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氫的同位素 来自维基百科,自由的百科全书
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其名称Tritium源至希腊语:τρίτος,罗马化:trítos,意为“第三”。
氚是氢唯一的天然放射性同位素,在地球的自然界中,相比一般的氢气,氚的含量极少。由于氚的半衰期只有12.43年,每过12.43年就要减少一半,所以地球诞生之初存在的氚早已衰变得无影无踪了。如今自然界中的氚,是当宇宙射线所带的高能量中子撞击氘核,氘核与中子结合为氚核而形成,总量只有几千克,所以工业和实验用的氚绝大部分都是人工合成的。
1934年,欧内斯特·卢瑟福、马克·奥利芬特和保罗·哈特克在用氘核(由一个质子和中子组成)轰击氘后,首次发现了氚。[2][3]路易斯·阿尔瓦雷茨和罗伯特·科诺格在实验中成功分离了氚,并发现了氚的放射性。[4][5]威拉得·利比发现到氚可用于水和葡萄酒的放射性定年法。[6]
氚的半衰期有多个不同的测定值。美国国家标准与技术研究院的数据为4500±8天,即12.32±0.02年。[7]氚通过β衰变变成氦-3:
同时释放18.6 keV的能量。电子的动能变化平均为5.7 keV,剩余能量由几乎无法探测的电中微子带走。另外,产生的β粒子只能穿透约6.0毫米的空气,无法穿过人体皮肤的最外层。[8]
氚最常见的生产方式就是透过核子反应,对锂-6进行中子活化。由锂裂变可以在陶瓷中产生氚和氦,并发生释放和扩散,称为陶瓷滋生器。 在这种陶瓷滋生器中从锂-6生产氚可以使用任何能量 (高速或低速) 的中子,并且是产生 4.8 MeV 的 放热 反应。相比之下,氘氚聚变只释放大约 17.6 MeV 的能量。 对于聚变能反应堆的应用,例如 国际热核聚变实验反应堆,由含锂陶瓷组成的鹅卵石,包括 Li2TiO3 和 Li4SiO4,正在开发用于在氦冷卵石床(也称为滋生器围包)内进行氚繁殖。 [9]
高能中子可以从锂-7,经由吸热反应(净热量消耗)产生氚,消耗约2.466 MeV。这项过程在1954年的布拉弗城堡核试验中,因产生超出预期的高能量而被发现。 [10]
7 3Li |
+ | n → 4 2He + 3 1T + n |
10 5B |
+ | n → 2 4 2He + 3 1T |
在重水压水堆里,每当氘核俘获中子时,会产生氚。该反应具有相当小的吸收截面,使重水成为良好的中子减速剂,并且产生的氚相对较少。即便如此,几年后从慢化剂中清除氚可能是可取的,以减少其逃逸到环境中的风险。安省电力公司的“氚去除设施”每年处理多达2,500公吨(2,500长吨;2,800短吨)的重水,并分离出约2.5千克(5.5磅)的氚,使其可用于其他用途。[13]
氚是铀-235、钚-239、铀-233进行核裂变时罕见的产物,约 10,000 次分裂才会产生一个氚原子 [14][15]
在核反应堆的运行中,尤其是在核燃料后处理和乏核燃料的储存中,需要考虑氚的释放或回收。氚的生产不是目标,而是副作用。它被一些核电站少量排放到大气中。[16]
地点 | 核设施 | 最近的水域 | 液体排放量 (TBq) |
蒸汽排放量 (TBq) |
总和 (TBq) |
年 |
---|---|---|---|---|---|---|
英国 | 希舍姆核电站B | 爱尔兰海 | 396 | 2.1 | 398 | 2019 |
英国 | 塞拉菲尔德后处理设施 | 爱尔兰海 | 423 | 56 | 479 | 2019 |
罗马尼亚 | 切尔纳沃德核电站一号机 | 黑海 | 140 | 152 | 292 | 2018 |
法国 | 拉阿格处理场 | 英吉利海峡 | 11,400 | 60 | 11,460 | 2018 |
韩国 | 月城核电站和其它 | 日本海 | 211 | 154 | 365 | 2020[18] |
中华民国 | 第三核能发电厂 | 吕宋海峡 | 35 | 9.4 | 44 | 2015 |
中华人民共和国 | 福清核电站 | 台湾海峡 | 52 | 0.8 | 52 | 2020 |
中华人民共和国 | 三门核电站 | 东海 | 20 | 0.4 | 20 | 2020 |
加拿大 | 布鲁斯核电站A和B | 五大湖 | 756 | 994 | 1,750 | 2018 |
加拿大 | 达灵顿核电站 | 五大湖 | 220 | 210 | 430 | 2018 |
加拿大 | 皮克灵核电站一到四号机 | 五大湖 | 140 | 300 | 440 | 2015 |
美国 | 魔鬼谷核电站一和二号机 | 太平洋 | 82 | 2.7 | 84 | 2019 |
2016年6月,氚水任务小组提交了一份有关处理福岛第一核电站含氚的核污染水的报告。 [19]
日本政府和东京电力公司宣布在2023年8月24日起排放福岛核电厂的放射性核废水,为期30年。由于核废水含有氚(每年液体排放量低于22TBq),此行为引发周边海域的国家严重关切。 [20] [21]
氚的核裂变产物氦-3有着非常大的热中子反应截面积 (5330 barns)反应会释放出一颗质子,因此很快又会转变回核反应堆里的氚。[22]
宇宙射线和大气发生作用,产生天然的氚。在自然产生的氚中,最重要的反应是快中子(能量大于 4.0 MeV[23])和大气中的氮的反应:
14 7N |
+ | n → 12 6C + 3 1T |
在世界范围内,来自天然来源的氚的产量为每年148拍它贝克勒尔。由天然来源产生的氚的全球平衡库存大致保持在2,590拍它贝克勒尔的浓度。这是由于固定的氚生产率和与库存成正比的衰变损失。[24]
蒸馏法、化学交换法、触媒交换/低温蒸馏法、电解法、热扩散法。[29]
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