氢的同位素之一
氚(Tritium)是氢的一种放射性同位素,原子核内含一个质子和两个中子。由于其放射性,氚在自然界中极为稀少,主要通过人工方式生产,如核反应堆中的锂核反应。氚具有广泛的应用价值:在军事领域,它是核武器聚变材料的重要组成部分;在科学研究中,氚常作为示踪剂用于化学、生物学和医学研究,帮助追踪物质的流动和转化;在工业和日常生活中,氚的自发光特性使其被广泛应用于氚灯、手表夜光涂层和紧急照明标志等。
研究简史
1934年,卢瑟福、奥利芬特和哈尔特克使用粒子加速器轰击氘核(氢的重同位素),观察到当氘核与氮核发生碰撞时,会产生一种新的放射性物质。这种物质被识别为氚,一种具有一个质子和两个中子的氢的同位素。这一发现是通过检测到的β射线得到证实的,标志着氚的首次发现。
1938年,邦纳在理论分析的基础上,首先提出,氚具有放射性。1939年从实验上证实了氚具有放射性,并测试了其放射性能量。
20世纪四五十年代,美国和苏联为了满足核武器的需求,分别开发了在核反应堆中通过中子辐照锂-6来大规模生产氚的技术。这一技术的成功应用,使得氚的生产效率大幅提高,为后续的应用研究提供了充足的原料。
后来,氚作为氢弹的关键原料之一,其应用价值得到了充分体现。此外,氚也开始在生物医学领域作为示踪剂使用,为科学研究提供了新的工具。
理化性质
氚的衰变特性:氚通过β衰变生成氦-3,衰变过程中释放的氦原子会直接影响材料中氚的扩散、滞留及氦泡的形成。
形态多样性:氚可以以气体(T2)、水蒸气(HTO)、气溶胶等形式存在于环境中,并通过污染液体、设备或材料传播。
氚与材料相互作用涉及金属氚化物、氢同位素扩散渗透行为等方面。
金属氚化物研究涉及的材料体系包括:Pd、U、Ti、Zr、Sc、V、Nb、Er、LaNi5、ZrCo等。金属吸氚-放氚反应过程的热力学与动力学行为是金属氚化物研究的重点。
天然分布
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。
制备方法
锂的核反应:目前最常用的方法,效率高,但需要使用反应堆,成本较高。
重水中的中子活化: 主要用于重水反应堆,可以同时生产氚和重水,但重水价格昂贵。
其他核反应:效率较低,应用较少。
从核燃料后处理厂废物中提取: 可以利用废物资源,但需要处理放射性废物。
从天然水中提取:成本低,但效率低。
应用领域
氚在科研领域发挥着重要作用,主要作为示踪剂使用。它可以标记物质,跟踪其在环境中的流动和转化过程,例如在生态学研究中,用氚标记水分子,研究水循环过程。此外,氚还可以用于研究化学反应的机理和动力学,以及材料的物理和化学性质。
在医学领域,氚的应用主要集中在核医学和放射治疗方面。氚可以用于制造氚标记的放射性药物,用于正电子发射断层扫描 (PET) 等核医学诊断方法。此外,氚也可以用于放射治疗,例如治疗癌症。
氚在工业领域的应用也相当广泛,包括核能、照明和航空等方面。氚是核聚变反应的重要燃料,未来可能用于核聚变发电。此外,氚还可以用于制造氚灯,例如手表和仪表盘上的荧光涂料,以及用于制造航空仪表,例如高度计和空速表。此外,氚还可以用于考古学,测定文物的年代,以及用于地质学,研究地下水流动和地壳运动。
安全事项
危害
根据氚的辐射特性,其主要通过内部暴露对健康构成威胁,而非外照射损害。人体摄入氚的途径主要有三种:一是食入含氚的饮用水或食物;二是通过呼吸道吸入;三是经皮肤渗透吸收。值得注意的是,氚不仅能通过完整皮肤扩散渗入,还能通过接触污染液体或表面的皮肤吸收进入体内,这在事故中较为常见。
氚对健康的危害主要体现在致癌、致突变和致畸效应。动物实验表明,高剂量氚水暴露(如单次740 MBq注射)显著提高小鼠肝肿瘤(雄性)和卵巢肿瘤(雌性)的发生率(80%-90%),且分次注射可能增强致癌性,肿瘤发生率与剂量呈正相关。致突变效应包括染色体畸变、姊妹染色单体交换(SCE)频率增加及微核率升高,这些损伤呈剂量依赖性,甚至极低剂量(0.37 kBq/mL)即可对海洋生物胚胎造成遗传损害。在致畸效应方面,孕期大鼠暴露于氚水(≥0.044 Gy)会导致仔鼠脑功能异常(如学习记忆能力下降)和行为迟缓(如出牙延迟、听觉反应迟钝),且损伤程度随剂量增加而加剧。
当前,对氚危害的评估存在争议,主要集中在相对生物效应(RBE)值的选择上。国际放射防护委员会(ICRP)建议将氚的辐射权重因子定为1,但有研究指出有机结合氚(OBT)的RBE可能高达2.0。此外,环境水平氚(通常低于100 Bq/L)的长期累积效应尚不明确。虽然流行病学研究尚未发现明确的致癌证据,但动物实验提示低剂量长期暴露的潜在风险仍需警惕。需要注意的是,实验中使用的剂量(MBq级)远高于现实环境中的浓度(Bq级),因此直接将实验结论外推至实际环境需谨慎。
防护
防护措施包括空气中氚浓度监测、包容、净化和个人防护。首先,通过持续监测工作场所空气中的氚浓度,确保环境安全。其次,采用三级包容系统(初级包容的设备和管道、次级包容的手套箱、三级包容的建筑物)来防止氚的转移或扩散。此外,配置净化设备系统,如催化氧化法和分子筛吸收,以降低空气中的氚含量。工作人员需穿戴工作服和防护用具,控制环境温度和湿度,减少氚化水浓度,严格遵守操作规程,以保障人员安全。
污染处理
当发生氚污染时,处理方法包括清污、冲洗和促排。清污是指对受污染表面进行有序清洁,避免污染面积扩大。冲洗则是使用流动水和去污剂清洗受污染的皮肤和黏膜,必要时进行医学处理。促排措施包括大量饮水和使用利尿剂,以加速体内氚的排泄。此外,还需对污染物品进行分类处理,并对去污效果进行监测,确保环境和个人安全。
法律规范
《中华人民共和国核安全法(草案)》二次审议稿第二条第三款将氚、氘和锂-6纳入核材料的范围。有的部门、企业和专家提出,氚、氘和锂-6在日常生产生活中应用很广,有关国际公约和各国没有将这些材料纳入核材料的范围,不宜纳入本法调整。经过专家论证,认为氘和锂-6没有放射性,氚的放射性不强,氚、氘和锂-6属于聚变材料,需要在裂变的基础上才能产生核反应,在严格管制铀、钚等裂变材料的情况下,不会造成核事故,可以不将这些材料纳入核材料的范围。法律委员会经研究,建议对草案二次审议稿第二条第三款中的氚、氘和锂-6不作具体列举,由相关法律、行政法规规定。实践中若需对这些材料进行管制,仍可按相关规定执行,为实践需要预留空间。
最新修订时间:2025-03-10 22:14
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概述
研究简史
参考资料