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    輕核燃料的制備

    2018/1/11 10:03:39

    原子彈和裂變反應堆,使用重核燃料的裂變反應所釋放的能量。氫彈和聚變反應堆,使用輕核燃料的聚變反應所釋放的能量。

    前面介紹了重核燃料的生產和制備,這一章要談談輕核燃料的生產和制備。輕核燃料這里主要介紹氚、氘化鋰-6和氦-3

    1.氫家三兄弟 品性有差異

    氫有三兄弟,人們稱之謂氕(即氫)、氘和氚。氫在自然界中很豐富,氘的量不多,氚的量非常少。氫與氧化合生成普通水;而氘和氧化合生成重水,氘化水;氚與氧化合生成氚水、氚化水、氘氚水。

     

    氫家三兄弟

     

    2.反應堆產氚和重水提氚

    氚在自然界中儲量很少,實用的氚靠人工制造,目前主要采用反應堆產氚和重水提氚。反應堆生產氚是通過鋰-6或氘的中子核反應。

    鋰的中子核反應,是用高富集鋰-6的合金或陶瓷體做成的靶件,放到反應堆中去輻照。兩者相比,以陶瓷靶生產氚效果更好。陶瓷靶是用含鋰的陶瓷做芯體,不銹鋼或鋁合金做包殼,制成靶件。靶件受中子輻照之后,除產生氚之外,還會產生許多其他同位素,所以必須進行純化。

    重水在反應堆中受中子照射,通過D(n,γ)T反應而生成氚。從重水反應堆的重水中提氚的方法有多種,例如:利用化學性質差異的化學交換法(如催化交換法);利用遷移率不同的電解法;利用揮發度不同的蒸餾法;此外,還有色譜法、熱擴散法、激光法等。現在,用得比較多的是催化交換法和聯合電解的催化交換法。在法國、加拿大、印度、韓國等國家中,有的已進入工業應用,有的尚在開發研究。

    利用加速器生產氚是通過核反應獲得,如:

     + -9   + -8

     +    + 質子

    中子 + -6   + -4

    這些方法生產氚,還沒有形成規模生產或者使用者尚不多。

    3.怎樣制備氘化鋰-6

    談氘化鋰-6,首先要說一說氘。氘是穩定同位素,不帶放射性,用“D”來表示。氘所形成的水稱為重水(D2O)。在天然水中,它以氘化水(HDO)形式出現,豐度約為0.015%。氘的制備比氚要簡單,可以從天然水中提取,其提取方法有雙溫交換法、水電解法和液氫精餾法等。氘的用途可以重水形式做反應堆的慢化劑,以氘或氘-氚形式做聚變堆的燃料,還可以做成氘化鋰-6,做氫彈的裝料。

    氘和重水的制備相對于氚來說容易得多,但重水的價格相當于黃金的價格。

    再談一談鋰-6,鋰在自然界中分布很廣。在天然鋰中,有鋰-6和鋰-7兩種同位素,鋰-67.5%,鋰-792.5%

    -6和鋰-7的分離方法很多,有物理法和化學法。物理法如電磁法、電解法、電遷移法、蒸餾法和激光法等。化學法如萃取法、沉淀法、離子交換法、鋰汞齊法等。目前工業上用得最多的分離法是鋰汞齊-鋰溶液化學交換法。鋰汞齊法有汞污染缺點。冠醚化學分離法等新分離技術正在開發研究中。得到鋰-6之后,將氘氣和金屬鋰-6在坩堝中加熱達到700~750℃,就可合成氘化鋰-6,用做氫彈的裝料。

    4.向月球索取核燃料氦-3

    -3有多種多樣的用途,它是核聚變的重要燃料。

    -3是氦氣的一種穩定同位素,沒有放射性。在大氣和礦物質中,氦-3的含量很少。但是,人們探月發現,月球上蘊藏著豐富的氦-3。它儲藏在鈦礦層里,分布在月球表面的淺土層中。據估算,月球上的氦-3的貯量為100~500萬噸,可供全球數十萬年之用。將這種富鈦土加熱到700℃,氦-3就會釋放出來。

    -3和氘進行聚變反應,釋放出高能質子,不是放出中子。這可大大減輕材料的輻射損傷和降低感生放射性的水平,少產生放射性廢物。所以,向月球索取核燃料氦-3,已成為核科學家和工程技術人員奮斗的重要目標之一。

     

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