氢-3(氚)的原子结构,其中多余的一个中子 使氚不稳定
氚 ( chuān ) (英語:Tritium ;符号 :T 或3 H )。亦稱超重氫 ,是氫 的同位素 之一,元素符號為T或3 H。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氘 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。
氚 与氘 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
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]
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 :
H
1
3
→ → -->
He
+
2
3
+
e
− − -->
+
ν ν -->
¯ ¯ -->
e
{\displaystyle {\ce {^{3}_{1}H\to _{2}^{3}{He^{+}}+{e^{-}}+{\bar {\nu }}_{e}}}}
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
鋰
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 Li2 TiO3 和 Li4 SiO4 ,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]
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]
硼
具有高能中子放射性的硼-10 偶爾會製造出氚:[11]
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]
氘
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
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]
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]
福島第一核电站
2016年6月,氚水任務小組提交了一份有關处理福島第一核電站 含氚的核污染水的報告。
[19]
日本政府和東京電力公司宣佈在2023年8月24日起排放福島核電廠的放射性核废水,為期30年。由於核废水含有氚(每年液體排放量低於22TBq),此行為引發週邊海域的國家嚴重關切。
[20]
[21]
氦-3
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。[22]
宇宙射線
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:
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]
生產歷史
[25]
[26] [27] [28]
濃縮
蒸餾法、化學交換法、觸媒交換/低溫蒸餾法、電解法、熱擴散法。[29]
参见
参考资料
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