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氚,3H
Tritium.jpg
基本
符號3H
名稱氚, H-3, 超重氫
原子序1
中子數2
CAS号15086-10-9  ✓
核素数据
豐度10-18[1]
半衰期12.43年
衰變產物3He
原子量3.0160492 u
自旋½
过剩能量14,949.794± 0.001 keV
结合能8,481.821± 0.004 keV
衰變模式
衰变类型衰变能量 (MeV)
β衰變0.018590
氫的同位素
完整核素表
氢-3(氚)的原子结构,其中多余的一个中子使氚不稳定

(Tritium;符号T3H,注音:ㄔㄨㄢ;拼音:chuān)。亦稱超重氫,是同位素之一,元素符號為T或3H。它的原子核由一顆質子和兩顆中子所組成,具有放射性,會發生β衰變,放出電子變成氦-3,其半衰期為12.43年。由於氚的β衰變只會放出高速移動的電子,不會穿透人體,因此只有大量吸入氚才會對人體有害。

其名稱Tritium源至希臘語τρίτος羅馬化:trítos,意為「第三」。

氚是氫唯一的天然放射性同位素,在地球的自然界中,相比一般的氫氣,氚的含量極少。由於氚的半衰期只有12.43年,每過12.43年就要減少一半,所以地球誕生之初存在的氚早已衰變得無影無蹤了。如今自然界中的氚,是當宇宙射線所帶的高能量中子撞擊核,氘核與中子結合為氚核而形成,總量只有幾千克,所以工業和實驗用的氚絕大部分都是人工合成的。

之用途類同,都是制造氢弹的原料。另外氚還可做為不需電源、有自發光能力,供暗處識別用的氚管

历史[编辑]

1934年,欧内斯特·卢瑟福马克·奥利芬特保罗·哈特克英语Paul Harteck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·阿尔瓦雷茨罗伯特·科诺格英语Robert Cornog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放射性定年法[6]

衰变[编辑]

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]

生产[编辑]

[编辑]

氚最常見的生產方式就是透過核子反應,對鋰-6進行中子活化。由鋰裂變可以在陶瓷中產生氚和氦,並發生釋放和擴散,稱為陶瓷滋生器。 在這種陶瓷滋生器中從鋰-6生產氚可以使用任何能量 (高速或低速) 的中子,並且是產生 4.8 MeV 的 放熱 反應。相比之下,氘氚聚變只釋放大約 17.6 MeV 的能量。 對於聚變能反應堆的應用,例如 国际热核聚变实验反应堆,由含鋰陶瓷組成的鵝卵石,包括 Li2TiO3 和 Li4SiO4,正在開發用於在氦冷卵石床(也稱為滋生器圍包)內進行氚繁殖。 [9]

6
3
Li
 

n
 → 4
2
He
 (2.05 MeV) + 3
1
T
 (2.75 MeV)

高能中子可以從鋰-7,經由吸热反应(淨熱量消耗)產生氚,消耗約2.466 MeV。這項過程在1954年的布拉弗城堡核試驗中,因產生超出預期的高能量而被發現。 [10]

7
3
Li
 

n
 → 4
2
He
 + 3
1
T
 + 
n

[编辑]

具有高能中子放射性的硼-10偶爾會製造出氚:[11]

10
5
B
 

n
 → 2 4
2
He
 + 3
1
T

在硼中子捕獲中更加常見的結果是7
Li
以及一顆Α粒子.[12]

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重水压水堆英语Pressurized heavy-water reactor里,每当核俘获中子时,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。安省电力公司英语Ontario Power Generation的“氚去除设施”每年处理多达2,500公噸(2,500長噸;2,800短噸)的重水,并分离出约2.5公斤(5.5磅)的氚,使其可用于其他用途。[13]

裂變[编辑]

氚是铀-235钚-239铀-233進行核分裂時罕見的產物,約 10,000 次分裂才會產生一個氚原子 [14][15]

核反应堆的运行中,尤其是在核燃料后处理乏核燃料的储存中,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]

每年核设施的氚排放量[17]
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)
 英国 希舍姆核电站英语Heysham nuclear power stationB 爱尔兰海 396 2.1 398 2019
 英国 塞拉菲尔德英语Sellafield后处理设施 爱尔兰海 423 56 479 2019
 羅馬尼亞 切尔纳沃德核电站一号机 黑海 140 152 292 2018
 法國 拉海格区英语La Hague site 英吉利海峡 11,400 60 11,460 2018
 韩国 月城核电站其它英语Template:Annual discharge of tritium from nuclear facilities in South Korea 日本海 211 154 365 2020[18]
 臺灣 第三核能發電廠 吕宋海峡 35 9.4 44 2015
 中國 福清核电站 台湾海峡 52 0.8 52 2020
 中國 三门核电站 东海 20 0.4 20 2020
 加拿大 布鲁斯核电站英语Bruce Nuclear Generating StationA和B 五大湖 756 994 1,750 2018
 加拿大 达灵顿核电站英语Darlington Nuclear Generating Station 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
 美國 魔鬼谷核电站英语Diablo Canyon Power Plant一和二号机 太平洋 82 2.7 84 2019

