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基本信息
| 中文名 | 氫同位素 |
| 外文名 | hydrogen isotope |
| 氚 | 放射性，半衰期為12.33年 |
| 分類 | 氕(1H) 氘(2H) 氚(3H) |
| 定義 | 含有相同質(zhì)子個數(shù)的元素 |
應用
天然物質(zhì)的氫同位素組成由D/H比值確定的δ（D）表示，以標準平均海洋水（SMOW）作為標準品。在地球科學中氫同位素通常與氧同位素或碳同位素配合，研究大氣降水的成巖成礦作用及石油與天然氣的成因?？捎糜跓岷朔磻蜆擞浕衔锏?。
原油的δ（D）值一般在-80‰～-160‰之間，而天然氣的δD值在-105‰～-270‰之間，比石油δ（D）值低。石油和天然氣中的H含量分別比普通水高60%和79.39%。由于油氣與水的氫同位素交換，因而使同油氣聚集伴生的水H含量也增高。
主要特點
氕〈piē〉：原子質(zhì)量為1的普通的輕氫同位素。氫的同位素之一，符號H。質(zhì)量數(shù)1。它是氫的主要成分。氕（1H）通常稱為氫，它是氫的主要穩(wěn)定同位素，其天然豐度為99.985%，按原子百分數(shù)計，它是宇宙中最多的元素，在地球上的含量僅次于氧，它主要分布于水及各種碳氫化合物中，在空氣中的含量僅為5X10 -5%。氕的原子序數(shù)為1，原子量為1.007947。在常溫下，它是無色無臭的氣體。
氘為氫的一種穩(wěn)定形態(tài)同位素，也被稱為重氫，元素符號一般為D或2H。質(zhì)量數(shù)2。它的原子核由一顆質(zhì)子和一顆中子組成。在大自然的含量約為一般氫的7000分之一，用于熱核反應。重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體，是普通氫的一種穩(wěn)定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%～0.0157%。其化學性質(zhì)與普通氫完全相同。但因質(zhì)量大，反應速度小一些。
氚〈chuān〉：氫的放射性同位素，原子量為普通氫的三倍，半衰期12.5年，蛻變時放出β射線后形成質(zhì)量數(shù)為三的氦。用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。氫的同位素之一，即"超重氫"。符號T，質(zhì)量數(shù)3。具有放射性。自然界中存在極微，從核反應制得。主要用于熱核反應。
氫-4：是氫的同位素之一，它包含了質(zhì)子和三個中子。在實驗室里，是用氘的原子核來轟炸氚的原子核，來合成一個氫4的原子核。在這過程中，氚的原子核會從氘的原子核上吸收一個中子。氫4的質(zhì)量為4.0279121U，半衰期為9.93696x10秒。
氫-4.1：結(jié)構(gòu)上類似氦，它包含了1個質(zhì)子和2個中子，但因其中一個電子被渺子。由于渺子的軌道特殊，軌道非常接近原子核，而最內(nèi)側(cè)的電子軌道與渺子的軌道相較之下在很外側(cè)，因此，該渺子可視為原子核的一部分。所以整個原子可視為：“原子核由1個渺子、1個質(zhì)子和2個中子組成、外側(cè)只有一個電子”。因此可以視為一種氫的同位素，也是一種奇異原子。一個渺子重約0.1U，故名氫- 4.1(H)。氫-4.1原子可以與其他元素反應，和行為更像一個氫原子不是像惰性的氦原子。
氫-5：是氫的同位素之一，它的原子核包含了四個中子和一個質(zhì)子，在實驗室里用一個氚的原子核來轟炸氚，這讓氚吸收兩個氚原子核的質(zhì)子而形成了氫5。氫5的半衰期非常短，只有8.01930×10秒。
氫-6：不穩(wěn)定的氫同位素之一，它包含了一個質(zhì)子和五個中子，半衰期為3×10秒。
氫-7：不穩(wěn)定的氫同位素之一，它包含了一個質(zhì)子和六個中子。
圖表
符號 | Z(p) | N(n) | 原子質(zhì)量單位 (u) | 半衰期 | 原子核自旋 | 豐度 | 豐度的變化率 |
1H | 1 | 0 | 1.00782503207(10) | 穩(wěn)定 [>2.8×1023 年] | 1/2+ | 0.999885(70) | 0.999816-0.999974 |
2H | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | 穩(wěn)定 | 1+ | 0.000115(70) | 0.000026-0.000184 |
3H | 1 | 2 | 3.0160492777(25) | 12.32(2) 年 | 1/2+ | 痕量 | |
4H | 1 | 3 | 4.02781(11) | 2- | |||
4.1H | 2，有1個渺子 | 2 | 4.11603(2181)# | >2×10-6 s? | 0+# |
