浓缩锂沉积在汞合金相上。还使用了基于锂电性能的方法。在elex方法中，使用汞阴极在逆流流动中对锂盐溶液进行电解。
8、特别是，上述方法在一定程度上利用了汞。在20世纪50年代至80年代之间，这些方法在美国被广泛用于生产锂。仅colex工艺就使用了约2400万磅汞。尽管大部分汞已被妥善处理，但仍有约200万磅的汞未被计入。未计入的汞可能已经进入环境，可能是弗吉尼亚州东部几个水体的汞污染的原因。
9、锂离子分离或浓缩的当前趋势涉及激光分离和电磁分离。这些方法既昂贵又缓慢，还需要非常特殊的材料和设备。demo真空系统开发部门的首席工程师thomasgiegerich博士指出了这些方法的局限性。thomas giegerich博士在www.kit.edu上发表的“未来聚变反应堆可持续供应链中的锂浓缩问题”中写道，建议进一步开发基于汞的方法，因为经典的colex相关方法在最低的开发努力下具有最高的质量值。
10、在raizen等人的第8,672,138号美国专利中，具有单一元素的几个原子的蒸汽被形成流，然后被施加光波。光波被调谐以将特定的同位素制备成特定的磁性状态。然后施加磁场以根据同位素的磁性状态来分离同位素。所描述的方法显然是基于利用同位素这些特性的激光方法和电磁方法。类似于raizen描述的方法不适合锂应用。它们是不适宜的，因为聚变反应堆中的锂同位素必须作为发电厂工艺的一部分进行分离。由于元素必须被汽化，因此不容易将这种方法与聚变反应堆工艺相结合，在聚变反应堆工艺中，锂可以是液体或固体。raizen的方法的一个主要问题是，聚变过程的工作温度可能不允许该方法的每个部分都生效。此外，该方法可能太慢，无法适应聚变反应堆所需的速度。并且，由于该方法所需的光波设备可能需要非常特定的温度以及昂贵的组件才能工作，因此它不是聚变发电厂能够依赖的用于锂浓缩的非常合适的方法。
11、yamashita等人的第4,149,077号美国专利中描述了另一种基于激光的方法。据yamashita介绍，激光器通过使用被调谐到任意锂同位素的吸收谱线的光束来照射锂原子束，从而分离锂同位素。这导致该同位素电离，然后通过质量过滤器(例如基于磁场的质谱仪)将该同位素分离。这种方法需要锂处于非常特定的状态才能起效，该特定状态在这种情况下是锂原子束。在聚变发电厂中使用这种方法，需要从工艺中移除工作锂，对工作锂进行处理，然后重新插入工作锂。这可能会导致额外的热损失，根据电厂的配置，该额外的热损失可能不容易克服。此外，可能需要停止工艺来制备锂，然后再实现分离，因此这不是一种作为聚变发电厂工序的一部分的正常工作的方法。
12、基于同位素的电磁特性的工艺和激光方法也很难进行规模化，成本很高，因为它们要么是表面效应，要么是原子或离子束的体积效应，必然处于气体状态或等离子体状态，因此通常具有低于液体和固体的密度。这些工艺的能源效率也很低，这增加了工艺的整体成本。考虑到该领域的专家指出，目前的趋势仅限于像colex这样使用汞的化学分离方法和利用锂同位素的电磁特性的方法，需要可靠、廉价、快速、对环境有益并且可以与聚变反应堆工艺协同工作的锂同位素分离方法。
技术实现思路
1、一个实施例克服了用于锂的同位素分离的已知方法的全部或部分缺点。
2、一个实施例提供了一种用于锂的同位素分离的方法，该方法包括：
3、-提供至少包含锂、氢化锂和可能的氘化锂和/或氚化锂的第一混合物，第一混合物处于第一温度；
4、-第一冷却步骤，第一冷却步骤优选为均匀冷却，第一冷却步骤适于将第一混合物冷却到低于第一温度的第二温度，以及第一冷却步骤适于对具有第一锂同位素的氢化锂的第一部分进行沉淀；以及
5、-第一分离步骤，第一分离步骤适于将沉淀出的氢化锂的第一部分从第一混合物中分离出来，以形成第二混合物。
6、在一个实施例中，该方法还包括第一提取步骤，第一提取步骤适于在第一分离步骤之后或在第一分离步骤期间对沉淀出的氢化锂的第一部分进行提取。
7、在一个实施例中，该方法还包括：
8、-第二冷却步骤，第二冷却步骤优选为均匀冷却，第二冷却步骤适于将第二混合物冷却到低于第二温度的第三温度，以及第二冷却步骤适于对具有第二锂同位素的氢化锂的第二部分进行沉淀；以及
9、-第二分离步骤，第二分离步骤适于将沉淀出的氢化锂的第二部分从第二混合物中分离出来，以形成第三混合物。