福島第一核电站[编辑]

2016年6月,氚水任務小組提交了一份針對福島第一核電站有關氚在輻射汙染水中狀態的報告 [19]


[20]

氦-3[编辑]

氚的核分裂產物氦-3有著非常大的熱中子反應截面積 (5330 barns)反應會釋放出一顆質子,因此很快又會轉變回核反應堆裡的氚。[21]

3
2
He
+
n
1
1
H
+ 3
1
T

宇宙射線[编辑]

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[22])和大气中的的反应:

14
7
N
 

n
 → 12
6
C
 + 3
1
T

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。[23]

生產歷史[编辑]

[24]


[25][26] [27]

濃縮[编辑]

蒸餾法、化學交換法、觸媒交換/低溫蒸餾法、電解法、熱擴散法。[28]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Tritium. Encyclopedia Britannica. [2021-04-14]. (原始内容存档于2021-04-12) (英语). 
  2. ^ Oliphant, M.L.; Harteck, P.; Rutherford, L. Transmutation effects observed with heavy hydrogen. Nature. 1934, 133 (3359): 413 [2021-04-16]. Bibcode:1934Natur.133..413O. doi:10.1038/133413a0. (原始内容存档于2020-02-12). 
  3. ^ Oliphant, M.L.E.; Harteck, P.; Rutherford, L. Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1934, 144 (853): 692. Bibcode:1934RSPSA.144..692O. doi:10.1098/rspa.1934.0077. 
  4. ^ Alvarez, Luis; Cornog, Robert. Helium and Hydrogen of Mass 3. Physical Review. 1939, 56 (6): 613. Bibcode:1939PhRv...56..613A. doi:10.1103/PhysRev.56.613. 
  5. ^ Alvarez, Luis W.; Trower, W. Peter. Discovering Alvarez: Selected works of Luis W. Alvarez, with commentary by his students and colleagues. University of Chicago Press. 1987: 26–30. ISBN 978-0-226-81304-2. 
  6. ^ Kaufman, Sheldon; Libby, W. The natural distribution of tritium. Physical Review. 1954, 93 (6): 1337. Bibcode:1954PhRv...93.1337K. doi:10.1103/PhysRev.93.1337. 
  7. ^ Lucas, L.L.; Unterweger, M. P. Comprehensive review and critical evaluation of the half-life of tritium. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2000, 105 (4): 541–549. PMC 4877155可免费查阅. PMID 27551621. doi:10.6028/jres.105.043. 
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  11. ^ Jones, Greg. Tritium Issues in Commercial Pressurized Water Reactors. Fusion Science and Technology. 2008, 54 (2): 329–332. doi:10.13182/FST08-A1824. 
  12. ^ Sublette, Carey. Nuclear Weapons FAQ Section 12.0 Useful Tables. Nuclear Weapons Archive. 17 May 2006 [19 September 2010]. 
  13. ^ Whitlock, Jeremy. Section D: Safety and Liability – How does Ontario Power Generation manage tritium production in its CANDU moderators?. Canadian Nuclear FAQ. [19 September 2010]. (原始内容存档于2017-10-06). 
  14. ^ Tritium (Hydrogen-3) – Human Health Fact sheet (PDF). Argonne National Laboratory. August 2005 [19 September 2010]. (原始内容 (PDF)存档于8 February 2010).  已忽略未知参数|df= (帮助)
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  18. ^ 2020년도 원전주변 환경방사능 조사 및 평가보고서 [2020 Environmental Radiation Survey and Evaluation Report Around Nuclear Power Plant] (PDF). Korea Hydro & Nuclear Power: 25. 26 April 2021 [2022-01-05]. (原始内容存档 (PDF)于2021-11-08). 
  19. ^ Tritiated Water Task Force Report (PDF). www.meti.go.jp/english (Report) (Tokyo, Japan: Ministry of Economy, Trade and Industry). [2021-08-30]. (原始内容存档 (PDF)于2022-01-04) (英语). 
  20. ^ JP Gov "No drastic technology to remove Tritium was found in internationally collected knowledge". Fukushima Diary. December 2013 [2021-08-30]. (原始内容存档于2018-10-01). 
  21. ^ Helium-3 neutron proportional counters (PDF). mit.edu. Cambridge, MA: Massachusetts Institute of Technology. (原始内容 (PDF)存档于21 November 2004). 
  22. ^ Young, P.G. & Foster, D.G., Jr. An evaluation of the neutron and gamma-ray production cross-sections for nitrogen (PDF). Los Alamos, NM: Los Alamos Scientific Laboratory. September 1972 [19 September 2010]. (原始内容存档 (PDF)于2021-02-28). 
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  28. ^ Vasaru Gheorghe. Tritium isotope separation. [2021-04-27]. (原始内容存档于2022-01-04).