产氚堆

以生产氚为主要目的的反应堆

即以生产氚为主要目的的反应堆。通常在反应堆内，利用热中子与6Li的核反应进行生产。氚用于制造核武器，可以发生热核反应释放出大量的能量。用于聚变反应堆则是人类取之不尽的能源。

反应简介

产氚堆

以生产氚为主要目的的反应堆。能够大量生产氚的主要反应堆是重水反应堆。石墨水堆、高温气冷堆、气冷石墨堆以及高通量同位素堆也可以生产氚。

自然界几乎不存在氚(仅为氢的10-18)，必须用人工方法制备。通常在反应堆内，利用热中子与6Li的核反应进行生产：

63Li+10n→31H(或T)+42He

在堆内生产氚的关键是辐照靶件。对靶件的基本要求是锂—6的浓度要大，不含氢、无其它中子吸收截面大的杂质、辐照性能稳定、易于从辐照过的靶件中将氚分离出来以及不需要处理便可反复使用和容易加工等。

可用的辐照靶件有氢化锂、镁锂合金和铝锂合金。铝锂合金具有良好的辐照稳定性，氚的产额和纯度都比较高，易于将氚分离出来，因而为多数国家采用。

现代产氚堆

当今氚在聚变方面的应用主要有两个领域，一是军用。众所周知，在原子弹爆炸达到的108℃温度下，氚可以发生热核反应，其中主要的是氚氘反应和氢氚反应，反应结果释放出大量的能量，这就热核武器的基本原理。21世纪，核武器发展的方向是小型化、高效率，而氚是设计这类核武器的关键原料，加氚可以提高裂变武器和热核弹头列变板机的当量。二是，聚变反应堆。这是人类取之不尽的能源，是21世纪后50年内最理想的能源，为了实现聚变，氘氚堆首先把氘氚燃料加热到1亿度，而且要把高温氘氚燃料用容器密闭起来，使温度不下降，氘氚核不跑脱，从而产生连续的热核反应。为了进行聚变反应，必须要大量的氚。如一个大型的聚变装置注入离子源的氚达36万居里。

影响

氚是生产热核武器必要的原料，而且氚要自然衰变，因此氚的生产是有核国家维持核武库以及改进核武器的性能必不可少的条件，有核国家视它为最重要的战略物资，力求维持其生产。即使在禁产公约中，氚也不被列入禁产范围。

21世纪，核武器发展的方向是小型化、高效率，而氚是设计这类核武器的关键原料，加氚可以提高裂变武器和所有聚变武器中的扳机。助爆裂变武器具有效率高、轻便和威力大的优点，助爆型的裂变武器，其威力一般为几十万吨TNT当量，而理论上可接近100万吨。助爆裂变武器的关键组件是组合芯，其中心部位是聚变材料。美国采用的是氘和氚的混合气体，而且是在裂变反应开始后，用高压把D—T的混合物注入组合芯中的。

氚有广泛的民用前途，其主要的民用方向是为聚变堆提供燃料，聚变堆的燃料是氘氚燃料，此外，氚还是制发光材料的一种原料，有着广泛的应用前景。

技术难点：产氚堆主要有四种堆型，即重水堆、高温气冷堆、石墨水冷堆和研究堆。它们公共的问题是建堆费用昂贵，新建一个重水产氚堆和高温气冷大约都需要55亿美元。其次环境安全问题，利用反应堆产氚不仅有反应堆的安全问题，而且还涉及到氚的安全问题，这两方面的安全问题都必须加以认真对待。第三是核不扩散的问题，由于产氚堆多数是用高浓铀作燃料，这些高浓铀一旦被转移出去，很容易用于制造核武器，因此美国主要用低浓铀作燃料的重水堆来生产氚，但是用低浓铀作燃料生产氚，使生产氚的能力下降25%，反应堆的基建投资增加近3亿元，反应堆的尺寸增加，而且反应堆的运行费用，废物的处理和处理费用都有很大的增加。

