氚
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基本 | |
---|---|
符號 | 3H |
名稱 | 氚、H-3、超重氫 |
原子序 | 1 |
中子數 | 2 |
CAS號 | 15086-10-9 ![]() |
核種數據 | |
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 |
過剩能量 | 14,949.794± 0.001 keV |
結合能 | 8,481.821± 0.004 keV |
衰變模式 | |
衰變類型 | 衰變能量(MeV) |
β衰變 | 0.018590 |
氫的同位素 完整核種表 |
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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。
氚與氘之用途類同,都是製造氫彈的原料。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。
歷史
[編輯]1934年,歐內斯特·盧瑟福、馬克·奧利芬特和保羅·哈特克在用氘核(由一個質子和中子組成)轟擊氘後,首次發現了氚。[2][3]路易斯·阿爾瓦雷茨和羅拔·科諾格在實驗中成功分離了氚,並發現了氚的放射性。[4][5]威拉得·利比發現到氚可用於水和葡萄酒的放射性定年法。[6]
衰變
[編輯]氚的半衰期有多個不同的測定值。美國國家標準與技術研究院的數據為4500±8天,即12.32±0.02年。[7]氚通過β衰變變成氦-3:
同時釋放18.6 keV的能量。電子的動能變化平均為5.7 keV,剩餘能量由幾乎無法探測的電微中子帶走。另外,產生的β粒子只能穿透約6.0毫米的空氣,無法穿過人體皮膚的最外層。[8]
生產
[編輯]鋰
[編輯]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 國際熱核聚變實驗反應堆,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]
高能中子可以從鋰-7,經由吸熱反應(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 3Li |
+ | n → 4 2He + 3 1T + n |
硼
[編輯]10 5B |
+ | n → 2 4 2He + 3 1T |
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
[編輯]在重水壓水堆里,每當氘核俘獲中子時,會產生氚。該反應具有相當小的吸收截面,使重水成為良好的中子減速劑,並且產生的氚相對較少。即便如此,幾年後從慢化劑中清除氚可能是可取的,以減少其逃逸到環境中的風險。安省電力公司的「氚去除設施」每年處理多達2,500公噸(2,500長噸;2,800短噸)的重水,並分離出約2.5公斤(5.5磅)的氚,使其可用於其他用途。[13]
裂變
[編輯]氚是鈾-235、鈈-239、鈾-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]
在核反應堆的運行中,尤其是在核燃料後處理和乏核燃料的儲存中,需要考慮氚的釋放或回收。氚的生產不是目標,而是副作用。它被一些核電站少量排放到大氣中。[16]
地點 | 核設施 | 最近的水域 | 液體排放量 (TBq) |
蒸汽排放量 (TBq) |
總和 (TBq) |
年 |
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希舍姆核電站B | 愛爾蘭海 | 396 | 2.1 | 398 | 2019 |
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塞拉菲爾德後處理設施 | 愛爾蘭海 | 423 | 56 | 479 | 2019 |
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切爾納沃德核電站一號機 | 黑海 | 140 | 152 | 292 | 2018 |
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拉阿格處理場 | 英吉利海峽 | 11,400 | 60 | 11,460 | 2018 |
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月城核電站和其它 | 日本海 | 211 | 154 | 365 | 2020[18] |
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第三核能發電廠 | 呂宋海峽 | 35 | 9.4 | 44 | 2015 |
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福清核電站 | 台灣海峽 | 52 | 0.8 | 52 | 2020 |
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三門核電站 | 東海 | 20 | 0.4 | 20 | 2020 |
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布魯斯核電站A和B | 五大湖 | 756 | 994 | 1,750 | 2018 |
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達靈頓核電站 | 五大湖 | 220 | 210 | 430 | 2018 |
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皮克靈核電站一到四號機 | 五大湖 | 140 | 300 | 440 | 2015 |
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魔鬼谷核電站一和二號機 | 太平洋 | 82 | 2.7 | 84 | 2019 |
福島第一核電站
[編輯]2016年6月,氚水任務小組提交了一份有關處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廢水,為期30年。由於核廢水含有氚(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
[編輯]氚的核分裂產物氦-3有着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裏的氚。[22]
宇宙射線
[編輯]宇宙射線和大氣發生作用,產生天然的氚。在自然產生的氚中,最重要的反應是快中子(能量大於 4.0 MeV[23])和大氣中的氮的反應:
14 7N |
+ | n → 12 6C + 3 1T |
在世界範圍內,來自天然來源的氚的產量為每年148拍它貝克勒爾。由天然來源產生的氚的全球平衡庫存大致保持在2,590拍它貝克勒爾的濃度。這是由於固定的氚生產率和與庫存成正比的衰變損失。[24]
生產歷史
[編輯]濃縮
[編輯]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]
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Tritium. Encyclopedia Britannica. [2021-04-14]. (原始內容存檔於2021-04-12) (英語).
- ^ 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. (原始內容存檔於2020-02-12).
- ^ 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.
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- ^
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