氢同位素

化学术语

自然界中的氢以氕（1H）、氘（2H）、氚（3H）三种同位素的形式存在。

主要类型

自然界中氢以1H（氕，H），2H（氘，D），3H（氚，T）三种同位素的形式存在，相对丰度分别为约99.9844%、约0.0156%、低于0.001%，其中氚具放射性，半衰期为12.46年。

应用

天然物质的氢同位素组成由D/H比值确定的δ（D）表示，以标准平均海洋水（SMOW）作为标准品。在地球科学中氢同位素通常与氧同位素或碳同位素配合，研究大气降水的成岩成矿作用及石油与天然气的成因。可用于热核反应和标记化合物等。

原油的δ（D）值一般在-80‰～-160‰之间，而天然气的δD值在-105‰～-270‰之间，比石油δ（D）值低。石油和天然气中的H含量分别比普通水高60%和79.39%。由于油气与水的氢同位素交换，因而使同油气聚集伴生的水2H含量也增高。

液氢精馏、水电解或重水分解均可大规模制氘。液氖吸收法制氘的成本可与液氢精馏法相比。吸附分离与色谱分离是小规模制氘的好方法。利用像热扩散塔中实行自然对流的电泳法，设备简单、能耗小，预计可以以硫化氢双温交换过程（GS过程）竞争。激光分离氢同位素是很有希望的方法。采用氟化氘-水激光分离体系，投资比GS过程节约80%～90%，操作费用节约5/6，已接近实现工业生产水平。

主要特点

氕〈piē〉：原子质量为1的普通的轻氢同位素。氢的同位素之一，符号H。质量数1。它是氢的主要成分。氕（1H）通常称为氢，它是氢的主要稳定同位素，其天然丰度为99.985%，按原子百分数计，它是宇宙中最多的元素，在地球上的含量仅次于氧，它主要分布于水及各种碳氢化合物中，在空气中的含量仅为5X10 -5%。氕的原子序数为1，原子量为1.007947。在常温下，它是无色无臭的气体。

氘：氢的同位素，其原子量为普通轻氢的二倍，少量的存在于天然水中，用于核反应，并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子。

氘为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或2H。质量数2。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一，用于热核反应。重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体，是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%～0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同。但因质量大，反应速度小一些。

氚〈chuān〉：氢的放射性同位素，原子量为普通氢的三倍，半衰期12.5年，蜕变时放出β射线后形成质量数为三的氦。用中子轰击锂可产生氚。氢的同位素放射性。自然界中存在极微，从核反应制得。主要用于热核反应。

氢-4：是氢的同位素之一，它包含了质子和三个中子。在实验室里，是用氘的原子核来轰炸氚的原子核，来合成一个氢4的原子核。在这过程中，氚的原子核会从氘的原子核上吸收一个中子。氢4的质量为4.0279121U，半衰期为9.93696x10-23秒。

氢-4.1：结构上类似氦，它包含了1个质子和2个中子，但因其中一个电子被渺子。由于渺子的轨道特殊，轨道非常接近原子核，而最内侧的电子轨道与渺子的轨道相较之下在很外侧，因此，该渺子可视为原子核的一部分。所以整个原子可视为：“原子核由1个渺子、1个质子和2个中子组成、外侧只有一个电子”。因此可以视为一种氢的同位素，也是一种奇异原子。一个渺子重约0.1U，故名氢- 4.1(H)。氢-4.1原子可以与其他元素反应，和行为更像一个氢原子不是像惰性的氦原子。

氢-5：是氢的同位素之一，它的原子核包含了四个中子和一个质子，在实验室里用一个氚的原子核来轰炸氚，这让氚吸收两个氚原子核的质子而形成了氢5。氢5的半衰期非常短，只有8.01930×10秒。