产量概况

生成历史

自1934年Soddy首次发现氚以来，氚的研究和生产已经有60多年的历史。对氚的研究和生产可分为两个阶段，在1954年热核武器的首次试验之前，人们对氚的研究纯属科学性的，主要研究氚的物理化学性质和测定氚在自然界中的含量。1954年前，人闪发现地球上约有2公斤的天然氚，其中10克存大气中，13克在地下水中，而其余的氚大都存海水中。首次热核爆炸后，人们开始大规模的生产氚，并对氚的各种化合物进行了广泛的研究，氚不仅用于军事目的，而且也有广泛的民用领域。

目前世界上大规模生产氚都是采用在反应堆中辐照天然锂的办法。氚的生产包含铝—锂靶件的制备，靶件在堆中辐照，从靶件中提取氚，以及氚的纯化和浓缩。2H(d,p)H3反应导致了氚的发现，但是由于难以制备能抗大通量的加速器用的产氚靶，此法没有得到实际应用。在回旋加速器中轰击铍靶可以制备大量的氚，氚也可以作为核动力堆的废物，从载热剂(D2O)和慢化剂(D2O)中提取。

自50年代初以来，美国已经大规模地生产氚，到1982—84年氚的产量达到最高峰，年产氚约10公斤，而1988年全部关闭了军用产氚堆，到1990年美国累积产氚约225公斤，而氚的贮量约100公斤。俄罗斯的产氚堆至今还在运行，估计氚的累积产量和贮存量大体与美国相当。据国外估计，英国和法国氚的贮量大约在5公斤左右。当前尽管美、俄正在进行一系列核裁军谈判，但他们没有全部销毁核武器，而且还在不断改进核武器性能，因此氚的生产仍是两国优先考虑的项目，以改进氚的供应，维持先进核武器系统的有效性。

美国核武器用氚最初是由建在汉福特的轻水冷却石墨慢化反应堆提供的。表1列出汉福特生产的氚。早已知道，汉福特的8座生产堆在1971年即已全部停运，而氚的生产继续到1973年，这说明轻水冷却石墨慢化生产—发电两用堆也参加了氚的生产。

年度产氚量

表：美国汉福特轻水石墨堆生产的氚

年度产氚量(g) 年度产氚量(g)

1949 15 1962 905

1950 45 1963 998

1951 121 1964 1776

1952 398 1965 857

1953 257 1966 51

1954 770 1967 1096

1955 538 1968 1245

1956 79 1969 135

1957 71 1970 11

1958 109 1971 79

1959 149 1972 0

1960 258 1973 149

1961 447 合计 10600

为了增加氚的供应和保证氚的来源，美国在萨凡纳河基地建造了5座以生产氚为主要目的之一的大型重水堆。其中一座(R堆)于1953年末投入运行，其余四座(P，L，K和C)于1954年—1955年投入生产。关于萨凡纳河重水堆的产氚量，美国官方至今仍未公布，表2所列数据是估计得出的2。1964年和1968年美国先后停闭了萨凡纳河两个重水堆(R堆和L堆)，氚的产量大幅度下降，1965年—1981年，美国年产氚约3公斤。1982年开始，里根政府实施扩大核武器积累计划，重新启动萨凡纳河L堆，氚的产量大幅度增加，80年代初，美国年产氚约为10公斤。据Cochran等估计，美国到1984年大约累计生产了190公斤氚，而1985年—88年间它生产了35公斤氚，总共生产了225公斤氚。1988年，美国停止了所有的生产堆，从此，美国停止了大规模地生产氚。由于氚每年要衰变掉5.5%，因此美国氚的储备量少于生产积累量。估计美国氚的储备量在100公斤左右，此数小于原先计划的储备量，而大体上与美国现有核武器所需的氚量相当。据报道，美国现有中子弹约400颗，核弹头约20000个，如果按每个中子弹需要氚15克和每个核弹头需要氚4克计算，则美国装备这些核武器需氚约90公斤。由于氚每年衰变减少5.5%，氢如要维持这些核武器每年需要补充6公斤的氚，但自1988年8月以来，美国的产氚堆一直没有运行，因此氚的供应发生了短缺。为了克服氚的短缺，美国采取了一些措施，包括短期措施与长期措施。