10、在一个实施例中，该方法还包括第二提取步骤，第二提取步骤适于在第二分离步骤之后或在第二分离步骤期间对沉淀出的氢化锂的第二部分进行提取。
11、在一个实施例中，第一冷却步骤和/或第二冷却步骤是缓慢的，例如具有小于每分钟1℃的冷却速率。
12、在一个实施例中，提供第一混合物包括加热步骤，加热步骤适于将第一混合物加热到第一温度。
13、在一个实施例中，该方法包括重复提供步骤及重复以下步骤：
14、-第一冷却步骤和第一分离步骤，至少部分第二混合物被用作第一混合物；和/或
15、-第二冷却步骤和第二分离步骤，至少部分第三混合物被用作第一混合物。
16、在一个实施例中，第一同位素是7li同位素，第二同位素是6li同位素。
17、在一个实施例中：
18、-第一温度约高于410℃，例如约高于500℃；
19、-第二温度在390℃至410℃之间，例如约等于400℃；和/或
20、-第三温度在388℃至408℃之间，例如约等于398℃。
21、在一个实施例中，第一分离步骤和第二分离步骤中的至少一者包括旋转第一混合物和/或第二混合物，例如旋转包含所述混合物的腔室。
22、一个实施例提供了一种用于锂的同位素分离的方法，该方法包括：
23、-提供至少包含锂和氢化锂的第一混合物，第一混合物处于第一温度；
24、-第一冷却步骤，第一冷却步骤优选为均匀冷却，第一冷却步骤适于将第一混合物冷却到低于第一温度的第二温度，以及第一冷却步骤适于对具有第一锂同位素的氢化锂的第一部分进行沉淀；
25、-第一分离步骤，第一分离步骤适于将沉淀出的氢化锂的第一部分从第一混合物中分离出来，以形成第二混合物；以及
26、-第一提取步骤，第一提取步骤适于在第一分离步骤之后或在第一分离步骤期间对分离出的氢化锂的第一部分进行提取。
27、在一个实施例中，第一混合物还包括氘化锂和/或氚化锂。
28、在一个实施例中，第一冷却步骤是缓慢的，例如，第一冷却步骤具有小于每分钟1℃的冷却速率。
29、在一个实施例中，该方法还包括：
30、-第二冷却步骤，第二冷却步骤优选为均匀冷却，第二冷却步骤适于将第二混合物冷却到低于第二温度的第三温度，以及第二冷却步骤适于对具有第二锂同位素的氢化锂的第二部分进行沉淀；
31、-第二分离步骤，第二分离步骤适于将沉淀出的氢化锂的第二部分从第二混合物中分离出来，以形成第三混合物；以及
32、-第二提取步骤，第二提取步骤适于在第二分离步骤之后或在第二分离步骤期间对分离出的氢化锂的第二部分进行提取。
33、在一个实施例中，第二冷却步骤是缓慢的，例如，第二冷却步骤具有小于每分钟1℃的冷却速率。
34、在一个实施例中，提供第一混合物包括加热步骤，加热步骤适于将第一混合物加热到第一温度。
35、在一个实施例中，该方法包括重复提供步骤及重复以下步骤：
36、-第一冷却步骤和第一分离步骤，至少部分第二混合物被用作第一混合物；和/或
37、-第二冷却步骤和第二分离步骤，至少部分第三混合物被用作第一混合物。
38、在一个实施例中，该方法包括重复提供步骤及重复以下步骤：
39、-第一冷却步骤、第一分离步骤和第一提取步骤，至少部分第二混合物被用作第一混合物；和/或
40、-第二冷却步骤、第二分离步骤和第二提取步骤，至少部分第三混合物被用作第一混合物。
41、在一个实施例中，第一同位素是7li同位素，第二同位素是6li同位素。
42、在一个实施例中：
43、-第一温度高于410℃，例如高于500℃；
44、-第二温度低于或等于410℃，例如在390℃至410℃之间，例如约等于400℃；和/或
45、-第三温度低于或等于408℃，例如在388℃至408℃之间，例如约等于398℃。
46、在一个实施例中，第一分离步骤和第二分离步骤中的至少一者包括旋转第一混合物和/或第二混合物，例如旋转包含第一混合物和/或第二混合物的腔室。
47、在一个实施例中，第一温度和第二温度是根据第一混合物中的氢化锂的浓度来确定的。
48、在一个实施例中，第三温度是根据第一混合物中的氢化锂的浓度来确定的。
49、在一个实施例中，第一温度和第二温度是使用li/lih相图来确定的。
50、在一个实施例中，第三温度是使用li/lih相图来确定的。
51、在一个实施例中，第一混合物中的氢化锂的摩尔浓度在2％至95％之间，例如在2.5％至95％之间。