氢-6：不稳定的氢同位素之一，它包含了一个质子和五个中子，半衰期为3×10秒。

氢-7：不稳定的氢同位素之一，它包含了一个质子和六个中子。

相关图表

备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

氢同位素分离

氢同位素分离是氚的燃料循环中不可缺少的重要单元。依据氢同位素物理或化学性质的微小差异，已发展了低温精馏、色谱、热扩散等不同的处理工艺。根据氢同位素的六种分子(H2、HD、HT、D2、DT、T2)沸点存在微小差异的特性，可以选择低温精馏工艺进行分离。低温精馏工艺具有处理量大、分离因子高、连续操作的独特优势，在国外已经广泛应用于重水生产、CANDU堆重水除氚和升级、聚变堆氘氚燃料循等各个领域。低温精馏工艺的不足之处为一次性投资大，测控和安全要求高，在处理高品位氚时需采取有效措施严格控制滞留量。

1、低温精馏关键单元技术

精馏是化工上常见的分离工艺，然而对于氢同位素分离而言，由于其苛刻的低温分离条件，在工程上必须突破气体纯化、制冷与真空、测量与控制、安全防护、理论设计等几个方面的关键技术。气体纯化进入精馏的原料气体中往往会含有水汽、氧、氮、二氧化碳等杂质气体，在20K的低温条件下，这些杂质气体会固化，随着时间增长慢慢累积，阻塞管道和精馏塔，使阀门和控制设备失灵，严重时引发安全事故。因此，必须在原料气体进入精馏系统前，将其中的杂质气体去掉，原料气纯化系统是氢低温精馏装置系统中不可缺少的重要单元，往往通过干燥、低温吸附等工艺级联的方法将杂质气体浓度控制在10以下。

2、制冷与真空

精馏过程所需要的低温环境，是由制冷与真空系统提供的。商业化的大型低温制冷机能够长期连续运转，可靠性非常高，已得到广泛的应用。如林德公司和法液空都生产各种型号的氦制冷机，制冷量可根据需要调节，可以在不同温度级上输出冷量，可以用液氮预冷也可以无需液氮预冷。

3、测量与控制

精馏塔内的温度、压力、液位等操作参数的监测和控制是精馏过程能够顺利进行的必要条件，同时，为了获得好的分离效果，通常会选择不同的回流比进行操作，这些都需要测控系统配合完成。由于各种氢同位素的沸点仅有微小差异，温度控制精度要求±0.1K。精馏塔压力一般选择常压操作，控制精度±100Pa。

4、安全防护

安全也是低温精馏氢同位素分离面临的一个重要问题。氢本身为易燃易爆气体，在空气中爆炸极限浓度为4%，因此系统必须保证密封良好无泄漏;对于含氚体系的分离，除了防爆检测以外，还要有严格的放射性监测、防护措施。此外，如果因外界停电引起制冷系统停机，液氢失去低温环境汽化，这会产生极大的压力毁坏系统甚至引起爆炸。通常设计专门的贮气罐，用于制冷机发生故障时贮存液氢汽化出来的氢同位素气体。在低温条件下，也要确保阀门、泵等的正常工作。因此，上述问题除了在系统设计阶段采取周密的技术方案外，还要建立完善的操作规程，对操作人员进行系统的安全教育和培训，并制定切实可行的应急预案。

5、理论设计

氢同位素分离过程的影响因素是非常多的，总理论板数、回流比、进料位置、操作压力等都会对分离效果产生影响。此外，在工程应用中，氢同位素涉及的体系往往很多，需要通过多柱级联的手段才能进行分离，为了降低系统滞留量和增强分离能力，通常还需要加入侧线歧化器。理论计算的目的在于揭示影响分离性能的各种因素，揭示分离过程各种组分浓度以及温度等参量的变化规律性，为精馏柱设计和系统操作运行提供理论指导。因此，理论模拟作为认识和洞察分离过程规律的重要手段受到了重视。

6、化学平衡器

在氢同位素的六种分子中，HD、HT、DT的分离必须加入化学平衡器，在铂或钯的催化作用下发生歧化反应，返回精馏柱进一步分离。歧化反应会对精馏柱上的各种操作参数产生影响，只有在对产品纯度要求严格的情况下采用。

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