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氚

氫的同位素
提示：此條目頁的主題不是三原子氫。

氚（ㄔㄨㄢ）（英語：Tritium；符號：T或3H）。亦稱超重氫，是氫的同位素之一，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。

氚，3H
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  checkY
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
氫－3（氚）的原子結構，其中多餘的一個中子使氚不穩定

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

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1934年，歐尼斯特·拉塞福、馬克·奧利芬特和保羅·哈特克（英語：Paul Harteck）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·阿爾瓦雷茨和羅伯特·科諾格（英語：Robert Cornog）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

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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

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鋰

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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。 對於聚變能反應爐的應用，例如 國際熱核融合實驗反應爐，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
3Li
 		 + 
n
  → 4
2He
 (2.05 MeV) + 3
1T
 (2.75 MeV)

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

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具有高能中子放射性的硼-10偶爾會製造出氚:[11]

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

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參見：重水 § 提煉方法

在重水壓水堆（英語：Pressurized heavy-water reactor）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（英語：Ontario Power Generation）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

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氚是鈾-235、鈽-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]

在核反應爐的運行中，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]

每年核設施的氚排放量[17]
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
  英國 希舍姆核電站（英語：Heysham nuclear power station）B 愛爾蘭海 396 2.1 398 2019
  英國 塞拉菲爾德後處理設施 愛爾蘭海 423 56 479 2019
  羅馬尼亞 切爾納沃德核電站一號機 黑海 140 152 292 2018
  法國 拉阿格處理場（英語：La Hague site） 英吉利海峽 11,400 60 11,460 2018
  南韓 月城核電站和其它（英語：Template:Annual discharge of tritium from nuclear facilities in South Korea） 日本海 211 154 365 2020[18]
  中華民國 第三核能發電廠 呂宋海峽 35 9.4 44 2015
  中華人民共和國 福清核電站 台灣海峽 52 0.8 52 2020
  中華人民共和國 三門核電站 東海 20 0.4 20 2020
  加拿大 布魯斯核電站（英語：Bruce Nuclear Generating Station）A和B 五大湖 756 994 1,750 2018
  加拿大 達靈頓核電站（英語：Darlington Nuclear Generating Station） 五大湖 220 210 430 2018
  加拿大 皮克靈核電站一到四號機 五大湖 140 300 440 2015
  美國 魔鬼谷核電站（英語：Diablo Canyon Power Plant）一和二號機 太平洋 82 2.7 84 2019

福島第一核電站

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主條目：福島第一核電站事故 § 善後工作及後續

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

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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爐裡的氚。[22]

3
2He
 +
n
 → 1
1H
 + 3
1T

宇宙射線

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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。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

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[25]


[26][27] [28]

濃縮

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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

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參考資料

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  1. ^ Tritium. Encyclopedia Britannica. [2021-04-14]. （原始內容存檔於2021-04-12） （英語）. 
  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. （原始內容存檔於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  . PMID 27551621. doi:10.6028/jres.105.043. 
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  10. ^ Zerriffi, Hisham. Tritium: The environmental, health, budgetary, and strategic effects of the Department of Energy's decision to produce tritium (報告). Institute for Energy and Environmental Research. January 1996 [15 September 2010]. （原始內容存檔於2018-12-26）. 
  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]. 
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  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]. （原始內容存檔於2023-08-25） （中文（繁體））. 
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