氫同位素

自然界中氫以H（氕，H），H（氘，D），H（氚，T）三種同位素的形式存在，相對丰度分別為約99.9844%、約0.0156%、低於0.001%，其中氚具放射性，半衰期為12.46年。

天然物質的氫同位素組成由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，研究大氣降水的成岩成礦作用及石油與天然氣的成因。可用於熱核反應和標記化合物等。

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%。由於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。

液氫精餾、水電解或重水分解均可大規模製氘。液氖吸收法制氘的成本可與液氫精餾法相比。吸附分離與色譜分離是小規模製氘的好方法。利用像熱擴散塔中實行自然對流的電泳法，設備簡單、能耗小，預計可以以硫化氫雙溫交換過程（GS過程）競爭。激光分離氫同位素是很有希望的方法。採用氟化氘-水激光分離體系，投資比GS過程節約80%～90%，操作費用節約5/6，已接近實現工業生產水平。

氕〈piē〉：原子質量為1的普通的輕氫同位素。氫的同位素之一，符號H。質量數1。它是氫的主要成分。氕（1H）通常稱為氫，它是氫的主要穩定同位素，其天然丰度為99.985%，按原子百分數計，它是宇宙中最多的元素，在地球上的含量僅次於氧，它主要分佈於水及各種碳氫化合物中，在空氣中的含量僅為5X10 -5%。氕的原子序數為1，原子量為1.007947。在常溫下，它是無色無臭的氣體。

氘 ：氫的同位素，其原子量為普通輕氫的二倍，少量的存在於天然水中，用於核反應，並在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子。

氘為氫的一種穩定形態同位素，也被稱為重氫，元素符號一般為D或2H。質量數2。它的原子核由一顆質子和一顆中子組成。在大自然的含量約為一般氫的7000分之一，用於熱核反應。重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體，是普通氫的一種穩定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%～0.0157%。其化學性質與普通氫完全相同。但因質量大，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射線后形成質量數為三的氦。用中子轟擊鋰可產生氚。氫的同位素之一，即"超重氫"。符號T，質量數3。具有放射性。自然界中存在極微，從核反應製得。主要用於熱核反應。

氫-4：是氫的同位素之一，它包含了質子和三個中子。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的質量為4.0279121U，半衰期為9.93696x10秒。

氫-4.1：結構上類似氦，它包含了1個質子和2個中子，但因其中一個電子被渺子。由於渺子的軌道特殊，軌道非常接近原子核，而最內側的電子軌道與渺子的軌道相較之下在很外側，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個質子和2個中子組成、外側只有一個電子”。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：不穩定的氫同位素之一，它包含了一個質子和五個中子，半衰期為3×10秒。

氫-7：不穩定的氫同位素之一，它包含了一個質子和六個中子。

備註:畫上＃號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括弧括起來的代表數據不確定性。

氫同位素分離是氚的燃料循環中不可缺少的重要單元。依據氫同位素物理或化學性質的微小差異，已發展了低溫精餾、色譜、熱擴散等不同的處理工藝。根據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、連續操作的獨特優勢，在國外已經廣泛應用於重水生產、CANDU堆重水除氚和升級、聚變堆氘氚燃料循等各個領域。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採取有效措施嚴格控制滯留量。

1、低溫精餾關鍵單元技術

精餾是化工上常見的分離工藝，然而對於氫同位素分離而言，由於其苛刻的低溫分離條件，在工程上必須突破氣體純化、製冷與真空、測量與控制、安全防護、理論設計等幾個方面的關鍵技術。氣體純化進入精餾的原料氣體中往往會含有水汽、氧、氮、二氧化碳等雜質氣體，在20K的低溫條件下，這些雜質氣體會固化，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，嚴重時引發安全事故。因此，必須在原料氣體進入精餾系統前，將其中的雜質氣體去掉，原料氣純化系統是氫低溫精餾裝置系統中不可缺少的重要單元，往往通過乾燥、低溫吸附等工藝級聯的方法將雜質氣體濃度控制在10以下。

2、製冷與真空

精餾過程所需要的低溫環境，是由製冷與真空系統提供的。商業化的大型低溫製冷機能夠長期連續運轉，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各種型號的氦製冷機，製冷量可根據需要調節，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

精餾塔內的溫度、壓力、液位等操作參數的監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，通常會選擇不同的迴流比進行操作，這些都需要測控系統配合完成。由於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%，因此系統必須保證密封良好無泄漏；對於含氚體系的分離，除了防爆檢測以外，還要有嚴格的放射性監測、防護措施。此外，如果因外界停電引起製冷系統停機，液氫失去低溫環境汽化，這會產生極大的壓力毀壞系統甚至引起爆炸。通常設計專門的貯氣罐，用於製冷機發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設計階段採取周密的技術方案外，還要建立完善的操作規程，對操作人員進行系統的安全教育和培訓，並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、迴流比、進料位置、操作壓力等都會對分離效果產生影響。此外，在工程應用中，氫同位素涉及的體系往往很多，需要通過多柱級聯的手段才能進行分離，為了降低系統滯留量和增強分離能力，通常還需要加入側線歧化器。理論計算的目的在於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律性，為精餾柱設計和系統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產生影響，只有在對產品純度要求嚴格的情況下採用。

● 氕

● 氘

● 氚

● 奇異原子

● 渺子偶素

● 電子偶素

● 金屬氫