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備注:畫上＃號的數(shù)據(jù)代表沒有經(jīng)過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括號括起來的代表數(shù)據(jù)不確定性。
氫同位素分離
氫同位素分離是氚的燃料循環(huán)中不可缺少的重要單元。依據(jù)氫同位素物理或化學性質(zhì)的微小差異，已發(fā)展了低溫精餾、色譜、熱擴散等不同的處理工藝。根據(jù)氫同位素的六種分子(H2、HD、HT、D2、DT、T2)沸點存在微小差異的特性，可以選擇低溫精餾工藝進行分離。低溫精餾工藝具有處理量大、分離因子高、連續(xù)操作的獨特優(yōu)勢，在國外已經(jīng)廣泛應用于重水生產(chǎn)、CANDU堆重水除氚和升級、聚變堆氘氚燃料循等各個領(lǐng)域。低溫精餾工藝的不足之處為一次性投資大，測控和安全要求高，在處理高品位氚時需采取有效措施嚴格控制滯留量。
1、低溫精餾關(guān)鍵單元技術(shù)
精餾是化工上常見的分離工藝，然而對于氫同位素分離而言，由于其苛刻的低溫分離條件，在工程上必須突破氣體純化、制冷與真空、測量與控制、安全防護、理論設計等幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)。氣體純化進入精餾的原料氣體中往往會含有水汽、氧、氮、二氧化碳等雜質(zhì)氣體，在20K的低溫條件下，這些雜質(zhì)氣體會固化，隨著時間增長慢慢累積，阻塞管道和精餾塔，使閥門和控制設備失靈，嚴重時引發(fā)安全事故。因此，必須在原料氣體進入精餾系統(tǒng)前，將其中的雜質(zhì)氣體去掉，原料氣純化系統(tǒng)是氫低溫精餾裝置系統(tǒng)中不可缺少的重要單元，往往通過干燥、低溫吸附等工藝級聯(lián)的方法將雜質(zhì)氣體濃度控制在10以下。
2、制冷與真空
精餾過程所需要的低溫環(huán)境，是由制冷與真空系統(tǒng)提供的。商業(yè)化的大型低溫制冷機能夠長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，可靠性非常高，已得到廣泛的應用。如林德公司和法液空都生產(chǎn)各種型號的氦制冷機，制冷量可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，可以在不同溫度級上輸出冷量，可以用液氮預冷也可以無需液氮預冷。
3、測量與控制
精餾塔內(nèi)的溫度、壓力、液位等操作參數(shù)的監(jiān)測和控制是精餾過程能夠順利進行的必要條件，同時，為了獲得好的分離效果，通常會選擇不同的回流比進行操作，這些都需要測控系統(tǒng)配合完成。由于各種氫同位素的沸點僅有微小差異，溫度控制精度要求±0.1K。精餾塔壓力一般選擇常壓操作，控制精度±100Pa。
4、安全防護
安全也是低溫精餾氫同位素分離面臨的一個重要問題。氫本身為易燃易爆氣體，在空氣中爆炸極限濃度為4%，因此系統(tǒng)必須保證密封良好無泄漏；對于含氚體系的分離，除了防爆檢測以外，還要有嚴格的放射性監(jiān)測、防護措施。此外，如果因外界停電引起制冷系統(tǒng)停機，液氫失去低溫環(huán)境汽化，這會產(chǎn)生極大的壓力毀壞系統(tǒng)甚至引起爆炸。通常設計專門的貯氣罐，用于制冷機發(fā)生故障時貯存液氫汽化出來的氫同位素氣體。在低溫條件下，也要確保閥門、泵等的正常工作。因此，上述問題除了在系統(tǒng)設計階段采取周密的技術(shù)方案外，還要建立完善的操作規(guī)程，對操作人員進行系統(tǒng)的安全教育和培訓，并制定切實可行的應急預案。
5、理論設計
氫同位素分離過程的影響因素是非常多的，總理論板數(shù)、回流比、進料位置、操作壓力等都會對分離效果產(chǎn)生影響。此外，在工程應用中，氫同位素涉及的體系往往很多，需要通過多柱級聯(lián)的手段才能進行分離，為了降低系統(tǒng)滯留量和增強分離能力，通常還需要加入側(cè)線歧化器。理論計算的目的在于揭示影響分離性能的各種因素，揭示分離過程各種組分濃度以及溫度等參量的變化規(guī)律性，為精餾柱設計和系統(tǒng)操作運行提供理論指導。因此，理論模擬作為認識和洞察分離過程規(guī)律的重要手段受到了重視。
6、化學平衡器
在氫同位素的六種分子中，HD、HT、DT的分離必須加入化學平衡器，在鉑或鈀的催化作用下發(fā)生歧化反應，返回精餾柱進一步分離。歧化反應會對精餾柱上的各種操作參數(shù)產(chǎn)生影響，只有在對產(chǎn)品純度要求嚴格的情況下采用。
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