生产量和库存量

表：　萨凡纳河工厂氚的释放量和以此估计的生产量及库存量

生产量和库存量

F 和H 分离区根据释放量估计高低

年份例行释放的氚年度产量库存量年度产量库存量年度产量库存量

kCi kg kg kg kg kg kg

1955 20 0.2 0.2 1.00 1.0 0.5 0.5

1956 420 4.9 4.9 2.45 3.3 7.35 7.6

1957 1120 12.8 17.1 3.65 6.7 15.51 22.3

1958 2250 25.7 41.2 4.20 10.4 28.35 48.6

1959 820 9.4 48.0 5.80 15.5 10.15 55.8

1960 645 7.4 52.6 6.25 20.7 10.94 63.4

1961 654 7.5 57.0 6.54 25.8 11.29 70.9

1962 736 8.4 62.0 6.35 30.6 11.11 77.9

1963 736 8.4 66.8 6.30 35.0 11.02 84.3

1964 963 11.0 73.9 6.45 39.4 12.18 91.6

1965 311 3.6 73.3 4.25 41.4 2.13 88.6

1966 301 3.4 72.6 4.40 43.4 2.20 85.9

1967 308 3.5 72.1 5.20 46.1 2.60 83.7

1968 411 4.7 72.7 4.95 48.4 4.95 84.0

1969 272 3.1 71.8 3.50 49.1 3.50 82.8

1970 246 2.8 70.6 3.00 49.4 3.00 81.2

1971 379 4.3 70.9 2.85 49.4 2.85 79.5

1972 530 6.1 73.0 3.50 50.1 10.21 85.1

1973 312 3.6 72.4 3.77 51.1 3.77 84.1

1974 189* 2.2 70.6 3.82 52.0 3.82 83.2

1975 143* 1.6 68.3 2.82 51.9 2.82 81.4

1976 125 1.4 66.0 4.05 53.0 4.05 80.9

1977 192 2.2 64.5 2.62 52.6 2.62 79.0

1978 192 2.2 63.1 2.42 52.1 2.42 77.0

1979 180 2.1 61.7 2.38 51.6 2.38 75.2

1980 200 2.3 60.5 2.90 51.6 2.90 73.9

1981 231 2.6 59.8 2.76 51.4 2.76 72.5

1982 257 10.8 67.0 10.79 59.1 10.79 79.1

1983 407 10.2 73.2 10.21 65.8 10.21 84.7

1984 10.2 79.2 10.21 72.2 10.21 90.0

合计 178.6 139.3 208.6

* 不包括11974年5月2日事故释放的470000居里和1975年12月31日事故释放的182000居里。

短期措施主要对库存氚进行有效管理，具体办法是：

①拆除原子弹，回收氚，重新制造；

②加速陈旧核武器的退役；

③减少某些核弹头的威力；

④放慢一些新核弹头的部署；

⑤延长氚存核弹头组合芯的存放时间；

⑥从国外购买氚；

⑦减少出售氚的量。

长期措施

产氚堆的氚生产或建造新的产氚设施。80年代末，美国考虑了许多产氚的长期方案，这些方案包括：

①建造新的产氚堆，曾考虑了9种堆型，后来集中在新建重水堆和高温气冷堆的两种堆型，两种新建堆的建造费用大约各需要55亿美元。

②修复萨凡纳河重水堆(K堆)，为了修复萨凡纳河K堆，使之备用，每年的总费约2亿美元。

③用加速器生产氚，加速器产氚在技术上可行的，而且放射性废物产生少、安全和环境保护问题易于解决，但投资高，建一台大型加速器多氚，投资约50亿美元。

④利用研究堆产氚。美国可以用来生产氚的研究堆很多(表3)。但最有前途的是快中子通量试验堆。用它来生产氚，每年运行费用约为8800万美元，最大和最佳产氚量为分别为1.8公斤和0.5公斤/年。