52、在一个实施例中，第二温度和第三温度均大于200℃，例如大于210℃。
53、一个实施例提供了一种设备，该设备适于实施根据实施例的方法，其中，该设备包括：
54、-适于容纳混合物的腔室，混合物至少包含锂和氢化锂；以及
55、-冷却机构，冷却机构适于冷却腔室中的混合物。
56、在一个实施例中，冷却机构包括冷却套和适于在冷却套中输送冷却剂的装置，冷却套至少部分覆盖腔室。
57、在一个实施例中，该设备还包括加热装置，加热装置适于加热腔室中的混合物，加热装置例如为欧姆加热装置或感应加热装置。
58、在一个实施例中，该设备还包括适于旋转腔室的旋转装置，旋转装置例如为轴，轴联接到腔室和位于腔室外部的电机。
59、在一个实施例中，腔室的形状使得积聚在该腔室的底部的液体物或固体物能够被排出，腔室的形状例如为钟形、倒置钟形或菱形。
1.一种用于锂的同位素分离的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一冷却步骤是缓慢进行的，例如，所述第一冷却步骤具有小于每分钟1℃的冷却速率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二冷却步骤是缓慢进行的，例如，所述第二冷却步骤具有小于每分钟1℃的冷却速率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，提供所述第一混合物(104)包括加热步骤(106)，所述加热步骤适于将所述第一混合物加热到所述第一温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述方法包括重复所述提供步骤及重复以下步骤：
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，第一同位素是7li同位素，第二同位素是6li同位素。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述第一分离步骤和第二分离步骤中的至少一者包括旋转所述第一混合物和/或所述第二混合物，例如旋转包含所述第一混合物和/或所述第二混合物的腔室(214)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一温度和所述第二温度以及例如第三温度是根据所述第一混合物中的所述氢化锂的浓度来确定的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第一温度和所述第二温度以及例如第三温度是使用li/lih相图来确定的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述第一混合物中的所述氢化锂的摩尔浓度在2％至95％之间，例如在2.5％至95％之间。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述第二温度和第三温度均大于200℃，例如大于210℃。
14.一种设备(200)，所述设备适于实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述设备包括：
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述冷却机构包括冷却套(204)和适于在所述冷却套中输送冷却剂的装置，所述冷却套至少部分覆盖所述腔室。
16.根据权利要求14或15所述的设备，还包括加热装置(202)，所述加热装置适于加热所述腔室中的所述混合物，所述加热装置例如为欧姆加热装置或感应加热装置。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，还包括适于旋转所述腔室的旋转装置，所述旋转装置例如为轴(208)，所述轴联接到所述腔室和位于所述腔室外部的电机(212)。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其中，所述腔室(214)的形状使得积聚在所述腔室的底部的液体物或固体物能够被排出，所述腔室的形状例如为钟形、倒置钟形或菱形。
