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两个中子的神化—产氚技术
作者:科普中国 【阅读原文】

   氢弹—具有相当于数千万吨TNT炸药当量的威力,是人类文明动用能量的极限。作为一种瞬间实现、不受控的人工核聚变,氢弹离不开一种物质—氚。

  氚与氢气中的氢原子是一家,也称氢的同位素。它的原子核内比氢多2个中子,所以也称超重氢。它具有放射性、很不稳定,在自然界中非常稀少。据估计,整个地球上天然氚的含量只有约2千克,其中10克存在在大气中,13克在地下水中,而其余的氚大都存在于海水里。因此,要获得足够军事和民用需求的氚,必须建造生产氚的特殊设备—产氚堆,用人工的方式制备这种稀有的元素。

   当前,各国的氚生产系统都采用在裂变反应堆中对金属锂进行辐照的方法。也就是用裂变反应产生的中子轰击金属锂,反应生成氚和氦。金属锂大家并不陌生,采用锂电池的手机已经成为现代生活的必须品。

   氚的生产过程主要包括:制备含锂元靶件材料,用中子轰击靶件材料生产氚,以及提取纯化氚。用于生产氚的裂变反应堆一般不采用民用核电站常见的压水堆,而采用重水堆、高温气冷堆和石墨水冷堆等。因此,反应堆的建设费用十分昂贵,新建一个重水产氚堆或高温气冷堆大约需要55亿美元。此外,反应堆的安全问题也至关重要,产氚反应堆不仅有自身的安全问题,还有对生产出的氚进行安全防护的问题。

   美国核武器用氚最初是由建在汉福特的石墨慢化反应堆提供的。为了增加氚的供应和保证氚的来源,美国随后又在萨凡纳河基地建造了5座大型重水堆。1984年最高峰的年产量达到约10千克。到1990年时,美国累积产氚约225千克。据美国科学家联盟估计,美军现有氢弹、中子弹等热核弹头约20000枚。如果按每个氢弹弹头需要氚4克、每个中子弹需要氚15克计算,则美国装备这些核武器已消耗氚约90千克,未使用的氚约100千克。由于存量充分,美国萨凡纳河基地的产氚堆已陆续停止使用。

   随后,美国能源部颁布了双轨途径生产氚的计划,提出一方面利用商业核电站来生产氚,同时设计、建造新的产氚专用设施。用商业发电的核电站生产氚,可以大幅减少成本。按美方估算,1995年到2010年累计节省投资54亿美元。

   目前,俄罗斯的产氚堆仍在运行,氚的累积产量和贮存量大体与美国相当。据估计,英国和法国氚的贮量大约在5千克左右。尽管美、俄正在进行一系列核裁军谈判,但他们都在不断改进核武器性能,因此氚的生产仍是优先考虑的关键技术,以确保先进核武器系统作战能力、确保核威慑有效性的核心能力。

 

补充资料

元素氚的一种放射性同位素。符号简写为3H,氚还有其专用符号T。它的原子核由一颗质子和二颗中子组成。氚的拉丁文名为tritium,意为“第三”又称超重氢。氚的质量数为3,在天然氢中,氚的含量为1×10-15%。1934年,英国E.卢瑟福等人在加速器上用加速的氘核轰击氘靶,通过核反应发现氚,美国W.W.洛齐尔等证实重水中存在氚,1939年美国L.W.阿耳瓦雷等证明氚有放射性。但是由于氚的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。氚会发射β射线而衰变成氦3,半衰期为12.5年:

3H→He3

自然界的氚是宇宙射线与上层大气间作用,通过核反应生成的。氚的性质与氢很相似。

利用反应堆的中子,采用氟化锂、碳酸锂或锂镁合金做靶材,能大量生产氚:

Li+n→4He+H3然后利用热扩散法,使氚富集至99%以上。氚主要用于热核武器、科学研究中的标记化合物,制作发光氚管,还可能成为热核聚变反应的原料。

主要用途:(1)核燃料,即氢弹的主要原料之一,也是受控聚变反应的燃料之一;(2) β辐射源;(3)作为示踪剂在化学、生物与医学研究中应用。(4)由于能发光,现高档手表用氚管代替以前的荧光涂层

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