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氚

氫的同位素
提示：此条目页的主题不是三原子氢。

氚（chuān）（英语：Tritium；符号：T或3H）。亦称超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为T或3H。它的原子核由一颗质子和两颗中子所组成，具有放射性，会发生β衰变，放出电子变成氦-3，其半衰期为12.43年。由于氚的β衰变只会放出高速移动的电子，不会穿透人体，因此只有大量吸入氚才会对人体有害。

氚，3H
基本
符号3H
名称氚、H-3、超重氢
原子序1
中子数2
CAS号15086-10-9  checkY
核素数据
丰度10-18[1]
半衰期12.43年
衰变产物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
衰变模式
衰变类型衰变能量（MeV）
β衰变0.018590
氢的同位素
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

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。

氚与氘之用途类同，都是制造氢弹的原料。另外氚还可做为不需电源、有自发光能力，供暗处识别用的氚管。

历史

1934年，欧内斯特·卢瑟福、马克·奥利芬特和保罗·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·阿尔瓦雷茨和罗伯特·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的放射性定年法。[6]

衰变

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

锂

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]

6
3Li
 		 + 
n
  → 4
2He
 (2.05 MeV) + 3
1T
 (2.75 MeV)

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

硼

具有高能中子放射性的硼-10偶尔会制造出氚:[11]

10
5B
 		 + 
n
  → 2 4
2He
 + 3
1T

在硼中子捕获中更加常见的结果是7
Li
以及一颗Α粒子.[12]

氘

参见：重水 § 提炼方法

在重水压水堆（英语：Pressurized heavy-water reactor）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（英语：Ontario Power Generation）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]

裂变

氚是铀-235、钚-239、铀-233进行核分裂时罕见的产物，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]

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)		 年
  英国 希舍姆核电站（英语：Heysham nuclear power station）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（英语：La Hague site） 英吉利海峡 11,400 60 11,460 2018
  韩国 月城核电站和其它（英语：Template:Annual discharge of tritium from nuclear facilities in South Korea） 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（英语：Bruce Nuclear Generating Station）A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
  美国 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

福岛第一核电站

主条目：福岛第一核电站事故 § 善后工作及后续

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]

氦-3

氚的核分裂产物氦-3有著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]

3
2He
 +
n
 → 1
1H
 + 3
1T

宇宙射线

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]

生产历史

[25]


[26][27] [28]

浓缩

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]

参见

参考资料

  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. 
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  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  . PMID 27551621. doi:10.6028/jres.105.043. 
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  12. ^ Sublette, Carey. Nuclear Weapons FAQ Section 12.0 Useful Tables. Nuclear Weapons Archive. 17 May 2006 [19 September 2010]. 
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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）. 
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  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. ^ 福島核災廢水與核電廠廢水哪個更可怕？. BBC News 中文. 2023-07-21 [2023-08-26]. （原始内容存档于2023-08-25） （中文（繁体））. 
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  23. ^ 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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