表：美国热功率30兆瓦以上研究堆的核材料生产能力

热功率，燃料堆的时产氚量,最产钚量，最运行费

堆名兆瓦 235U的类型间利用大—最佳，大—最佳，用*美元

丰度，% 率，% 公斤/年公斤/年 /年

快中子 400 12%240Pu 氧化物芯块 75 1.8—0.5 140—44 8800万

能量试

验装置(FFTF)

先进试验堆 25 93 Al/U金属 70 0.7—0.04 55—1.6 1900万

(ATR)

工程试验堆 175 93 Al/U金属 90 0.6—0.18 49—7.1 820万

(ETR)

高通量同位素 100 93 Al/U金属 94 0.4—0.17 29—6.7 470万

反应堆(HFIR)

高通量束反应 40 93 U3O8—Al 80 0.1—0.02 10—1.0 270万

应堆(HFBR) 金属陶瓷芯块

橡树岭研究反30 93 U3O8—Al 85 0.1—0.03 8—1.2 180万

应堆(ORR) 金属陶瓷芯块

总计 995 — — — 3.7—0.9 291—61.6 —

* 1994年美元值。

⑤利用商业核电站产氚。

各国情况

美国

1995年12月6日，美国能源部颁布了双轨途径生产氚的计划，首先是利用核电站来生产氚，其次是设计、建造新的产氚加速器。萨凡纳河工厂计划建造一个加速器来生产氚，根据最近国会预算办公室的估计，建造一个加速器来生产氚，1997—2010年内要花67.2亿美元，而利用核电站生产氚的费用为23.5亿美元。前者要到2011年才能提供氚，可后者在2005年就可以提供氚。如果马上需要氚，美国能源部考虑用汉福特工厂的高通量试验堆(FFTF)来生产氚。

能源部最近与田纳西流域管理局(TVA)签定了一个合同，将利用瓦兹·巴尔核电站作生产氚的试验。美国核管会已批准了这个试验计划。

对两个方案生产氚的1998年计划，能源部申请的预算是1.84亿美元为运行费用，2.08亿美元为改造费用，但这个计划需经议会批准，而且还是对1954年的原子能法作修改，允许民用核设施生产军用氚。

最近国会预算办公室估计，如果用核电站生产氚就可以减少核武库管理计划的费用，即到2002年减少19亿美元，到2010年减少54亿美元。1997年6月25日，众议院通过了1998年的国防当局提出的修正议案，即同意1998年为氚的生产提供1.84亿美元的运行费用和2.08亿美元的生产设施改建费用。1997年7月15日和7月25日众、参两院分别批准了这个预算案。1997年9月15日美国核管会也批准了用核电站试验生产氚的方案。

前苏联

前苏联产氚情况不详，据西方估计，在车里雅宾斯克—65有两座轻水慢化的反应堆专门生产氚，其中一座最初是重水堆，后来改为轻水冷却的。重水堆1950—1951年投入运行，功率最初为850 MWt，后来提高到1000 MWt，轻水堆1970年投入运行，功率为1000 MWt。估计这两个堆到80年代中期约生产12吨当量的钚，按生产1克氚可生产72克钚折算，氚的累计生产量约170公斤。据西方估计，这二座产氚堆日前还在运行，日前年产氚约6.9公斤，而70年代约7.3公斤/年。到1994年俄罗斯氚的贮备量(扣去衰变量)约100公斤。

英国

英国氚生产的情况不清，一部分氚由查佩尔克罗斯石墨气冷堆生产，另一部分是从美国进口的，按照1958年美—英共同防御协定，英国用钚换取美国的高浓铀与氚。到1990年英国累计产钚约4.1吨，如果按10%比例产氚，则英国氚的累计生产量约6公斤。年补充量约300克氚。

法国

法国主要的利用塞莱斯廷1号、2号重水堆产氚，其产量不详。到1990年法国钚的累计生产量为5—8.2吨，武器级钚贮量为6吨，法国现有核弹头500个，其氚的累计产量估计约为8公斤，年补充量约为400克。

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